Текст (PDF):
Читать
Скачать
Введение Производство крахмалопродуктов и крахмала в мире постоянно увеличивается и занимает одно из ключевых позиций в экономике промышленно развитых стран. В последние десятилетия это связано как с быстрым ростом производства модифициро- ванных крахмалов, сахаристых продуктов из крах- мала, так и с организацией производства на основе крахмала биоразрушаемых полимерных мате- риалов. На стоимость крахмала значительно влияет сто- имость сырья и затраты на обработку по всем со- ставляющим технологического процесса производ- ства. Основными операциями технологического про- цесса крахмального производства являются: зама- чивание зерна кукурузы, выделение, промывание зародыша, а также мезги, далее выделение и кон- центрирование глютена и, наконец, промывание крахмала, все эти операции связаны с удалением жидкости. Следовательно, значительную долю в себестоимости кукурузного крахмала составляют затраты, связанные с расходом воды. При производстве кукурузного крахмала и со- путствующих ему продуктов могут быть использо- ваны две схемы водоснабжения - незамкнутая и замкнутая. В первой из них, незамкнутой, при замачивании зерен и промывании зародышей, мезги и крахмала используется чистая вода. В случае ис- пользования замкнутого технологического процес- са свежая вода используется только при промыва- нии крахмала, в остальных операциях используется возвратная осветленная глютеновая вода, получае- мая при концентрировании и обезвоживании глютена. Глютеновая вода, которая образуется в процессе разделения на сепараторах крахмало-белковой сус- пензии, при незамкнутом технологическом процес- се из-за большого содержания взвешенных веществ не может быть использована для оборотного водо- пользования, поэтому сливается в канализацию. Такие расходы экономически нецелесообразны и составляют значительную часть в себестоимости готовой продукции. Применение для концентрирования растворов и сточных вод крахмальных производств мембран- ных методов, например таких, как ультрафильтрация, является оправданной мерой, так как энергия в основном расходуется на разрыв межмолекулярных связей, отсутствует фазовый переход и т.д. [1, 2]. В работе [3] представлены экспериментальные данные по возможности проведения очистки и кон- центрирования разбавленного раствора сока карто- феля на ультрафильтрационных и нанофильтрационных мембранах, уточнены основные параметры, при которых проводится мембранное разделение. В источнике [4] приведены результаты ультра- фильтрационных исследований на керамических трубчатых мембранах фирмы Inopor GmbH по обработке картофельного сока и приведены экспериментальные данные по оптимизации данного про- цесса. Полученные в работе [4] экспериментальные данные были математически обработаны и легли в основу обобщенных уравнений, позволяющих с достаточно высокой достоверностью определять удельный поток и содержание сухих веществ в пермеате в зависимости от влияния на процесс уль- трафильтрации картофельного сока различных факторов воздействия. Таким образом, полученные авторами работы уравнения позволяют оптимизи- ровать процесс ультрафильтрации с целью получе- ния приемлемой производительности и минималь- ного содержания сухих веществ в пермеате. В материалах статьи [5] показано, что разделе- ние ультрафильтрата картофельного сока обратным осмосом при использовании элементов ЭРО-КНИ позволяет сконцентрировать раствор до 98 % по сухому веществу. Стоит отметить, что в получен- ном после данной обработки пермеате на данном модуле содержится всего 0,05 % сухих веществ. В этой же работе сделано предположение, что такой пермеат может использоваться для мойки картофе- ля, а концентраты (ретентаты) после ультрафиль- трационного и обратноосмотического концентри- рования добавлять в мезгу и использовать на корм скоту. В литературе [6] представлена конструкция мембранного аппарата со вставкой из несущего стрежня с несколькими коническими элементами, в котором происходят гидродинамические изме- нения, приводящие к снижению толщины при- мембранного слоя задерживаемых веществ. В ра- боте [6] отмечено, что экспериментальная провер- ка мембранного аппарата при концентрировании крахмального молока дала хорошие результаты, которые свидетельствуют о применимости вы- бранной конструкции на производстве. Проведен- ная авторами статистическая обработка результа- тов экспериментальных зависимостей с построе- нием регрессионной модели позволила выбрать оптимальные параметры режима функционирова- ния баромембранного аппарата: Т = 45 °С, Р = 0,25 МПа, при которых достигается максимальная ного крахмала, представленного в настоящей работе. Целью работы явилось исследование процесса обратноосмотического разделения технологических растворов крахмало-паточного производства как эффективного