СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИОННЫХ АЦЕТАТЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ МЕМБРАН Российский патент 1997 года по МПК B01D71/16 

Изобретение относится к области технологии получения молочных концентратов из вторичного сырья.

Известно, что ультрафильтрационные мембранные методы являются весьма перспективными при создании новых продуктов питания со сбалансированным белковым, углеводным и минеральным составом. В настоящее время этот метод является наиболее эффективным для выделения белковой фракции из вторичного молочного сырья.

Для ультрафильтрации применяются мембраны различных типов, изготовленные из полимеров ацетилцеллюлозы, ароматических полимеров, минеральных веществ и металлокерамики [1, 2]
Ультрафильтрационные мембраны на основе ацетатов целлюлозы (УАМ) по санитарно-гигиенической оценке наиболее пригодны к контакту с пищевыми продуктами, сравнительно дешевы, т.к. получаются из воспроизводимого природного сырья, и находят наиболее широкое применение.

Мембраны УАМ получают различными способами. Например, раствор ацетата целлюлозы подается в емкость, через которую пропускается равномерный ток сухого воздуха, необходимого для испарения растворителя. При этом толщина получаемой пленки зависит от концентрации раствора, а пористость от количества добавляемого порофора [3]
В качестве прототипа нами выбран способ получения ультрафильтрационной мембраны УАМ-500 [5] обладающей наиболее высокой производительностью и достаточно хорошими показателями разделения творожной сыворотки. Недостатком этой мембраны является невысокая производительность и селективность по белку при низком давлении (0,1 МПа) [4]
Мембраны УАМ-500 получают мокрым способом [5] Раствор ацетата целлюлозы в растворителе ацетон-вода (95:5) с добавками порообразователя (перхлората магния или формамида) выливают на полированную охлажденную поверхность и выдерживают 200 с на воздухе. При этом происходит испарением растворителя с поверхности образовавшейся пленки. Затем полированную поверхность с нанесенным полимером спускают в ледяную воду на 60 мин для отслаивания полимерной пленки. При погружении в воду верхний слой раствора моментально затвердевает, образуя тонкий фильтрующий слой с маленькими порами ( ≈ 10 нм). Из раствора, находящегося под этим слоем, формируется крупнопористая часть (основа) полупроницаемой мембраны в результате встречной диффузии воды в раствор полимера и растворителя в воду; и производят сушку.

УАМ-500 анизотропная крупнопористая мембрана (общая пористость 70 - 80% ), состоящая из тонкого (10 нм) микропористого фильтрующего слоя и макропористой основы толщиной 100^oC1000 мкм.

Основную роль при эксплуатации мембраны играет микропористый фильтрующий слой, от его структуры зависит скорость фильтрации и селективность мембраны. УАМ-500 обеспечивает селективность отделения белка 80% при высоком давлении 0,6 0,8 МПа. При низком давлении 0,1 0,2 МПа селективность мембраны невысока и составляет всего 60% что можно объяснить мелкопористой структурой фильтрующего слоя.

Нашей задачей была цель разработать способ получения мембраны типа УАМ-500 с большей селективностью по белку при разделении творожной сыворотки при низком давлении (0,1 0,2 МПа). Фильтрующий слой такой мембраны должен иметь поры несколько больших размеров.

Предлагаемый способ получения ультрафильтрационных мембран относится к "сухим" способам получения мембран. Он включает следующие стадии:
приготовление раствора ацетата целлюлозы в ацетоне;
заполнение форм раствором ацетата целлюлозы в ацетоне;
формованные мембраны в течение 12 24 ч при температуре 20 22^oC в вытяжном шкафу до полого испарения растворителя.

