На правах рукописи

ВОЛКОВ НИКОЛАЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕМБРАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ РАЗДЕЛЕНИЯ

И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ КАРТОФЕЛЬНОГО СОКА

Специальность: 05.18.05 - Технология сахара и сахаристых продуктов,

чая, табака и субтропических культур

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2013

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов

Научный руководитель: доктор технических наук Лукин Николай Дмитриевич

Официальные оппоненты: Сидоренко Юрий Ильич, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО Московский государственный университет пищевых производств, директор Института технологии и производственного менеджмента Соловьёва Светлана Юрьевна, кандидат технических наук, ОАО «ГПП Российские крахмалопродукты», заместитель генерального директора по инновациям

Ведущая организация: ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии

Защита диссертации состоится «25» декабря 2013 года в 1600 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.122.02 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского» по адресу: 109029, Москва, ул. Талалихина, д.31, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГУТУ имени К.Г. Разумовского Отзывы направлять по адресу: 109004, Москва, ул. Земляной вал, д.

Автореферат разослан «25» ноября 2013 года

Ученый секретарь Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.122. кандидат технических наук, доцент Конотоп Н.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При переработке картофеля на крахмал по современной технологической схеме с использованием гидроциклонных установок образуются два продукта: крахмальная суспензия с концентрацией сухих веществ (СВ) 3640% и смесь мезги с картофельным соком с СВ=6,57,0% в количестве 120 т на 100 т перерабатываемого сырья. Эта смесь является побочным продуктом картофелекрахмального производства и требует дальнейшей переработки. При разделении этой смеси на центрифуге получают обезвоженную мезгу с СВ=20% и картофельный сок с СВ=24%.

Для сохранения всех полезных веществ картофельного сока перспективными и эффективными являются мембранные процессы разделения, которые отличаются высокой селективностью и протекают при низких температурах.

Цель исследований. Разработка технологии мембранного разделения и концентрирования картофельного сока, обеспечивающей максимальное использование его СВ, повышение кормовой ценности картофельного корма и возврат до 80% воды в производство.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

исследовать разные типы мембранных элементов для проведения процесса ультрафильтрации картофельного сока;

провести математическое описание процесса ультрафильтрации картофельного сока и определить оптимальные показатели факторов, влияющих на процесс ультрафильтрации;

исследовать процесс двухступенчатого разделения картофельного сока;

разработать технологическую схему мембранного разделения картофельного сока;

провести опытно-промышленные испытания предложенной технологической схемы;

провести оценку экономической эффективности производства сухого корма, разработать технические условия на сухой корм.

Научные положения, выносимые на защиту Выбор типа и марки мембраны для стадии ультрафильтрации картофельного сока;

Оптимизация и математическое описание процесса ультрафильтрации картофельного сока с применением ультрафильтрационных мембран фирмы INOPOR GmbH;

с использованием обратноосмотических мембран.

Научная концепция. Концентрирование картофельного сока основывается на применении мембранной технологии, обеспечивающей возможность глубокого концентрирования СВ картофельного сока с сохранением его свойств.

Научная новизна работы Получены новые данные процесса ультрафильтрации картофельного сока с использованием различных типов ультрафильтрационных мембранных элементов.

Впервые определены оптимальные технологические параметры процесса ультрафильтрации картофельного сока на современных керамических мембранных элементах.

Получены новые данные процесса концентрирования ультрафильтрата картофельного сока с использованием рулонных полимерных обратноосмотических мембран. Установлено, что селективность обратноосмотических мембран марки XLE и ЭРО составила 96,5 и 98%, соответственно.