способа снижения себестоимости кукурузного крахмала. Объекты и методы исследований В качестве объектов исследования выступали: технологические растворы крахмало- паточного производства, исходным сырьем для которых выступала кукуруза; промышленно выпускаемые полупроницаемые обратноосмотические мембраны серии ОПМ-К и МГА-100. Выбор мембран обусловлен тем, что они стабильно выпускаются на промышленных производ- ствах (ЗАО НТЦ «Владипор» и компании MEM- BRANIUM (АО «РМ НАНОТЕХ»), г. Владимир), обеспечивают комплектацию их в рулонных филь- трующих элементах, обеспечивающих высокую производительность на единицу объема аппарата, а также нетоксичны, безопасны в работе, имеют хо- рошую задерживающую способность [7]. Снижение себестоимости кукурузного крахмала допустимо за счет уменьшения расхода воды при использовании рециркуляции промывочной жидкости, которая позволяет исключить сбросы технологических вод. В настоящее время задачу подготовки жидкости бытового и технического назначения можно ре- шить с помощью внедрения эффективных и эконо- мичных способов очистки растворов. Одним из таких способов являются мембранные технологии. В работе экспериментальные исследования бы- ли направлены на очистку и регенерацию техноло- гических растворов ОАО Хоботовское предприятие «Крахмалопродукт». Исследования по определению удельной произ- водительности и коэффициента задержания иссле- дуемых мембран проводились с использованием экспериментальной установки, схема которой представлена на рис. 1, основным ее элементом являлся плоскокамерный мембранный аппарат, оснащенный обратноосмотическими мембранами, рис. 2. производительность, равная 490∙10-6 м3/(м2 с). В рабо- те также отмечено, что проведено сравнение экспе- риментальных исследований разработанной авторами новой конструкции баромембранного аппарата и ис- пользуемого ранее прототипа и представлен вывод о 4 5 Вр3 1 Вр4 11 10 Вр7 8 9 том, что использование вставок в баромембранном аппарате позволяет увеличить производительность процесса по пермеату в 1,6 раза. В литературных источниках имеются данные по разделению растворов, содержащих крахмал, высо- коэффективными методами разделения с примене- Вр1 2 Вр2 3 7 Вр5 6 Вр6 нием мембран, как было отмечено выше [1-6], но в качестве исходного сырья в данных работах высту- пает картофельный крахмал в отличие от кукуруз- Рис. 1. Схема обратноосмотической установки плоскокамерного типа При разделении технологического раствора, со- держащего крахмал, установка работала следую- щим образом: технологический раствор из емкости исходного раствора 1 при помощи насоса дозатора 2 нагнетался в гидроаккумулятор 3, далее он попа- дал в плоскокамерный мембранный аппарат 8. Тех- нологический раствор, содержащий крахмал, вы- шедший из плоскокамерного обратноосмотическо- го аппарата 8 в виде ретентата, проходил через дроссели 10 и ротаметры 11 и возвращался обратно в емкость исходного раствора 1. Для снижения влияния пульсаций давления обратноосмотическая установка оснащалась гидроаккумулятором 3 с установленным в специальном штуцере маномет- ром 5. Гидроаккумулятор 3 заполнялся сжатым воздухом от 30 до 40 % от рабочего давления при помощи воздушно-поршневого компрессора 4, что визуально фиксировалось показаниями манометра 5. Контроль давления при разделении обратным осмосом технологического раствора, содержащего крахмал, в экспериментальной установке произво- дился образцовым манометром 6, а для автоматиче- ского регулирования подачи раствора конструкция установки была оснащена электроконтактным ма- нометром 7, который при помощи реле отключал насос дозатора 2 при превышении давления в уста- новке выше рабочего. Пермеат, прошедший сквозь поры мембраны и выходящий из плоскокамерного обратноосмотического аппарата 8, отводился само- теком в емкости пермеата 9. А 4 1 16 5 4 5 6 6 7 7 17 9 9 дочной прямоугольной поверхности типа «выступ» «впадина» через прокладку 14, опирающуюся на мембрану 10 при затягивании шпилек 5 с шайбами 6 и гайками 7. На внутренней стороне крышек 2 имеется прямоугольная посадочная поверхность под дренажные сетки 13 и поверхность большей прямоугольной формы под металлическую под- ложку 12, которая последовательно прижимает ватман 11 к мембране 10. Камера корпуса 1, крышки 2, патрубки ввода и вывода исходного раствора 3 и ретентата 4 соот- ветственно, штуцера 8 изготовлены из нержавею- щей стали Х18Н10Т. Плоскокамерный мембранный аппарат для раз- деления технологических растворов производства крахмала функционирует следующим образом: раствор подается через патрубок ввода исходного раствора 3 и по цилиндрическим каналам ввода исход- ного раствора 15 поступает между мембраной 10 и камерой корпуса 1, равномерно распределяется по всей площади плоского канала, затем отводится через цилиндрический канал вывода