Artykuł opublikowany z niewielkimi
zmianami w  Ogólnopolskim Informatorze
Mleczarskim nr 11/2004 (95)
TECHNIKI MEMBRANOWE W PRZETWÓRSTWIE MLEKA
Lidia Zander, Zygmunt Zander
Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie
Wydział Nauki o Żywności
Katedra Inżynierii i Aparatury Procesowej
W ostatnich latach membranowe techniki rozdziału budzą duże zainteresowanie
wśród fachowców i znajdują coraz więcej zastosowań w przemyśle mleczarskim.
Podobnie jak wszelkie nowości, często spotykają się one z nieufnością praktyków
i lękiem przed trudnościami eksploatacyjnymi. Główną przyczyną takich postaw jest
słaba na ogół znajomość teoretycznych podstaw procesów rozdziału na
membranach. Pomimo tego, zmuszeni koniecznością sprostania wymogom rynku,
bądz
przepisom dotyczącym ochrony środowiska naturalnego, coraz częściej
zdajemy sobie sprawę z nieuchronności wprowadzania technik membranowych do
procesów przetwórczych. Sytuacja przypomina w pewnym stopniu stosunek
niektórych osób do komputerów  nie wszyscy lubią i potrafią posługiwać się nimi,
ale prawie każdy ma świadomość, że są już one w naszym życiu niezbędne.
Dotychczas w żadnej innej branży przetwórstwa spożywczego membrany nie
znajdują tak rozlicznych zastosowań, co w przetwórstwie mleka i serwatki.
Zasada rozdziału na membranach
W procesach separacji membranowej rozdziałowi poddaje się głownie ciecze
zawierające wiele składników, o różnym stopniu dyspersji w roztworze wodnym
W wyniku przepływu surowca przez jednostkę membranową powstają dwa
strumienie (rys. 1)  tzw. permeat (odciek) składający się z wody i substancji
przenikających przez membranę i tzw. retentat  strumień zawierający te same
składniki, które tworzą permeat, wzbogacony o składniki zatrzymane na membranie.
Koncentracja suchej substancji w permeacie jest niższa niż w strumieniu zasilającym,
zaś stężenie składników retentatu jest zawsze większe niż w surowcu, stąd też
retentat często nazywamy koncentratem.
Wprawdzie procesy separacji membranowej zaliczane są do grupy procesów
filtracyjnych, ale rozdział na membranie zachodzi w sposób istotnie różniący się od
filtracji klasycznej, podczas której zawiesina płynie w kierunku prostopadłym do
powierzchni filtra, pokonując opory przegrody filtracyjnej i nagromadzonego na niej
osadu. W procesie separacji membranowej technolog nie powinien dopuścić do
powstania osadu. Strumień cieczy poddawanej rozdziałowi płynie stycznie do
powierzchni porowatej membrany, której struktura umożliwia przenikanie (permeację)
niektórych składników nadawy  rys. 2. Przebieg procesu jest uwarunkowany
odpowiednim rozkładem ciśnień w układzie. Przepływ cieczy przez jednostkę
filtracyjną wywołany jest spadkiem ciśnienia (P1  P2). Wielkość tego spadku,
zgodnie z zasadami hydrauliki jest proporcjonalna do długości kanału. Jednocześnie
w każdym punkcie kanału, którym płynie surowiec przekształcający się w koncentrat,
ciśnienie cieczy jest większe niż ciśnienie P3 panujące po drugiej stronie membrany.
Średnia wartość różnicy ciśnień
P1 + P2
TMP = - P3 ,
2
zwana ciśnieniem transmembranowym (TMP  ang. trans-membrane-pressure),
stanowi siłę napędową procesu permeacji. W rezultacie część składników strumienia
�L. Z. Zander 1/8
zasilającego przenika przez membranę tworząc strumień skierowany prostopadle do
jej powierzchni, stąd tez separację membranową określamy mianem filtracji w
układzie krzyżowym (ang. cross-flow filtration). Panujące po stronie permeatu
ciśnienie P3 na ogół niewiele przekracza ciśnienie atmosferyczne. Tylko nieliczne
typy modułów membranowych dopuszczają podwyższenie ciśnienia permeatu.
