Áttekintés a membránszeparációs eljárásokról 1. rész
A membrántechnológiákat évtizedek óta széles körben alkalmazzák az élelmiszer-feldolgozásban a különböző folyadékáramok és oldott anyagok tisztítására, csírátlanítására, frakcionálására vagy koncentrálására. A hagyományos technológiákhoz képest jelentős előnyökkel rendelkeznek:
- A termikus koncentrálási eljárásokhoz képest kisebb a fajlagos energiaigényük.
- A komponensek szétválasztása csak fizikai úton, fázismódosulás ill. kémiai átalakulás nélkül megy végbe. A szétválasztáshoz nincs szükség hőközlésre, így a hőérzékeny alkotórészek károsodása is minimális, jobb érzékszervi és funkcionális tulajdonságokat eredményezve a késztermékben.
- Mindkét frakció (retentátum és permeátum) felhasználható további termékek előállításához.
- Lehetőség nyílik innovatív termékek előállítására.
A membránszeparáció ipari méretű alkalmazása a tejiparban a múlt század 80-as éveiben kezdődött az első ultraszűrő síkmembránok kifejlesztésével.
Azóta a membránszeparációs technológiák széles körben elterjedtek a hazai és külföldi tejiparban egyaránt. Ennek ellenére még most is sokszor hiányos ismereteket tapasztalunk a tejipari szakemberek részéről, ezért egy három részes cikksorozatban – melynek jelen írás az első része – közérthető áttekintést szeretnénk nyújtani a membránszeparáció legfontosabb tejipari alkalmazásairól. Az első rész célja az alapvető működési elvek és alapfogalmak bemutatása.
A membránszűrés a szelektív permeabilitás elvén alapuló művelet, amelyben a folyadék egy vagy több komponensét félig áteresztő membránnal hajtóerő alkalmazásával szétválogatják.
A membránszeparáció alkalmazásának legfontosabb feltételei, hogy az egymástól elválasztandó komponensek között méretkülönbség álljon fent, hogy rendelkezésre álljon megfelelő pórusméretű membrán és a szükséges hajtóerő – amely a tejipari alkalmazásokban jellemzően a nyomás – álljon fenn.
1. ábra: Membránszűrés elve (Forrás: MTKI)
A tejiparban 4-féle membránszeparációs eljárást alkalmaznak: mikroszűrést (MF), ultraszűrést (UF), nanoszűrést (NF) és fordított vagy más néven reverz ozmózist (RO). Fő különbség az egyes eljárások között az alkalmazott membránok pórusmérete, amely meghatározza, hogy a membrán milyen molekulákat és anyagokat tart vissza, és milyen anyagokat enged át. A membránnal visszatartott anyagok a retentátumban koncentrálódnak, míg a membránon áthaladó anyagok a permeátummal távoznak. A 2. ábra áttekintést nyújt az egyes eljárásokról, illetve a tejalkotórészek méretbeli különbségeiről.
2. ábra: Tejalkotórészek méretbeli különbsége és az alkalmazott membránszűrési eljárások (Forrás: Dairy Processing Handbook, 2003, MTKI szerkesztés)
A négy eljárás között a legnagyobb különbség a membránok pórusmérete és az alkalmazott szűrési nyomás. A reverz ozmózisnál alkalmazzák a legkisebb pórusméretű membránokat és a legnagyobb szűrési nyomást, a mikroszűrésnél pedig a legnagyobb pórusméretű membránokat és a legkisebb szűrési nyomást. Ebből adódik, hogy mindegyik eljárás más-más célra alkalmazható.
Az RO membrán például csak a vízmolekulákat engedi át, minden más komponenst visszatart, ezért kiválóan alkalmas például a sajtsavó vagy fölözött tej víztartalmának csökkentésére szállítás előtt és így a szállítási költségek csökkentésére. Ebben az esetben a retentátum a koncentrált savó vagy fölözött tej, a permeátum pedig tiszta víz, amely felhasználható mosási célra a tejüzemben.
Az ultraszűrő membrán pórusai a víz mellett átengedik az oldott állapotban lévő ásványi anyagokat és a tejcukrot, visszatartják a tejfehérjéket, a zsírgolyócskákat, a baktériumokat és minden más nagyobb komponenst. A retentátumban ebben az esetben feldúsul a tejfehérje és a tejzsír, ezért ez a technológia elengedhetetlenül szükséges a különböző tejfehérje és savófehérje koncentrátumok és -izolátumok gyártásához, de kiinduló alapanyagtól függően nagy zsírtartalmú tejtermékek előállítására is alkalmas.
Jelenleg a tejiparban a kedvező beruházási költségek miatt elsősorban különböző polimer anyagokból készült spiráltekercselt membránmodulokat alkalmaznak, azonban néhány mikroszűrő alkalmazásban a drágább kerámia anyagú csőmembránok használata terjedt el.
