RESEARCH ON REVERSE OSMOSIS SEPARATIONOF PROCESS SOLUTIONS FOR CORN STARCH PRODUCTION
Authors:
1.
Tambov State Technical University
2.
Tambov State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 110
to 115
Status:
Published
Received:
30.12.2016
Accepted:
30.12.2016
Published:
30.12.2016
Subject area:
UDK 66.081.63
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Corn starch, cost, membrane, reverse osmosis
Abstract (English):
The article deals with the problem of reducing the cost of corn starch by separating technological solutions using the method of reverse osmosis. Shown is the purpose of the experimental work; objects and methods of the research are presented, a scheme of the pilot unit and the design of its basic element - the membrane device with flat intermembrane channels, and the principle of its operation are given. The membrane device can effectively separate the technological solutions of starch-treacle production. We have studied such factors as hydrodynamic permeability and the rejection rate through the membranes of MGA-100 and OPM-K when separating technological solutions of corn starch production at OAO Hobotovskoe plant «Krakhmaloprodukt». Graphic dependences of hydrodynamic permeability and the rejection rate on substance concentration in the original technological solution of starch-and- treacle production when using semipermeable membranes of MGA-100 and OPM-K are presented. It is shown that the membrane of OPM-K type has a maximum hydrodynamic permeability during the process of reverse osmosis under the same experimental conditions (temperature, pressure, the membrane working area, etc.). The obtained data on the separation of technological solutions of corn starch production using the MGA-100 and OPM-K membranes allow us to conclude that the use of reverse osmosis makes it possible to perform a closed technological process, clean water being used only for washing the starch. All other operations use the return water. Cleaning the solutions of starch-treacle production will enable using the minimum amount of water for technological processes. As a consequence, the charges constituting a significant proportion in corn starch cost will be reduced.
The article deals with the problem of reducing the cost of corn starch by separating technological solutions using the method of reverse osmosis. Shown is the purpose of the experimental work; objects and methods of the research are presented, a scheme of the pilot unit and the design of its basic element - the membrane device with flat intermembrane channels, and the principle of its operation are given. The membrane device can effectively separate the technological solutions of starch-treacle production. We have studied such factors as hydrodynamic permeability and the rejection rate through the membranes of MGA-100 and OPM-K when separating technological solutions of corn starch production at OAO Hobotovskoe plant «Krakhmaloprodukt». Graphic dependences of hydrodynamic permeability and the rejection rate on substance concentration in the original technological solution of starch-and- treacle production when using semipermeable membranes of MGA-100 and OPM-K are presented. It is shown that the membrane of OPM-K type has a maximum hydrodynamic permeability during the process of reverse osmosis under the same experimental conditions (temperature, pressure, the membrane working area, etc.). The obtained data on the separation of technological solutions of corn starch production using the MGA-100 and OPM-K membranes allow us to conclude that the use of reverse osmosis makes it possible to perform a closed technological process, clean water being used only for washing the starch. All other operations use the return water. Cleaning the solutions of starch-treacle production will enable using the minimum amount of water for technological processes. As a consequence, the charges constituting a significant proportion in corn starch cost will be reduced.
Keywords:
Corn starch, cost, membrane, reverse osmosis
Corn starch, cost, membrane, reverse osmosis
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.
1. Schmidt, J. M. Effect of membrane material on the separation of proteins and polyphenol oxidase in ultrafiltration of pota- to fruit juice / J. M. Schmidt, M. Greve-Poulsen, H. Damgaard, M. Hammershøj, L. B. Larsen // Food and Bioprocess Technol. - 2016. - Vol. 9. - no. 5. - pp. 822-829
2. Strætkvern, K.O. Recovery of native potato protein comparing expanded bed adsorption and ultrafiltration / K.O. Strætkvern, J. G. Schwarz // Food and Bioprocess Technol. - 2012. - Vol. 5. - no. 5. - pp. 1939-1949
3. Volkov, N.V. Primenenie membrannoy tehnologii dlya ochistki i koncentrirovaniya razbavlennogo kartofel'nogo soka / N.V. Volkov, N.D. Lukin, L.V. Krivcun // Dostizheniya nauki i tehniki APK. - 2011. - № 11. - S. 79-80
4. Volkov, N.V. Optimizaciya processa fil'tracii kartofel'nogo soka s primeneniem keramicheskih membran / N.V. Volkov, N.D. Lukin, L.V. Krivcun // Dostizheniya nauki i tehniki APK. - 2012. - № 12. - S. 70-72
5. Primenenie obratnoosmoticheskih membran dlya koncentrirovaniya kartofel'nogo soka / N.D. Lukin [i dr.] // Teh- nika i oborudovanie dlya sela. - 2014. - № 2. - S. 24-26
6. Hachatryan, L.R. Issledovanie tehnologicheskih rezhimov raboty membrannogo apparata pri koncentrirovanii krahmal'nogo moloka / L.R. Hachatryan, R.V. Kotlyarov, B.A. Lobasenko // Tehnika i tehnologiya pischevyh proizvodstv. - 2015. - T. 37. - № 2. - S. 61-66
7. Membrany. Fil'truyuschie elementy. Membrannye tehnologii ZAO NTC Vladipor: katalog. - Vladimir. - 2007. - 22 s
8. Lur'e, Yu.Yu. Himicheskiy analiz proizvodstvennyh stochnyh vod. / Yu.Yu. Lur'e, A.I. Rybnikov. - M.: Himiya, 1974. - 336 s
9. Lazarev, K.S. Issledovaniya kineticheskih koefficientov obratnoosmoticheskogo razdeleniya rastvorov na mem- branah MGA-95, MGA-100 i OPM-K / K.S. Lazarev, S.V. Kovalev, A.A. Arzamascev // Vestn. Tamb. gos. tehn. un-ta. - 2011. - T. 17. - № 3. - S. 726-732
