/21.02.2013/
Получение максимальной прибыли – цель каждого коммерческого предприятия. Анализ конкурентной среды, постоянный поиск новых технических и технологических решений – шаги, на которые идут предприятия для того, чтобы снизить себестоимость и предложить рынку высокомаржинальную продукцию.
Факторами, оказывающими самое непосредственное влияние на себестоимость выпускаемой продукции являются расходы воды и энергии всех видов, количество стоков, потребление моющих средств. Очевидно, что на физически устаревшем оборудовании при изношенных инженерных системах невозможно получить рентабельный продукт, поэтому любая реконструкция и модернизация производства должна включать в себя полный пересмотр этих составляющих.
Одна из таких составляющих – системы мойки оборудования (СИП-станции). Они являются одновременно потребителями всех ресурсов предприятия – чистой воды, тепла, электрической энергии, а также источниками образования основных производственных стоков предприятия и потребителями моющих компонентов.
Молокоперерабатывающая отрасль является крупным потребителем воды: на производство 1 л молока её затрачивается не менее 3,5 л. Величина технологических потерь молока при переработке составляет 0,5-4 % принятого на переработку объема в зависимости от уровня оснащенности предприятия и выпускаемого ассортиментного ряда [1].
Сточные воды молочных заводов представляют собой сложную коллоидную и физико-химическую систему, которая формируется из остатков молока и молочных продуктов при ополаскивании оборудования и отработанных моющих растворов. Сбросы отработанных моющих веществ предприятия различны: для современного завода, перерабатывающего 1500 т/молока в сут они достигают 3,5 т/сут щелочи, 1 т азотной кислоты и до 1 т дезинфицирующих сред [2]. На заводе мощностью 100 т/сут расход щелочи составляет 120 т/год [3].
Минимизация затрат на мойку оборудования является объектом внимания ведущих игроков молокоперерабатывающего рынка. Решение данного вопроса традиционно проводилось в двух направлениях: сохранение концентрации моющего вещества в циркуляционном контуре, т.е. избежание или минимизация разбавления моющего раствора; регенерация моющего раствора для его повторного использования.
Работы по повышению концентрации моющего раствора после его частичного разбавления в контуре мойке проводились путем концентрирования растворов на полимерных мембранах [1]. Но с интегрированием в технологические линии дуплексных систем механической очистки эта проблема была частична снята. Вопрос регенерации моющих сред остался актуальным и по сегодняшний день.
На молочных предприятиях потребление щелочных моющих растворов преобладает над кислотными [2]. Кроме этого, часто в качестве кислотных растворов используются растворы с комплексными моющими добавками, которые характерны для какого-то конкретного участка, и оборот такого раствора на производстве относительно невелик. Поэтому системы регенерации моющих растворов в основном ориентированы на регенерацию однокомпонентного раствора щелочи.
Технически многократное использование моющих растворов может быть реализовано с помощью нескольких вариантов организации процесса, которые схематично показаны на рис. 1.
Рис. 1. Схема участка решенерации моющего раствора станции СИП [4].
Использование сепаратора (рис. 1 В) для регенерации моющего раствора оборачивается высокими капитальными и эксплуатационными затратами, но основным недостатком данного метода является то, что удаляются только нерастворенные загрязнения (например, скоагулированный белок), а растворимые загрязнения остаются в растворе.
Для регенерации растворов используются мембранные фильтрационные системы, которые интегрируются непосредственно к танку моющего раствора (рис. 1 А) или выносятся из контура СИП-станции, дооснащаются двумя балансовыми танками для приемки отработанного моющего раствора и сбора очищенного (рис. 1 Б). Затраты на последний вариант выше, чем на предыдущий, но, как правило, производственная практика идет по варианту, указанному на рис. 1 Б. Это связано с тем, что система регенерации моющего раствора сама останавливается на мойку, и на действующем производстве затруднительно интегрировать установку в действующую станцию СИП, работающую по собственному алгоритму без установки балансовых танков.
К восстановленному моющему раствору предъявляется главное требование – сохранение его моющей способности. В процессе мойки оборудования в моющий раствор попадают все компоненты, которые остались на поверхности оборудования: белок в нативном или скоагулированном виде, жир, лактоза и соли молока, компоненты, привнесенные при производстве кисломолочных продуктов. Удалив из отработанного моющего раствора отмытые загрязнения, его можно восстановить. Стадию восстановления (регенерации) моющих растворов проводят на селективно проницаемых химически и термически устойчивых полимерных и/или керамических мембранах.
В табл. 1 показаны физико-химические показатели исходного чистого и восстановленного моющего раствора, а также концентрата, содержащего все примеси, которые были отмыты с внутренней поверхности оборудования [5].
Таблица 1
Поверхностное натяжение (σ) – один из главных факторов для оценки качества восстановленного раствора. В случае регенерации однокомпонентного раствора щелочи эта величина зависит от ХПК и определяется по следующим соотношениям [5]:
для значений 0<ХПК<4 г/л;
σ=39,1-6,5ln[ХПК],
для значений ХПК>4 г/л;
σ=30,0
Показано, что многократная регенерация щелочного раствора не ухудшает его моющие характеристики.
