Mikrofiltrácia kvasničnej biomasy cez keramické membrány

Size: px

Start display at page:

Download "Mikrofiltrácia kvasničnej biomasy cez keramické membrány"

Todd Brown
5 years ago
Views:

1 Práca č. 8 Mikrofiltrácia kvasničnej biomasy cez keramické membrány 1. CIEĽ PRÁCE 1. namerať hydraulickú charakteristiku keramickej membrány, t.j. závislosť hustoty toku čistého rozpúšťadla - vody od transmembránového tlaku, 2. experimentálne zistiť vplyv pracovných podmienok na rýchlosť poklesu hustoty toku permeátu pri mikrofiltrácii suspenzie kvasiniek, 3. matematickým modelovaním identifikovať mechanizmus zanášania membrány. 2. TEORETICKÝ ÚVOD Membránové separačné procesy patria v súčasnosti medzi perspektívne spôsoby delenia produktov vznikajúcich v rôznych štádiách výroby. Je to určitým spôsobom aj naša snaha kopírovať od prírody osvedčené metódy, ktoré sa vyvíjali a overovali milióny rokov. Spoločnou charakteristickou črtou týchto metód je polopriepustná membrána, ktorá zadržiava, alebo prepúšťa požadované zložky. Od klasickej mechanickej filtrácie sa líšia predovšetkým schopnosťou separovať častice veľkosti mikrónov, respektíve môžeme oddeľovať makromolekuly až ióny. Navyše, k zadržiavaniu zložiek dochádza aj v samotnom objeme membrány. Ich príťažlivosť sa zvyšuje aj relatívne nízkymi nárokmi na energie. Mikrofiltrácia, podobne ako ultrafiltrácia, nanofiltrácia a reverzná osmóza sa radia do skupiny membránových separačných procesov, ktorých hnacou silou je tzv. transmembránový tlak, ΔPTM, t.j. tlakový rozdiel, v kolmom smere na plochu membrány, obr.1. Pri mikrofiltrácii sa z filtrovaného materiálu oddeľujú častice, ktorých veľkosť je v rozsahu 0,1-10 μm (koloidné častice, baktérie). V Tab. 1 veľmi zjednodušene vidíme aplikačné možnosti využitia jednotlivých separačných metód. Tabuľka 1. Využitie tlakových mebránových separačných procesov. Mikrofiltrácia Ultrafiltrácia Nanofiltrácia Reverzná osmóza zadržiavané zložky koloidy, baktérie, pigmenty makromolekuly, vírusy organické molekuly, viacvalentné ióny všetky rozpustené zložky 10-0,1 μm 0, μm kda 20 0,1 kda < 100 Da pracovný ΔPTM (bar) 0, V súčasnosti už mikrofiltrácia patrí medzi základné separačné procesy potravinárskeho a farmaceutického priemyslu pri spracovaní produktov fermentácie, výrobe mliečnych výrobkov, filtrácii piva, vína atď. Mikrofiltračné zariadenie sa môže prevádzkovať v usporiadaní s úplným prechodom nástreku (dead-end). Permeát sa získa jednorazovým pretlačením celého filtrovaného materiálu cez membránu. V poslednom čase sa však v priemysle presadzuje oveľa účinnejšia metóda filtrácie s krížovým usporiadaním toku permeátu a retentátu (cross flow), obr.1. kedy 1

2 filtrovaný materiál cirkuluje v systéme pomerne veľkou rýchlosťou a postupne sa získava permeát. V dôsledku zvýšenej rýchlosti v bezprostrednej blízkosti steny membrány vysoké hodnoty šmykovej rýchlosti zabraňujú usadzovaniu nečistôt na povrchu membrány. Preto je pochopiteľné, že je potrebné aby sa v membráne dosiahol turbulentný režim toku, kedy hodnota Reynoldsovho kritéria (1) Obr.1. Schematické usporiadanie dead-end a cross-flow mikrofiltrácie. Na výsledný tok permeátu majú vplyv nasledujúce premenné: a) transmembránový tlak, b) zloženie nástreku, c) rýchlosť prúdiacej suspenzie. Charakteristickou črtou každej mikrofiltrácie je postupný pokles prietoku permeátu cez membránu. Tento pokles sa vysvetľuje tzv. zanášaním membrány (fouling) časticami, ktoré sa nachádzajú vo filtrovanom roztoku. Proces zanášania zahrňuje také efekty, v dôsledku ktorých bude priepustnosť membrány klesať. Počas filtrácie dochádza k interakcii častíc filtrovaného materiálu so stenami membrány. Častice, ktorých charakteristický rozmer je menší ako priemer pórov membrány môžu vnikať do vnútra samotnej membrány a adsorbovať sa na vnútorných stenách pórov, čím sa zmenší priemer pórov. V horšom prípade môže dôjsť k ich úplnému upchatiu. Zároveň sa na povrchu membrány postupne vytvára vrstva, filtračný koláč. Všetky tieto efekty v konečnom dôsledku znižujú prietok permeátu membránou. Tok permeátu cez membránu môžeme vyjadriť pomocou upravenej Darcyho rovnice: (2) 2

