Rafinarea uleiului de floarea soarelui prin procesul de ultrafiltrare

1. Membrane și procese de membrană

În cadrul proceselor de separare, pe lângă procesele clasice de separare (distilarea, rectificarea, extracția, schimbul ionic, filtrarea, centrifugarea, sedimentarea), au aparut o serie de alte procese, cunoscute ca procese de membrană.

Procesele de membrană au cunoscut, începand cu anii '70, o dezvoltare spectaculoasă, utilizându-se la nivel industrial în domenii cum ar fi: tratarea apelor reziduale, tehnologiile medicale, industria chimică, industrie alimentară. Evoluția rapidă și diversă a acestor tehnologii a fost posibilă datorită punerii la punct a tehnicilor experimentale de preparare și caracterizare a membranelor.

Un sistem complex format dintr-un solvent în care se gasesc dizolvate specii chimice ionice, molecule și macromolecule, agregate moleculare și particule, poate fi separat în componente prin procese membranare. Datorită gamei largi de utilizări a acestora se evidențiază cinci importante procese de membrană (microfiltrarea, ultrafiltrarea, osmoza inversă, dializa și electrodializa) care acoperă intregul domeniu de mărimi de particule de separat.

Dupa cum se observa din tabelul 1, microfiltrarea, ultrafiltrarea, nanofiltrarea şi osmoza inversă au ca forţă motrice diferența de presiune, acestea numindu-se procese de baromembrană. Procesele de baromembrană ocupă primul loc în gama aplicațiilor industriale. Aceste procese sunt de obicei încadrate în categoria tehnicilor de filtrare înaintată. Astfel, osmoza inversă este similară unei deshidratari prin hiperfiltrare, ultrafiltrarea seamană cu tehnicile de concentrare, purificare și fractionare a macromoleculelor sau dispersiilor coloidale, iar microfiltrarea este consacrată în separarea suspensiilor. Practic fiecare proces membranar se poate constitui într-o alternativaă viabilă pentru alte procese de separare.

Tabelul 1: Tehnici de membrană

Procesul de membrană Tipul membranei

Forța motrice Mecanism de separare

Aplicații

Microfiltrare (MF) Simetrică microporoasă

(0,1 - 10 mm)

Presiune hidrostatică

(0,1 - 1 bar)

Curgere capilară și adsorbție

Filtrare sterilă, clarificare

Ultrafiltrare (UF) Asimetrică microporoasă

(0,01 - 0,1 mm)

Presiune hidrostatică

(0,5 - 5 bar)

Curgere capilară

Separarea soluțiilor de macromolecule

Nanofiltrare (NF) Asimetrică cu strat activ

Presiune10 - 30 bar

Curgere capilară și solubilizare - difuzie

Separarea anionilor de valențe diferite. Fractionarea de amestecuri organice

Osmoza inversaHiperfiltrare (HF)

Asimetrică cu strat activ

Presiune20 - 200 bar

Solubilizare - difuzie

Separarea sarurilor și microsolviților din soluții

Dializa (D) Simetrică microporoasă

Gradient de concentrație

Difuzie Separarea diversilor solviți din soluții macromoleculare

Electrodializa cu membrană

Cationice, anionice, microporoase

Gradientul de concentrație

Transportul și schimbul de sarcină

Obținerea NaOH de înaltă puritate, a clorului, a hidrogenului

Electroosmoza Microporoasă Gradient de potențial și concentrație

Difuzia ionilor și moleculelor

Uscarea unor substanțe solide umede

2. Clasificarea membranelor

⇒ după natura lor:

• membrane naturale • membrane sintetice

⇒ dupa tipul materialului: • membrane polimerice

• membrane anorganice (sticlă, metal, ceramică) • membrane hibride organic-anorganice • membrane lichide

⇒ dupa structura:

• simetrice • asimetrice • compozite

Figura 1: Membrane simetrice și asimetrice

3. Ultrafiltrarea

Ultrafiltrarea face parte din categoria proceselor de membrană, fiind procedeul prin care se indepartează dintr-un sistem compuși cu mase moleculare cuprinse între 500 – 50.000 Da (zaharuri, biomolecule, polimeri, particule coloidale), ceea ce corespunde la un diametru mediu al porilor cuprins între 0,1–1 nm (10-1000 Å). Așadar, față de microfiltrare prin care se îndeparteaza impurități mecanice și suspensii coloidale, prin ultrafiltrare sunt separate particule de mărimea substanțelor macromoleculare de cele cu masă moleculară mică.

Ultrafiltarea are pori mai mari decăt nanofiltrarea și osmoza inversă și este, prin urmare, mai puțin costisitoare. Ultrafiltrarea este utilă pentru separarea materialelor sensbile și valoroase deoarece nu provoacă degradarea structurii componetelor fluidelor.

Aplicațiile ultrafiltrării sunt în majoritate la nivel industrial, existând și unele în fază de studiu. Aplicațiile industriale sunt în domeniu alimentar, cu deosebire în industria laptelui, industria farmaceutică, textilă, chimică, metalurgică, industria hârtiei sau a prelucrării pielei.

Membranele de ultrafiltrare au fost in general utilizate pentru soluții apoase, dar în ultima perioadă s-a deschis un câmp vast de aplicații și pentru sisteme neapoase, mai ales că s-au dezvoltat noi polimeri mai rezistenți, precum si membranele anorganice sau compozite.

Cele mai frecvente probleme întâlnite la ultrafiltrare este polarizație de concentrație și degradarea rapidă a membranei, ambele procese putând provoca scaderea fluxului de permeat. Scăderea fluxului poate fi cauzat de asemenea de creșterea presiunii osmotice, formarea unui strat de gel, adsorbția solutului pe membrană și blocarea porilor.

Procesul de ultrafiltrare depinde deasemnea și de direcția de curgere a fluidelor. Astel deosebim trei două cazuri:

- permeatul și concentatul curg în aceeași direcție ( echicurent)- permeatul curge în cotracurent cu concentratul- între directia de curgere a permeatului și concentratului se formează un unghi de 90 grade

În urma procesului de polarizație a membranei are lor formarea unui strat limită. Grosimea acestui strat și concentrația acestuia depinde de condițiile de transfer a componentelor fluidului: fluxul prin membrană, debitul de alimentare. Acest strat limită scade fluxul de permeat. Pentru reducerea polarizației de concentrație alimentarea cu fluid se face paralel cu suprafața membranei.

Metodele de obținere a membranelor de ultrafiltrare sunt similare cu cele utilizate la microfiltrare, aplicându-se anumite condiții specifice de lucru, în funcție de natura materialului și diametrul porilor.

Membranele de ultrafiltrare pot fi considerate ca membrane poroase unde rejecția este determinată în principal de mărimea și forma porilor și de presiunea aplicată.

Grosimea stratului activ în membrana de ultrafiltrare este în general mai mica de 1µm.Majoritatea membranelor de ultrafiltrare care se comercializează astazi sunt obținute prin

inversia de fază din urmatoarele materiale: poliamide alifatice polietercetone esteri celulozici (ex. Acetat de celuloză) poli(vinil fluorura) poliacrilonitril(si bloc-copolimerii)Membranele ceramice de ultrafiltrare se obtțin din Al₂O₃ sau ZᵣO₂. In rezumat principalele caracteristici ale procesului de ultrafiltrare:

membrane: poroase asimetricegrosime: ≈ 150 µm (sau strat activ 1µm)mărimea porilor: 1-100 nmfortța motrice: presiunea (1-10 bari)principiul de separare: mecanism de sitarematerial membranar: polimeric, ceramic.

