Quy Trình Lọc Membrane

Quy Trình Lọc Membrane Công nghệ màng lọc giúp tránh sự phân hủy của các hợp chất hữu cơ ở cực dương, do đó ngăn ngừa sự hình thành các sản phẩm phân hủy. Thời gian sử dụng của dung dịch mạ sẽ tăng lên đáng kể và tốc độ lắng đọng cao hơn so với các thiết bị lắp đặt thông thường, đảm bảo chất lượng mạ không đổi. Việc vận hành công nghệ màng Membrane

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM VÀ SINH HỌC

TIỂU LUẬN MÔN:

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SỮA

Mục lục

Ch ng 1: Gi i thi uươ ớ ệ 3

Ch ng 2: N i dungươ ộ 5

2.1 m t s v t li u s n xu t membrane.ộ ố ậ ệ ả ấ 5

2.2C s khoa h c c a quá trình phân riêng b ng membraneơ ở ọ ủ ằ 9

2.3 các quá trình phân riêng membrane 14

2.3.1.Quá trình phân riêng gián đ an:ọ 14

2.3.2.Qúa trình phân riêng liên t c:ụ 16

2.4 ánh giá ch t l ng membrane.Đ ấ ượ 18

2.5.Các y u t nh h ng ế ố ả ưở đ n hi u qu quá trình phân riêng b ng membrane:ế ệ ả ằ 20

2.5.1.B n ch t c a membrane:ả ấ ủ 20

2.5.2.B n ch t c a nguyên li u c n phân riêng:ả ấ ủ ệ ầ 22

2.5.3.Các thông s k thu t:ố ỹ ậ 22

2.6.M t s mô hình thi t b membrane:ộ ố ế ị 23

2.6.1Mô hình ng (tubular module)ố 23

2.6.2.Mô hình s i(hollow fiber module):ợ 24

2.6.3.Mô hình b ng/t m (plate module)ả ấ 25

2.6.4.Mô hình cu n xo n (piral- wound module):ộ ắ 26

2.6.5 L a ch n mô hình: ự ọ 28

Ch ng 3: k t lu nươ ế ậ 29

Chương 1: Giới thiệu

Từ thập niên 70 của thế kỷ trước, kỹ thuật phân riêng bằng membrane đã bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong công ngệ thực phẩm, đặc biệt trong công nghiệp chế biến sữa Điểm đặt biệt của ký thuật phân riêng bằng membrane là có khã năng tách các cấu tử có kích thước vô cùng nhỏ trong huyền phù hoặc tách các cấu tử hòa tan có phân tử lượng khác nhau trong dung môi

Phương pháp phân riêng bằng membrane cho phép chúng ta tách các cấu tử

ra khỏi một hỗn hợp ở mức độ phân tử hoặc ion Hiện nay quá trình phân riêng bằng membrane bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ thực phẩm,công nghệ hóa học, xử lý môi trường…

Công nghệ thực phẩm là một trong những lĩnh vực đầu tiên áp dụng các thành tựu khoa học membrane vào thực tiễn sản xuất Từ những năm 1970, các quá trình phân riêng bằng membrane bắt đầu sử dụng trong ngành công nghệ sữa

để thay thế các quá trình phân riêng truyền thống

Cơ chế của quá trình phân riêng bằng membrane là dưới tác động của các yếu tố như áp lực, điện trường thì các cấu tử có đường kính nhỏ hơn đường kính mao quản của membrane sẽ đi qua membrane và được gọi là dòng permeate, còn các cấu tử không đi qua membrane được gọi là dòng retentate

Trong quá trình phân riêng bằng membrane, các yếu tố ảnh hưởng khả năng phân riêng là thành phần và tính chất của nguyên liệu, cấu trúc và tính chất của membrane, các thông số vận hành và mô hình thực hiện

Tính chất của nguyên liệu ảnh hưởng rất lớn đến khả năng phân riêng Người ta quan tâm đến các tính chất như tỷ trọng, độ nhớt, thành phần hoá học, tính ưa nước hay kị nước và kích thước của các cấu tử có trong nguyên liệu