W zależności od wielkości porów membrany różne składniki żywności mogą być
zatrzymywane w koncentracie, bądz
przechodzić do permeatu. W zależności od
wielkości porów i zdolności zatrzymywania określonych substancji rozróżnia się
mikrofiltrację (MF), ultrafiltrację (UF), nanofiltrację (NF) i odwrócona osmozę (RO).
Każdy następny spośród wymienionych procesów membranowych charakteryzuje się
malejącymi rozmiarami zatrzymywanych cząstek, bądz
molekuł substancji i wymaga
coraz wyższego ciśnienia transmembranowego. Różnice te poglądowo ilustruje
rys. 3., na którym na lewo od linii określającej dany typ procesu mamy informację
o substancjach zatrzymywanych w koncentracie, zaś po prawej  skład permeatu.
Wynika stąd, że np. po procesie mikrofiltracji permeat powinno stanowić mleko
odtłuszczone pozbawione zanieczyszczeń i mikroorganizmów, a po procesie
odwróconej osmozy w permeacie należy oczekiwać wyłącznie obecności wody,
podczas gdy wszystkie pozostałe składniki retentatu ulegną koncentracji.
W rzeczywistości granice te nigdy nie są tak ostre, ponieważ nie wszystkie pory
membranie mają taką samą średnicę. Zdolność rozdzielczą membran najczęściej
podaje się jak masę cząsteczkową substancji (w Daltonach), dla której skuteczność
zatrzymywania (retencji) wynosi 90%. Wyjątek stanowią membrany do mikrofiltracji,
dla których podaje się wymiary porów w �m. Z definicji rozdzielności membrany
wynika, że im większa jest koncentracja danego składnika w strumieniu zasilającym,
tym większe jest prawdopodobieństwo jego obecności w permeacie.
W przemyśle mleczarskim mikrofiltrację stosuje się w celu poprawy jakości
mikrobiologicznej poprzez wydzielenie z mleka drobnych zanieczyszczeń i bakterii.
Znane są też zastosowania mikrofiltracji do odzysku środków myjących, zwłaszcza
ługu sodowego po myciu instalacji procesowych. Proces ultrafiltracji, jak dotychczas,
znajduje najwięcej zastosowań  np. pozwala produkcję koncentratów białkowych
z mleka i serwatki oraz daje wymierne korzyści w produkcji serów dojrzewających
dzięki możliwości zwiększenia koncentracji i normalizacji zawartości białka w mleku
kotłowym. Ultrafiltracja mleka ukwaszonego pozwala na wytwarzanie smarownych
serków twarogowych, stanowiących alternatywę dla serków produkowanych metodą
wirówkową. Proces nanofiltracji umożliwia częściową demineralizację serwatki.
Również odwrócona osmoza znajduje zastosowanie do wstępnego zatężania
serwatki przed odparowaniem w wyparkach. Istotne znaczenie praktyce ma także
odwrócona osmoza stosowana do uzdatniania wody i  polerowania , np. kondensatu
z wyparek.
