Dossier Filtrazione

Applicazioni in ambito lattiero-caseario

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Membrane spiralate polimeriche

Le membrane spiralate si caratterizzano per la loro economicità in relazione alle superfici dislocabili; per contro, presentano limitazioni di impiego in termini di temperature massime operative ed eventuali presenze di particelle sospese che possono essere trattenute all’interno degli elementi filtranti (tab. 4). A seconda delle applicazioni possono permeare a freddo (per esempio a 10 °C) o a caldo (per esempio a 55 °C), ovviamente con Flux minori nel primo caso e maggiori nel secondo, e con superfici rispettivamente maggiori e minori.

Come raffigurato in figura 5, la struttura di queste membrane consiste in un tubo interno perforato attorno al quale sono stati avvolta spirale, appunto, dei fogli piani incollati da un lato e aventi le seguenti funzioni:

  • membrana di separazione vera e propria;
  • distanziatore di deflusso del permeato;
  • distanziatore di ingresso del prodotto- scorrimento del ritentato.
Figura 6. Sequenza di realizzazione di un elemento spiralato a membrane (Alfa Laval)

La realizzazione di queste strutture filtranti comporta una serie di operazioni descritte in figura 6 e la cui funzione è:

a) formazione di un foglio composito contenente la membrana, un foglio con funzione di distanziatore permeato e un foglio di funzione di distanziatore prodotto- ritentato;

b) avvolgimento di un foglio contenente la membrana attorno al tubo canalare centrale di collettazione del permeato;

c) dettaglio di collettazione del permeato (frecce in giallo) attraverso i fori del tubo canalare centrale;

d) applicazione al tubo canalare di più fogli;

e) operazione di avvolgimento;

f) termine dell’avvolgimento;

g) completamento con supporto esterno e dispositivi antitelescopici (per evitare dilatazioni).

Figura 7. Modalità della separazione mediante membrane (Alfa Laval). a) elemento a membrane in funzione: prodotto in ingresso (frecce rosse), ritentato in uscita (frecce marroni), permeato in uscita dal tubo canalare (frecce gialle); b) relazione tra verso di scorrimento del prodotto in ingresso-ritentato, verso di scorrimento del permeato e collettazione dello stesso nel tubo canalare; c) dettaglio di flusso del permeato; d) dettaglio di flusso del ritentato

Analizziamo qualche dettaglio (figura 6). Il distanziatore prodotto-ritentato è inserito tra due fogli di membrana ed è costituito di un materiale polimerico che provvede a creare un canale di flusso del prodotto-ritentato. È concepito per generare turbolenza, frammentare lo strato di sporcamento sulla membrana, diminuire la formazione di fouling. Il distanziatore permeato, inserito tra due membrane, provvede a trasportare il permeato appena separato al tubo centrale perforato di raccolta. Il dispositivo antidilatazione (detto anche antitelescopico) serve a evitare l’allungamento della membrana a causa delle differenze di pressione tra l’ingresso del prodotto e l’uscita del ritentato. Il principio di funzionamento (figura 7) comporta l’alimentazione longitudinale del prodotto alla membrana.

Figura 8. Configurazione di un modulo di membrane spiralate (Tetra Pak)

Il ritentato si forma progressivamente nello stesso verso. Il permeato, invece, scorre nella spirale utilizzando il canale formato tra due fogli di membrana e affluisce al tubo di collettazione, da cui sarà poi evacuato. Le membrane, per essere utilizzabili nelle applicazioni industriali, sono raggruppate in moduli costituiti da contenitori in acciaio inossidabile (detti housing), che normalmente alloggiano fino a tre elementi (fig. 8). Assemblando diversi housing si configurano loop che, a loro volta, sono gli elementi costitutivi degli stadi di separazione.

Membrane ceramiche tubolari

Gli elementi ceramici di microfiltrazione (fig. 9) hanno un costo elevato, perciò il campo applicativo è ristretto ad applicazioni ad alto valore aggiunto, quali:

  • rimozione delle cariche batteriche (latte alimentare, latte caseario, sieri);
  • concentrazione delle caseine (latte caseario);
  • applicazioni speciali (separazione delle sieroproteine, degrassaggio dei sieri ecc.).
Figura 9. Esempio di membrane tubolari ceramiche (Pall Exekia)

Le case produttrici sono in numero limitato e le gamme relativamente limitate. Queste membrane si caratterizzano per le elevate prestazioni soprattutto nella ritenzione di spore e batteri. Operano a caldo (50 °C) a fronte di prodotti esenti da solidi e grasso (tab. 5). Il principio di funzionamento è descritto in figura 10. Il prodotto (per esempio, latte scremato a 50 °C) viene immesso nei canali di filtrazione e lungo il percorso avviene la separazione del permeato, che fluisce attraverso il supporto ceramico dello strato della membrana e si accumula all’interno del contenitore, da dove viene poi evacuato. Il ritentato, invece, procede in un loop che lo fa ricircolare. Nella figura 11 è rappresentata la struttura di un elemento tubolare ceramico. Ogni elemento è costituito da molteplici canali (a seconda del tipo, fino ad alcune dozzine).

All’interno di ogni canale è depositato un film filtrante che costituisce la membrana di separazione vera e propria. Il supporto della membrana è composto da materiale ceramico non fine, il cui scopo è consentire il deflusso del permeato; per applicazioni quali la ritenzione di spore-batteri sono inoltre disponibili elementi a doppio strato, in grado di conseguire una ritenzione dei batteri (fino al 99,95%). Il modulo consiste in un contenitore di acciaio inossidabile (housing), al cui interno vengono alloggiati gli elementi filtranti tubolari. All’interno del contenitore il prodotto in ingresso attraversa il distributore metallico, per transitare in ciascun canale dei singoli elementi; lo spazio tra gli elementi all’interno del contenitore svolge la funzione di collettazione del permeato. A lato del distributore un’apposita uscita provvede allo scarico del permeato (figura 12).

