Definition of the Change Regulations in the Porosity of Semi-permeable Membranes After the Separation of Dairy Raw Materials

Інноваційні харчові та ресторанні технології Innovative Food and Restaurant Technologies УДК 637.14:542.816 DOI: 10.31866/2616-7468.7.1.2024.305961 ВИЗНАЧЕННЯ ЗАКОНОМІРНОСТЕЙ ЗМІНИ ПОРИСТОСТІ НАПІВПРОНИКНИХ МЕМБРАН ПІСЛЯ РОЗДІЛЕННЯ МОЛОЧНОЇ СИРОВИНИ Григорій Дейниченко, доктор технічних наук, Державний біотехнологічний університет, Харків, Україна, http://orcid.org/0000-0003-3615-8339 © Дейниченко Г. В., 2024 Дмитро Дмитревський, кандидат технічних наук, Державний біотехнологічний університет, Харків, Україна, http://orcid.org/0000-0003-1330-7514 © Дмитревський Д. В., 2024 Віталій Червоний, кандидат технічних наук, Харківський національний університет ім. В. Н. Каразіна, Харків, Україна, http://orcid.org/0000-0002-9085-2260 © Червоний В. М., 2024 Дмитро Горєлков, кандидат технічних наук, Харківський національний університет ім. В. Н. Каразіна, Харків, Україна, http://orcid.org/0000-0002-9315-9322 © Горєлков Д. В., 2024 Актуальність. У статті наведено методику розрахунку структурно-фізичних характеристик напівпроникних мембран після їх застосування в технологічному процесі. При експлуатації мембран відбувається зниження проникності внаслідок закупорки їх пор колоїдними речовинами. Внаслідок цього виникає необхідність отримання даних щодо розподілу пoр на поверхні досліджуваної ультрафільтраційної мембрани. Метою статті є визначення закономірностей зміни пористості напівпроникної мембрани, яка була використана в технологічному процесі розділення молочної сировини. Це дасть можливість прогнозувати гідродинамічні властивості ультрафільтраційної мембрани. Методи дослідження. Запропоновано тензометричний (статистичний) метод та визначені структурно-фізичні характеристики напівпроникних мембран у процесі мембранної фільтрації знежиреної молочної сировини. Показана можливість побудови математичних залежностей і методик визначення фізичних властивостей та структурного аналізу напівпроникної мембрани. Ця методика дозволяє визначити поверхню не тільки напівпроникної мембрани, а й поляризаційного шару високомолекулярних речовин. Результати дослідження. За результатами досліджень побудовані залежності фізичних властивостей та структурної складової напівпроникної мембрани після обробки молочної сировини. Результати проведених досліджень показують, що після ультрафільтрації знежиреної молочної сировини розміри пор зазнають істотних змін. Висновки та обговорення. Встановлено збільшення кількості пор із діаметром менше 10 нм. Спектр 124 Ресторанний і готельний консалтинг. Інновації. 2024 Том 7 № 1 Restaurant and Hotel Consulting. Innovations. 2024 Vol. 7 No 1 радіусів мікрокапілярів зміщується у бік зменшення, що відбувається внаслідок осадження частинок дисперсної фази в мікрокапілярах. Реалізація результатів дослідження можлива у промислових умовах для визначення структурно-фізичних характеристик різного типу мембран під час концентрування рідин різного походження з розробки нових модифікацій фільтрувальних елементів. Умовами до промислового використання одержаних результатів є вирішення питань співвідношення лабораторних досліджень структурно-фізичних характеристик із виробничими результатами. Ключові слова: напівпроникна мембрана, процес ультрафільтрації, молочна сировина, фізичні характеристики, структурні властивості, розмір пор. Актуальність проблеми Постановка проблеми. Удосконалення технологічних процесів і застосування найбільш прогресивних методів обробки продуктів харчування є одним із важливих завдань харчової промисловості. При цьому велика увага приділяється використанню у харчовій промисловості як фізичних, так і фізично-механічних методів обробки харчової сировини. Сучасні способи виділення білка, згідно з роботами H. Gomaa та S. Rao (2011), V. Brião та C. Tavares (2012), Y. Zmievskii та ін. (2016), такі як ультрафільтрація (УФ), дозволяють на сьогодні отримати білкові концентрати з високим комплексом функціональних властивостей. Як відомо, у процесі ультрафільтрації до пермеату проходять лише ті складові рідини, що розділяються, молекули яких менші від пор мембрани. Тому для отримання прогнозованих даних потрібно знати, який розмір мають молекули речовин, з яких складаються сколотини. Сколотини містять лактозу, жири, білки, мінеральні речовини, вітаміни. Розмір молекул лактози, вітамінів та мінеральних речовин значно менший, ніж розмір пор ультрафільтраційних мембран. Виходячи з цього, можна прогнозувати, що ці речовини повністю проходитимуть через пори мембрани до пермеату. Молекули жиру, навпаки, значно більші від пор ультрафільтраційної мембрани, тому вони будуть повністю затримуватись мембраною. Білок, який міститься у сколотинах, має різний розмір молекул, близький до розміру пор мембрани (Puri et al., 2020; Пащенко та ін., 2016). Тому і молекули білка практично повністю затримуватимуться мембраною. Однією з вимог якості проведення процесу ультрафільтрації є використання саме таких мембран та способу концентрування, що дозволяють забезпечити високі показники її продуктивності (Lau et al., 2015). В цьому випадку для вибору мембрани та способу інтенсифікації процесу ультрафільтрації молочної сировини актуальним є проведення досліджень із вивчення фізичних та структурних характеристик ультрафільтраційної мембрани разом з утвореним на ній шаром білкового концентрату. Це дасть можливість контролювати кількісні показники процесу мембранного концентрування молочної сировини залежно від концентраційної поляризації на поверхні мембрани. Стан вивчення проблеми. Відомо, що для ультрафільтрації молочної сировини використовуються виключно пористі (напівпроникні) мембрани, які здійснюють поділ молекул і частинок, різних за розміром. У цьому випадку необхідне визначення основних структурно-енергетичних характеристик пористої мембрани, що можуть бути вирішені за допомогою методики аналізу ізотерм сорбції-десорбції (Templ & Templ, 2020). Деякі дослідники однією з основних характеристик таких мембран вважають селективність, що в основному визначається співвідношенням розмірів пор і сполук, що розділяються (Wei et al., 2021). Цей показник має значення, якщо за мету береться визначення проникності високомолекулярних сполук молочної си125 Інноваційні харчові та ресторанні технології Innovative Food and Restaurant Technologies ровини крізь пори мембрани. В роботах S. O. Lai та ін. (2015), V. Conway et al. (2014) зазначається, що при проєктуванні відповідного обладнання необхідними стадіями є раціональний вибір мембрани, а також розрахунок параметрів процесу фільтрації за допомогою формул гідравліки. Водночас виникає необхідність застосування цих формул для розрахунку структурно-фізичних характеристик мембрани у процесі її експлуатації, що застосовується в масштабах виробництва. Ефективність процесу ультрафільтрації залежить насамперед від правильності вибраних режимів експлуатації мембран. Але підібрані режими ультрафільтрації, такі як робочий тиск у напірному каналі та температура сировини, доцільно обґрунтувати, якщо будуть відомі дані про структурні зміни матеріалу ме (...truncated)