Wydajność procesu membranowego
Dzięki burzliwości przepływu i ścinającemu działaniu występującemu w warstwie
przymembranowej substancje zatrzymane na membranie powinny wrócić do rdzenia
strumienia zasilającego, ale wzrost stężenia substancji przy powierzchni membrany,
będący skutkiem odpływu rozpuszczalnika (wody) do permeatu powoduje wzrost
oporu permeacji. Skutkiem tego zjawiska jest zarastanie membran (tzw. fouling)
i nieuchronny spadek natężenia odpływu strumienia permeatu z upływem czasu
procesu. Wydajność procesu separacji membranowej określa się na podstawie
wydajności strumienia permeatu odpływającego z układu w jednostce czasu
�L. Z. Zander 2/8
w przeliczeniu na 1 m2 powierzchni filtracyjnej membrany. Zmiany wydajności
procesu stanowią pewną niedogodność w eksploatacji urządzeń membranowych,
dlatego projektanci urządzeń stosują różnego rodzaju zabiegi inżynierskie. Częstą
praktyką jest rozcieńczanie surowca permeatem w taki sposób, że nie wnikający
w szczegółowe parametry pracy użytkownik np. stacji do ultrafiltracji mleka przez
wiele godzin pracy nie dostrzega zmian natężenia przepływu strumieni surowca,
koncentratu i permeatu.
Natężenie odpływu permeatu podczas pracy stacji membranowej jest
najważniejszym wskaz
nikiem informującym o poprawności przebiegu procesu.
Częstym błędem popełnianym przez użytkowników stacji membranowych jest
skłonność do podnoszenia ciśnienia transmembranowego w razie niepożądanego
spadku szybkości permeacji. Działanie takie może okazać się skuteczne tylko
w przypadkach odwróconej osmozy i nanofiltracji. Szybkość permeacji podczas
ultrafiltracji, a zwłaszcza podczas mikrofiltracji ze wzrostem ciśnienia może
drastycznie obniżyć się, pociągając za sobą konieczność zatrzymania produkcji
i poddania stacji procedurom mycia.
Inną ważną wielkością charakteryzującą proces rozdziału membranowego jest
współczynnik redukcji objętości VRF (ang. volume reduction factor), wyrażający
stosunek objętości surowca do objętości koncentratu. Ze wzrostem współczynnika
VRF w danym procesie wydajność permeacji maleje. Jest to szczególnie wyraz
nie
dostrzegalne podczas eksploatacji stacji membranowych pracujących w trybie
okresowym, ale dotyczy również instalacji do pracy ciągłej.
Tryby pracy instalacji membranowych
Ze względu na konieczność przepływu strumienia cieczy wzdłuż powierzchni
membrany procesy separacji membranowej z natury mają charakter ciągły. Niemniej
jednak w przemyśle mleczarskim wyróżnia się dwa zasadniczo różne tryby pracy
stacji membranowych: tryb wsadowy i ciągły. W przypadku relatywnie małej objętości
cieczy do przerobu zawsze w pierwszej kolejności należy rozważyć ewentualność
zastosowania trybu wsadowego, zwanego też okresowym (ang. batch). Zasadę
pracy instalacji w tym trybie ilustruje rys. 4. Surowiec przeznaczony do obróbki
wprowadzany jest do zbiornika procesowego, skąd pompa cyrkulacyjno-zasilająca
przetłacza ciecz przez jednostkę membranową. Permeat przenikający na drugą
stronę membrany w sposób ciągły odpływa do drugiego zbiornika, natomiast
koncentrat jest kierowany z powrotem do zbiornika procesowego, gdzie miesza się
z surowcem. Cyrkulacja cieczy między jednostką membranową i zbiornikiem trwa tak
długo, aż stężenie koncentratu w zbiorniku osiągnie żądany poziom. Proces może
być prowadzony przy jednorazowym załadowaniu zbiornika, lub z tzw.
doładowaniem, polegającym na rozcieńczaniu koncentratu w zbiorniku świeżą porcją
surowca. Pozwala to na dłuższy czas nieprzerwanej pracy stacji membranowej.
Praca stacji w trybie wsadowym ma charakter ciągły, ale natężenie strumienia
permeatu maleje w czasie, co ma związek zarówno z postępującą polaryzacją
membran, jak i wzrastającym współczynnikiem redukcji objętości VRF.