Практическая значимость работы. Разработана мембранная технология двухступенчатого разделения картофельного сока. Проведена апробация технологии в условиях опытного производства ГНУ ВНИИК. Предложено смешивание концентратов картофельного сока с обезвоженной картофельной мезгой для получения сырого корма с повышенной кормовой ценностью с последующим его высушиванием. Разработаны технические условия на «Корм картофельный сухой» № 9189-124-00334735.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены на: Международной научно-практической конференции «XVIII International starch convention Cracow-Moscow» (г. Краков, 2010); 5-й Конференции молодых ученых и специалистов РАСХН «Современные методы направленного сельскохозяйственного сырья для производства продуктов питания» (г. Москва, 2011); Международной научно-практической конференции «XIX international starch convention Moscow-Krakow» (г. Москва, 2012); 6-ой Конференции молодых ученых и специалистов институтов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции РАСХН (г. Видное, 2012); Международной научно-практической конференции «Глубокая переработка зерна для производства крахмала, его модификаций и сахаристых продуктов. Тенденции развития производства и потребления» (г. Москва, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

из введения, обзора литературы, материалов и методов исследований, результатов исследований и их анализа, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 28 таблиц, 30 рисунков. Список литературы включает 45 наименований, в том числе 10 иностранных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Литературный обзор состоит из двух частей. Первая часть состоит из описания свойств и особенностей картофельного сока. Вторая часть посвящена обзору литературы, в которой описывается применение различных способов разделения картофельного сока.

Картофельный сок получали из измельчённого на экспериментальной терочной машине картофеля путем последующего отжима его из картофельной кашки на соковыжималке СВР-01 через капроновое сито №70 по ГОСТ 4403-91.

Осадок крахмала с мезгой разбавляли водой и вновь отжимали на соковыжималке для получения соковой воды. Картофельный сок и соковую воду отстаивали для удаления из них крахмала и мелкой мезги. Исходный раствор картофельного сока получали после смешивания картофельного сока и соковой воды, контролируя СВ смеси по автоматическому рефрактометру марки ATR.

В качестве мембран на ступени ультрафильтрации выбраны следующие мембранные элементы: рулонные полимерные мембранные элементы марки ЭРУ-20 и ЭРУ-50 (на основе мембраны УПМ (ультрафильтрационная полисульфонамидная мембрана) производства ЗАО НТЦ «Владипор»; трубчатые керамические мембранные элементы марки КУФЭ 67 кДа производства НПО «Керамикфильтр» и керамические мембранные элементы INOPOR производства INOPOR® GmbH. Для второй ступени разделения выбраны обратноосмотические рулонные мембранные элементы марки XLE производства американской фирмы Filmtec и обратноосмотические рулонные мембранные элементы марки ЭРО-КНИ (на основе мембран фирмы Hydranautisc, ESPA) производства отечественной фирмы ЗАО НТЦ «Владипор».

Исследования проводили на универсальной пилотной лабораторной мембранной установке со сменными мембранными аппаратами, которая представляет собой циркуляционный контур, состоящий из питающей емкости, питающего насоса, циркуляционного насоса, мембранного аппарата, теплообменника, арматуры, манометров, термометра.

Основными показателями эффективности работы систем мембранной фильтрации являются удельная производительность мембраны (G), селективность (R), фактор концентрирования (mv).

Удельную производительность мембраны (или среднюю проницаемость) где G – производительность мембраны, л/м2час; V – объем полученного ультрафильтрата, м3; F – поверхность мембраны, м2; – время, в течение которого осуществлялся процесс ультрафильтрации, час.

Селективность R описывается отношением разности концентраций примеси в исходной воде Сисх и в фильтрате Сфил к ее концентрации в исходной Фактор концентрирования (mv) – это отношение объема исходного раствора к объему раствора, находящемуся в установке.

Для определения физико-химических характеристик исходного картофельного сока и продуктов мембранного разделения использованы методы:

- определение массовой доли влаги по ГОСТ 7698-93 ИСО 1666-73;

- определение массовой доли сухого вещества по ГОСТ Р 5200-2003;

- определение рН – ГОСТ Р 5200-2003;

- определение массовой доли золы – ГОСТ 7698-93 ИСО 3593-81;

- определение массовый доли сырого протеина (по Кьельдалю) – ГОСТ 7698-93 ИСО 3188-78;

- определение редуцирующих сахаров – ГОСТ Р 52060-2003;

Планирование эксперимента и обработку экспериментальных данных проводили с помощью компьютерных программ «Excel» for Windows и «STATISTICA Advanced+QC 9». Для обработки результатов экспериментальных исследований стадии ультрафильтрации картофельного сока был использован метод математического моделирования многофакторного эксперимента при помощи планов Бокса-Бенкина – 3(к-р).

