Математика/5. Математическое моделирование

Стефанкин А.Е.

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, Россия

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА МЕМБРАННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ

Относительно невысокая эффективность ультрафильтрационного разделения белковых растворов предопределила проведение теоретических исследований с целью разработки и обоснования методики интенсификации процесса. Повышение производительности мембранного оборудования может быть достигнуто путем увеличения поверхности фильтрования отдельных модулей и повышением скорости фильтрования путем нахождения оптимальных условий разделения жидких полидисперсных систем.

В настоящее время в рулонных мембранных элементах может быть достигнута высокая плотность укладки мембран при организации ламинарного режима течения разделяемой системы над мембраной, что ограничивается гидродинамическими условиями потока над и под мембраной, физическими характеристиками полупроницаемых перегородок и дренирующих материалов. Основная причина, вызывающая снижение эффективности разделения, заключается в явлении концентрационной поляризации и загрязнении мембраны. Поэтому непременным условием эффективной работы мембранного оборудования является предварительная очистка исходной разделяемой системы с целью удаления из нее микро- и макровзвесей, которые затрудняют процесс разделения.

Отсутствие полного представления о механизме мембранного разделения и особенно механизма ультрафильтрации белковых растворов затрудняет решение вопросов выбора направлений и методов интенсификации процесса. Это обусловлено тем, что до настоящего времени нет достаточно обоснованных представлений о молекулярном взаимодействии в системе: белковый раствор - мембранная перегородка. Возможно, что это связано с влиянием кулоновских сил и условий гидрофилизации мембраны, не исключается и физическое взаимодействие молекул дисперсной фазы и мембраны, определяемым силами Ван-дер-Ваальса, электростатическим взаимодействием или вязкостным трением. В практике использования мембранных методов для повышения солезадержания мембраны иногда обрабатывают поверхностно-активными веществами. Модификация мембраны низкомолекулярным поверхностно-активным веществом приводит к частичной блокировке пор, при этом происходит уменьшение эффективного размера пор и повышение селективности разделения. При этом проницаемость мембран, обработанных поверхностно-активными веществами, стабилизируется во времени.

Интенсификация процесса достигается и при иммобилизации на мембране протеолитических ферментов. Протеазы, находящиеся в поверхностных слоях мембраны, взаимодействуя с белком, обуславливают его расщепление и тем самым препятствуют образованию гелевых надмембранных структур. Эффективным методом снижения концентрационной поляризации является увеличение скорости циркулирующего над мембраной потока. Турбулизацию потока можно усилить путем введения в поток дополнительных дисперсных частиц (пузырьки газа, твердые и коллоидные частицы и т.п.). При этом снижение концентрационной поляризации происходит в зависимости от плотности и размера дисперсных частиц. Увеличение проницаемости с ростом турбулизации объясняется уменьшением толщины пограничного слоя и снижения в нем концентрации раствора. Недостаточная турбулизация раствора может приводить к образованию пограничных слоев толщиной 100-300 Мкм. Этот широко применяемый метод турбулизации разделяемого раствора путем увеличения скорости циркулирующего потока приводит к чрезмерному нагреванию раствора и обуславливает необходимость использования дополнительной охладительной аппаратуры. Увеличение удельной производительности мембранного аппарата может достигаться с помощью кратковременной подачи обратного тока жидкости в ходе рабочего режима процесса фильтрации. Эффект объясняется «знакопеременным» давлением в рабочей камере аппарата, обеспечивающим освобождение блокированных входных отверстий пор от некоторой доли забивших их частиц. Использование таких пульсационных режимов позволяет достичь эффекта разрушения поряризационного слоя, при этом проницаемость мембран и эффективность разделения повышается с ростом частоты пульсаций. При проведении тупиковой ультрафильтрации воды для регенерации мембраны предложено использовать обратную промывку, осуществляемую в процессе ультрафильтрации подачей в рабочую зону пермеата. При этом стабилизируется работа активного цикла ультрафильтрации. Возможно снижение концентрационной поляризацией путем использования концентрирующего действия межмембранного потока, обеспечивающего седиментационный обратный перенос частиц от поверхности мембраны. Перспективным направлением повышения эффективности разделения при использовании ядерных фильтров считается применение ядерных мембранных перегородок с анизотропной структурой. Большое внимание при решении вопросов интенсификации процесса обращается на использование внешних полей, которые в известной степени предопределяют взаимодействие компонентов раствора с мембраной. Находят применение методы с использованием ультразвука, однако сложность генерирования звуковых волн в промышленных мембранных аппаратах сдерживает внедрение этих методов. Интенсификация процесса достигается наложением электрического поля и магнитной обработкой разделяемого раствора, что приводит к уменьшению толщины образующейся на мембране гелевой пленки и снижению сопротивления фильтрации Большое внимание при промышленном использовании ультрафильтрации в пищевых отраслях уделяется процессам регенерации и мойки загрязненных мембран. При ультрафильтрации белковых растворов мойку обычно осуществляют с применением растворов поверхностно-активных веществ и детергенов. В силу специфики пищевых производств и с учетом того, что разделяемые растворы являются хорошей питательной средой для различных микроорганизмов, мойку мембран совмещают с санитарной обработкой мембранного оборудования, которая проводится обычно один раз в смену в соответствии c технологической инструкцией. Таким образом, санитарная обработка преследует две цели: восстановить производительность путем удаления отложений и обеспечить удаление остатков продукта и микробиологическую чистоту рабочей зоны аппарата. Эффективность регенерации мембран в этом случае определяется правильным выбором моющего средства и режимов его применения. Существует большое разнообразие составов растворов, способов регенерации и мойки мембранных аппаратов. Обычно для промышленной эксплуатации мембранного оборудования требуется моечная станция, стоимость которой составляет до 20-25% от общей стоимости установки. К этому следует прибавить, что моющие системы, особенно ферментной природы, в значительной степени удорожают процесс регенерации. Надо учитывать также, что химическая и биохимическая мойка - довольно продолжительные процессы.

Состав моющего средства, режим обработки зависят от вида разделяемых растворов, типа мембранной перегородки и степени загрязненности мембраны. Организация процесса мойки, независимо от характера разделяемого продукта и типа мембраны, осуществляется путем подачи моющего раствора в рабочую зону аппарата и обеспечения его циркуляции под некоторым (меньше рабочего) давлением. Пермеатная зона обрабатывается прошедшим через мембрану под действием перепада давления раствором. Существующие методики и моющие средства, рекомендуемые для санитарной обработки мембранной техники, используемой для разделения молочных продуктов, предусматривают в зависимости от степени восстанавливаемости проницаемости установки после мойки проводят дополнительную обработку рабочей зоны кислотным составом после щелочной мойки.

Следует отметить, что практика эксплуатации ультрафильтрационного оборудования свидетельствует, что мойка с использованием поверхностно-активных веществ и детергентов обеспечивает удовлетворительное восстановление проницаемости при ежесменном цикле работы и только через несколько десятков циклов появляются признаки неполного восстановления производительности, что свидетельствует о наличии неудаленных отложений, по-видимому, в поровом пространстве.

Литература

1. Ахмадиев, М.Г. Математическое моделирование процессов мембранной очистки сточных вод / М.Г. Ахмадиев, Ф.Ф. Шакиров, И.Г. Шайхиев // Вестник Казанского технологического университета. – 2011. – № 10. – С. 217-222.

2. Гришин, С.С. К вопросу математического моделирования мембранных процессов очистки / С.С. Гришин // Письма в международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология". – 2014. – № 1. – С. 83-85.

3. Математическое моделирование мембранных процессов с использованием comsol multiphysics / А.М. Узденова, А. В. Коваленко, М. Х. Уртенов // М-во образования и науки Российской Федерации, Карачаево-Черкесский гос. ун-т им. У. Д. Алиева. Карачаевск, 2012.

4. Семенов А.Г. Моделирование и расчет ультрафильтрационных установок периодического действия / А.Г. Семенов, А.Е.Тимофеев // Техника и технология пищевых производств. – 2011. – Т. 20 . – № 1. – С. 84-89.