Смесь для формования ацетатцеллюлозной ультрафильтрационной адсорбционной мембраны (варианты)
Владельцы патента RU 2287929:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет (ГОУ ВПО СГТУ) (RU)
Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано для производства новых молочных продуктов. Смесь для формования мембраны состоит из диацетата целлюлозы в ацетоне и активированного древесного угля с размером частиц 85 мкм при следующем содержании компонентов, мас.%: диацетат целлюлозы - 5,0, ацетон - 62,6-68,5, активированный древесный уголь - 26,5-32,4. При использовании древесного угля с размером частиц 160 мкм следующее содержание компонентов, мас.%: диацетат целлюлозы - 7,0, ацетон - 67,7-78,5, активированный древесный уголь - 14,5-25,3. Это позволяет повысить селективность и адсорбционные свойства мембраны. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано для производства новых молочных продуктов из творожной сыворотки.
Известны промышленные ультрафильтрационные мембраны из ацетатов целлюлозы (УАМ), полученные сухо-мокрым способом. Они имеют тонкий фильтрующий слой около 10 нм и крупнопористую основу 5·104 нм. Такие мембраны являются наиболее совместимыми с пищевыми продуктами.
Физико-механические показатели (селективность, проницаемость) зависят от давления, достигая максимум при давлении ультрафильтрации 0,6-0,8 МПа /Дубяга В.П. и др. Полимерные мембраны - М.: Химия. - 1981. - 252 с./.
Существенным недостатком ацетатцеллюлозных мембран является их низкая проницаемость, селективность по белку при низком давлении.
Известна ацетатцеллюлозная ультрафильтрационная мембрана УЦАМ-СФ, выбранная нами за прототип. Мембрана представляет собой однородную ацетатцеллюлозную мелкопористую пленку толщиной 0,16-0,17 мм, пористостью - 0,6-1,35%. Проницаемость при 20°С и давлении 0,2 МПа составляет 0,48-0,72 л/м2·мин. Селективность по белку творожной сыворотки 61,0-72,0%. Избыточная адсорбция - 2,127е·103 мг/г. Смесь для формования мембраны представляет собой 5%; 10%; 15% раствор ацетата целлюлозы в ацетоне /Патент РФ № 20932255 "Способ получения ультрафильтрационных ацетатцеллюлозных мембран". Седелкин В.М. и др., от 20.10.1997/.
При использовании такой мембраны для ультрафильтрации творожной сыворотки наблюдается недостаточная селективность по белку и низкие адсорбционные свойства.
При создании изобретения была поставлена задача повышения адсорбционной способности, ионообменных свойств мембран, селективности и создание более однородной пористой структуры.
Для достижения поставленной задачи и получения технического результата смесь для формования ацетатцеллюлозной ультрафильтрационной адсорбционной мембраны, состоящая из раствора ацетата целлюлозы в растворителе ацетоне, дополнительно содержит дисперсный наполнитель - активированный древесный уголь с размером частиц 85 мкм, а в качестве ацетата целлюлозы содержит диацетат целлюлозы при следующем содержании компонентов, мас.%:
| диацетат целлюлозы | 5,0 |
| ацетон | 62,6-68,5 |
| указанный наполнитель | 26,5-32,4 |
В качестве наполнителя в смеси для формования ацетатцеллюлозной ультрафильтрационной адсорбционной мембраны можно использовать активированный древесный уголь с размером частиц 160 мкм, при следующем содержании компонентов, мас.%:
| диацетат целлюлозы | 7,0 |
| ацетон | 67,7-78,5 |
| указанный наполнитель | 14,5-25,3 |
Предлагаемое изобретение осуществляется следующим образом.
Мембраны были изготовлены на основе 5% и 7% исходных растворов диацетата целлюлозы (ДАЦ) в ацетоне. В качестве наполнителя использован активированный древесный уголь двух фракций - 85 мкм и 160 мкм, полученных путем просеивания через капроновые сита с соответствующим размером ячеек.
Для приготовления 5%-ного раствора ДАЦ в ацетоне необходимо взять 5 г ДАЦ и 95 г ацетона. Плотность ацетона - ρАЦ=0,79 г/мл.
Следовательно, 95 г ацетона составит объем 95 г/0,79 г/мл=120 мл.
Готовим порцию раствора в объеме 200 мл:
120 мл ацетона - 5 г ДАЦ
200 мл ацетона - Х г ДАЦ
Х=8,34 г ДАЦ
Для раствора 7% концентрации ДАЦ составляет 11,8 г.
Отмеряют 50 мл раствора ДАЦ в ацетоне, добавляют наполнитель - активированный древесный уголь. Помешивают до образования однородной формовочной смеси, которую делят на порции по 10 мл и отливают пленку. Формование происходит при t=20°С в течение 24 часов. При этом ацетон медленно испаряется из всего объема формовочной смеси с образованием мелкопористой структуры пленки.
Данные по примерам о составе смеси для формования ацетатцеллюлозной ультрафильтрационной мембраны представлены в таблице 1.
При содержании в смеси для формования мембран ДАЦ менее 5% и более 7% приводит к снижению проницаемости до 0 л/м2·ч.
| Таблица 1 | |||
| № п/п | Ацетон, мас.% | Наполнитель - активированный древесный уголь, мас.% | Размер частиц, мкм |
| 1 | 84,1 | 10,9 | 85 |
| 2 | 75,7 | 19,3 | |
| 3 | 68,5 | 26,5 | |
| 4 | 62,6 | 32,4 | |
| 5 | 84,1 | 10,9 | 160 |
| 6 | 75,7 | 19,3 | |
| 7 | 68,5 | 26,5 | |
| 8 | 62,6 | 32,4 | |
| 9 | 85,2 | 7,8 | 85 |
| 10 | 78,5 | 14,5 | |
| 11 | 72,7 | 20,3 | |
| 12 | 67,7 | 25,3 | |
| 13 | 85,2 | 7,8 | 160 |
| 14 | 78,5 | 14,5 | |
| 15 | 72,7 | 20,3 | |
| 16 | 67,7 | 25,3 |
Полученные мембраны исследовали при ультрафильтрации молочной сыворотки на лабораторном ультрафильтрационном модуле.