Исследования по мембранному разделению и концентрированию картофельного сока проводили на пилотной установке в опытно-промышленном производстве ГНУ ВНИИ крахмалопродуктов и на ООО «Вурнарский крахмальный завод» (Республика Чувашия).

Автор выражает благодарность руководителям и сотрудникам всех перечисленных подразделений за содействие, оказанное в проведении исследований.

Структурная схема исследований приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема исследований 3.1. Ступень ультрафильтрации 3.1.1. Исследование разделения картофельного сока с исходным содержанием СВ 2% на мембранных элементах УПМ-20 и УПМ- При концентрировании 2%-ого картофельного сока через мембрану УПМ-20 и УПМ–50 давление на входе в аппарат составляло 0,35 МПа, на выходе – 0,3 МПа. Площадь мембран 0,3 м2. Температура картофельного сока поддерживалась в пределах 40С. На рисунке 2 представлено изменение удельной производительности мембран УПМ-20 и УПМ-50 от фактора концентрирования.

Рисунок 2 Зависимость удельной производительности мембран УПМ- и УПМ-50 от фактора концентрирования картофельного сока с СВ=2% предпочтительнее, чем мембраны УПМ-20, однако показатель степени концентрирования недостаточен для применения ее в производственных условиях.

В связи с низкой начальной удельной производительностью и резким падением удельной производительности в ходе эксперимента сделан вывод о недостаточной эффективности рулонных полимерных мембранных элементов.

на керамических мембранах марки КУФЭ 67 кДа (30 нм) и INOPOR 30 нм Для испытания отечественной керамического мембранного элемента марки КУФЭ с номиналом пор 67 кДа (30 нм) и керамического мембранного

INOPOR

с содержанием сухих веществ 2,6% и 3,08%, соответственно. Установка работала при режиме: давление на входе в аппарат 0,35 МПа, на выходе – 0,25 МПа, температура в системе составляла 45С.

На рисунке 3 представлена зависимость удельной производительности мембраны INOPOR 30 нм (70 кДа) и КУФЭ 67 кДа от времени при концентрировании разбавленного картофельного сока.

Рисунок 3 Зависимость удельной производительности мембраны INOPOR нм (70 кДа) и мембраны КУФЭ 67 кДа (30 нм) от времени концентрирования разбавленного картофельного сока Из рисунка 3 следует, что показатели мембран по производительности имеют различия. Производительность мембраны КУФЭ 67 кДа снижается до 85 л/м2·ч и выходит на плато, а производительность мембраны INOPOR 30 нм (70 кДа) остается в пределах 170 л/м2·ч.

Исходя из приведенных данных, для дальнейших исследований выбраны трубчатые керамические мембранные элементы фирмы INOPOR.

3.1.3. Исследование оптимизации процесса ультрафильтрации картофельного сока с применением керамических мембран INOPOR 10 нм, 30 нм, 70 нм Целью оптимизации процесса являлось определение наиболее подходящего номинала пор селективного слоя керамической мембраны на стадии ультрафильтрации картофельного сока путем проведения многофакторного эксперимента, для чего выбраны мембраны с номиналами пор 10 нм, 30 нм и 70 нм.

По экспериментальным данным для расчета оптимальных параметров составлена матрица некомпозиционного плана второго порядка для четырех факторов. Исследовано влияние на процесс ультрафильтрационного разделения картофельного сока четырех факторов: температуры Т, С – на уровнях 35, и 55; концентрации исходного продукта с, % – на уровнях 2, 4 и 6;

трансмембранного давления Ртрм, МПа – на уровнях 0,3, 0,4 и 0,5; диаметра пор d, нм – на уровнях 10, 30 и 70. За критерии оптимизации выбраны содержание сухих веществ ультрафильтрата СВ, % и удельная производительность по ультрафильтрату G, л/м2ч.