Dựa vào kích thước của mao quản, người ta chia membrane thành 4 nhóm theo đường kính giảm dần như sau: vi lọc (microfiltration: MF), siêu lọc (ultrafiltration: UF), lọc nano (nanofiltration: NF) và thẩm thấu ngược (reverse osmosis: RO) Kỹ thuật MF thường được ứng dụng để loại bỏ vi sinh vật, kỹ thuật

UF dùng để tách các cấu tử có khối lượng phân tử trong khoảng từ 1.000 Da đến trên 100.000 Da, kỹ thuật NF dùng để tách các cấu tử có khối lượng phân tử khoảng

100 Da đến 1.000 Da (các muối đa hóa trị, glucose,…), còn kỹ thuật RO thì dùng

để tách các muối đơn hóa trị

Lọc (filtration) là một trong những phương pháp phân riêng thườg gặp trong sản xuất thực phẩm Tiến hành lọc hệ huyền phù, ta sẽ thu được sản phẩm dịch học (filtrate) – chủ yếu là pha lỏng, còn phần lớn là pha rắn sẽ bị giữ lại trên mặt vật ngăn ( màng lọc) Động lực của quá trình lọc có thể là trọng lực hoặc áp suất

Phương pháp phân riêng bằng membrane có một số điểm tương tự như phương pháp lọc Membrane đóng vai trò vật ngăn để phân riêng các cấu tử.tuy nhiên áp suất là động lực duy nhất trong kỹ thuật phân riêng bằng membrane Do

sự phân riêng được thực hiện ở mức độ phân tử hay ion nên đối tượng của quá trình thường không phải là hệ huyền phù mà là những dung dịch chứa các cấu tử hòa tan có phân tử lượng khác nhau Kết quả của quá trình phân riêng bằng membrane sẽ cho ta hai dòng sản phẩm:

- Dòng sản phẩm qua membrane được gọi là permeate.

- Dòng sản phẩm không qua membrane được gọi là retentate

Phân riêng bằng phương pháp sử dụng membrane

Một điểm khác biệt nữa cần lưu ý là quá trình lọc có thể thực hiên trong điều kiện hở (trong điều kiện áp suất khí quyển), ngược lại quá trình phân riêng bằng membrane bắt buộc phải thực hiện trong thiết bị kín dưới một áp lực nhất định

Chương 2: Nội dung

2.1 một số vật liệu sản xuất membrane.

Membrane có cấu trúc vi xốp Người ta chia membrane thành hai nhóm theo cấu trúc của chúng : đẳng hướng và bất đẳng hướng

Cấu trúc đẳng hướng : khi quan sát dưới kính hiển vi điện tử, membrane với cấu trúc đẳng hướng bao gồm một lớp màng duy nhất với độ dày trung bình 0.05÷0.2 µm Các ống mao dẫn trên membrane có đường kính không đổi, được bố trí song song với nhau và cùng vuông góc với bề mặt membrane

Cấu trúc bất đẳng hướng : membrane được cấu tạo từ hai lớp màng kết dính vào nhau Lớp trên cùng được gọi lớp bề mặt có độ dày từ 0.1÷0.5 µm Đường kính các mao dẫn của lớp bề mặt thường rất nhỏ Lớp bên dưới có độ dày dao động trong khoảng 100÷200 µm Đường kính các lỗ mao dẫn của lớp này khá lớn Lớp bên dưới có chức năng làm tăng độ bền cơ học cho membrane

Các membrane có thể được sản xuất từ những vật liệu khác nhau Trong công nghiệp chế biến sữa, người ta thường sử dụng membrane được làm từ cellulose acetate, các polyamide, polysulfone, ceramic và một số loại polymer khác

Cellulose acetate là polymer của các phân tử β-glucose lien kết với nhau bởi β-1,4glucoside và được acetyl hóa chủ yếu tại vị trí –OH của C2,C3 hoặc C6 vòng hexose Cellulose acetate được sản xuất bằng phương pháp acetyl hóa cellulose với acetic anhydric, acetic acid và sunfuric acid Sau phản ứng, nếu có hơn 92.5% gốc hydroxyl-OH tự do trong phân tử cellulose bị acetyl hóa thì sản phẩm thu nhận được gọi là cellulose triacetate Các sản phẩm triacetate thương mại có độ polymer hóa từ 100÷300, tương đương với phân tử lượng khoảng 25000÷80000

Cellulose

Cellulose triacetateCông thức cấu tạo của cellulose và cellulose triacetate

Membrane được sản xuất từ cellulose acetate có ưu điểm là ưa nước, đường kính lỗ mao dẫn có thể dao động một khoảng rất lớn và giá thành thấp Tuy nhiên, chúng có một số nhược điểm như khoảng nhiệt độ và pH hoạt động khá hẹp (Tmax≤35÷40OC, pH=3÷8), kém bền với các chất tẩy rửa công nghiệp như chlorine

và dễ bị phân hủy sinh học

Nhóm polyamide: bao gồm các polyme có lien kết amide (-CONH-) trong phân tử, phổ biến nhất là poly acryamid; nylon X,Y; polyurethane; polybenzimidazole

Polyacryamide

Polyurethane

Một số polyamide được sử dụng trong sản xuất membraneNhìn chung, các membrane polyamide có khoảng nhiệt độ và pH hoạt động rộng hơn các membrane cellulose triacetate (Tmax≤50OC, pH=3÷11) nhưng lại kém bền hơn với chlorine và trong quá trình sử dụng, dòng permeate dễ bị nghẽn tắc hơn

Nhóm polysulfone: là polymer của các đơn vị diphenylene sunfone với nhóm –SO2 trong phân tử Phổ biến nhát là polysulfone (PS), polyphenylenesulfone, polyethersulfone (PSE)…

Polysunfone

Polyethersulfone

Nhóm polysulfone- vật liệu trong sản xuất membrane

Membrane polysulfone có khoảng nhiệt độ và pH hoạt động khá rộng (Tmax≤75OC, pH=1÷13) và bền với chlorine Tuy nhiên, các vật liệu PS và PES chịu áp lực kém và do tính kỵ nước nên trong quá trình sử dụng , dòng permeate

dễ tắc nghẽn

Ceramic: các membrane ceramic được chế tạo theo từng module riêng biệt Các module thường có hình trụ, bên trong gồm nhiều kênh dạng ống được xếp song song theo suốt chiều cao than trụ của module Người ta sử dụng ceramic làm membrane và một số vật liệu khác làm chất mang để tạo nên các kênh cho dòng vào, dòng ra retentate và permeate trong module Các thong số kỹ thuật như chiều cao của module, độ dày lớp màng ceramic, kích thước lỗ mao quản … sẽ được và thiết kế theo yêu cầu của người sử dụng

Membrane từ vật liệu ceramic có rất nhiều ưu điểm: trơ với các hóa chất như acid, kiềm, chlorine, … khoảng nhiệt độ và pH hoạt động rất rộng (Tmax≤350OC, pH=0.5÷13), do đó ta có thể sử dụng hơi để vô trùng thiết bị Tuy nhiên, chúng khá dễ vỡ bởi những va chạm cơ học, giá thành cao và đường kính lỗ mao dẫn các membrane ceramic hiện nay không thể nhỏ hơn 10-2 µm

Module phân riêng với membrane ceramic

2.2Cơ sở khoa học của quá trình phân riêng bằng membrane

Membrane thường có độ dày rất nhỏ so với các màng lọc thông thường, dộ dày tối đa của membrane chỉ lên đến vài trăm µm Đường kính các lỗ mao dẫn trên membrane cũng rất nhỏ từ 10-4 µm đến 10 µm Do đó các cấu tử rắn và các phân tử kích thước lớn khó có thể chui qua được membrane Dưới áp lực của dòng vào, chúng sẽ bị cuốn đi và thoát ra khỏi hệ thống tạo nên dòng retentate

Cơ chế của quá trình phân riêng bằng membrane là dưới tác động của các yếu tố như áp lực, điện trường thì các cấu tử có đường kính nhỏ hơn đường kính mao quản của membrane sẽ đi qua membrane và được gọi là dòng permeate, còn các cấu tử không đi qua membrane được gọi là dòng retentate

Hiện any, kỹ thuật phân riêng bằng membrane rất đa dạng và có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau ở quy mô phòng thí nghiệm và quy mô sản xuất công nghiệp

Bảng các quá trình phân riêng bằng membrane

4 (nanofilltration)Lọc nano Áp lực

Nước, acid phân

ly, muối hóa trị II, phân tử nhỏ

Nước, ion đơn hóa trị, acid không phân ly…

5 Thẩm thấu ngược(reverse osmosis) Áp lực Nước, tất cả các chất tan Nước

6 Thẩm tích(dialysis)

Chênh lệch nồng

độ Nước, phân tử lớn Nước, phân tử nhỏ

7 (electrodialysis)Điện thẩm tích Điện Thế - dòng

điện

Nước, chất tan không ion hóa Nước, chất tan ion hóa

8

Tách các cấu tử bay hơi bằng membrane(pervaporation)

Áp lực Nước, phân tử không bay hơi Nước, phân tử nhỏ dễ bay hơi

Trong công nghiệp chế biến sữa, chỉ có bốn quá trình được sử dụng: vi lọc

(microfiltration-MF), siêu lọc (ultrafilltration- UF), Lọc nano (nanofilltration-NF)

và thẩm thấu ngược (reverse osmosis - RO)

- Màng lọc thẩm thấu ngược RO (Reverse Osmosis Membrane)

Thẩm thấu ngược là một kỹ thuật hiệu quả cao tựa như quá trình thoát nước suối, tập trung hoặc tách các phân tử, các chất trong dung dịch, hoặc làm sạch nước thải Công nghệ này có khả năng tập trung tất cả các chất rắn hòa tan, thường được

sử dụng cho việc khử mặn nước biển

- Màng lọc Nano NF (Nanofiltration Membrane )

Lọc Nano được chọn khi Thẩm thấu ngược và siêu lọc không phải là sự lựa chọn chính xác cho quá trình phân ly các chất Kỹ thuật này có thể thực hiện các ứng dụng tách, loại bỏ và khử mặn, có khả năng lọc các phân tử nước ra khỏi dung môi

và nhiên liệu sinh học Đây là một giải pháp tiết kiệm năng lượng rất hiệu quả để thay thế cho các kỹ thuật chưng cất hiện tại

- Màng siêu lọc UF (Ultrafiltration Membrane )

Siêu lọc là một quá trình phân đoạn có chọn lọc bằng cách sử dụng áp lực lên đến

145 psi (10 bar) Siêu lọc được sử dụng rộng rãi trong quá trình làm sữa và sữa gầy Nó tập trung chất rắn lơ lửng và chất tan có trọng lượng phân tử lớn hơn 1.000

- Màng lọc vi sinh (Microfiltration Membrane )

Lọc vi sinh là quá trình mà dòng nước sẽ được chảy qua màng tế dưới áp suất để tách các hạt khoảng 0,05-10 micron, thường được sử dụng cho quá trình lên men

Ưu điểm là khả năng loại tách chất rắn cao

Kích thước cấu

tử µm 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100Phân tử lượng

Thanh sữaION

Vi khuẩnCasein (micelle)MuốiKhối đông protein của huyết thanh sữa

UFRO

Hình : Thành phần hóa học của sữa và khả năng ứng dụng phương pháp phân riêng bằng membrane trong công nghiệp chế biến sữa

Tùy thuộc vào nguyên liệu là sữa tươi hay huyết thanh sữa và mục đích phân riêng, chúng ta sẽ chọn membrane và phương pháp phân riêng thích hợp

2.3 các quá trình phân riêng membrane

Quá trình phân riêng membrane có thể được thực hiện gián đoạn hoặc liên tục

2.3.1.Quá trình phân riêng gián đọan:

Đây là mô hình đơn giản nhất Nó thường được sử dụng ở quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot khi chúng ta muốn tách các hợp chất phân tử lượng nhỏ và làm tăng nồng độ các chất phân tử lượng cao trong mẫu khảo sát Hệ thống gồm nhiều thiết bị membrane, một bồn chứa nguyên liệu, một bơm, một thiết bị lọc và một thiết bị trao đổi nhiệt Bơm sẽ đưa nguyên liệu qua thiết bị lọc để tách các tạp chất thô rồi cho vào thiết bị membrane Dòng ra permeate sẽ được thu hồi riêng, còn dòng ra retentate sẽ đi qua một thiết bị trao đổi nhiệt để ổn định nhiệt độ rồi được hồi lưu toàn phần về bồn chứa nguyên liệu Qúa trình sẽ được tiếp diễn cho đến khi nồng độ các cấu tử trong retentate tăng đến giá trị mong muốn.