Pracę stacji membranowej w trybie ciągłym ilustruje rys. 5. Istotną rolę spełnia tu
pompa cyrkulacyjna, która pobiera ciecz z kolektora i tłoczy przez jednostkę
membranową oraz wymiennik ciepła ponownie do kolektora. Odpływ permeatu
sprawia, że dla zachowania stabilnej pracy stacji konieczny jest też stały odbiór
koncentratu, a konsekwencji pompa zasilająca wprowadza do kolektora świeży
strumień surowca, podawany z wydajnością równą sumie natężeń odpływu permeatu
�L. Z. Zander 3/8
i koncentratu. Poziom ciśnienia niezbędny dla przeprowadzenia procesu separacji
zapewnia pompa zasilająca i jej wydajność określa wydajność całej stacji. Pompa
cyrkulacyjna ma wydajność przepływu wielokrotnie większą, ale wytwarzane przez
nią ciśnienie ma za zadanie tylko pokonanie oporów hydraulicznych jednostki
membranowej i przewodów w pętli cyrkulacyjnej. Zapewnia to niezmienne natężenia
przepływu wszystkich trzech strumieni cieczy przez wiele godzin. W porównaniu
ze stacją pracującą w trybie okresowym praca stacji membranowej w trybie ciągłym
charakteryzuje się mniejszą średnią szybkością permeacji, ponieważ opór permeacji
w pętli jest taki, jaki występuje pod koniec cyklu pracy stacji o działaniu okresowym.
Dlatego też stosowanie pętli cyrkulacyjnych ma uzasadnienie, gdy separacji
membranowej poddawane są relatywnie duże objętości cieczy. Buduje się wówczas
układy z większą liczbą pętli cyrkulacyjnych, najczęściej od 2 do 4 (rys. 6). W każdym
przypadku dobór układu w konkretnej sytuacji powinien być poprzedzony rachunkiem
ekonomicznym i szczegółową analizą zmian szybkości permeacji w funkcji czasu
oraz zmian współczynnika VRF, co w zdecydowanej większości przypadków narzuca
potrzebę przeprowadzenia prób w skali pilotowej.
Mycie stacji membranowej
Prawidłowe mycie stacji membranowej po zakończeniu produkcji jest niezbędnym
warunkiem długotrwałej i niezawodnej pracy instalacji. Po zakończonej produkcji
układ powinien być jak najszybciej skutecznie wypłukany za pomocą uzdatnionej
wody o objętości równej mniej więcej trzykrotnej pojemności instalacji. Jako regułę
przyjmuje się średnio 5 dm3 wody na 1 m2 powierzchni filtracyjnej membran.
Następujące po tym właściwe mycie urządzenia musi być prowadzone zgodnie
z instrukcją, zarówno w odniesieniu do procedur mycia, jak i zalecanych przez
producenta środków myjących. Ważne jest, by rozwiązania konstrukcyjne instalacji
membranowej umożliwiały cyrkulację roztworów myjących z możliwie jak największą
wydajnością, przy niższym ciśnieniu transmembranowym niż podczas normalnego
procesu. Zadaniem przepływającego roztworu myjącego jest skuteczne usunięcie
substancji nagromadzonych na powierzchni membrany, a nie permeacja przez
membranę.
Głównym celem mycia instalacji membranowej, poza oczywistym aspektem
higienicznym, jest przywrócenie membranom ich początkowej zdolności permeacji.
Dlatego wielkość strumienia permeatu podczas cyrkulacji czystej wody przy ściśle
określonym ciśnieniu jest najlepszym wskaz
nikiem aktualnej kondycji membrany.
Wszelkie oszczędności na jakości środków myjących i procesie mycia w ogóle mogą
generować dużo większe koszta związane z koniecznością częstszej wymiany
membran.
Szczególne znaczenie dla skuteczności mycia instalacji membranowej i trwałości
membran ma jakość wody. Producenci membran na ogół precyzyjnie formułują ostre
wymagania, jakie musi spełniać woda do mycia, dlatego niemal zawsze trzeba
dysponować stacją uzdatniania wody metodą odwróconej osmozy przeznaczoną
wyłącznie do obsługi operacji mycia instalacji membranowej.