В таблице 1 представлены результаты опытов по концентрированию картофельного сока с разным содержанием СВ и при разном давлении.

Таблица 1 Концентрирование картофельного сока с содержанием 2, 4, 6 % СВ на керамической мембране INOPOR 10 нм (20 кДа) при разном трансмембранном давлении и Т=45С Наименование показателей В таблице 2 представлены результаты концентрирования картофельного сока с разным содержанием СВ при разном трансмембранном давлении.

Таблица 2 Концентрирование картофельного сока с содержанием 2, 4, 6% СВ на керамической мембране INOPOR 30нм (70 кДа) при разном трансмембранном давлении и Т=45С Наименование показателей Удельная производительность при mv=2, л/м ч 68 108 Удельная производительность при mv=2, л/м ч 82 104 Удельная производительность при mv=2, л/м2ч 42 75 Исследования по разделению картофельного сока на керамической мембране INOPOR 70 нм в основном проведены при содержании СВ картофельного сока 2 и 4%.

При разделении на мембране картофельного сока с СВ = 6% начальная удельная производительность картофельного сока не превышала 40 л/м2ч и продолжала снижаться с выходом на режим разделения. В связи с этим опыты с концентрацией СВ=6% на керамической мембране с номиналом пор 70 нм не доведены до фактора концентрирования 2.

В таблице 3 представлены результаты разделения картофельного сока с СВ =2 и 4% на мембране INOPOR 70 нм.

Таблица 3 Концентрирование картофельного сока с содержанием 2, 4% СВ на керамической мембране INOPOR 70 нм (150 кДа) при разном трансмембранном давлении и Т=45С Наименование показателей Удельная производительность при mv=2, л/м2ч Установлено, что с увеличением температуры удельная производительность ультрафильтрационных мембран INOPOR 10 нм, 30 нм, 70 нм при всех значениях концентрации исходного картофельного сока возрастает; с увеличением давления при концентрировании картофельного сока с разным содержанием СВ удельная производительность мембран также возрастает.

3.1.4. Результаты математической обработки данных, полученных при выполнении многофакторного эксперимента по концентрированию картофельного сока на керамических мембранах марки INOPOR Данные исследований, приведенные в разделе 3.1.3.1, обработаны по некомпозиционному плану второго порядка 3(к-р) (план Бокса-Бенкина).

При обработке экспериментальных данных получены уравнения для расчета удельной производительности мембраны по фильтрату, которые имеют следующий вид:

Уравнение (3) имеет коэффициент корреляции r0,977.

Формула расчетных значений концентраций сухих веществ фильтрата имеет следующий вид:

СВперм 0.36 1.052 с 0.0544 с 2 0.0221 d 0.00016 d При математической обработке полученных экспериментальных данных с использованием уравнений (3) и (4) возможно построение ряда графических зависимостей для описания процесса ультрафильтрации картофельного сока и определения параметров, при которых наиболее эффективен процесс ультрафильтрации.

Из графической зависимости (рисунок 4) следует, что увеличение давления не обеспечивает постоянного роста удельной производительности.

Расчетным путем определено, что оптимальным для проведения процесса ультрафильтрации является давление 0,47 МПа.

Рисунок 4 Зависимость удельной производительности G от давления P при различной концентрации исходного раствора с, температура фильтрации Т=45С, диаметре пор мембраны d=30 нм: 1 – с = 2%; 2 – с = 4%; 3 – с = 6% На рисунке 5 приведены зависимости удельной производительности керамической мембраны INOPOR 30 нм от температуры процесса ультрафильтрации при различной концентрации исходного продукта и постоянном давлении 0,47 МПа. На рисунке 6 показаны зависимости концентрации пермеата, полученного на керамической мембране INOPOR 30 нм, от температуры процесса ультрафильтрации при различном давлении и концентрации исходного продукта 3,5% СВ.