ретентата 16 и патрубок вывода ретентата 4. Некоторая часть рас- твора под действием давления проникает через мембрану 10, ватман 11, металлическую подложку 12, дренажную сетку 13 и по каналам 17 штуцеров 8 на крышках 2 отводится из аппарата. Толщина паронитовой прокладки выбиралась в диапазоне (0,53)10-3 м. Рабочая площадь мембран равнялась 0,0078 м2, скорость раствора составляла 0,25 м/с, давление 4 МПа, время эксперимента 3600 с. В процессе экс- периментов следили за температурой и давлением, измеряли производительность, отбирали и анали- зировали пробы ретентата и пермеата. Содержание растворенных органических веществ в технологи- ческих растворах оценивали по бихроматной окис- 3 15 11 12 8 2 3 А(2:1) 1 14 8 ляемости, показателю, получаемому для оценки ХПК бихроматным методом [8]. 2 Коэффициенты задержания рассчитывались по формуле Cпер R 1 , (1) Cисх 2 10 13 где Cисх , Cпер концентрация растворенного ве- Рис. 2. Конструкция плоскокамерного мембранного аппарата Плоскокамерный мембранный аппарат (рис. 2) состоит из камеры корпуса 1 с патрубками ввода исходного раствора 3 и вывода ретентата 4, двух крышек 2 с тремя штуцерами 8, расположенными по вертикали на осевой линии, на равном расстоя- нии друг от друга, с посаженными с натягом поли- этиленовыми трубками 9, цилиндрических каналов ввода и вывода исходного раствора 15 и ретентата 16 соответственно. Уплотнение камеры корпуса 1 с двумя крышками 2 осуществлено по плоской посащества в исходном растворе и пермеате, кг/м3. Определение гидродинамической проницаемо- сти мембран осуществлялось по [9]: V , (2) Р Fм где V - объем пермеата, м3; Fм - площадь рабочей поверхности мембраны, м; τ - время выполнения эксперимента, с; Р - рабочее давление, МПа. Результаты и их обсуждение Данные экспериментов по обратноосмотическому разделению технологических вод крахмало- паточного производства представлены в табл. 1. Таблица 1 Данные экспериментов по обратноосмотическому разделению технологических вод крахмало-паточных производств Типмембраны Сисхкг/м3 Среткг/м3 Спер,кг/м3 V.103,м3 ОПМ-К 2,15 2,15 0,333 0,396 3,05 0,54 0,391 3,85 0,73 0,386 4,1 0,8 0,38 6,5 1,43 0,374 МГА-100 2,15 2,15 0,45 0,144 3,05 0,65 0,142 3,85 0,86 0,14 4,1 0,93 0,137 6,5 1,58 0,133 На рис. 3 и 4 представлены результаты экспери- ментальных исследований по коэффициенту задер- жания и коэффициенту гидродинамической прони- цаемости в зависимости от концентрации раство- ренных веществ в разделяемом технологическом растворе. Рис. 3. Зависимость коэффициента задержания мембран ОПМ-К и МГА-100 от концентрации растворенных веществ в разделяемом технологическом растворе Из графиков рис. 3, 4 видно, что коэффициент задержания и коэффициент гидродинамической проницаемости с увеличением концентрации рас- творенных веществ в концентрируемом растворе в процессе обратного осмоса снижаются. Причиной уменьшения коэффициента задержа- ния является, вероятно, уменьшение количества воды в пограничных слоях обратноосмотической мембраны, а также образование текучей динамической мембраны, которая является дополнительным барьером при разделении технологического рас- твора. Снижение коэффициента гидродинамической проницаемости (рис. 4) объясняется возраста- нием осмотического давления раствора при его концентрировании и более быстрым образованием динамического слоя мембраны при росте концен- трации при разделении растворов, содержащих крахмал. Рис. 4 Зависимость коэффициента гидродинамической проницаемости мембран ОПМ-К и МГА-100 от концентрации растворенных веществ в разделяемом технологическом растворе Из рис. 3 видно, что в процессе обратного осмо- са при одинаковых условиях проведения экспери- ментов (температура, давление, рабочая площадь мембран и т.д.) наибольшей гидродинамической проницаемостью обладает мембрана типа ОПМ-К. Определяющим фактором в этом случае является вид полимера, из которого изготовлен активный слой мембраны, размер пор и особенности их рас- пределения по активной поверхности мембраны, толщина рабочего слоя мембраны, способность частичек крахмала агрегироваться на поверхности мембраны. Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что с помощью разделения технологических растворов методом обратного осмоса возможно перейти на замкнутый технологический процесс (при учете возможности проведения регенерацион- ных мероприятий, связанных с восстановлением задерживающих и проницаемых свойств мембран), при котором только для промывания крахмала ис- пользуется чистая вода, во всех других операциях применяется возвратная вода. Очистка растворов крахмало-паточных производств позволит исполь- зовать минимальное количество воды на ведение технологических процессов. Как следствие, затра- ты, составляющие значительную долю в себестои- мости кукурузного крахмала, будут снижены.