Статья - Мембраны
Мембранная технология в спиртовой и ликероводочной промышленности
В настоящее время мембранная технология становится перспективным способом в водоподготовке и в комплексе с традиционными методами (сорбция, выпарка, электролиз, реагентная обработка) при очистке сточных вод. Трудно найти метод, который конкурировал бы по глубине очистки воды от взвешенных, коллоидных частиц, вирусов, бактерий, микробов, различных ионов и по возможности получения воды различного солевого состава с мембранной технологией.
Основные области применения мембранной технологии в спиртовой и ликероводочной промышленности.
Это очистка воды и получение высококачественной воды для использования ее в приготовлении ликероводочных изделий; переработка послеспиртовой барды мембранными методами и получение высокоэффективных биологически активных добавок пищевого и кормового назначения; производство дегидрированного 100%-ного абсолютного спирта методом первапорации - испарением через мембрану; очистка сточных вод с использованием прогрессивной мембранной технологии в комплексе с традиционными способами: биореагентная обработка, электролиз и др. для более глубокой очистки стоков и возврат их в производственный цикл; регенерация отработанных моющих растворов методом ультрафильтрации для многократного их использования в производственном цикле; проведение высокоселективного осмоса для водоподготовки в котельных взамен традиционного ионного обмена, что резко снижает экологическую нагрузку на окружающую среду за счет отсутствия слива концентрированных регенерирующих растворов.
Использование мембранной технологии в подготовке воды для приготовления водки.
Мембранные методы разделения завоевали признание и получили распространение практически во всех сферах человеческой деятельности. Биологическая, медицинская и пищевая промышленность стали традиционными областями применения мембранной микро-, ультрафильтрации и обратного осмоса. В пищевой промышленности мембранная технология применяется для стабилизации пива, вина, осветления сусла, соков, концентрирования соков для технологического контроля продукта по микробиологическим показателям, а также для получения воды для ликероводочной отрасли.
Вкусовые показатели ликероводочных изделий в значительной степени определяются не только качеством спирта и других специфических компонентов, но также и качеством и составом воды. В соответствии с регламентом производства ее солесодержание не должно быть выше 250 мг/л при жесткости менее 0,2 мг-экв/л, щелочности 2,0 мг-экв/л. При этом следует иметь в виду, что практически полная минерализация воды не создает условий для получения напитков хорошего вкуса.
Именно использование мембранной технологии дает возможность получить необходимый качественный и количественный минеральный состав примесей в подготовленной воде.
Современные мембранные системы водоподготовки позволяют получать технологическую воду практически из любых природных источников, как артезианских, так и поверхностных. Рулонные мембранные фильтроэлементы, а также материалы и блоки предподготовки стандартизированы, и их типоразмеры позволяют проектировать системы водоподготовки производительностью от нескольких десятков литров до сотен кубических метров в час.
Таблица 1
|
Показатель |
Вода питьевая СанПиН 2.1.4.1074-01 |
Вода для производства водки |
Вода для производства напитков |
|---|---|---|---|
|
Жесткость, мг*экв/л |
7,0 |
0-0,2 |
0,2-0,7 |
|
Щелочность, мг*экв/л |
Рекомендуется до 6,5 |
2,0 |
1,7 |
|
Сl-, мг/л |
350 |
30 |
250 |
|
SO42-, мг/л |
500 |
30 |
250 |
|
Feобщ, мг/л |
0,3 |
0,15 |
0 |
|
Солесодержание, мг/л |
1000 |
250 |
500 |
|
рН |
6,0-9,0 |
7,0 |
7,0 |
Наиболее важный параметр - качество исходной воды, так как именно этот показатель служит основой для расчета блоков предподготовки, мембранного контура и эксплуатационных параметров системы водоподготовки, а также является основной причиной загрязнения мембранной поверхности в процессе эксплуатации.
Вместе с тем в ликероводочной промышленности существуют особые требования к качеству воды, которые порой оказывается невозможно выполнить, применяя методы только обратного осмоса или нанофильтрации. Трудность заключается в том, что мембраны задерживают различные ионы пропорционально величине селективности мембран. Между тем в современных требованиях существуют определенные соотношения жесткости и щелочности, выполнить которые с помощью мембран не представляется возможным.
В табл.1 приведены требования к качеству воды СанПиН 2.1.4.1074-01 <Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества>, требования пищевой промышленности к воде для приготовления водки <Производственный технологический регламент на производство водок для экспорта ТУ 10-04-03-0,7-90> и безалкогольных напитков <Техническая инструкция по производству безалкогольных напитков и кваса ТИ 10-04-06-14-87>.
Как видно из данных таблицы, с помощью мембран невозможно одновременно снизить жесткость в десятки раз, а щелочность - только в 2-4 раза. Используя нано-фильтрационные мембраны, невозможно добиться одновременно состава питьевой воды с требуемым значением щелочности и содержанием растворенного железа на уровне 0,01-0,021 мг/л.
Для выполнения таких требований наиболее эффективным средством представляется двухступенчатая схема водоподготовки с применением на первой ступени нанофильтрационных мембран для снижения до требуемых показателей значения щелочности с одновременным уменьшением жесткости и далее Na-катионитное умягчение для доведения жесткости и железа до требуемых значений. При этом <нагрузка> на фильтр очень мала и используемые на второй ступени Na-катионитные фильтры имеют большой ресурс работы, подвергаются редкой регенерации и могут быть очень малого размера.