Рисунок 5 Зависимость удельной производительности от температуры проведения процесса ультрафильтрации на керамической мембране INOPOR d=30 нм при различной концентрации картофельного сока и давлении 0,47 МПа: 1 – с = 2%; 2 – с = 4%; 3 – с = 6% Рисунок 6 Зависимость концентрации СВ пермеата от температуры проведения процесса ультрафильтрации на керамической мембране INOPOR d=30 нм при различном давлении и концентрации исходного продукта 3,5% СВ:

1 – 0,3 МПа; 2 – 0,4 МПа; 3 – 0,5 МПа На рисунке 7 приведено значение диаметра пор мембраны, при которых достигается максимальная удельная производительность в зависимости от содержания сухих веществ в исходном продукте – 24 нм, а также значение максимальной удельной производительности при данном номинале пор – 121 л/м2ч.

Рисунок 7 Зависимость максимальной удельной производительности от концентрации сухих веществ в исходном растворе и диаметра пор мембраны при содержании СВ в пермеате 3,5% СВ в фильтрате от номинала пор ультрафильтрационной керамической мембраны INOPOR и исходного содержания сухих веществ в продукте.

Рисунок 8 Зависимость содержания СВ фильтрата от диаметра пор мембран INOPOR и концентрации СВ исходного картофельного сока В результате проведенных исследований по оптимизации процесса ультрафильтрации картофельного сока на трубчатых керамических мембранах фирмы INOPOR получены уравнения (3) и (4), позволяющие определять с высокой степенью точности (r0,977) удельную производительность и содержание СВ в фильтрате при ультрафильтрации картофельного сока в зависимости от влияющих факторов, а также определены параметры процесса ультрафильтрации картофельного сока: трубчатая керамическая мембрана с номиналом пор d=30 нм, трансмембранное давление Ртм=0,47 МПа, температура T=45С, концентрация СВ картофельного сока 3,7%.

Двухступенчатое концентрирование ультрафильтрата картофельного сока с применением обратноосмотических мембран На первой ступени, ультрафильтрации, картофельный сок освобождается от взвешенных веществ. На второй ступени достигается максимальное концентрирование растворенных веществ ультрафильтрата.

на ультрафильтрационной мембране INOPOR 30 нм (70 кДа) и обратноосмотической мембране марки XLE Концентрирование картофельного сока с СВ=3,8% проводилось на керамической ультрафильтрационной мембране INOPOR 30 нм при трансмембранном давлении Ртм=0,47 МПа и температуре T=45С.

Зависимость удельной производительности керамической мембраны INOPOR 30 нм от фактора концентрирования представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 Зависимость удельной производительности керамической мембраны INOPOR 30 нм от фактора концентрирования при разделении картофельного сока с СВ=3,8% Полученный на первой ступени ультрафильтрат картофельного сока с СВ=2,87% подавали на ступень обратного осмоса с рулонным обратноосмотическим мембранным элементом XLE производства фирмы Filmtec.

На рисунке 10 представлена зависимость удельной производительности обратноосмотической мембраны XLE от фактора концентрирования ультрафильтрата картофельного сока с СВ = 2,87 % при Р=1,8 МПа.

Рисунок 10 Зависимость удельной производительности обратноосмотической мембраны XLE от фактора концентрирования ультрафильтрата картофельного сока концентрирования картофельного сока на мембранах INOPOR 30 нм (67 кДа) и показатели разделения его ультрафильтрата на второй ступени обратноосмотической мембраны XLE.

Таблица 4 Результаты двухстадийного концентрирования картофельного сока на мембранах INOPOR 30 нм (67 кДа) и XLE Наименование показателей INOPOR 30нм Filmtec XLE В процессе эксперимента также определено осмотическое давление ультрафильтрата картофельного сока на осмотической мембране XLE.

Для определения осмотического давления ультрафильтрата картофельного сока построены графические зависимости удельной производительности ультрафильтрата картофельного сока от давления при разных концентрациях СВ, которые представлены на рисунке 11.