3 V rovnici (2) Rm predstavuje odpor samotnej membrány a Rc odpor, ktorý vznikne v dôsledku zanášania. Keďže odpor samotnej membrány je daný, môžeme tok permeátu pre danú membránu ovplyvňovať tým, že sekundárny odpor vznikajúci v dôsledku zanášania budeme účinne potláčať. Rôznou konštrukciou alebo usporiadaním toku sa vytvárajú také hydrodynamické podmienky, ktoré zabraňujú interakcii nečistôt s membránou. Jednou z možností je vytváranie vhodných hydrodynamických podmienok. Preto je snaha pracovať pri pomerne vysokých prietokových rýchlostiach, kedy vysoké šmykové rýchlosti potláčajú transport zadržiavaných zložiek k membráne, ako je to pri filtrácii s krížovým usporiadaním permeátu a retentátu (cross flow). Ďalšou možnosťou je generovanie pulzácií v toku. Výhodou tejto metódy je, že objemový prietok v membránovom module môže byť nižší. Veľmi účinnou metódou je použitie spätného premývania permeátom, kedy sa v pravidelných intervaloch, na krátku dobu, časť filtrátu tlačí proti toku permeátu. Výhodou tohto spôsobu zvyšovania prietoku je, že okrem odstraňovania koláča z povrchu membrány dochádza aj k čiastočnému odstráneniu nečistôt z vnútra membrány, čo pri iných metódach intenzifikácie dosiahnuť nemožno. Určenie vhodnej membrány a pracovných podmienok je potom výsledkom množstva experimentov Jedna z možností objasnenia mechanizmu zanášania membrán spočíva v modelovaní poklesu toku permeátu cez membránu. Vychádzajúc z úvahy, že počas filtrácie sa odpor môže meniť v dôsledku blokovania pórov, ich postupného zanášania a tvorbou samotného koláča odvodil Hermia modely, ktoré sa po zovšeobecnení dajú zapísať v tvare (3) Kde exponent N môže nadobúdať hodnoty: N = 0 koláčová filtrácia N = 1,5 vnútorné blokovanie pórov N = 1 čiastočné blokovanie pórov N = 2 úplné blokovanie pórov Z praktického hľadiska je rovnica (3) ťažkopádna, pretože pri meraní sa zvyčajne sleduje hustota toku permeátu v čase. Jednoduchou úpravou rovnicu (3) transformujeme do tvaru (4) kde J* je limitná hodnota hustoty toku permeátu v ustálenom stave. Výhodou takto upravenej rovnice je, že z časového priebehu poklesu hustoty toku permeátu možno podľa hodnoty exponenta odhadnúť riadiaci mechanizmus pri zanášaní membrán, čo by mohlo napomôcť pri riadení procesu mikrofiltrácie. 3

4 3. ZADANIE 1. Zistite hydraulickú charakteristiku keramickej membrány, ktorej priemerná veľkosť pórov je... nm. Meranie vykonajte pre nasledovné transmembránové tlaky (hodnoty na výstupe z modulu):...,...,...,...,... kpa, objemový prietok... l.min -1 a teplotu... C. 2. Pri transmembránovom tlaku...kpa (výstup z modulu) namerajte časovú závislosť hustoty toku permeátu pri filtrácii...% (hm.) suspenzie pivných kvasiniek. Teplotu filtrovanej suspenzie udržujte na hodnote... C, objemový prietok suspenzie na vstupe do modulu nastavte na... l.min Namerajte hodnotu limitnej hustoty toku permeátu pre objemové prietoky suspenzie...,...,... l.min -1 pri tom istom transmembránovom tlaku ako v bode EXPERIMENTÁLNA ČASŤ 4.1 Opis zariadenia Schéma mikrofiltračného zariadenia je znázornená na obr.2. Filtrovaný roztok je prečerpávaný membránovým čerpadlom 2 z rezervoáru 9 cez výmenníky tepla 6 a 7 do membránového modulu 1. Prietok suspenzie sa meria magnetickým prietokomerom 5. Manometrami sa meria hodnota vstupného 10 a výstupného 11 transmembránového tlaku. Permeát prúdi cez jednotku spätného premývania 3 do zbernej nádoby, ktorá je umiestnená na laboratórnych váhach 4. V pravidelných časových intervaloch sa počítačom zaznamenáva aktuálny stav hmotnosti na váhach, teplota, objemový prietok prúdiaceho média v systéme. 4

