Комплексна мембранна технологія концентрування яблучного соку

На наступному етапі роботи визначали найбільш оптимальні мембрани для ультрафільтрації яблучного соку. Дослідження проводили з використанням мембран із межею молекулярно-масової затримки від 17300 до 150000 Да (НВО “Полімерсинтез”, м. Владимир Російської Федерації). Визначення оптимального типу мембран проводили на підставі співставлення показників продуктивності процесу ультрафільтрації соку та його якісних характеристик після освітлення (фізико-хімічні показники, стійкість соку до колоїдних помутнінь). В результаті було встановлено, що найбільш придатною для проведення ультрафільтрації яблучного соку є мембрана з межею молекулярно-масової затримки 50 кДа марки УПМ-П (рис. 1), яка забезпечує високу продуктивність процесу освітлення та отримання стабільного соку, має високу термічну і хімічну стійкість. 

При дослідженні ультрафільтрації яблучного соку було визначено, що на продуктивність процесу впливає температура продукту, тиск в каналах мембранного апарату та швидкість руху соку вздовж мембрани. Встановлено, що при швидкості руху соку в каналах мембранного апарату 1 м/с найбільш оптимальними є тиск 0,3 МПа і температура продукту 60 С. 

Для пошуку оптимального режиму ультрафільтрації яблучного соку був реалізований повний факторний експеримент, проведений за планом ПФЕ3. В результаті було розроблено математичну модель процесу, яка виражається рівнянням регресії:

 

y = 3,45+0,5x1+x2+0,575x3-0,2x1x2+0,125x1x3-0,325x2x3-0,325x1x2x3

 

Після перевірки адекватності отриманого рівняння встановлено, що воно достовірно описує процес ультрафільтрації яблучного соку. 

Регенерацію мембран після ультрафільтрації яблучного соку проводили за допомогою хімічних реагентів: щавлевої та лимонної кислот, NaOH, H2O2, HNO3, NaОCl, ферментного препарату Gammazym CPL (табл. 1). 

 

Таблиця 1

Ефективність регенерації мембрани УПМ-П різними хімічними речовинами після ультрафільтрації яблучного соку

 

За однакових умов регенерації (час, температура) найкращі результати отримано при обробці розчинами NaOH та NaОCl. Перший відновлює проникність мембрани на 44,5 %, другий - на 73,8 %. Враховуючи, що NaОCl має також дезинфікуючий ефект, його було взято для подальших досліджень. Визначення найбільш ефективних параметрів та режимів регенерації мембрани УПМ-П дозволило встановити, що 100 % відновлення властивостей мембрани забезпечується при наступному режимі: тиск - 0,2 МПа; температура розчину NaОCl - 60 С; концентрація NaОCl - 0,08 %; час обробки - 45 хв. 

Подальші дослідження були спрямовані на визначення терміну експлуатації мембрани УПМ-П при її регенерації розчином NaОCl. При контакті з реагентом впродовж місяця проникність мембрани УПМ-П зменшилася на 25 %, що за розрахунками дозволяє використовувати мембрану протягом 9-10 місяців, тобто усього сезону переробки яблук. 

У четвертому розділі обґрунтовано вибір мембран для концентрування яблучного соку мембранною дистиляцією. Досліджувались гідрофобні мікрофільтраційні мембрани типу МФФК (НВО “Полімерсинтез”, м. Владимир Російської Федерації) та мембрана 3М (фірма 3М Corporate Process Technology Center). Встановлено, що найбільш оптимальною для концентрування яблучного соку методом мембранної дистиляції є мембрана МФФК-3, яка забезпечує максимальну продуктивність процесу та стійка до дії підвищених температур (50-70 С). 

Розроблено спосіб попередньої обробки яблучного соку перед його концентруванням мембранною дистиляцією. Для цього сік обробляли трьома наступними способами: 1 варіант – пектолітичними та амілолітичними ферментними препаратами з наступним освітленням бентонітом та фільтруванням через фільтркартон (КТФ-2); 2 варіант - пектолітичними та амілолітичними ферментними препаратами з наступним освітленням ультрафільтрацією; 3 варіант – пектолітичними, амілолітичними та протеолітичними ферментними препаратами з наступним освітленням ультрафільтрацією. Встановлено, що найкращий показник продуктивності концентрування (14,82 дм3/м2•год) забезпечує обробка соку за варіантом 3 (рис. 2). При обробці соку за 2 варіантом продуктивність процесу на 11,1 %, а при обробці за варіантом 1 на 49,9 % менша, ніж за варіантом 3. Обробка соку за варіантом 3 сприяє також найбільшому видаленню з нього поліцукрів (41,9 %), пектинових речовин (67,9 %) та білків (62,2 %). При обробці соку за варіантом 2 ці показники складають відповідно - 28,3 %, 62,7 % і 32,4 %, а за варіантом 1 – 15,4 %, 25,5 % і 22,7 %. За рахунок максимального видалення біополімерів сік, отриманий за варіантом 3, має найменшу вязкість – 0,994 Н/м (варіант 1 – 1,059 Н/м; варіант 2 – 1,009 Н/м). Більший ступінь видалення білків, які є поверхневоактивними речовинами, досягається при обробці за 3-м способом. Це сприяє зростанню поверхневого натягу соку та кута змочування, що збільшує продуктивність процесу концентрування. Таким чином, обробка яблучного соку за варіантом 3 за рахунок максимального зменшення вязкості соку та збільшення кута змочування мембрани і поверхневого натягу соку забезпечує найбільшу продуктивність процесу мембранної дистиляції. 

В процесі досліджень було визначено оптимальні параметри і режими мембранної дистиляції. Встановлено, що ефективність концентрування соку залежить від характеристик мембрани та її розміщення в апараті. Найбільша продуктивність процесу досягається у тому випадку, коли активний шар мембрани МФФК-3 розташований зі сторони гарячої камери при горизонтальному розміщенні мембранної комірки (гаряча камера внизу) в полі сил земного тяжіння.

Визначення оптимальних параметрів і режимів процесу концентрування яблучного соку методом мембранної дистиляції дозволили встановити, що продуктивність мембранної дистиляції залежить від температур в холодній і гарячій камерах та швидкості руху соку вздовж мембрани. При швидкості руху соку вздовж мембрани 0,812 м/с найбільшу продуктивність процесу мембранної дистиляції (28,43 дм3/м2•час) забезпечує температурний режим - 70 С в гарячій камері і 20 С в холодній. 

При концентруванні соку за обраними режимами