Рисунок 11 Зависимости удельной производительности обратноосмотической мембраны XLE при разделении ультрафильтрата картофельного сока при разных концентрациях СВ от давления При проведении аппроксимации графиков до пересечения с осью абсцисс получены значения осмотического давления, при которых удельная производительность обратноосмотической мембраны равна нулю. Данные представлены в таблице 5.

Таблица 5 Зависимость осмотического давления (П) ультрафильтрата картофельного сока от концентрации СВ для обратноосмотической мембраны марки XLE На основании проведенного исследования построена графическая зависимость (рисунок 12) необходимой величины давления для разделения ультрафильтрата картофельного сока при более высоких концентрациях СВ.

Рисунок 12 Зависимость осмотического давления обратноосмотической мембраны XLE от концентрации СВ в ультрафильтрате картофельного сока Физико-химические характеристики исходного картофельного сока и продуктов ультрафильтрационного и обратноосмотического разделения приведены в таблице 6.

Таблица 6 Физико-химические характеристики образцов разделения картофельного сока, полученных на мембранах INOPOR 30 нм и XLE Исходный картофельный сок, рН=4, Таким образом, двухступенчатое разделение картофельного сока и последующим разделением ультрафильтрата но обратноосмотической мембране XLE позволяет получить конечный фильтрат с СВ не более 0,1%.

на ультрафильтрационном мембранном элементе INOPOR 30 нм (70 кДа) и обратноосмотическом мембранном элементе ЭРО-КНИ Концентрирование картофельного сока с СВ=3,5% проводилось на керамической ультрафильтрационной мембране КУФЭ 30 нм (67 кДа) при трансмембранном давлении Ртрм=0,47 МПа и температуре T=45С.

Зависимость удельной производительности керамической мембраны INOPOR 30 нм (67 кДа) от фактора концентрирования представлена на рисунке 13.

Рисунок 13 Зависимость удельной производительности керамической мембраны INOPOR 30 нм (67 кДа) от фактора концентрирования при разделении картофельного сока с СВ=3,5% Полученный фильтрат с СВ=2,56% концентрировали на лабораторной мембранной установке, оснащенной низконапорной обратноосмотической мембраной ЭРО-КНИ.

На рисунке 14 представлена зависимость удельной производительности обратноосмотической мембраны ЭРО-КНИ от фактора концентрирования ультрафильтрата картофельного сока с СВ = 2,56% при Ртрм=1,0 МПа и Т=40С.

Рисунок 14 Зависимость удельной производительности обратноосмотической мембраны ЭРО-КНИ от фактора концентрирования ультрафильтрата картофельного сока В таблице 7 приведены основные результаты разделения исходного раствора картофельного сока на керамической ультрафильтрационной мембране INOPOR 30 нм (67 кДа) и показатели разделения ультрафильтрата картофельного сока на второй ступени обратноосмотической мембраны ЭРО-КНИ.

Таблица 7Результаты двухстадийного концентрирования картофельного сока на мембранах INOPOR 30 нм (67 кДа) и ЭРО-КНИ По аналогии с мембраной XLE определено осмотическое давление ультрафильтрата картофельного сока для осмотической мембраны ЭРО-КНИ.

На основании проведенного исследования получена зависимость, позволяющая определить величину давления для разделения ультрафильтрата картофельного сока при более высоких концентрациях СВ в концентрате (рисунок 15).

Рисунок 15 Зависимость осмотического давления обратноосмотической мембраны ЭРО-КНИ от концентрации СВ в ультрафильтрате картофельного сока Физико-химические характеристики исходного картофельного сока и продуктов после ультрафильтрации на мембране INOPOR 30 нм и обратного осмоса на мембране ЭРО-КНИ приведены в таблице 8.

Таблица 8 Физико-химические характеристики образцов разделения картофельного сока, полученных на мембранах INOPOR 30 нм и ЭРО-КНИ Исходный картофельный сок, рН=4, Таким образом, двухступенчатое разделение картофельного сока с использованием керамической мембраны INOPOR 30 нм (67 кДа) и последующим разделением ультрафильтрата на обратноосмотической мембране ЭРО-КНИ позволяет получить конечный фильтрат с СВ не более 0,05%.