Таблица 2
|
Производительность, м3/ч: |
||
|
по исходной воде |
2,8 | |
|
по очищенной воде, не менее |
2,0 | |
|
Степень использования воды, %, не менее |
70 | |
|
Количество рулонных элементов типа ЭРН -200-1016, шт. |
2 | |
|
Рабочее давление, МПа |
До 1,6 | |
|
Селективность по 0,15%-ному раствору NaCI при р = 1,6 МПа и t = 25 oС, % |
30-70 | |
|
Гарантийный срок службы мембранных элементов |
1 год | |
|
Срок службы мембранных элементов |
До 3 лет | |
|
Диаметр Na-катионитного фильтра, м |
0,3 | |
|
Объем ионообменной смолы типа КУ-2-8, л |
70 | |
|
Ориентировочный расход реагентов: |
||
|
на регенерацию ионообменной смолы, кг NaCI на регенерацию |
10-12 | |
|
на химическую мойку мембранных элементов, кг/год: |
||
|
триполифосфат натрия |
150 | |
|
серная кислота |
15 | |
|
Потребляемая мощность, кВт |
4 | |
|
Занимаемая площадь, м2 |
5 | |
Принципиальная схема водоподготовки для применения ее в ликероводочной промышленности с использованием комплексной мембранной технологии показана на рис.1.
Для примера в табл.2 даны основные технико-экономические показатели установки производительностью 2,0 м 3 /ч по очищенной воде.
Получение высококачественного спирта методом первапорации.
Разделение однородных жидких смесей испарением через мембрану известно с начала XX в. В 1950-1969 гг. возможности испарения через мембрану весьма интенсивно использовались в СССР и за рубежом. Было показано, что испарение через мембрану позволяет эффективно разделять азеотропные, близкокипящие и нетермостойкие смеси. Однако этот процесс в то время не нашел промышленного применения из-за отсутствия эффективных мембран, а также промышленных аппаратов.
Энергетический кризис и загрязнение окружающей среды заставили изыскать возможности снижения энергопотребления и сокращения токсичных выбросов, особенно в химической промышленности. Поэтому в 80-х годах в ФРГ, США, Японии, во Франции, в Нидерландах и ряде других стран возникла новая волна интереса к испарению через мембрану как к процессу, позволяющему в ряде случаев заменить азеотропную ректификацию, а также некоторые другие традиционные процессы разделения благодаря экономичности, простоте аппаратурного оформления и безреагентности.
Первапорация - процесс, в котором жидкость при атмосферном давлении контактирует с поверхностью мембраны, а с противоположной стороны мембраны пермеат удаляется в виде паров с низким парциальным давлением, которое достигается путем использования либо газа-носителя, либо вакуумного насоса (рис.2).
Обычно рабочий диапазон абсолютного давления со стороны пермеата составляет 0-70 мм рт.ст. Так как габариты и стоимость вакуумного оборудования обратно пропорциональны величине абсолютного давления, то для практической реализации процесса можно рекомендовать выбор давления ближе к правой границе рабочего диапазона. Такие давления легко могут быть обеспечены с помощью серийного вакуум-оборудования.
Этот процесс используется в основном для отделения (точнее-удаления) малых количеств одного из компонентов жидкой смеси.
Способ становится особенно заманчивым для разделения азеотропов (случай, когда жидкость и пар имеют одинаковый состав), которые обычной дистилляцией не разделяются. Например, для смеси вода/этанол состав азеотропной смеси 4,4/95,6, применение первапорации дает возможность получения 100%-ного спирта.
Паровая смесь (вода + спирт) подается через теплообменник на мембранный рулонный элемент или плоскопараллельный модуль, с другой стороны которого обеспечивается вакуум. В результате этого происходит разделение смеси на спирт и воду.
Технология с использованием первапорации для получения изопропилового спирта была разработана в начале 90-х годов. Одновременно была изготовлена и поставлена промышленная установка, но, к сожалению, дальнейшего развития данная технология не получила.
Использование мембранной технологии при переработке послеспиртовой барды.
В настоящее время в Российской Федерации послеспиртовая барда является малоиспользуемым или вообще не используемым отходом спиртового производства. В сельском хозяйстве барда востребована лишь частично при кормлении крупного рогатого скота, да и то преимущественно в зимний период. В летнее время спиртовые заводы вынуждены останавливаться или сбрасывать барду на поля фильтрации, нанося этим огромный вред окружающей среде. В то же время высокое содержание протеина, витаминов и микроэлементов в послеспиртовой барде способно в значительной степени восполнить существующий дефицит кормового белка в животноводстве. Например, при рациональном использовании барды спиртзавода производительностью 1000 дал в сутки, перерабатывающего пшеницу, можно дополнительно получить до 2т свинины в сутки, что с учетом существующих цен на спирт и мясо составит 20% стоимости спирта.
Барда содержит комплекс витаминов, углеводов, белков и может служить ценным сырьем для выращивания кормовых дрожжей, которые крайне необходимы как добавка в корма для сельскохозяйственных животных и птицы.
Новая технология с применением мембран позволит выделить и сконцентрировать ценные компоненты в концентрате и одновременно получить пермеат (очищенную воду) по качеству, удовлетворяющий требованиям для слива в канализацию или на повторное использование.
Предлагаемая схема переработки дрожжевой суспензии с применением мембранной технологии включает следующие основные стадии:
