Modelovanje i optimizacija procesa mikrofiltracije suspenzija pšeničnog skroba

Abstract

Cilj ovog rada je ispitivanje uticaja procesnih parametara (transmembranski pritisak, protok i koncentracija suspenzije) na vrednost fluksa permeata, sa i bez prisustva statičkog mešača, tokom procesa mikrofiltracije suspenzija pšeničnog skroba na keramičkim membranama različitih veličina pora (200 nm i 500 nm). Mikrofiltracija je izvođena u uslovima recirkulacije i koncentrisanja napojne suspenzije. Za modelovanje zavisnosti procesa mikrofiltracije suspenzija skroba od procesnih parametara primenjen je postupak odzivne površine. Ispitivanjem mikrofiltracije suspenzija pšeničnog skroba na membranama sa različitim srednjim prečnikom pora (200 i 500 nm) uočeno je da sa povećanjem veličine pora vrednost fluksa permeata opada. U posmatranom eksperimentalnom opsegu procesnih parametara postignuto je relativno povećanje stacionarnog fluksa od 25% do 50% u uslovima recirkulacije napojne suspenzije, dok je u uslovima koncentrisanja napojne suspenzije relativno povećanje srednjeg fluksa iznosilo od 20% do 80%. Porast fluksa do kojeg dolazi postavljanjem statičkog mešača u kanal membrane uslovljen je uspostavljanjem turbulentnih uslova proticanja i karakterističnog kretanja fluida duž kanala membrane, koja je posledica karakterističnog povezivanja helikoidnih elemenata Kenics statičkog mešača. Kako u uslovima recirkulacije napojne smeše, tako i u uslovima koncentrisanja, vrednost relativne specifične potrošnje energije zavisi skoro isključivo od vrednosti protoka napojne smeše. Sa povećanjem protoka specifična potrošnja energije u prisustvu statičkog mešača naglo raste i relativno povećanje protoka nije dovoljno da bi kompenzovalo gubitak hidrauličke snage. U opsegu protoka od 80 do 100 L/h su obezbeđene pozitivne vrednosti relativne promene specifične potrošnje energije, te je upotreba statičkog mešača opravdana sa ekonomskog aspekta. Optimizacija eksperimentalnih uslova urađena je postupkom istovremene maksimizacije fluksa permeata u sistemima sa statičkim mešačem i relativne promene specifične potrošnje energije. Optimalni uslovi izvođenja procesa mikrofiltracije suspenzija pšeničnog skroba u uslovima recirkulacije napojne suspenzije ukazuju da je proces potrebno izvoditi pri maksimalnoj vrednosti transmembranskog pritiska od 0,9 bara, protocima od 85 do 100 L/h i koncentraciji od 5 do 6 g/L. Optimalni uslovi izvođenja procesa mikrofiltracije suspenzija pšeničnog skroba u uslovima koncentrisanja napojne suspenzije ukazuju da je proces potrebno izvoditi pri vrednosti transmembranskog pritiska od 0,85 do 0,9 bara, protocima od 85 do 100 L/h i koncentraciji od 5 do 7 g/L. Pored ispitivanja na laboratorijskoj aparaturi, cilj ovog rada je bio i ispitivanje uticaja procesnih parametara na proces mikrofiltracije suspenzija skroba u poluindustrijskim uslovima (na jednokanalnoj i višekanalnoj membrani srednjeg prečnika pora 200 nm), odnosno šireg opseg vrednosti transmembranskog pritiska i protoka suspenzije na pomenute odzive u uslovima koncentrisanja napojne suspenzije.

The aim of this study was to investigate the effect of process parameters (transmembrane pressure, flow rate and suspension concentration) on the permeate flux in the system with and without the presence of static mixer. Microfiltration of wheat starch suspensions was performed in recirculation and concentration mode using ceramic membranes with different pore size (200 nm and 500 nm). Response surface methodology was applied for modeling cross-flow microfiltration of starch suspensions. During investigation of starch suspension microfiltration process on membranes with different pore size diameter (200 and 500 nm) it was observed that with increasing pore size the permeate flux declined. In the experimental range of process parameters, flux increase had values between 25% and 50% in recirculation mode, while in concentration mode this improvement was in range between 20% and 80%. The increase in flux that occurs by placing a static mixer in the membrane channel was caused by the establishment of turbulent flow conditions and the characteristic flow of fluid along the membrane channel, which is a consequence of the characteristic geometry of Kenics static mixer. Both in recirculation and concentration mode, the reduction of specific energy consumption depends almost exclusively on the value of the suspension flow rate. Specific energy consumption increased rapidly with increasing flow rate in the presence of static mixers and flux improvement is not high enough to compensate the loss of hydraulic dissipated power. The flow rate in the range from 80 to 100 L/h provided positive values of the reduction of specific energy consumption and the use of static mixers was justified from the economical point of view. Optimization of experimental conditions was done by a procedure of simultaneous maximization of permeate flux in systems with static mixers and reduction of specific energy consumption. Optimal conditions of the wheat starch suspension microfiltration in recirculation mode indicate that the process should be conducted at the maximum value of transmembrane pressure of 0.9 bar, flow rates from 85 to 100 L/h and concentration of 5 to 6 g/L. Optimal conditions of the wheat starch suspension microfiltration in concentration mode indicate that the process should be conducted when the value of transmembrane pressure from 0.85 to 0.9 bar, flow rates from 85 to 100 L/h and concentration of 5 to 7 g/L. Apart from investigations in laboratory conditions, the aim of this study was to examine the influence of process parameters on the starch suspensions microfiltration in the pilot plant (one channel and multichannel membrane with pore diameter 200 nm) and wider range of transmembrane pressure and suspension flow rate on the mentioned responses in concentration mode.