Aplicații ale Tehnicilor de Separare prin Membrană în Industria Vinului

Membrane. Introducere

Tehnica convenţională de filtrare folosită în industria alimentară realizează reţinerea particulelor de către masa filtrata (filtrarea pe strat, placă sau membrană), în condiţiile în care direcţia de curgere a lichidului este perpendiculară faţă de poziţia materialului filtrant, debitul de filtrare scăzând treptat datorită formării unui strat (depozit) care conduce la creşterea rezistenţei hidraulice şi de filtrare.

Prin metodele mai noi de filtrare se realizează o curgere tangenţială a lichidului de filtrat, ceea ce permite limitarea creşterii „depozitului” colmatat şi ameliorarea debitului de filtrare. Filtrarea tangenţială este interesantă pentru lichidele „colmatante” adicentru cele care conţin coloizi şi particule micronice (la care evident se referă vinul, berea şi sucurile).

Folosind membrane cu caracteristici deosebite şi curgerea tangenţială a lichidelor, se pot realiza separări şi concentrări fără consum de energie termică şi fără denaturarea componentelor sensibile la căldură (avem de-a face cu o cernere selectivă a particulelor mici şi foarte mici care nu pot fi fracţionate – separate prin procedee clasice).

Filtrarea tangenţială acoleră următoarele domenii: microfiltrarea, diafiltrarea şi osmoza inversă.

Microfiltrarea reprezintă tehnica de membran reţinere a particulelor cu dimensiuni mai mari de 0,1 μm ( > 1000 Å). Se reţin materiale în suspensie, bacterii, virusuri, macromolecule cu MM > 500 000. presiunea aplicată este egală cu 0,1 - 0,5 MPa.

Ultrafiltrarea reprezintă tehnica de membrană de separare, fracţionare, concentrarea de substanţe macromoleculare sub acţiunea unei presiuni tangenţiale, prin membrane cu pori ce au dimensiuni de 0,001 - 0,1 μm, masa moleculară a particulelor care pot fi reţinute fiind de 500- 500 000 (macromolecule de proteine şi coloizi). Presiunea de filtrare ajunge la 1 MPa, iar viteza fluxului pa la 1 m/s.

Diafiltrarea este o variantiltrării care se poate realiza discontinuu, având loc o serie de concentrări ale soluţiei urmate de diluţii ale retentatului prin adăugare unei soluţii de spălare (apă, soluţie sodică etc.) şi continuu, în care soluţia de spălare se adaugă la retentat la un debit identic cu debitul de curgere a permeatului (ultrafiltratului). Diafiltrările sunt adesea urmate de faza de ultrafiltrare clasică.

Osmoza inversă sau hiperfiltrarea reprezintă un proces de concentrare în soluţie a unor substanţe cu masa moleculară mică (zaharuri, ioni, acizi organici etc., cu MM < 500) prin aplicarea unei presiuni tangenţiale la membrană. Se realizează, în consecinţă, o trecere prin difuzie a substanţei dizolvate sau sau în stare coloidală prin porii membranei cu Ø = 4 - 6 nm. Pentru realizarea acestui efect este necesară o presiune care poate atinge 10 MPa (de regulă între 1 şi 6 MPa).

Deshidratarea sucurilor din legume şi fructe, a siropurilor, se poate efectua prin ultrafiltrare cu mult mai ieftin, decât, de exemplu, prin evaporare sau congelare, fără pierderea componentelor volatile şi fără modificarea gustului, procese ce au loc la concentrarea prin evaporare. La deshidratarea sucurilor, extractelor de cafea, proteinelor, diferitelor esenţe, berii, calitatea produselor prelucrate prin ultrafiltrare nu a scăzut, dar î unele cazuri s-a îmbunătăţit. La folosirea membranelor din acetoceluloză s-a realizat concentrarea sucului de mere până la conţinutul substanţei uscate de 40%.

În filtratul separat se găseau mai puţin de 1% substanţe solubile, în majoritatea acizi. Vinul este un produs biologic instabil dacă nu este clarificat înainte de îmbuteliere.

Modificările ireversibile pot apărea sub acţiunea agenţilor chmici (săruri tartrice, coloizi glucidici, proteici), şi a agenţilor biologici (drojdii, bacterii responsabile de fermentaţii secundare şi apariţia diferitelor boli).

