Аннотация

Введение. Целью работы является совершенствование технологии концентрирования молочного сырья на мембранных установках, укомплектованных аппаратами с отводом поляризационного слоя. Одним из путей повышения производительности различных процессов мембранной переработки растворов является осуществление рециркуляции растворов в мембранной установке. Математическое моделирование установок позволяет сократить затраты времени на проектирование и подбор оптимальных конструктивных и режимных параметров, в связи с чем разработка математических моделей мембранного оборудования является актуальной задачей. Объекты и методы исследования. Объектом исследования является установка на базе мембранного аппарата с отводом примембранного слоя. Отличительной особенностью аппаратов является наличие трех отдельных выходящих потоков: пермеата, ядра потока ретентата и более концентрированного потока из примембранной области (концентрата). Для совершенствования процесса разработана математическая модель на основе метода передаточных функций, позволяющих описать поведение динамической системы практически любой структуры и сложности. Результаты и их обсуждение. По результатам моделирования установлено, что для интенсификации концентрирования целесообразно производить рециркуляцию отводимого концентрата. Показано, что эффективным способом повышения интенсивности мембранного концентрирования в установках с аппаратами, отводящими примембранный слой, может быть рециркуляция части потока концентрата с передачей его в основной питающий поток. Рециркуляция части потока ретентата не является эффективной с точки зрения повышения концентрации конечного продукта. Однако она может быть использована для более полного извлечения целевого компонента. Этот аспект совершенствования технологии должен быть предметом дальнейших исследований. Выводы. Предложена технология улучшения концентрированного молочного сырья, которая имеет практическое значение.

Ключевые слова

Мембранное концентрирование, отвод пограничного слоя, рециркуляция, передаточные функции, Membrane concentration, diversion of upper flow, recycling, transfer functions

