Membranowe techniki rozdzielania mieszanin przez długi okres czasu traktowane były jako pomocnicze metody separacyjne w skali laboratoryjnej. Ostatnie lata sprawiły, że możliwym stało się stosowanie technik membranowych na dużą skalę. Związane to jest z rozwojem chemii tworzyw sztucznych, a szczególnie polimerów syntetycznych, z których zbudowana jest większość wysoce przepuszczalnych i selektywnych membran. W technologii żywności stosuje się z powodzeniem takie odmiany technik membranowych, jak: mikrofiltracja, ultrafiltracja, odwrócona osmoza, elektrodializa, nanofiltracja.

 

     Korzyści wynikające ze stosowania wyżej wymienionych metod to przede wszystkim:

- możliwość jednoczesnego zagęszczania, frakcjonowania i oczyszczania roztworów,

- redukcja do minimum termicznej degradacji składników żywności i mikroorganizmów,

- niskie zużycie energii,

- eliminacja przemian fazowych rozdzielanych składników (jak np. przy destylacji),

- prosta, modułowa budowa urządzeń [Króliczak i Jankowski, 2008].

 

Charakterystyka i podział procesów membranowych

     Podział procesów membranowych opiera się na wielkości rozdzielanych w danej metodzie cząstek. Za pomocą tradycyjnych metod separacji można rozdzielić cząstki o wielkości nie mniejszej niż 2 µm. Wszystkie mniejsze cząstki mogą być wydzielane z roztworów za pomocą technik membranowych.

     W filtracji membranowej powszechnie stosowanym materiałem filtracyjnym są membrany, które separują cząsteczki o wielkości poniżej 1µm. W zależności od rozmiaru separacji cząsteczek podczas procesu filtracji, wyróżniamy trzy rodzaje filtracji membranowej: mikro-, ultra- i nanofiltrację.

     Wielkość rozdzielanych cząstek jest podstawą przedstawionego poniżej podziału [Narebska, 1997; Króliczak i Jankowski, 2008; Waczyński i Kujawski, 2008].

 

Mikrofiltracja (MF)

     Za pomocą mikrofiltracji usuwa się z roztworu drobne zawiesiny, komórki bakteryjne, niektóre wirusy, drobiny surowców roślinnych, cząstki tłuszczu w emulsjach (np. mleka). Wizualnym efektem tego procesu może być zmiana barwy filtratu, obniżenie się mętności, spadek intensywności rozpraszania światła.

     Głównym zastosowaniem mikrofiltracji jest więc klaryfikacja roztworów, wydzielanie biomas komórkowych, a także sterylizacja pożywek (tzw. sterylizacja „na zimno”). Siłą napędową procesu mikrofiltracji jest różnica ciśnień hydrostatycznych po obu stronach przegrody, rzędu 0,05-0,5MPa. Mikrofiltrację prowadzi się często w układzie stycznym (filtracja styczna, ang. „cross-flow”, „tangential flow”), co w większej mierze zapobiega odkładaniu się osadu na powierzchni membrany [Króliczak i Jankowski, 2008].

 

Ultrafiltracja (UF)

            Proces ultrafiltracji umożliwia jednoczesne frakcjonowanie i zagęszczanie wybranych składników cieczy. Permeat po UF nie zawiera już białek, polisacharydów, wirusów, niektórych barwników, enzymów i witamin, natomiast pozostają w nim proste cukry, kwasy organiczne, zdysocjowane jony nieorganiczne i większość produktów degradacji cieplnej. Mętność ultrafiltratu całkowicie zanika i nie obserwuje się już zjawiska rozpraszania światła.

 

Nanofiltracja (NF)

            Zatrzymywane są tu aminokwasy, proste cukry, enzymy i niektóre jony. Frakcja ta zawiera więc większość substancji pochłaniających promieniowanie ultrafioletowe (cukry i produkty ich rozpadu), substancje odpowiedzialne za smak i zapach, substancje zabarwiające. Permeat jest jasno zabarwiony, klarowny, zawiera tylko niektóre sole i cząstki o małej masie cząsteczkowej (np. alkohole). Sposób separacji składników w procesie NF jest połączeniem przepływu kapilarnego, typowego dla MF i UF, z mechanizmem rozpuszczająco-dyfuzyjnym, charakterystycznym dla odwróconej osmozy (RO). Membrany nanofiltracyjne posiadają różne zakresy selektywności, począwszy od przegród o wysokiej nieprzepuszczalności dla NaCl, poprzez membrany wybiórczo zatrzymujące niektóre jony, do takich, które zatrzymują cząsteczki kwasów [Króliczak i Jankowski, 2008].

 

Opis filtracji membranowej

                        Przeciwdziałanie, zjawiskom powodującym zanieczyszczenia membran spowodowało duży postęp w dziedzinie konfiguracji modułów membranowych, materiałów membran i optymalizacji dynamiki cieczy w sąsiedztwie membrany. Wydajność procesów membranowych znacznie się zwiększyła po opracowaniu systemu wykorzystującego zasadę równoległego przepływu zawiesiny do powierzchni przegrody (cross-flow) [Króliczak i Jankowski, 2008]. Jednym z parametrów charakterystycznych dla filtracji stycznej jest ciśnienie transmembranowe.

 

Cały artykuł został opublikowany w numerze 3/2016 kwartalnika "Kierunek Spożywczy"

 

Fot. 123rf.com