În prezent, filtrarea vinurilor constă în: o filtrare grosieră pe kiselgur; o filtrare pe plăci care permite reţinerea ultimelor particule din suspensie şi a majorităţii microorganismelor (deci nu se asigură o sterilizare perfectă); o filtrare pe membrane de polimeri care au eficienţă mare dar şi un preţ de recondiţionare ridicat datorită rezistenţei termice şi chimice reduse. Deci, ultrafiltrarea vinului separroteinele din el. Vinurile cu un conţinut destul de mare de proteine sunt dispuse la casări proteice reversibile şi ireversibile (ceea ce nu modificai aspectul).

Ultrafiltrarea vinului se foloseşte şi pentru separarea cleiurilor şi mucozităţilor vegetale şi pentru determinarea indicelui de polimerizare, care caracterizează fiecare vin. Se constată interacţiunea moleculelor de antociane şi a taninurilor la vinurile vechi.

La producere vinurilor din struguri, osmoza inversă permite rezolvarea problemei stabilizării. Cum se ştie, în vin şi sucul de struguri se găseşte tartrat de potasiu care este în stare aproape saturată. La păstrarea vinului, tartratul de potasiu precipită ceea ce duce la tulburarea vinului şi formarea sedimentului pe pereţii buteliei. Metoda clasică de stabilizare este refrigerarea vinului până la anumite temperaturi (aproape la temperatura de îngheţare). Dar această metodă nu permite sedimentarea completă a tartratului. La folosirea osmozei inverse, prin membranrece în special apa şi alcoolul etilic, iar ionii de potasiu rămân în concentrat.

Tipuri de membrane

Membranele folosite pentru filtrarea tangenţială sunt asimetrice (anizotrope) şi sunt în general constituite dintr-o peliculă superficială cu grosime de 0,1-0,15 μ, microporoasă, care alcătuieşte membrana propriu-zisă cu anumite proprietăţi de retenţie şi rezistenţă hidraulică. Această membrană acoperă o structură cu grosime şi porozitate mai mare care are rolul de suport mecanic şi de drenaj, rezistenţa acestui strat la curgerea tangenţială fiind mică.

Unele membrane sunt prevăzute şi cu un strat de armare care le meşte rezistenţa. Cu membranele asimetrice se pot atinge debite de permeat ridicate, chiar dacă se operează la presiuni relativ mici. Dintre membranele asimetrice amintim:

1. acetatul de celuloză care este o membrană din prima generaţie. Acetatul constituie membrana propriu-zisă, fixată pe un suport poros de drenare (fără strat de armare). Acest tip de membrane prezintă dezavantajul că se comportă necorespunzător la acţiunea agenţilor chimici, la temperaturi ridicate şi sunt sensibile la acţiunea microorganismelor;

2. policlorura de vinil, polisulfonele (polisulfamide), polielectroliţii complecşi pe bază de polistiren, polihidroximetilacrilamidă, copolimeri de acrilonitrili (Soc. Rhome Poulenc a pus la punct o serie de membrane pe bază de copolimeri acrilonitrilmetalil sulfonat de sodiu+copolimer acrilonitri-metil-2-vinil piridin quaternizat de sulfat de metil), poligalactoza-metilocrilat, poli-2,6 dimetilfenilen-eter sulfonat. Aceste membrane sunt din generaţia a doua şi sunt în general mai complexe. De exemplu pelicula ultrasubţire de polihidroximetilacrilamidă sub formă de reţea, care asigură selectivitatea, este fixate un strat microporos de polisulfon cu grosime de 50 μ, servind ca suport protector. Aceasta l arândul său este fixată pe un supori împâslit de poliester sau polipropilen cu grosime de 100-200 μm cu rolul de a mări rezistenţa mecanică a întregului ansamblu;

3. membrane minerale (inerte din punct de vedere chimic): oxid de zirconiu (sau oxid de aluminiu), care se depune pe un strat de cărbune ales pentru stabilitate chimică, mecanică, termică (membrane SFEC, CARBOSEP); membrane ceramice cu mare rezistenţă termică, chimică şi mecanică. Aceste membrane sunt compatibile cu orice pH, cu majoritatea solvenţilor organici şi agenţilor oxidanţi, fiind sterilizabile cu vapori de apă. Structura unei astfel de membrane asimetrice este următoarea: