Reverz ozmózis és nanoszűrés alkalmazása a tejiparban 3. rész
A reverz ozmózis (RO) és a nanoszűrés (NF) rendszerek megjelenésükben és jellemzőikben is hasonlóak. Mind a nanoszűrés, mind a reverz ozmózis esetén a szűrendő anyag ozmotikus nyomásánál nagyobb nyomás alkalmazása szükséges az eredményes szűréshez, azzal a különbséggel, hogy az RO membránok kisebb pórusmérete miatt csak a vízmolekulákat engedik át, míg az NF membránok nagyobb pórusméretük miatt a vízmolekulák mellett bizonyos mértékben az egyértékű ionokat is átengedik. A kisebb pórusméret miatt az RO-nál alkalmazott nyomás nagyobb – általában 30-50 bar –, az NF-nél alkalmazott nyomás kisebb (20-35 bar).
Az 1. ábra szemlélteti az ozmózis és a reverz ozmózis elvét.
1. ábra: Ozmózis és reverz ozmózis elve
A reverz ozmózis tejipari alkalmazásaiban általában spiráltekercselt polimer membránmodulokat használnak, melyek pórusmérete <100 Dalton molekulatömegnek megfelelő. A reverz ozmózis elsősorban azokon a területeken kerül alkalmazásra, ahol a fő cél a termékből történő vízelvonás, anélkül, hogy az alkotórészek egymáshoz való aránya változna. A tejpor- és savóporgyártás során például gazdaságosabb és kevesebb fajlagos energiaráfordítással jár, ha reverz ozmózissal előkoncentrálják a teljes tejet, fölözött tejet vagy sajtsavót a vákuumbepárlás előtt. A reverz ozmózis a szállítási költségek csökkentéséhez is alkalmazható. Más üzembe való szállítás előtt pl. a sajtsavó, fölözött tej vagy az ultraszűréskor keletkező permeátum víztartalmát csökkenteni tudjuk, ill. a nyers tej is koncentrálható a tejtermelés helyén, a tejüzembe való szállítás előtt. A reverz ozmózis ezenkívül a tejüzemben keletkező un. fehér víz koncentrálására is felhasználható. Amennyiben a keletkező RO retentátum hasznosítására kerül, például biogáz üzemben, csökkenthető a szennyvíz rendszer szerves anyaggal való terhelése.
Teljes tej, fölözött tej vagy sajtsavó RO szűrése során az RO retentátumban, azaz a koncentrált termékben legfeljebb 25-30 % szárazanyagtartalom érhető el, a szűrendő alapanyagtól függően. Ez teljes tej RO szűrése esetén kb. 2,0-2,5-ös, fölözött tej esetén kb. 3,0-as, fölözött sajtsavó esetén kb. 5-ös koncentrációs faktornak (a betáplált térfogatáram és a retentátum térfogatáram aránya) felel meg.
A reverz ozmózis mellékterméke, az RO permeátum ásványi anyagoktól és szerves anyagoktól gyakorlatilag mentes, tiszta víz. Ha sajtsavót közel 5-ös koncentrációs faktorral koncentrálunk reverz ozmózissal, akkor 10.000 liter sajtsavóból közel 2000 liter 28-30 % szárazanyag-tartalmú RO retentátum (savókoncentrátum) és 8.000 liter RO permeátum (víz) keletkezik, amely az üzemben mosásra felhasználható és ily módon a nagy vízigényű tejiparban hozzájárulhat a közüzemi vízfogyasztás csökkentéséhez. A gyakorlatban figyelembe kell venni, hogy az RO membránok sem tartják vissza 100 %-ban a különféle ionokat és kis molekulájú szerves anyagokat, így számolni kell azzal, hogy a tej és savó RO permeátuma kis mennyiségben szerves anyagokat is tartalmaz, emiatt a tárolhatósága korlátozott. Ezért sok esetben az RO berendezés után egy ún. RO tükrösítőt (RO polisher) építenek be a rendszerbe, amely a tejből vagy savóból származó RO permeátumot (RO vizet) tovább tisztítja. Az RO polisher retentátum térfogatárama ebben az esetben kb. 4-5 %-a a betáplált RO víz térfogatáramának és csekély szárazanyag tartalommal rendelkezik.
A nanoszűrés során alkalmazott membránok pórusmérete valamivel nagyobb, mint a reverz ozmózis során alkalmazott membránoké. A tejipari gyakorlatban a spiráltekercselt, polimer anyagú, 200-300 Dalton közötti molekulatömegű pórusmérettel rendelkező NF membránok terjedtek el. Az NF membránok visszatartják a fehérjéket, nagymértékben a tejcukrot, az egyéb szerves anyagokat és a nagyobb molekulatömegű ásványi anyagokat. Az egyértékű ionokat, mint pl. nátrium-, kálium-, és kloridionokat viszont bizonyos mértékig átengedik. Ily módon a nanoszűrés során az alapanyag koncentrálása és részleges sótalanítása egyidőben megy végbe.
A nanoszűrés talán legelterjedtebb tejipari alkalmazása a sajtsavó részleges sótalanítása és koncentrálása, amely elsősorban a demineralizált savópor gyártástechnológiájában fontos művelet. Irodalmi adatok alapján csak nanoszűréssel – diafiltráció nélkül – kb. 25-40% hamutartalom csökkenés érhető el a savóban. Legnagyobb mértékben a savó klorid-, kálium- és nátriumtartalma csökken. A csökkenés mértéke a kálium- és nátriumionok esetén kb. 30-40%, a kloridion esetén 60-80%. A többértékű ionokra, mint a kalcium-, magnézium- és foszfátionokra vonatkozó demineralizálás mértéke pedig 3-15% között alakul.
A nanoszűrés a többi sótalanítást eredményező eljáráshoz (elektrodialízis, ioncsere) képest költség-, idő- és vízmegtakarítást eredményez az egyidejű koncentrálásnak és részleges demineralizálásnak köszönhetően. Fontos szempont, hogy beruházási költsége is kedvezőbb.
Sok esetben érdemes a reverz ozmózis helyett a nanoszűrést választani, akkor is, ha az elsődleges cél a vízelvonás a termékből. A nanoszűrés a membránok nagyobb pórusmérete miatt nagyobb fluxussal és kisebb nyomással üzemeltethető, mint a reverz ozmózis. Így adott koncentrálási feladatra kisebb membránfelület, ezáltal kisebb berendezés szükséges, valamint az energiafelhasználás is kisebb, mint a reverz ozmózis alkalmazása esetén. Elsősorban sajtsavó koncentrálása és savó, ill. tej ultraszűréséből származó permeátum koncentrálása esetén előnyös a nanoszűrés választása reverz ozmózis helyett. A hamutartalom csökkenés a retentátumban nem befolyásolja negatívan a termék tulajdonságait, sőt, sok esetben jobban értékesíthető a részlegesen sótalanított termék.
A sajtsavó nanoszűrése során keletkező permeátum (NF víz), ellentétben az RO permeátummal, analitikai módszerekkel is mérhető szárazanyag tartalommal (0,3-0,6 %) rendelkezik, amely elsősorban tejcukorból és ásványi anyagokból áll. Szervesanyag tartalma miatt a gyakorlatban nem tárolható néhány óránál tovább, emiatt további tisztítás nélkül korlátozottan használható fel az üzemben mosóvízként. A gyakorlatban a nanoszűrő berendezéssel együtt egy reverz ozmózis berendezést – ún. RO tükrösítőt (RO polisher) – is célszerű telepíteni, amely szinkron üzemmódban az NF permeátumból kiszűri a maradék szerves anyagokat.
2. ábra: Példa sajtsavó feldolgozására ultraszűréssel, vízvisszanyerés nanoszűréssel és reverz ozmózissal
Mind a reverz ozmózis, mind a nanoszűrés szűrési hőmérséklete a gyakorlatban 10-15 °C körül alakul. Ebben a hőmérséklettartományban korlátozott a mikrobaszaporodás, így hosszú szűrési ciklusokat lehet elérni. A tejeredetű anyagok (sajtsavó, tej vagy sajtsavó UF permeátuma) hideg RO vagy NF szűrése esetén szükséges a savó előkezelése (alvadékpor-eltávolítás, fölözés, pasztőrözés, hűtés). Emellett szűrés előtt általában a betáplált anyag pH-értékét is be kell állítani az optimális 5,8-6,1 értékre, a tej eredetű kalcium-foszfát okozta membránpórus eltömődés elkerülésére. A pH-beállítás történhet citromsavoldat, tejsavoldat, vagy szén-dioxid bevezetéssel, közvetlenül a szűrés előtt. A szén-dioxiddal történő pH-beállítás előnye, hogy a CO2 szűrés után gáz formában távozik a retentátumból, így egyrészről nem csökkenti tartósan a koncentrált termék pH-értékét, másrészről nem növeli a retentátum hamutartalmát.
Összegzésképpen elmondható, hogy a membránszeparációs technológiák önálló és kombinált alkalmazása számos lehetőséget kínál a tej és a tejeredetű anyagok egyes alkotórészeinek kivonására, koncentrálására, a tejipari melléktermékekben lévő hasznos anyagok kinyerésére, és a permeátumokban lévő víz visszanyerésére. A mikroszűrés a mikroorganizmusok számának csökkentésére vagy a tejfehérje frakcionálására alkalmazható, az ultraszűrés a fehérjék koncentrálására szolgál, a nanoszűréssel részleges sótalanítás, ezáltal a hamutartalom csökkentése érhető el, a reverz ozmózis alkalmazása pedig a betáplált anyag víztartalmát csökkenti.
Bukovics Solveig
A szerző a Magyar Tejgazdasági Kísérleti Intézet Kft. munkatársa. A cikk megírásához felhasznált szakirodalom a szerzőnél rendelkezésre áll.