Uticaj tipa promotora turbulencije na unapređenje membranske filtracije proteina mleka

Abstract

U radu je ispitivana mogucnost unapređenja membranske filtracije mleka primenom promotora turbulencije razlicitog geometrijskog oblika i dimenzije. Eksperimentalna istraživanja su izvedena na keramickoj membrani velicine 100 nm koja se najcešce koristi u procesu mikrofiltracije mleka. Istraživanja su obuhvatila ispitivanje uticaja promotora helikoidne geometrije (uvrnuta traka i Keniks mikser) i geometrije u obliku seciva (Koflo mikser) razlicitih karakteristicnih dimenzija na fluks permeata, prljanje i selektivnost membrane. Efikasnost primene razlicitih promotora analizirana je kako sa aspekta povecanja fluksa tako i sa aspekta smanjenja potrošnje energije. Istraživanje uticaja tipa promotora turbulencije na mikrofiltraciju proteina mleka pokazalo je da se izborom geometrije, karakteristicne dimenzije i radnih uslova mogu postici znacajna i energetski isplativa povecanja fluksa permeata. Primenom uvrnute trake kao promotora Uticaj tipa promotora turbulencije na unapređenjemembranskefiltracije tubulencije ostvarena su povecanja fluksa i od 200 do 600% u zavisnosti od karakteristicne dimenzije uvrnute trake, i rad pri dva ili tri puta manjim protocima u odnosu na rad bez promotora. Najvece povecanje fluksa od oko 600% ostvareno je primenom najgušce uvrnute trake karakteristicne dimenzije 1,0 (UT1,0). UT1,0 kao promotor turbulencije uzrokuje najvece ubrzanje fluida tj. nivo turbulencije i najdužu helikoidnu putanju strujnica što doprinosi intenzivnom odnošenju cestica sa površine membrane. Ispitivanje primene Keniks miksera kao promotora turbulencije je pokazalo da se znacajna i isplativa povecanja fluksa postižu vec pri veoma malim protocima. Keniks mikser je takođe helikoidne geometrije kao i uvrnute trake, ali se razlikuje po tome što su helikoidni elementi postavljeni pod uglom od 90o i levo desno jedan u odnosu na drugi. Ovakva orjentacija elemenata uzrokuje preraspodelu i promenu smera stujnica posle svakog elementa zbog cega je pad pritiska za Keniks mikser i do cetiri puta veci u odnosu na uvrnutu traku iste karakteristicne dimenzije, ali uz veci utrošak energije. Promotori geometrije u obliku seciva (Koflomikseri) takođe obezbeđuju povecanje fluksa od 200 do 650% pri nižem protoku u odnosu na rad bez promotora. Vece povecanje fluksa od 500 do 600% postignuta su primenom Koflo miksera manje karakteristicne dimenzije 1,3. Koflo mikseriobezbeđuju promenu slike strujanja u membrani koja se manifestuje takođe raspodelom toka fluida i pojavom helikoidnih strujnica, ali i sudaranjem i mešanjem struja usled udara o seciva pod određenim uglom. Po sudaranju struja se ovaj tip miksera razlikuje u odnosu na uvrnute trake i Keniks mikser. Ipak pad pritiska ovog miksera je veci u odnosu na pad pritiska uvrnute trake, a manji u odnosu na pad pritiska Keniks miksera. Ispitivanje smanjenja prljanja membrane pokazalo je da se primenom promotora smanjuje otpor prljanja membrane kao i otpori usled povratnog i nepovratnog prljanja. Naročito je zapaženo smanjenje otpora usled povratnog prljanja koje se javlja na površini membrane. Na ovaj nacin potvrđeno je da svi tipovi miksera uzrokuju promenu nacina strujanja u membrani koja obezbeđuje poboljšanje prenosa mase u graničnom sloju. U granicnom sloju najintenzivnije deluje Uticaj tipa promotora turbulencije na unapređenje membranske filtracije. Keniks mikser kod kog sem preraspodele stujanja dolazi i do promene smera strujnica nakon svakog elementa. Izvođenje procesa primenom promotora je energetski isplativije u odnosu na konvencionalan nacin rada i važi za sve ispitivane tipove promotora bez obzira na geometriju i karakterističnu dimenziju. Za vrednosti flukseva do 60 Lm-2h-1 uvrnute trake sve tri karakteristicne dimenzije zahtevaju istu potrošnju energije. Primena uvrnute trake UT1,0 je najisplativija za flukseve vece od 60 do 100 Lm-2h-1 iako uzrokuje veci pad pritiska u odnosu na UT1,5 i UT2,5, ali obezbeđuje i proporcionalno veci fluks pri protocima tri puta manjim u odnosu na rad bez promotora. Primenom UT1,0 moguće su uštede energije u rasponu od 50 do 75 % u odnosu na rad bez promotora. Potrošnja energije kod primene Keniks miksera je veća u odnosu na uvrnutu traku iste karakterisitčne dimenzije, a opseg radnih protoka i TMP uslovljen velikim padom pritiska. Uštede energije u slučaju primene Keniks miksera su od 30 do 65% u odnosu na rad bez promotora. Međutim, primenom UT1,0 umesto Keniks miksera iste dimenzije obezbeđuju se od 10 do 35 % vece uštede energije pri istom radnom fluksu. Sa aspekta potrošnje energije, Koflo mikseri su najmanje efikasni. KF1,3 mikser je manje efikasan u odnosu na KF2,5 zbog većeg pada pritiska i ne proporcionalno veceg fluksa. Primenom ovih promotora se postižu uštede energije od 20 do 70% u odnosu na konvencionalan način rada, ali je ipak njihova efikasnost manja u odnosu na uvrnutu traku iste dimenzije zbog razlike u padu pritiska Pravilnim izborom geometrije promotora može postici povecanje fluksa uz nisku potrošnju energije odnosno niže padove pritiska. Slika strujanja koja zavisi od geometrije promotora najviše utice na povecanje fluksa pri čemu je najbitnije da se pored povećanja brzine obezbedi pojave strujnica helikoidnog oblika u graničnom sloju. Upravo ovakav nacin strujanja najviše doprinosi odnošenju cestica istaloženih na površini membrane i povecanju prenosa mase. Pojave radijalnog mešanja ili sudaranja struja mogu se smatrati sporednim pojavama u odnosu na to koliko doprinose povecanju fluksa međutim, njihovo postojanje doprinosi povećanju pada pritiska i smanjuju energetsku efikasnost promotora. Uticaj tipa promotora turbulencije na unapređenje membranske filtracije. Rezultati istraživanja su potvrdili polaznu pretpostavku, definisanu ciljem istraživanja, da helikoidna putanja strujanja kod uvrnutih traka obezbeđuje najintenzivnije odnošenje istaloženog materijala sa površine membrane uz najmanji pad pritiska odnosno gubitak energije. Sa druge strane, pojava mešanja koje je primarno kod Keniks i Koflo miksera izaziva, pored odnošenja istaloženih čestica i dodatno vrtloženje koje za posledicu ima veći pad pritiska i manju energetsku efikasnost.

This work investigates influence of tubulence promotor geometry and its characteristic dimension on the improvement of membrane filtration of milk proteins. The investigation was performed using a ceramic tubular membrane with 100 nm pore size which is commonly used in the dairy industry. As turbulence promoters two main geometry types were chosen: a helical (twisted tape and Kenics mixer) and a blade shaped (Koflo mixer). Except the geometry type, influence of an aspect ratio was studied, also. Efficiency of turbulence promoters was evaluated from the point of view of flux improvement and specific energy consumption. The experimental results clearly show that microfiltration process can be improved by proper choice of a turbulence promoter geometry, its aspect ratio and operating conditions. The process efficiency is increased by achievement of a significant flux increase and lowered energy consumption. Application of twisted tapes as turbulence promoters yields in the flux improvement of 200 to 600% depending on the aspect ratio of twisted tape but at two or three times lower cross-flow rates compared to conventional MF. The higher flux improvement of 600% was achieved by using twisted tape with aspect ratio 1.0, which induces the highest turbulence and the longest helical stream path so the scouring of particles from the membrane surface is the most intensive. By applying Kenics mixer as turbulence promoter significant flux improvement can be achieved at five fold lower cross-flow rates. Kenics mixer is also helical insert but its elements are right and left-hand orientated what causes the local resistances and much higher pressure drop compared to the twisted tape of the same aspect ratio. This resulted in higher energy consumption and in lower efficiency of the process fitted with Kenics mixer. Application of blade type insert, such is Koflo mixer, enables flux improvement of 200 to 650% and operation at lower cross-flow rates compared to conventional MF. The higher flux improvement, 500 to 600%, was yielded using the mixer of lower aspect ratio, 1.3. Blade mixers divide and redistribute streamlines after each element and also induce helical flow path near the membrane surface. Flow field defers from the flow field of twisted tape and Kenics mixer by the appearance of stream collision in the center of blade structure. This causes grater pressure gradient than for the twisted tape but lower than for the Kenics mixer. Investigation of membrane fouling confirmed that the membrane fitted with promoter is less fouled compared to the plane membrane. The reversible fouling resistance is reduced for order of magnitude especially for the case of Kenics mixer application. All types of promoters improve the mass transfer in the boundary layer at membrane surface inducing the helical path streamlines which take away deposited material. Energy consumption analysis has shown that the energy consumption can be significantly reduced by proper promoter geometry and aspect ratio. Operation with promoters proved to be more efficient from energy consumption point of view compared to the conventional operation. Using twisted tape of 1.0 aspect ratio energy can be saved for 50 to 75%. Blade type mixers are the less efficient, but still more efficient than the conventional filtration. In general, when the twisted tapes were used as promoters generated helical streamline path enables the most intensive fouling reduction with lowest pressure drop i.e. energy consumption. On the other hand, when the Kenics and blade mixers were used, except helical streamline path the secondary flows and mixing are induced what along with fouling reduction causes the higher pressure loss making these promoters energetically less efficient.