Aavantajele ultrafiltrării

• consum energetic mai redus; • tratare la temperatură ambiantă (fără degradare termică) • condiții de operare simple; • posibilitatea operării continue; • posibilitatea de cuplare cu alte procedee clasice de separare; • caracteristici diverse ale membranelor, adaptate scopului urmarit; • cost de investiții și de operare redus.

Dezavantajele ultrafiltrării- Fenomenul de polarizație de concentrație care apare la suprafața membrane și determina

în timp blocarea operației- Durata de funcționare a membarnelor nu este foarte ridicată.

4. Schema tehnologică de fabricare a uleiului rafinat de florea soarelui

5. Desmucilaginarea uleiului cu ajutorul operației de ultrafiltrare

Utilizarea tehnicilor de membrană în procesul de rafinare este foarte des cercetată datorită simplității procesului, separării blânde a componentelor ( temperaturi scăzute, păstrarea structurii macromoleculelor), consum relativ mic de energie. Această metodă poate reține mucilagiile cât și alte componente nedorite ale uleiurilor brute.

În procesul de rafinare a uleiului desmucilaginarea poate fi înlocuită prin tehnici de membrană. Desmucilaginarea clasică este de obicei realizată prin precipitarea mucilagiilor cu ajutorul aburului și centrifugare. Desmucilaginarea prin ultrafiltrare poate fi realizată fără adaus de solvent organic, operația fiind limitată în acest caz de flux redus de permeat din cauza văscozității ridicate a uleiului.

Fluxul permeatului poate fi optimizat prin alegerea corectă a parametrelor de proces(presiune, temperatură, viteză de alimentare), o curgere tangențială și un modul membranar potrivit. Filtrarea în contracurent este cea mai des utilizată datorită posibilității formării unui flux turbulent de fluid la suprafața membarnei, minimizarea polarizației de concentrație și de blocare a porilor. Astfel s-a realizat un studiu pentru a evalua capacitatea ultrafiltrării de a separa fosfolipidele și compușii de culoare.

Pentru operația de ultrafiltrare s-a utilizat membrană de poli(etilen)sulfonă cu diametrul porilor de 30 și 50 kDa și cu o arie de filtrare de 0,09 m2 și cu un debit de alimentare de maxim 20 l/min.

În urma studiului s-a observat ca fluxul de permeat crește odată cu creșterea presiunii de lucru. De asemenea creșterea presiunii cauzează și creșterea polarizației de concentrație și ca rezultat a stratului limită de la suprafața membranei.

Creșterea vitezei de alimentare are efecte benefice asupra fluxului de permeat deoarece se crează o mișcare turbulentă la suprafața membranei ceea ce diminuează blocarea porilor.

O influiență asupra fluxului de permeat o are și temperatura, astfel cu creșterea temperaturii se reduce vâscozitatea uleiului formându-se fluxuri de convecție care reduc polarizația de concentrație de la suprafața membranei și creșterea fluxului de permeat.

Separarea fosfolipidelor depinde foarte mult de tipul membranei, diametrul macromoleculelor, temperatură și concentrația lor.

În concluzie ultrafiltrarea poate fi utilizată pentru separea fosfolipidelor și îmbunătățirea culorii uleiului de floarea soarelui. Cele mai bune rezultate le dă membrana cu diametrul porilor de 50 de kDa cu un flux de 27 l/m2*h la o presiune de lucru de 4,5 bar, temperatura uleiului de 50 º C și o viteză tangențială de 0,07 m/s. Însă separarea fosfolipidelor este doar de 40%. Membrana de 30 kDa separă fosfolipidele în rapor de 95% dar cu un flux de alimentare de 12 l/m2*h. Astfel ultrafiltrarea poate fi utilizată pentru separarea fosfolipidelor și decolorare dar nu și pentru neutralizare.

Bibliografie

1. http://www.nt.ntnu.no 2. http://ru.scribd.com 3. http://www.ceic.unsw.edu.au

4. www.chimie-biologie.ubm.ro 5.