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Храмцов, А. Г. Феномен молочной сыворотки / А. Г. Храмцов. – СПб. : Профессия, 2011. – 802 с.
2. Основополагающие принципы высокоэффективного производства функциональных молочных продуктов / В. И. Трухачев, В. В. Молочников, Т. А. Орлова [и др.] // Вестник АПК Ставрополья. – 2016. – Т. 23, № 3. – С. 52–56.
3. Справочник по переработке молочной сыворотки. Технологии, процессы и аппараты, мембранное оборудование / Г. Б. Гаврилов, А. Ю. Просеков, Э. Ф. Кравченко [и др.]. – СПб. : Профессия, 2015. – 176 с.
4. Ultrafiltration of modified milk whey / S. P. Babenyshev, V. E. Zhidkov, D. S. Mamay [et al.] // Foods and Raw Materials. – 2016. – Vol. 4, № 2. – P. 101–110. DOI: https://doi.org/10.21179/2308-4057-2016-2-101-110.
5. Лобасенко, Б. А. Ультрафильтрация: Теория и практика / Б. А. Лобасенко, А. Г. Семенов, Ю. Н. Захаров. – Новосибирск : Наука, 2015. – 204 с.
6. Ochando-Pulido, J. M. The effect of permeate recirculation on the depuration of pretreated olive mill wastewater through reverse osmosis membranes / J. M. Ochando-Pulido, S. Rodriguez-Vives, A. Martinez-Ferez // Desalination. – 2012. – Vol. 286. – P. 145–154. DOI: https://doi.org/10.1016/j.desal.2011.10.041.
7. Ochando-Pulido, J. M. Permeate recirculation impact on concentration polarization and fouling on RO purification of olive mill wastewater / J. M. Ochando-Pulido, G. Hodaifa, A. Martinez-Ferez // Desalination. – 2014. – Vol. 343. – P. 169–179. DOI: https://doi.org/10.1016/j.desal.2014.03.025.
8. Patent 7946431B1 United States, BOID 71/02, BOID 71/06, BOID 71/52, BOID 71/56, BOID 61/OO. Ultrafiltration process / Pinnau I., Ng A., Ly J., Mairal A. P.; current Assignee Membrane Technology and Research Inc. – № 12/833.311; filed: 09.07.2010; publication: 05.05.2011.
9. Mericq, J.-P. Evaluation of systems coupling vacuum membrane distillation and solar energy for seawater desalination / J.-P. Mericq, S. Laborie, C. Cabassud // Chemical Engineering Journal. – 2011. – Vol. 166, № 2. – P. 596–606. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2010.11.030.
10. Impacts of NF concentrate recirculation on membrane performance in an integrated MBR and NF membrane process for wastewater treatment / C. Kappel, A. J. B. Kemperman, H. Temmink [et al.] // Journal of Membrane Science. – 2014. – Vol. 453. – P. 359–368. DOI: https://doi.org/10.1016/j.memsci.2013.11.023.
11. Pouliot, Y. Separation and concentration technologies in food processing / Y. Pouliot, V. Conway, P.-L. Leclerc // Food processing: principles and applications / S. Clark, S. Jung, B. Lamsal. – Oxford : John Wiley & Sons Ltd., 2014. – P. 33–60. DOI: https://doi.org/10.1002/9781118846315.ch3.
12. Lobasenko, B. A. Intensification of ultrafiltration concentrating by the separation of the concentration boundary layer / B. A. Lobasenko, A. G. Semenov // Foods and Raw Materials. – 2013. – Vol. 1, № 1. – P. 74–81. DOI: https://doi.org/10.12737/1560.
13. Tajiri, M. Design of two-channel bilateral control systems by a transfer-function-based approach / M. Tajiri, P. Lopez, Y. Fujimoto // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2018. – Vol. 65, № 7. – P. 5655–5664. DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2750621.
14. Veloni, A. Digital control systems: theoretical problems and simulation tools / A. Veloni, N. I. Miridakis. – Boca Raton : CRC Press, 2018. – 435 p.
15. Guiver, C. Transfer functions of infinite-dimensional systems: positive realness and stabilization / C. Guiver, H. Logemann, M. R. Opmeer // Mathematics of Control Signals and Systems. – 2017. – Vol. 29, № 4. DOI https://doi.org/10.1007/s00498-017-0203-z.
16. Abbas, A. Model predictive control of a reverse osmosis desalination unit / A. Abbas // Desalination. – 2016. – Vol. 194, № 1–3. – P. 268–280. DOI: https://doi.org/10.1016/j.desal.2005.10.033.
17. Senthilmurugan, S. Modeling of a spiral-wound module and estimation of model parameters using numerical techniques / S. Senthilmurugan, A. Ahluwalia, S. K. Gupta // Desalination. – 2005. – Vol. 173, № 3. – P. 269–286. DOI: https://doi.org/10.1016/j.desal.2004.08.034.18. Won, C.-H. Evaluation of optimal reuse system for hydrofluoric acid wastewater / C.-H. Won, J. Choi, J. Chung // Journal of Hazardous Materials. – 2012. – Vol. 239–240. – P. 110–117. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2012.08.004.
18. Sobana, S. Identification, modelling and control of continuous reverse osmosis desalination system: A review / S. Sobana, R. C. Panda // Separation Science and Technology. – 2011. – Vol. 46, № 4. – P. 551–560. DOI: https://doi.org/10.1080/01496395.20 10.534526.
19. Defeating the sustainability challenge in batch processes through low-cost utilities usage reduction / F. Rossi, F. Manenti, K. A. Kozin [et al.] // Chemical Engineering Transactions. – 2014. – Vol. 39. – P. 697–702. DOI: https://doi.org/10.3303/CET1439117.
20. Bartman, A. R. Nonlinear model-based control of an experimental reverse-osmosis water desalination system / A. R. Bartman, P. D. Christofides, Y. Cohen // Industrial and Engineering Chemistry Research. – 2009. – Vol. 48, № 13. – P. 6126–6136. DOI: https://doi.org/10.1021/ie900322x.
21. Won C-H, Choi J, Chung J. Evaluation of optimal reuse system for hydrofluoric acid wastewater. Journal of Hazardous Materials. 2012;239–240:110–117. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2012.08.004.