Zagęszczone soki są biochemicznie stabilne, mają długi okres przechowywania i są szeroko stosowane w przemyśle spożywczym. Obróbka termiczna poprzez pasteryzację i termiczne zagęszczanie powoduje zmiany niektórych składników, a w konsekwencji pogorszenie smaku. Zagęszczanie soków jest głównie osiągane na świecie przez odparowanie pod obniżonym ciśnieniem, które ma tę wadę, że większość związków aromatycznych zawartych w surowym soku zostaje utracona, a lotne związki zapachowe ulegają nieodwracalnym zmianom, powodując obniżenie jakości produktu. Inne techniki zagęszczania to np. kriokoncentracja, gdzie woda jest usuwana w postaci lodu, a nie w postaci par, jednakże metoda ta nie jest odpowiednia do zatężania roztworów o dużej ilości rozpuszczalnika.

Rys. 1. Schemat produkcyjny zagęszczonego soku jabłkowego.

Pod dużym ciśnieniem lub w niskiej temperaturze
    Destylacja membranowa jest stosunkowo młodą metodą posiadającą potencjał wykorzystania w przemyśle spożywczym. Metoda bezpośredniego kontaktu membrany destylacyjnej (Direct Contact Membrane Distillation - DCMD) jest jedną z najlepszych konfi guracji dla układów, w których głównym składnikiem jest woda, jak np. w procesach odsalania lub zagęszczania wodnych roztworów. DCMD odniosła sukces w dziedzinach, w których wymagane jest użycie niższych temperatur ze względu na zapewnienie lepszej jakości produktu.
    Dotychczas stosowane technologie membranowe opierają się na użyciu dużych ciśnień w obrębie membran. Wywołuje to zużycie dużej ilości energii elektrycznej przez pompy wysokociśnieniowe. Destylacja membranowa bezpośredniego kontaktu (DCMD) jest procesem termicznym, w którym wykorzystuje się niskie temperatury. Umożliwia to wykorzystanie ciepła odpadowego z instalacji przemysłowych, a nawet energii słonecznej. DCMD nie jest jeszcze szeroko stosowanym procesem na skalę przemysłową, ale liczba badań na temat praktycznych zastosowań jest coraz większa. Technologię tę można wykorzystać do: (1) odzyskiwania wody i produkcji wody oczyszczonej, (2) zagęszczania roztworów wodnych. Połączenie obu aspektów jest wysoce pożądane, aby w pełni korzystać z zalet, jakie niesie MD. Destylacja membranowa jest obecnie stosowana do produkcji wody demineralizowanej. Motywacją do badań była poprawa jakości produktu z użyciem łagodniejszych temperatur w porównaniu do standardowych metod zagęszczania (55°C w porównaniu z 70°C), co pozwala zmniejszyć częściową denaturację białek. Stwierdzono, że istnieje możliwość stosowania DCMD w przemyśle, lecz należy osiągnąć większy przepływ permeatu.

Rys. 2. Schemat budowy i przepływu przez membranę

Jedna membrana, dwa roztwory
    Destylacja membranowa obejmuje odparowanie i kondensację lotną rozpuszczalnika przez hydrofobową porowatą membranę. Siłą napędową jest różnica prężności par po obu stronach membrany. W procesie DCMD różnice temperatur i odpowiadające im różnice ciśnienia par są wytworzone poprzez bezpośredni kontakt z membraną cieczy chłodzącej i ciepłego strumienia zasilającego przepływ permeatu. Opary dyfundują przez pory w powierzchni membrany, na stronę zimną, gdzie kondensują. MD jest procesem cieplnym opartym o wykorzystanie mikroporowatych membran pracujących pod ciśnieniem atmosferycznym bez potrzeb dostarczania dodatkowego nadciśnienia. Membrana odgrywa ważną rolę, oddzielając dwa roztwory utrzymuje równowagę termodynamiczną pomiędzy cieczą i oparami. Materiał membrany powinien być hydrofobowy, tak by tylko woda w fazie gazowej mogła wnikać i przenikać przez pory. Rezultatem jest bardzo dobry rozdział nielotnych związków w przypadku roztworów wodnych. Powszechnie stosowane membrany są wykonane z polipropylenu (PP) lub politetrafluoroetylenu (PTFE). Wydajność tego procesu jest niezależna od ciśnienia osmotycznego nawet dla wysokich stężeń, i teoretycznie można dzięki temu osiągnąć wyższe stężenia niż w procesach membranowych wykorzystujących wysokie ciśnienia.
    Szybkość przepływu strumieni wzdłuż membrany powinna wynosić powyżej 1 m/s, tak by ograniczyć wpływ zjawiska polaryzacji temperaturowej, zmniejszającej rzeczywistą różnicę temperatur w warstwach przyściennych. Polaryzacja temperaturowa powstaje na skutek miejscowego obniżenia temperatury wskutek parowania wody, a po stronie odbierającej następuje wzrost temperatury z powodu wydzielenia ciepła kondensacji wody. Polaryzacja temperatury obniża wydajność procesu, powstaje nowy problem, który wynika z zwilżania membrany przez elementy z strumienia zasilającego zatykające pory membrany, którą powinna przewodzić jedynie opary. W przypadku emulsji hydrofobowa membrana może zostać zwilżona olejem obecnym w roztworze.

Masa transportowana
    W procesie DCMD dwa roztwory o różnych temperaturach są w bezpośrednim kontakcie z powierzchniami membrany. W interfejsie membrany rozpuszczalnik odparowuje po stronie cieplejszego roztworu, dyfundując przez pory membrany i skrapla się po chłodniejszej stronie membrany, gdzie czynnikiem chłodniczym i jednocześnie transportującym może być zimna woda. Zjawisko transportu energii przez membranę może być opisane w trzech etapach: transport przez warstwę graniczną po stronie retentatu, transport przez membranę, transport przez warstwę graniczną po stronie permeatu.
    Zjawisko transportu masy przez warstwę graniczną może być opisane przez współczynnik transportu masowego. Współczynniki przenoszenia ciepła są używane do opisu zjawiska transferu ciepła przez warstwy graniczne. Dostarczanie ciepła do membrany jest niezbędne w celu odparowania rozpuszczalnika i wyrównania strat ciepła powstałych przez jego przewodzenie. Rozwój temperatury i profil stężenia w filmie cieczy w pobliżu powierzchni membrany generuje dodatkowe opory transportu. Ze wzrostem polaryzacji temperatury siła napędowa procesu zmniejsza się, obserwuje się mniejszy przepływ permeatu.
    Podczas MD płyny lub roztwory nie mogą zwilżyć membrany, a proces musi przebiegać tak, by tylko opary były obecne w porach. W ten sposób przy narzuconej różnicy temperatur powstaje gradient ciśnienia pary na granicy hydrofobowej mikroporowatej membrany. Cząsteczki pary będą migrować przez membranę ze strony wysokiego ciśnienia, gdzie będą odparowywać do obszaru niskiego ciśnienia, gdzie będą się skraplać.
    W metodzie tej można stosować energię z takich źródeł, jak energia słoneczna lub energia z innych procesów. Dla optymalizacji procesu należy ustalić odpowiednie początkowe stężenie soku, temperaturę i warunki hydrodynamiczne.
    Różnica temperatur między ciepłą i zimną stroną membrany jest ważnym czynnikiem wpływającym na przebieg procesu. Jednakże ważne jest, aby wiedzieć, jak daleko można zwiększyć temperaturę po stronie gorącej i jak bardzo można obniżyć temperaturę po stronie zimnej. Strumień permeatu zwiększa się wraz z obniżeniem temperatury wody chłodzącej przy stałej temperaturze po przeciwnej stronie. Wyniki badań wskazują, że przy stałej temperaturze po stronie gorącej wzrost przepływu permeatu powoduje obniżenie temperatury wody chłodzącej po stronie zimnej. Zwiększenie temperatury po stronie gorącej zmniejsza wpływ obniżania temperatury po stronie zimnej, a tym samym zmniejsza przepływ permeatu. Zaobserwowano wpływ polaryzacji temperatury na skuteczność zagęszczania soku jabłkowego w procesie DCMD i uznano to za ważny czynnik. Redukcja przepływu następuje w wyniku wzrostu lepkości soku i pogorszenia się warunków hydrodynamicznych, co z kolei zwiększa wpływ temperatury i zjawiska polaryzacji. W rezultacie wskaźnik przenikania masy przez membranę jest zredukowany, co prowadzi do zmniejszenia przepływu strumienia permeatu.

Rys. 3. Schemat przenikania oparów przez membranę.

*  *  *

    Onsekizoglu i in. badali wpływ procesów membranowych na jakość zagęszczonego klarowanego soku jabłkowego. Przy wykorzystaniu środków klarujących - żelatyny i bentonitu oraz filtracji metodą UF udało się poprawić takie cechy jakości, jak kolor. Stwierdzono, że istnieje możliwość koncentrowania soku jabłkowego do zawartości substancji suchej na takim samym poziomie jak na wyparce. Sklarowany sok o początkowej zawartości TSS (Total Soluble Solids – zawartość rozpuszczalnych substancji stałych) 12° Brix został zagęszczony do TSS 65° Brix na bazie procesów membranowych. Nowe techniki oparte na membranach okazują się bardzo efektywne, ponieważ zagęszczony sok charakteryzuje się wartościami odżywczymi i sensorycznymi o jakości podobnej do oryginalnego soku, zwłaszcza w aspekcie koloru i aromatu. Ponadto wśród wszystkich stosowanych zabiegów zagęszczania tylko zagęszczanie na wyparce powoduje powstawanie HMF, wskaźnika potencjału reakcji Maillarda. Związki fenolowe, kwasy organiczne i cukry są bardzo stabilne dla wszystkich procesów koncentracyjnych, w tym termicznego odparowania. Odnośnie aromatu porównywano wpływ różnych procesów koncentracyjnych na zachowanie trans-2-heksenalu, jako najbardziej obfi tego związku w aromacie. Znaczne straty odnotowano przy stosowaniu wysokich temp., czyli na wyparce, natomiast większą retencję obserwowano dla procesów membranowych. Najskuteczniejszą metodą odzysku aromatu było połączone działanie OD (osmotic distillation – destylacja osmotyczna) i MD, zachowując niemal cały trans-2-heksenal, dzięki znacznie niższej temperaturze pracy i krótkiemu czasu operacji

.

Rys. 4.
Schemat rozkładu temp. i przenoszenia masy przez membranę P - permeat, C - ciepło, TN - temp. nadawy, TD - temp. destylatu, T1 - temp. w warstwie granicznej po stronie nadawy, T2 - temp. w warstwie granicznej po stronie permeatu, C1 - stężenie w warstwie granicznej po stronie nadawy, C2 - stężenie w warstwie granicznej po stronie permeatu, CN - stężenie nadawy, CP - stężenie permeatu.

Literatura
[1] Clarification and the concentration of apple juice using membrane processes: A comparative quality assessment, Journal of Membrane Science 2010; Pelin Onsekizoglua,∗, K. Savas Bahcecib, M. Jale Acara; Department of Food Engineering, Hacettepe University, 06800 Beytepe, Ankara, Turkey; Department of Food Engineering, Hitit University, Corum, Turkey.
[2] Direct Contact Membrane Distillation of Dairy Process Streams; 2011; Angela Hausmann 1,*, Peter Sanciolo 1, Todor Vasiljevic 1, Elankovan Ponnampalam 1,2,; Nohemi Quispe-Chavez 1,2, Mike Weeks 2 and Mikel Duke; Membranes 2011, 1, 48-58; doi:10.3390/membranes1010048; membranes; ISSN 2077-0375; www.mdpi.com/journal/membranes/
[3] Direct contact membrane distillation: modelling and concentration experiments; Journal of Membrane Science 166 (2000) 1–11; Fortunato Laganà a, Giuseppe Barbieri b;_, Enrico Drioli; Department of Chemical and Material Engineering, University of Calabria, 87030 Rende (CS) Italy; CNR-IRMERC, c/o Department of Chemical and Material Engineering, University of Calabria, 87030 Rende (CS) Italy Received 24 November 1998; received in revised form 15 June 1999; accepted 8 July 1999.
[4] Concentration of apple juice using direct contact membrane distillation; Desalination 190 (2006) 117–124; Sergey Gunkoa, Svetlana Verbycha*, Mykhaylo Bryka, Nidal Hilalb*Ecological Research Centre at the National University “Kyiv-Mohyla Academy” of Ukraine, Skovoroda str., 2, Kyiv, 04070, Ukraine; Centre for Clean Water Technologies, School of Chemical, Environmental and Mining Engineering,University of Nottingham, University Park, Nottingham NG7 2RD, United Kingdom.
[5] Fragment skryptu do przedmiotu membranowe techniki separacji, autor dr inż. Ireneusz Miesiąc.
[6] Clarification and the concentration of apple juice using membrane processes: A comparative quality assessment, Pelin Onsekizoglua, K. Savas Bahcecib, M. Jale Acara, Journal of Membrane Science 352 (2010) 160–165; Journal of Membrane Science, journal homepage: www.elsevier.com/locate/memsci; Department of Food Engineering, Hacettepe University, 06800 Beytepe, Ankara, Turkey; Department of Food Engineering, Hitit University, Corum, Turkey.

Autor: Leszek Jaszczak

Artykuł został opublikowany w magazynie "Agro Przemysł" nr 4/2012

Źródło fot.: www.sxc.hu