Эффективная по качеству фильтрата и длительности фильтрации работа установки возможна при корректно выбранной мембране и стадии предподготовки раствора, подаваемого на фильтрационную установку. Выбранная мембрана должна обеспечить эффективную очистку раствора, а режим фильтрации - длительность фильтро-цикла. Анализ частиц, которые находятся в отработанном моющем растворе, показывает, что это достаточно крупные частицы (десятки микрон) разнообразной природы. На рис. 2 показаны микрофотографии частиц и результаты покомпонентного спектрального анализа этих частиц.
В качестве предфильтра для мембранных систем используется стрейнер-фильтрация номиналом в 5 мкм. Использование керамической фильтрации в тангенсальном режиме в качестве предварительной подготовки раствора сдерживается относительно высокими капитальными затратами [6]. Частички нерастворимых загрязнений на поверхности мембраны имеют характерный геометрический размер в несколько десятков микрон, что говорит об их укрупнении в процессе фильтрации. Как видно из данных спектрального анализа, природа нерастворимых загрязнений многообразна: это силикаты, карбонаты, углерод, частицы металла. Такой широкий по химической природе спектр взвешенных частиц сужает использование химически стойких полимерных мембран (но не исключает) и ориентирует потребителя на абразивостойкие керамические мембраны.
Для работы установок по регенерации моющих растворов характерен выход по восстановленному раствору на уровне 75-90 % [2, 4, 7], т.е. потребление щелочи, воды для приготовления свежего раствора и объем вод для канализования снижается в 3-10 раз. Экономическая эффективность работы подобных установок на сегодняшний день уже очевидна.
Рассмотрим показатели работы установки на производстве йогурта на заводе в Испании. Потребляемый объем свежего моющего раствора – 4680 м3/год. В таб. 2 приведены основные затраты производства на мойку оборудования с системой регенерации моющего раствора и без такой системы. В расчетах приводятся данные для установки фильтрации отработанного моющего раствора площадью фильтрации 40 м2, капитальные затраты на установку – 73 тыс. евро, срок службы полимерной мембраны - 1 год, срок амортизации – 10 лет, выход очищенного раствора – 75 %.
Чистая полисульфоновая мембрана
Частички загрязнений на поверхности мембраны после работы установки.
Рис. 2. Микрофотографии чистой (новой) мембраны и частиц на ее поверхности после фильтрации отработанного моющего раствора [5]
Таблица 2
Функционирование такой установки оправдывает капитальные затраты. Срок окупаемости составляет менее 2 лет, что является приемлемым показателем для современного молочного предприятия. Описанный способ производства для России на сегодняшний день новый. Внедрение такой технологии может быть при комплексной реконструкции и расширении действующих производств. Вступление России в ВТО открывает ее рынок для импортных производителей, поэтому достичь успеха смогут только те компании, которые внедряют новые энерго-, ресурсосберегающие технологии, позволяющие сократить издержки и повысить эффективность производства.
Список литературы
1. Elina Räsänen, Marianne Nystrőm, Janne Sahlsteinb, Olli Tossavainen. Purification and regeneration of diluted caustic and acidic washing solutions by membrane filtration Desalination 149 (2002) 185-l90.
2. Pablo Fernández, Francisco A. Riera, Ricardo Álvarez, Silvia Álvarez. Nanofiltration regeneration of contaminated single-phase detergents used in the dairy industry. Journal of Food Engineering 97 (2010) 319-328.
3. Genevieve Gesan-Guiziou, Evelyne Boyaval, Georges Daufin. Nanofiltration for the recovery of caustic cleaning-in-place solutions: robustness towards large variations of composition Desalination 149 (2002) 127-129.
4. G. Gėsan-Guiziou, N. Alvarez, D. Jacob, G. Daufin. Cleaning-in-place coupled with membrane regeneration for re-using caustic soda solutions. Separation and Purification Technology 54 (2007) 329-339.
5. Pablo Fernández, Francisco A. Riera, Ricardo Álvarez, Silvia Álvarez. Nanofiltration regeneration of contaminated single-phase detergents used in the dairy industry. Journal of Food Engineering 97 (2010) 319-328.
6. Eun Kyung Choe, Eun Jong Son, Beom Soo Lee, Sung Hoon Jeong, Hyun Cheol Shin, Jang Seong Choi. NF process for the recovery of caustic soda and concentration of disodium terephthalate from alkaline wastewater from polyester fabrics. Desalination 186 (2005) 29-37.
7. Т.А. Кравцова, Н.В. Горячий, А.Ю. Титов, Т.В. Кондратьева. Инновационные технологии: экономим средства и сохраняем окружающую среду. Переработка молока. 2012, №7, 36-37.
Открыть в формате pdf