Mô hình này cho phép chúng ta cô đặc mẫu khảo sát trong một khoảng thời gian ngắn nhất và tiết kiệm diện tích membrane sử dụng Trong công nghiệp chế biến sữa, người ta sử dụng để cô đặc sữa hoặc huyết thanh sữa để thu nhận chế phẩm protein

Mô hình hồi lưu một phần retentate:

Ở mô hình này, một phần retentate sẽ được cho hồi lưu trở lại thiết bị membrane nhờ một bơm hồi lưu riêng Qúa trình sẽ tiếp diễn cho đến khi nồng độ các cấu tử trong dòng retentate đạt được giá trị mong muốn Mô hình này cũng chỉ thích hợp cho quy mô phòng thí nghiệm hoặc quy mô pilot

2.3.2.Qúa trình phân riêng liên tục:

Mô hình đơn giản :

trong mô hình này, nguyên liệu từ bồn chứa sẽ được bơm vào thiết bị membrane Chúng ta thu được hai dòng sản phẩm ra là permeate và retentate Khi

đó, thời gian lưu của các cấu tử trong thiết bị membrane là ngắn nhất Thật ra, mô hình này chỉ thích hợp khi không đòi hỏi tốc độ dòng cao và các cấu tử trong nguyên liệu không tương tác với vật liệu membrane, dẫn đến hiện tượng nghẹt các

lỗ mao dẫn

khác với mô hình đơn giản trong phân riêng liên tục, ở đây một phần retentate sẽ được bơm hồi lưu đưa trở lại thiết bị membrane Như vậy, chúng ta sẽ cần hai bơm : một bơm cho nguyên liệu để tạo ra một áp lực chung cho hệ thống

và một bơm cho phần retentate – là động lực đẩy các cấu tử qua màng tạo nên dòng permeate

Hình : phân riêng liên tục- mô hình hồi lưu một phần retentate

Mô hình này thường được sử dụng ở quy mô công nghiệp với diện tích membrane trong hệ thống thiết bị từ 100m2 trở lên

Mô hình nhiều giai đọan:

Hình : phân riêng liên tục- mô hình ba giai đoạn

ở quy mô công nghiệp, người ta sử dụng mô hình từ 3÷8 giai đoạn Số bơm hồi lưu sử dụng sẽ bằng với số giai đoạn trong mô hình Ở giai đoạn đầu, tốc độ dòng đạt giá trị cao nhất nhưng nồng độ cấu tử trong dòng retentate thấp nhất Ngược lại, ở giai đoạn cuối tốc độ dòng thấp nhất nhưng nồng độ cấu tử trong retentate đạt giá trị cao nhất.

Trong sản xuất, các mô hình phân riêng lien tục có thể hoạt động trong suốt 24h Sau khoảng thời gian này, chúng ta nên tạm ngưng hoạt động để tẩy rửa và vệ sinh thiết bị Nếu không, sự tắc nghẽn các lỗ mao dẫn trong membrane dễ xảy ra Một số vi sinh vật được hấp thụ trong membrane sẽ phát triển dễ làm hư hỏng sản phẩm

2.4 Đánh giá chất lượng membrane.

Để đánh giá chất lượng các membrane sử dụng trong công nghiệp, ngưới ta thường dựa vào những chỉ tiêu và tính chất dưới đây:

-Khả năng chịu nhiệt

-Khả năng chịu dung môi

-Tính ưa nước/ kỵ nước

-Độ chiết: tỷ lệ phần trăm giữa hàm lượng chất chiết được so với tổng lượng chất khô trong membrane Độ chiết thể hiện mức độ tinh sạch của membrane

-Khả năng phân riêng

-Tốc độ qua màng của dòng permeate

Đường kính lỗ mao dẫn là nột trong những thong số quan trọng của membrane mà các nhà sử dụng quan tâm nhất Nó thường được biểu diễn bằng đơn vị đo chiều dài (µm) hoặc đơn vị đo trọng lượng phân tử (Da) Ví dụ , một