Мембрану помещали в ультрафильтрационную ячейку и заполняли дистиллированной водой или молочной сывороткой в объеме 100 мл при давлении фильтрации 0,2-0,3 МПа.
Пористость (W,%) определяли по формулам
где m - масса сухого образца, г;
m1 - масса образца, пропитанного жидкостью, г;
Vn - объем образца, пропитанного жидкостью, см3.
Vn=S·δ,
где S - площадь образца мембран (1×1 см), см2;
δ - толщина мембраны, см;
ρж - 1 г/см3 - плотность жидкости.
Vn=1·1=1 см3.
Толщину мембраны измеряли по ГОСТ 6507-78.
Для определения проницаемости засекали время t с первой упавшей каплей, затем измеряли объем жидкости, прошедшей через мембрану t при заданном давлении Р.
Проницаемость (Q л/м2·ч) определяли по формуле
где V - объем фильтра, л;
t - продолжительность фильтрации, ч;
S - рабочая поверхность мембраны, м2.
Полученные экспериментальные данные пористости, проницаемости и селективности мембран толщиной 0,16-0,17 мм по примерам таблицы 1 приведены в таблице 2.
Селективность мембран по белку проводили в соответствии с ГОСТ 23327-98. Определение величин адсорбции белка проводится статическим методом. В качестве адсорбтива использовали альбумин, составляющий основную часть белков животных и растительных тканей. Типичные представители: лактальбумин молока, альбумин сыворотки крови и т.д.
При статическом методе определения адсорбции из растворов измерения сводятся к определению концентрации исходного раствора С0 (ммоль/л) и концентрации раствора после достижения адсорбционного равновесия С1 (ммоль/л), которое устанавливается в результате встряхивания раствора с навеской адсорбента массой m (г). Величина удельной адсорбции а определяется по формуле
V - объем взятого для определения раствора, л.
Результаты испытаний показывают, что селективность полученных мембран зависит от пористости мембраны, ее проницаемости.
Величину избыточной адсорбции рассчитываем по формуле
Существенным отличием мембраны нового типа является ее пористая структура, определяемая наличием в формовочной смеси древесного угля.
Эта структура обладает рядом преимуществ перед прототипом:
- увеличивается селективность по белку от 63 до 75%;
- увеличивается проницаемость при низких давлениях от 43,2 л/м2·час до 137,58. л/м2·час;
- увеличивается величина избыточной адсорбции белка в 100 раз. Следовательно, за один цикл можно переработать в 100 раз больше, в частности, молочной сыворотки.
| Таблица 2 | |||||
| № п/п | Пористость W, % | Селективность по белку молочной сыворотки В, % | Проницаемость Q, л/м2·ч | Избыточная адсорбция  | |
| По воде | По молочной сыворотке | ||||
| 1 | 11,67 | - | 0 | 0 | - |
| 2 | 13,85 | - | 10 | 0 | - |
| 3 | 14,71 | 75 | 50,5 | 27,02 | 5,0·102 |
| 4 | 15,33 | 65 | 183,43 | 137,58 | 5,5·102 |
| 5 | 13,33 | 63 | 27,0 | 7,82 | 7,0·102 |
| 6 | 15,83 | 59 | 116 | 30,57 | - |
| 7 | 18,33 | 54 | 336,3 | 185,0 | - |
| 8 | 18,42 | 50 | 1467,51 | 428,02 | - |
| 9 | 9,52 | - | 0 | 0 | - |
| 10 | 11,00 | - | 0 | 0 | - |
| 11 | 12,00 | - | 0 | 0 | - |
| 12 | 12,17 | - | 0 | 0 | - |
| 13 | 11,82 | - | 0 | 0 | - |
| 14 | 14,09 | 73 | 11,4 | 3,56 | 6,3·102 |
| 15 | 15,77 | 71 | 37,6 | 7,52 | 6,0·102 |
| 16 | 16,25 | 68 | 87,25 | 25,67 | 5,9·102 |
| Прототип | 1,32 | 63,0 | - | 43,2 | 2,13 |
1. Смесь для формования ацетатцеллюлозной ультрафильтрационной адсорбционной мембраны, состоящая из раствора ацетата целлюлозы в растворителе ацетоне, отличающаяся тем, что дополнительно содержит дисперсный наполнитель - активированный древесный уголь с размером частиц 85 мкм, а в качестве раствора ацетата целлюлозы в ацетоне содержит раствор диацетата целлюлозы в ацетоне при следующем содержании компонентов, мас.%:
| Диацетат целлюлозы | 5,0 |
| Ацетон | 62,6-68,5 |
| Активированный древесный уголь | |
| с размером частиц 85 мкм | 26,5-32,4 |
2. Смесь для формования ацетатцеллюлозной ультрафильтрационной адсорбционной мембраны, состоящая из раствора ацетата целлюлозы в растворителе ацетоне, отличающаяся тем, что дополнительно содержит дисперсный наполнитель - активированный древесный уголь с размером частиц 160 мкм, а в качестве раствора ацетата целлюлозы в ацетоне содержит раствор диацетата целлюлозы в ацетоне при следующем содержании компонентов, мас.%:
| Диацетат целлюлозы | 7,0 |
| Ацетон | 67,7-78,5 |
| Активированный древесный уголь | |
| с размером частиц 160 мкм | 14,5-25,3 |