A membránszűrési technológiákban különböző szakkifejezéseket használunk, amelyek közül a legfontosabbak:
A fluxus alatt értjük a membrán egységnyi felületén, egységnyi idő alatt áthaladó permeátum mennyiségét, mértékegysége l/m2h. Minél nagyobb a fluxus, annál nagyobb anyagmennyiséget lehet adott felületű membránszűrő berendezésen egységnyi idő alatt szűrni, a nagyobb fluxus tehát az adott berendezésre és adott végtermékre vonatkozó nagyobb feldolgozó kapacitást jelent a gyakorlatban. A szűrőberendezés üzemelése során a fluxus érték csökkenése pedig a membránok eltömődését jelzi.
A volumenredukció (VR%) a betáplált térfogatáram és a permeátum térfogatáram aránya százalékban kifejezve, pl. 1000 l/h betáplált térfogatáram és 600 l/h permeátum térfogatáram esetén a volumenredukció 60%.
A koncentrációs faktor (CF) a betáplált térfogatáram és a retentátum térfogatáram aránya, pl. 1000 l/h betáplált térfogatáram és 400 l/h retentátum térfogatáram esetén a koncentrációs faktor 2,5.
Diafiltráció (DF) alatt értjük a retentátum hígítását vízzel a membránon áthaladó alkotórészek minél nagyobb arányú „kimosása” érdekében. A diafiltrációt általában mikroszűréssel vagy ultraszűréssel kombinálják, például 65 %-nál nagyobb fehérjetartalmú tejfehérje koncentrátumokat és izolátumokat csak diafiltráció alkalmazásával lehet előállítani.
A legalapvetőbb fogalmak tisztázása után térjünk rá a membránszeparáció gyakorlati alkalmazásainak legfőbb előnyeire és hátrányaira!
Legfőbb előnye, hogy fizikai eljárás lévén nem, vagy csak minimálisan károsodik a kiinduló anyag alkotórészeinek kémiai szerkezete, nincs szükség hőközlésre vagy vegyszerekre, hogy a kívánt koncentrálási vagy dúsulási folyamat végbe menjen. Ily módon kiváló érzékszervi és techno-funkcionális tulajdonságú termékek állíthatóak elő.
Másik nagy előnyük, hogy a szűrési folyamatok energiatakarékosak. Általában kis hőmérsékleten mennek végbe, így egy szűrési ciklus akár 18-20 óra is lehet. A szűrési folyamat csak elektromos energiát és hűtőenergiát (jeges víz) igényel, a CIP-hez kis mennyiségű fűtőenergia szükséges gőz formában.
Ezen a ponton meg kell említeni az egyik hátrányukat is. Általánosan igaz, hogy a membránszeparációs berendezés beszerzése és üzemeltetése akkor gazdaságos, ha a termelési ciklusok minél hosszabbak és elérik akár a 16-20 órát is. Ennek egyik oka, hogy a polimer membránok CIP tisztításához speciális vegyszerek szükségesek, amelyeknek beszerzési költsége viszonylag magas, másik oka, hogy főleg nagy koncentrációs faktor alkalmazásánál a rövid termelési ciklusuk esetén nagyok a termékveszteségek. A fentiek miatt kis szűrendő anyagmennyiségek esetén általában nem éri meg a membránszűrő berendezés beszerzése és üzemeltetése.
A legtöbb membránszeparációs alkalmazásnál rendkívül fontos a jó alapanyagminőség és a megfelelő alapanyag előkészítés is. Sajtsavó membránszűrése esetén például a megfelelő alapanyag-előkészítés magában foglalja a maradéktalan alvadékpor-leválasztást, a savó kíméletes pasztőrözését a mikrobaszám csökkentése céljából, illetve a savó minél rövidebb időtartamú hűtve tárolását (friss savó feldolgozása). Ezenkívül a sajtsavó pH-beállítása is szükséges lehet. Nem megfelelő alapanyagminőség, vagy alapanyag-előkészítés csökkent fluxust és így csökkent kapacitást, illetve a membránok gyors eltömődése miatt rövid ciklusidőt eredményez.
Gyakorlati szempontból fontos, hogy a polimer membránokkal felszerelt membránszeparációs berendezések üzemeltetésénél a diafiltrációhoz és a mosáshoz használt víz minősége szigorú követelményeknek kell, hogy megfeleljen. Sok esetben a közmű hálózatból vagy saját kútból származó üzemi víz vízkezelés nélkül magas vastartalma miatt nem felel meg, gyakran a víz szabad klórtartalma is probléma. A vas- és mangánlerakódások a membránban helyrehozhatatlan eltömődéseket okozhatnak, ilyenkor általában teljes membráncsere szükséges. A túl nagy aktív klór tartalom ellenkezőleg hat, károsítja a membránszövetet, áteresztőbbé válik a membrán, amely rontja a szűrési funkcióját.
Bukovics Solveig
A szerző a Magyar Tejgazdasági Kísérleti Intézet Kft. munkatársa. A cikk megírásához felhasznált szakirodalom a szerzőnél rendelkezésre áll.