Figura 10. Loop di ricircolazione di un modulo in applicazione di ultrafiltrazione: (1) modulo contenitore con membrane; (2) scambiatore per raffreddamento; (3) filtro (eventuale). Si noti la presenza dello scambiatore (solitamente di tipo tubolare): durante la fase di ricircolazione, la temperatura del ritentato tende ad aumentare di qualche grado a causa dell’energia cinetica generata dalle pompe sul prodotto. Lo scopo dello scambiatore è mantenere la temperatura ottimale (Tetra Pak)

Una delle caratteristiche maggiormente critiche di una superficie di microfiltrazione ceramica è la relativa scarsa autonomia dovuta alla polarizzazione che influisce sulle durate delle sessioni di lavoro. Il fenomeno dipende dalle differenze di pressione tra lato ritentato e lato permeato. All’inizio dell’elemento tubolare la pressione è sufficientemente elevata, quindi inizialmente favorisce il Flux, ma contemporaneamente anche la polarizzazione. Il Flux poi diminuisce lungo il percorso nei canali verso la parte opposta dell’elemento.

Per superare questo problema sono state concepite due diverse soluzioni:

  • le membrane convenzionali, cui applicare una soluzione impiantistica basata sul principio della pressione transmembranica uniforme (UTP, uniform tramsmembrane pressure) (fig. 13);
  • le membrane operanti con distribuzione dei pori secondo un gradiente di permeabilità longitudinale, che si connotano per la formazione di polarizzazione uniforme e per un Flux uniforme.
Figura 11. Struttura di un elemento tubolare ceramico (Tetra Pak): a) testa di singolo elemento filtrante; b) elementi a doppio strato, in grado di conseguire una ritenzione dei batteri (fino al 99,95%)

Le due soluzioni, in termini di processo, non sono completamente alternative e sono quindi applicate secondo criteri di ottimizzazione del processo di separazione. In particolare, nella microfiltrazione mediante UTP (uniform trasmembrane pressure) il permeato fluisce e viene fatto ricircolare (parzialmente) in continuo. All’interno del lato permeato sono poste piccole sfere di materiale atossico per mantenere le pressioni (figura 13). Come per gli altri moduli di separazione a membrane, anche la microfiltrazione prevede una ricircolazione del ritentato, che può essere fino a 10 volte la portata del prodotto in ingresso (fig. 14).

Figura 12. Rappresentazione del funzionamento di un contenitore di elementi tubolari ceramici in sezione (Tetra Pak)

La soluzione tipica prevede di assiemare due moduli contenitori per la realizzazione di un loop (fig. 14 b). Un’unità industriale richiede anche numerosi loop per assicurare la prestazione finale. Nella figura 14 b è mostrato il loop di filtrazione composto da due moduli, come appare in un’unità industriale (Tetra Pak). Esistono ulteriori morfologie di membrane applicabili al settore lattiero caseario, utilizzate di norma in casi particolari:

  • piastre polimeriche in telaio (plate and frame);
  • tubolari polimeriche;
  • cave polimeriche.
Figura 13. Profili di pressione e corrispondenti diagrammi della microfiltrazione convenzionale e della microfiltrazione mediante UTP (Tetra Pak)

La morfologia plate and frame ha trovato impiego nel trattamento di prodotti viscosi (mascarpone, quarg, cagliate acide). Si tratta di un sistema concettualmente simile a uno scambiatore a piastre (figura 15).

Fig. 14. Loop di microfiltrazione composto da due contenitori affacciati, operanti secondo il principio UTP, dove anche il permeato ha un proprio loop di ricircolazione, in modo da mantenere le differenze di pressione tra ritentato e permeato uniformi per tutta la lunghezza dei canali degli elementi membranici. In caso di gradiente permeabile longitudinale (membrane di tipo GP) non vi è alcun riciclo del permeato

Il prodotto scorre in un canale (composto da due membrane affacciate) e nei due canali laterali scorre il permeato, che viene poi collettato da un tubo centrale. Alcune specifiche caratteristiche delle membrane sono essenziali nella definizione delle prestazioni nel processo di separazione.

Figura 15. Filtrazione plate and frame: a) principio di funzionamento di un singolo elemento a membrane (Tetra Pak); b) rappresentazione di un gruppo di elementi posti in un fusto di contenimento (Tetra Pak)

Pretrattamenti del prodotto prima della separazione

Data la tendenza alla polarizzazione delle superfici, la massima efficienza dei processi di separazione comporta non solo un appropriato design delle unità di filtrazione, ma di norma richiede anche che i prodotti da sottoporre a trattamento vengano opportunamente pretrattati (tabella 6).

Le applicazioni a caldo sono generalmente più efficienti in termini di permeazione di quelle a freddo a causa della minore viscosità dei prodotti lattiero caseari. Richiedono di norma meno superficie filtrante; per contro, possono essere più complicate dal punto di vista impianti stico, inoltre debbono tenere conto di controindicazioni di tipo batteriologico o chimico (precipitazioni di sali e proteine).

La progressione del fouling (calcio, grasso, fini, additivi) influisce sull’autonomia di lavoro, determinando un calo di produttività.

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