Uwagi końcowe
Wprowadzanie membranowych technik separacji składników mleka do naszych
zakładów mleczarskich jest już faktem. Z jednej strony pozwalają one na
unowocześnienie dotychczasowej produkcji, z drugiej zaś dają szansę na
wytwarzanie nowych, dotychczas nieznanych wyrobów. W porównaniu z termiczną
�L. Z. Zander 4/8
metodą zatężania cieczy (w wyparkach) proces membranowy odznacza się
mniejszym zużyciem energii, gdyż rozdział dokonuje się wyłącznie na czysto
fizycznej zasadzie, bez przemian fazowych. Zaletą jest modułowa budowa urządzeń,
co pozwala na indywidualne dostosowanie każdej instalacji do konkretnych potrzeb.
A
atwe jest też włączenie instalacji do istniejącego ciągu technologicznego,
prowadzące do rozwiązań w postaci układów hybrydowych.
Przy całym szeregu korzyści, jakie mogą płynąć z wprowadzania technik
membranowych do praktyki przemysłowej nie należy zapominać o pewnych
ograniczeniach, jakie wynikają z właściwości samych membran. Ze względu na
ograniczoną mechaniczną, termiczną i chemiczną wytrzymałość membran wymagają
one wysokiej kultury technicznej ze strony użytkowników i ścisłego przestrzegania
wymogów określonych przez producenta. Nie wolno przekraczać dopuszczalnych
zakresów temperatur, stężeń i czasu oddziaływania czynników szkodliwych dla
membrany, np. środków dezynfekujących. Nie należy też oczekiwać większych
wydajności permeacji, ani wyższych stężeń w koncentracie od deklarowanych przez
producenta.
W każdym przypadku przed podjęciem decyzji o zakupie stacji membranowej,
zwłaszcza z zamiarem wytwarzania nowego rodzaju produktu, celowe jest
przeprowadzenie eksperymentów w laboratorium i na stacji w skali pilotowej.
Umożliwi to optymalny dobór samych membran i konfiguracji instalacji oraz
warunków prowadzenia procesu.
�L. Z. Zander 5/8
Rysunki:
Permeat
Zasilanie
Koncentrat
(retentat)
Rys. 1. Rozdział strumienia cieczy na koncentrat i permeat w procesie membranowym
P1
P
P2
Przepływ strumienia rozdzielanego
Koncentrat
Zasilanie
P1 P2
Membrana
Permeat
Odpływ permeatu
P
3
przy niskim ciśnieniu
Rys. 2. Zasada procesu permeacji podczas przepływu krzyżowego (ang. cross flow filtration)
�L. Z. Zander 6/8
M
e
m
b
r
a
n
a
S
p
a
d
e
k
c
i
ś
n
i
e
n
p
i
a
o
d
c
z
a
s
p
r
z
e
p
ł
y
w
u
Rys. 3. Charakterystyka podstawowych procesów separacji membranowej cieczy spożywczych
Surowiec
Koncentrat
Zbiornik
Jednostka
surowca/
filtracyjna
koncentratu
Permeat
Pompa
zasilająca
Rys. 4. Zasada pracy stacji membranowej w trybie wsadowym
�L. Z. Zander 7/8
Zasilanie
Permeat
Jednostka
filtracyjna
Zbiornik
surowca
Pompa
Pętla
cyrkulacyjna
cyrkulacyjna
Koncentrat
Pompa
zasilająca
Rys. 5. Zasada pracy stacji membranowej w trybie ciągłym z pętlą cyrkulacyjną
Permeat
Koncentrat
Zasilanie
Rys. 6. Zasada pracy wielostopniowej stacji membranowej
�L. Z. Zander 8/8