Як молочні переробники підвищують ефективність за допомогою мембранного концентрування.

Концентрування молока потребує від переробників видалення значних обсягів води зберігаючи при цьому якість продукції, продуктивності та стабільності роботи. Мембранні системи можуть зменшити кількість води, яку доводиться видаляти випарюванням чи сушінням, проте енергетичний виграш залежить від того, де застосовують мембрани і як спроєктовано весь процес концентрування. Про це пише Dairy Foods.

Головне:

  • мембранна фільтрація в поєднанні з тепловими технологіями підвищує ефективність і зберігає якість продукту;
  • зворотний осмос (RO) концентрує молоко за нижчих витрат енергії, ніж випарювання, бо видаляє воду без зміни фазового стану;
  • найбільший виграш дає цілісне проєктування заводу як єдиної системи, а не оптимізація окремого обладнання;
  • головні виклики — забруднення мембран (фаулінг), зростання в’язкості й осмотичного тиску в міру підвищення вмісту сухих речовин.

Пранав Шах, директор із ринку молочних і рослинних напоїв компанії APV, зазначає, що молочні переробники дедалі частіше впроваджують інтегровані архітектури процесу, де мембранна фільтрація й теплові технології працюють разом, підвищуючи ефективність і якість продукту.

За словами Шаха, вбудований у процес концентрування зворотний осмос (reverse osmosis, RO) дає змогу концентрувати й розділяти за нижчих рівнів енергії та з меншою займаною площею, ніж теплове концентрування у випарних апаратах. Знижуючи теплове навантаження на випарювання й подальші системи термооброблення, цей підхід також допомагає зберегти чутливі характеристики продукту — білки, смако-ароматичні речовини та нутриційні компоненти.

Найбільші можливості зі зниження енергоспоживання на молокозаводах, за словами Шаха, лишаються в операціях нагрівання, охолодження, випарювання й термічної обробки. Такі технології, як регенеративний теплообмін, механічна та теплова рекомпресія пари, рекуперація пари та вдосконалена теплова інтеграція, здатні суттєво знизити потребу в парі та охолодженні. 

Мембранне концентрування на попередніх етапах також зменшує обсяги продукту, що надходять у системи випарювання й сушіння, ще більше знижуючи енергоємність усього процесу.

«Найефективніший результат дає проєктування переробного заводу як єдиної повністю інтегрованої системи, а не оптимізація окремих одиниць обладнання ізольовано», — пропонує Шах.

Поєднання мембранного концентрування, рекуперації тепла, повторного використання пари, оптимізованої конструкції CIP (мийка на місці, clean in place) та інтелектуальної автоматизації може створювати кумулятивний приріст ефективності в частині енергоносіїв і виробничих показників, додає він.

Стадіювання ультрафільтрації, діафільтрації, нейтралізація конденсації та зворотного осмосу

Шанті Бхушан, головний інженер із розробки процесів GEA Group, пояснює, що переробники можуть застосовувати кілька мембранних етапів послідовно, аби сконцентрувати молоко та молочні потоки перед сушінням. 

Ультрафільтрацію (ultrafiltration, UF) зазвичай застосовують першою, щоб затримати білки, пропускаючи крізь мембрану воду, лактозу й розчинні мінерали. 

Зворотний осмос (RO) або нанофільтрація (nanofiltration, NF) можуть далі підвищити вміст сухих речовин перед тим, як продукт потрапить у випарний апарат чи сушарку.

«У деяких випадках RO чи NF можуть узагалі усунути потребу у випарному апараті для концентрування, а в інших — частково зменшити навантаження на нього», — пояснює Бхушан.

Для знежиреного та незбираного молока Бхушан називає зворотний осмос одним із найенергоефективніших варіантів попереднього концентрування, бо він видаляє воду без зміни фазового стану. Це знижує потребу в парі й операційні витрати, пов’язані з подальшим випарюванням.

«Мембранне концентрування підвищує загальну ефективність процесу, видаляючи значну частку води за суттєво нижчих питомих витрат енергії, ніж випарювання, — особливо коли воду вдається відібрати до того, як в’язкість та осмотичний тиск стають обмежувальними чинниками», — каже Бхушан.

Замість того щоб виводити один мембранний етап за межі його найефективнішого діапазону, ефективні заводи використовують серію етапів, кожен з яких працює у відповідному вікні концентрування.

«У цьому сенсі мембранне концентрування — не просто процес розділення, а стратегічний інструмент зниження енергоспоживання, що підвищує ефективність усієї виробничої операції», — зазначає Бхушан.

Робочі межі визначають енергетичні показники

У міру зростання вмісту сухих речовин, за словами Бхушана, переробники мусять зважати на зростання в’язкості, осмотичного тиску й концентрації мінералів. 

Для систем NF і RO він визначає зростання осмотичного тиску як головний операційний виклик: із поступом концентрування ефективна рушійна сила проникнення (пермеації) зменшується, що потребує вищого робочого тиску для підтримання продуктивного потоку (флюксу).

Бхушан зазначає, що для контролю відкладень (скейлінгу) й підтримання стабільної роботи мембран можуть знадобитися насосні системи високого тиску, відповідні конфігурації стадій та схвалені програми боротьби з накипом. 

Стабільна робота потребує балансу між швидкістю поперечного потоку (crossflow), трансмембранним тиском (transmembrane pressure, TMP), температурою та концентрацією сухих речовин. Моніторинг умов процесу в реальному часі допомагає виявити втрати продуктивності, перш ніж вони стануть незворотними. Важливим елементом конструкції він називає й геометрію мембранного спейсера: у міру зростання концентрації білка й в’язкості спейсери з відкритим каналом подачі поліпшують розподіл потоку та подовжують час роботи, знижуючи витрати.

Забруднення може знизити ефективність

Джон Гудман, віцепрезидент із напряму харчової переробки та спеціальних застосувань компанії ZwitterCo, називає забруднення (фаулінг) одним із найбільших операційних викликів у молочних мембранних системах, особливо коли переробники прагнуть вищого вмісту сухих речовин. 

Фаулінг — це накопичення матеріалу на поверхні мембрани. Хоча певне забруднення може сприяти потрібному розділенню (наприклад, гелевий шар, що обмежує проходження білка), надмірний фаулінг знижує потік пермеату. А це може призводити до нижчого вмісту сухих речовин, недотримання специфікацій продукту, вищих енерговитрат або потреби в додатковій площі мембран для досягнення цільового обсягу виробництва.

До того ж економіка молочних інгредієнтів часто підштовхує заводи до вищого вмісту сухих речовин і в’язкості — а такі умови створюють дедалі складніші забрудники, що ускладнює повне відновлення продуктивності мембран.

Підтримання продуктивності мембран

За словами Гудмана, розробники мембран шукають кілька шляхів поліпшення робочого флюксу й довгострокової продуктивності: підвищення гідрофільності, більшу стійкість до забруднення, вищу проникність і нові хімічні склади мембран. Ці розробки мають забезпечити диференційовану продуктивність і знизити для переробників сукупну вартість володіння.

Гудман додає, що постачальники мембран часто надають пріоритет вищій робочій продуктивності, бо молочні мембранні системи з санітарних міркувань зазвичай очищують щодня. Тому в молочній галузі зменшити частоту мийки менш практично, ніж поліпшити те, наскільки ефективно й економно мембрану можна очистити. 

Він каже, що цвітеріонна (zwitterionic) хімія мембран ZwitterCo розрахована на вищий робочий потік і дає змогу відновлювати продуктивність швидшим і дешевшим очищенням.

Для переробників, які прагнуть знизити сукупну вартість володіння або наростити виробництво на наявному обладнанні, хімія мембрани впливає на управління забрудненнями, оптимізацію мийки й довгострокову продуктивність, каже Гудман. 

Постачальники систем також удосконалили конструкції мембранних систем, щоб знизити споживання води й енергії, оптимізувати капітальні витрати й допомогти переробникам дотримуватися специфікацій. Утім, продуктивність системи все одно обмежена можливостями встановленої в ній мембрани.

Досягнення в проектуванні мембранних елементів

Мембранні системи можуть знижувати енергоспоживання під час концентрування молока, зменшуючи обсяг, який доводиться обробляти на подальших етапах. Цзе Сон, докторка філософії, провідна наукова співробітниця DuPont Water Solutions, зазначає, що мембрани можна застосовувати на ранньому етапі процесу, аби сконцентрувати молочні потоки, ефективно видаляючи воду. Зменшення обсягу на вході важливе, бо подальші системи (випарювання й сушіння) потребують енергії для видалення додаткової води.

За словами Сон, новіші мембранні елементи підвищують продуктивність та енергоефективність завдяки трьом ключовим удосконаленням: інноваційній хімії мембрани, збільшеній активній площі мембрани та оптимізованій конструкції елемента.

«Наприклад, із новими технологіями на кшталт елемента FilmTec Hypershell XP RO-8038 можна обробляти більший обсяг на тій самій площі, споживаючи менше енергії», — каже Сон.

Інноваційна хімія мембрани дає одночасно вищу продуктивність і вищу селективність (відсіювання). До того ж жорсткий зовнішній корпус елемента зменшує байпас, тож більша частина потоку проходить крізь мембрану, а не повз неї, що поліпшує ефективність розділення й знижує енерговитрати на одиницю продукту. Багато таких поліпшень, за словами Сон, можна впровадити в наявних системах, легко підвищивши їхню продуктивність.

Продуктивність мембрани впливає на ефективність заводу й у часі. Високопродуктивні мембрани — особливо з вищою водопроникністю без втрати селективності — дають змогу переміщати більше продукту за менший час, підвищуючи пропускну здатність. Важлива й стійкість до забруднення: мембрани, що менше забруднюються, довше зберігають продуктивність між мийками, знижуючи простої, витрату хімікатів та операційні витрати.

«Отже, це справді баланс — найкращі результати дають висока продуктивність і стабільність у часі», — каже Сон.

Оцінювання енергії в масштабі всього процесу

Щоб отримати економію енергії при концентруванні молока, найкраще видалити якомога більше води, перш ніж продукт потрапить на випарювання й сушіння. Мембранні системи можуть зменшити обсяг, що надходить у ці теплові операції, зберігаючи продуктивність і якість продукту. 

Ефективний результат дає також підбір кожного мембранного етапу до конкретного продуктового потоку, контроль забруднення й в’язкості та інтеграція концентрування з рекуперацією тепла, мийкою й керуванням процесом. Стратегічний, загальнозаводський підхід дає молочним переробникам найкращу змогу знизити теплові потреби й підтримувати стабільне виробництво.

Джерело: Dairy Foods