Испарители формы с диаметром горловины 2,5 см, концентрацию раствора ацетата целлюлозы варьировали в пределах 5^oC15% объем раствора в форме в пределах 20^oC15 мл, отношение объема раствора ацетата целлюлозы к площади поверхности в интервале 0,4 1,4. При этом показатели мембран изменялись в следующих пределах:
толщина ( (δ) ), мм 0,0466 0,8310
общая пористость, 0,4 5,8
проницаемость при 20^oC и давлении 0,1 МПа, л/м² 0,09 1,72
селективность по белку творожной сыворотки, 28,0 72,1
Толщину мембран измеряли по ГОСТ 6507 78, общую пористость по методе Манегольда [3]
Предлагаемый способ формования позволяет получить изотропные мембраны с фильтрующим слоем толщиной 0,05^oC0,8 мм (вместо 10 нм для УАМ-500) и сквозными порами диаметром 0,1^oC10 мкм (вместо 0,1 мкм для УАМ-500).

Получение изотропной мембраны позволяет исключить стадию мокрого формования 'отпадает необходимость в подложке), а медленное и длительное 12 - 24 ч (вместо 200 с для УАМ-500) испарение растворителя позволяет увеличить размер пор и число сквозных пор в мембране и добиться большей эффективности при меньшем давлении.

Предлагаемый метод формования основан на переводе полимера из раствора в отвержденное состояние через стадию образования студня. На стадии студнеобразования имеет место формирование полимерной фазы в виде каркаса и возникновение ячеек низкомолекулярной фазы, т.е. системы пронизывающих пленку сквозных капилляров, заполненных на стадии формования мембраны жидкостью (растворителем).

Таким образом, образование сквозной капиллярно-пористой структуры мембран определяется силами, препятствующими свободной концентрации полимерной фазы в процессе фазовых превращений, в результате чего происходит частичный разрыв полимерного каркаса. Свободной концентрации полимерной фазы препятствует адгезия на границе раздела фаз полимерная система подложка [2]
Предлагаемое изобретение поясняется примерами, приведенными в таблице 1.

Результаты испытаний (таблица 1) показывают, что селективность полученных нами мембран зависит от толщины, пористости мембраны и концентрации исходного раствора ацетата целлюлозы. Наибольшей селективностью (72,01%) и проницаемостью (0,72 л/м²мин) обладают мембраны из 5%-ных растворов ацетата целлюлозы при толщине 0,0466 мм и общей пористости 0,6% давлении 0,1 0,2 МПа.

Проницаемость промышленной ультрафильтрационной мембраны УАМ-500, выбранной нами за прототип, по творожной сыворотке при температуре 20^oC и давлении 0,1 0,2 МПа составляет 0, 32 л/м²мин, селективность 62%
Уменьшение концентрации раствора ацетата целлюлозы <5% отношения объема раствора к площади поверхности формы <04 приводит к увеличению адгезии полимера к подложке и делает невозможным отделение пленки от подложки. Увеличение концентрации раствора ацетата целлюлозы >15% приводит к получению мембран с меньшей селективностью, чем у прототипа (УАМ-500).

Преимущество предлагаемого способа заключается в том, что сухое формование значительно упрощает технологический процесс (исключается стадия мокрого формования), а медленное испарение растворителя приводит к формованию более крупнопористого фильтрующего слоя со сквозными порами, при котором достигается большая эффективность разделения при меньшем давлении. Из рецептуры исходной композиции (ацетат целлюлозы, ацетон, перхлорат магния, формамид) исключаются вредные для здоровья перхлорат магния и формамид.

Использование: в технологии получения молочных концентратов из вторичного сырья. Сущность изобретения: раствор ацетата целлюлозы в ацетоне формуют на неподвижную ограничительную поверхность методом полива с последующим испарением растворителя в течение суток. Отношение объема раствора к площади поверхности составляет 0,4 - 1,4 для 5%-ной концентрации, 0,4 - 1,02 для 10%-ной концентрации и 0,4 - 0,6 для 15%-ной концентрации. 1 табл.

Способ получения ультрафильтрационных ацетатцеллюлозных мембран, включающий нанесение раствора ацетата целлюлозы в растворителе ацетоне на гладкую поверхность, формование и сушку мембран, отличающийся тем, что раствор ацетата целлюлозы наносят на неподвижную ограниченную поверхность методом полива при отношении объема раствора к площади поверхности 0,4 1,4 для 5%-ной концентрации, 0,4 1,02 для 10%-ной концентрации и 0,4 0,6 для 15%-ной концентрации, а формование проводят путем испарения растворителя в течение суток.