Obr.2. Schéma mikrofiltračného zariadenia 4.1.1 Membrána Mikrofiltračný modul 1 je osadený keramickou membránou MEMBRALOX. Jedná sa o asymetrickú membránu, obr.3.

5 Obr.2. Schéma mikrofiltračného zariadenia Membrána Mikrofiltračný modul 1 je osadený keramickou membránou MEMBRALOX. Jedná sa o asymetrickú membránu, obr.3. Účinná vrstva membrány je zhotovená z α-al2o3, ktorý je uchytený na pevnom poréznom podklade. Membrána je odolná mechanickému namáhaniu, tlakovým rázom, teplotám do 150 C. Pracovný rozsah ph je 0,5 až 13,5, čo umožňuje čistenie membrány agresívnymi chemikáliami. Membrána má tvar rúrky, ktorej vnútorný priemer je 7 mm. Jej dĺžka je 0,25 m. Účinná plocha membrány je 50 cm 2. Priemerná veľkosť pórov membrány môže byť 0,1-0,5 μm. Obr.3. Priečny rez keramickou membránou. 5

6 4.2 Nástrek Na meranie použijeme suspenziu pivných kvasníc. Pred meraním výpočtom z materiálovej bilancie zistíme potrebný objem koncentrovanej suspenzie pivných kvasníc. Po pridaní tohto koncentrátu do zásobnej nádrže (počas merania) sa vytvorí roztok s požadovaným obsahom sušiny (podľa zadania). Obr.4. Kumulatívna a distribučná funkcia rozdelenia veľkosti buniek pivných kvasníc. 4.3 Postup merania Do zásobnej nádrže 9 nalejeme 5 dm 3 destilovanej vody. Regulátorom na redukčnej stanici 12 uvedieme do chodu zubové čerpadlo. Vodu necháme cirkulovať v zariadení, až kým sa zariadenie neodvzdušní a kým sa teplota vody neustáli na požadovanej hodnote. Pri odvzdušňovaní zariadenia je membránový ventil 8 úplne otvorený a v zariadení sa postupne zvyšuje prietok, až kým už z neho neuniká vzduch Hydraulická charakteristika membrány Pomocou regulátora na redukčnej stanici 12 a ventilu 8 nastavíme zadaný objemový prietok vody a zároveň aj príslušný transmembránový tlak na manometri 11. Po ustálení nastavených parametrov nameriame asi päť hodnôt toku permeátu pri danom transmembránovom tlaku. Týmto postupom zistíme hodnoty hustoty toku permeátu pri ďalších hodnotách transmembránového tlaku Mikrofiltrácia pivných kvasníc Po nameraní hydraulickej charakteristiky membrány pristúpime k vlastnému meraniu. Nastavíme všetky požadované parametre t.j. transmembránový tlak, objemový prietok, teplotu. Po ustálení nastavených parametrov pridáme do zásobnej nádrže pripravený koncentrovaný roztok kvasníc (predpokladáme, že v systéme je dokonalé miešanie a 6

7 požadovaná koncentrácia kvasníc sa dosiahne skoro okamžite). Čas, kedy sme pridali koncentrovanú suspenziu do nádoby, pokladáme za začiatok merania. Počítačom riadené meranie zaznamenáva v nastavenom časovom intervale všetky sledované veličiny, ktoré budeme potrebovať k spracovaniu. Meranie ukončíme po dosiahnutí ustáleného stavu, limitného toku permeátu t.j., keď sa už nebude meniť hodnota hustoty toku permeátu. Limitnú hustotu toku permeátu nameriame aj pre nižšie objemové prietoky suroviny v zariadení a to tak, že pri nezmenenom transmembránovom tlaku nastavíme požadovaný prietok a počkáme, kým sa ustáli tok permeátu. 5. VYHODNOTENIE NAMERANÝCH ÚDAJOV Všetky nastavené parametre (teplota, tlaky, objemový prietok) a sledované parametre (hmotnosť permátu, tok permeátu) zaznamenáva v závislosti od času počítač. S týmito údajmi je možné po skončení cvičenia ďalej pracovať. 1. Z meraní pre vodu zhotovte závislosť J = f(δp TM ) a z merania pre suspenziu pivných kvasiniek pri danom transmembránovom tlaku zostrojte časovú závislosť J = f(t). 2. Pre všetky nastavené objemové prietoky v systéme vypočítajte priemernú rýchlosť prúdiaceho média v membráne, Reynoldsovo kritérium, stratu tlaku v membráne, šmykovú rýchlosť na stene membrány, limitný tok permeátu. 3. Vypočítajte odpor membrány, odpor koláča a celkový odpor na konci filtrácie pre všetky nastavené objemové prietoky. 4. Fitovaním závislosti J = f(t) (použitím Eulerovej metódy a metódy najmenších štvorcov) zistite hodnoty konštanty K vo vzťahu (4) pre všetky typy zanášania membrány. 5. Výsledky fitovania zobrazte v grafe spolu s experimentálnymi údajmi. 6. Nakreslite závislosť R = f(t) pre všetky typy odporov s nameranými aj vypočítanými údajmi (pre vami zistený mechanizmus zanášania membrány). Pri výpočte transmembránového tlaku vychádzame z údajov manometrov 10 (hodnota transmembránového tlaku na vstupe do modulu) a 11 (hodnota transmembránového tlaku na výstupe z modulu). Za predpokladu, že pokles tlaku v membránovom module je lineárny môžeme určiť strednú hodnotu transmembránového tlaku: (5) Zároveň môžeme určiť aj stratu tlaku v module: Výpočet šmykového napätia na stene: (6) (7) 7

8 Odpor membrány určíme z meraní prietoku permeátu pre čistú vodu (odpor v dôsledku nečistôt je nulový). Pre zvolený transmembránový tlak potom platí: (8) Odpor vytvorený v dôsledku zanášania membrány pri danom transmembránovom tlaku určíme potom z rovnice (1) (9) Viskozitu čistej vody, suspenzie a permeátu pri požadovanej teplote ( C) a koncentrácii kvasiniek (hm. %) vypočítajte podľa korelácií: μ.10 3 =-2,56e -6 T 3 +5,77e -4 T 2-4,70e -2 T+1,75) (10) μ S.10 3 =(0,686*w kv +0,822)(-2,56e -6 T 3 +5,77e -4 T 2-4,70e -2 T+1,75) (11) μ P.10 3 =(0,052*w kv +0,076)(-2,56e -6 T 3 +5,77e -4 T 2-4,70e -2 T+1,75) (12) 6. ZOZNAM POUŽITÝCH SYMBOLOV d vnútorný priemer keramickej rúrkovej membrány, m J hustota toku permeátu, kg m -2 s -1 L dĺžka modulu, m ΔP TM transmembránový tlak, Pa R c odpor koláča, m -1 R m odpor membrány, m -1 T teplota, C t čas, s u priemerná rýchlosť, m s -1 w hmotnostný zlomok μ dynamická viskozita, Pa s ρ hustota, kg.m -3 τ šmykové napätie na stene, Pa 8

9 7. ZOZNAM LITERATÚRY 1. W. S. Ho, K. K. Sirkar, Membrane Handbook, Van Nostrand Reinhold, New York, J. A. Howell, V. Sanchez, R. W Field, Membranes in Biotechnology: Theory and Applications, Chapman & Hall, J. Kiefer, U. Gans, Overview over the different yeast/beer separation technologies, Proceedings of the Institut of Brewing (Australia and New Zealand Section), 24th Scientific Convention, M. Mulder, Basic Principles of Membrane technology, 2nd ed., Kluwer Acad. Pub., M. C. Porter, Hanbook of Industrial Membrane Technology, Noyes Publications, L. J. Zeman, A. L. Zydney, Microfiltration and Ultrafiltration: principles and applications, Marcel Dekker, J. Hermia, Constant pressure blocking filtration laws application to power-law non Newtonian fluids, Trans. IChemE. 60 (1982), pp

BAZÉNOVÝ AUTOMAT. Autor: Rastislav Sádecký v spolupráci s MCU.cz

BAZÉNOVÝ AUTOMAT. Autor: Rastislav Sádecký v spolupráci s MCU.cz BAZÉNOVÝ AUTOMAT www.elektrobazeny.sk Autor: Rastislav Sádecký v spolupráci s MCU.cz Popis Bazénového Automatu 1. Určenie prístroja 2. Popis ovládacích a signalizačných prvkov 3. Spustenie prístroja 4.