на обратноосмотическом мембранном элементе высокого давления марки ЭРО Исследования по концентрированию ультрафильтрата картофельного сока при давлении 0,5 МПа, проведенные на опытно-промышленном производстве ГНУ ВНИИ крахмалопродуктов, подтвердили ранее проведенные исследования.

Физико-химические анализы обратноосмотического концентрата картофельного сока показали содержание сухих веществ на уровне 22%.

На рисунке 16 представлена зависимость удельной производительности обратноосмотической мембраны ЭРО от фактора концентрирования ультрафильтрата картофельного сока с СВ = 2,8% при Ртрм=5,0 МПа и Т=40С.

Рисунок 16 Зависимость удельной производительности обратноосмотической мембраны ЭРО от фактора концентрирования ультрафильтрата картофельного сока Физико-химические характеристики исходного картофельного сока и продуктов после ультрафильтрации на мембране INOPOR 30 нм и обратного осмоса на мембране ЭРО приведены в таблице 9.

Таблица 9 Физико-химические характеристики образцов разделения картофельного сока, полученных на мембранах INOPOR 30нм и ЭРО-КНИ Исходный картофельный сок, рН=4, 4. Разработка аппаратурно-технологической схемы мембранной технологии двухступенчатого концентрирования картофельного сока На основании проведенных исследований по разработке технологии двухступенчатого концентрирования картофельного сока предложена аппаратурно-технологическая схема (рисунок 17). Аппаратурно технологическая схема включает следующие операции: разделение смеси мезги с картофельным соком на центрифуге; отстаивание картофельного сока; контрольное удаление мезги; ультрафильтрация картофельного сока; стадия обратного осмоса;

смешивание концентратов картофельного сока и мезги; сушка картофельного корма.

Рисунок Аппаратурно-технологическая схема разделения и концентрирования картофельного сока и получения сухого корма 1 сборник смеси мезги и картофельного сока; 2 центрифуга; 3 сборник картофельного сока; 4 винтовой конвейер; 5 сборники картофельного сока;

6 циклон;7 плунжерный насос; 8 дуговое сито; 9 сборник картофельного сока; 10 теплообменник; 11 УФ-модуль; 12 сборник УФ-фильтрата;

13 ОО-модуль; 14 сборник сырого картофельного корма; 15 сушилка универсальная; 16 – вентилятор-пеногаситель; 17 центробежный насос;

18 вентиль Проведены опытно-промышленные испытания мембранной технологии разделения и концентрирования картофельного сока на ООО «Вурнарский крахмальный завод» (Республика Чувашия). При проведении испытаний достигнута концентрация СВ в обратноосмотическом фильтрате 22 % при рабочем давлении 5,0 МПа.

По данным опытно-промышленных испытаний произведён расчёт экономической эффективности от внедрения мембранной технологии разделения и концентрирования картофельного сока для завода производительностью 100 т картофеля в сутки, который показал рентабельность производства на уровне 40% при сроке окупаемости капитальных затрат 2,5 года.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Для ультрафильтрационного разделения картофельного сока рекомендуются к использованию керамические ультрафильтрационные мембранные элементы марки INOPOR.

Проведена оптимизация и разработана математическая модель оптимизации факторов, влияющих на процесс ультрафильтрации картофельного сока. На основании математической модели определены параметры процесса ультрафильтрации картофельного сока: трубчатая керамическая мембрана фирмы INOPOR с номиналом пор 30 нм; трансмембранное давление Ртрм=0,47 МПа; температура Т=45С; концентрация исходного картофельного сока с СВ=3,5%.

Установлено, что на второй ступени разделения картофельного сока могут быть рекомендованы полимерные обратноосмотические мембранные элементы ЭРО фирмы ЗАО НТЦ «Владипор». Отмечено, что процесс двухступенчатого разделения и концентрирования картофельного сока позволяет получить ОО-концентрат с 22% СВ, что обеспечивает концентрирование до 88% СВ исходного картофельного сока.

Разработана технологическая схема мембранной технологии разделения и концентрирования картофельного сока с использованием концентратов для получения сырого корма с последующей сушкой.

Проведены опытно-промышленные испытания предложенной технологической схемы на предприятии ООО «Вурнарский крахмальный завод»

(Республика Чувашия). При проведении испытаний достигнута концентрация СВ в обратноосмотическом фильтрате до 22 % при рабочем давлении 5,0 МПа.

Разработаны технические условия на картофельный корм и проведен расчет экономической эффективности от внедрения мембранной технологии для завода производительностью 100 т картофеля в сутки, который показал рентабельность производства на уровне 40% при сроке окупаемости капитальных затрат 2,5 года.

Список работ, опубликованных по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ Волков, Н.В. Применение мембранной технологии для очистки и концентрирования картофельного сока / Н.В. Волков, Н.Д. Лукин, Л.В. Кривцун // Достижения науки и техники АПК. – 2011. – №11. – С. 79-80.

Волков, Н.В. Оптимизация процесса фильтрации картофельного сока с применением керамических мембран / Н.В. Волков, Н.Д. Лукин, Л.В. Кривцун // Достижения науки и техники АПК. – 2012. – №11. С. 70-72.

с использованием мембранной фильтрации для металлургического завода / А.Ф. Зябрев, А.Б. Лимитовский, Н.В.Волков // Всероссийская научная конференция «Мембраны-2007». Москва. – 2007. С. 216.

4. Volkov, N.V. Application of membrane technology for separation and purification of starch and starch containing hydrolysates / N.V. Volkov, N.D. Lukin, V.L. Kudryashov // Международная научно-практическая конференция «XVIII international starch convention – Cracow - Moscow». – 2010.

– Р 45.

Волков, Н.В. Изучение процесса мембранной очистки сточных вод, образующихся при переработке твердых и жидких отходов картофеля на крахмал в производстве картофелепродуктов / Н.В. Волков // Материалы 5-й Конференции молодых ученых и специалистов институтов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии «Современные методы направленного изменения физико-химических и технологических свойств сельскохозяйственного сырья для производства продуктов здорового питания». – Москва. – 2011. – С. 79-83.

Волков, Н.В. Применение мембранной технологии для очистки и концентрирования картофельного сока / Н.В. Волков, Н.Д. Лукин, Л.В. Кривцун // Материалы международной научно-практической конференции и переработки сельскохозяйственного сырья: фундаментальные и прикладные аспекты». – Краснодар. – 2012. – С. 99-102.

Волков, Н.В. Очистка картофельного сока с применением керамических мембран «INOPOR» / Н.В. Волков // Материалы 6-ой Конференции молодых ученых и специалистов институтов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции. – Видное. – 2012. – С. 56-60.

Лукин, Н.Д., Разделение картофельного сока на ультрафильтрационных мембранах INOPOR с разным номиналом пор / Н.Д. Лукин, Н.В. Волков, Л.В. Кривцун, Е.А. Ладыгина // Труды международной научно-практической конференции «Глубокая переработка зерна для производства крахмала, его модификаций и сахаристых продуктов. Тенденции развития производства и потребления» – Москва. – 2013. – С. 178-186.

9. Volkov, N.V. Application of membrane technology for purification and concentration of potato juice / N.V. Volkov, N.D. Lukin, L.V. Krivtsun, E.A. Ladygina // Международная научно-практическая конференция «XIX international starch convention – Moscow-Cracow». – 2012. – Р. 72.

10. Лукин, Н.Д. Двухступенчатое концентрирование картофельного сока с использованием мембран / Н.Д. Лукин, Н.В. Волков, Л.В. Кривцун, Е.А. Ладыгина // Труды международной научно-практической конференции «Глубокая переработка зерна для производства крахмала, его модификаций и сахаристых продуктов. Тенденции развития производства и потребления». – Москва. – 2013. – С. 206-209.