Effect of physico-chemical conditions and operating parameters on flux and retention of different components in ultrafiltration and nanofiltration fractionation of sweet whey

Tässä väitöstutkimuksessa tutkittiin fysikaaliskemiallisten olosuhteiden ja toimintaparametrien vaikutusta juustoheran fraktiointiin. Kirjallisuusosassa on käsitelty heran ympäristövaikutusta, heran hyödyntämistä ja heran käsittelyä kalvotekniikalla. Kokeellinen osa on jaettu kahteen osaan, joista ensimmäinen käsittelee ultrasuodatusta ja toinen nanosuodatusta juustoheran fraktioinnissa. Ultrasuodatuskalvon valinta tehtiin perustuen kalvon cut-off lukuun, joka oli määritetty polyetyleeniglykoliliuoksilla olosuhteissa, joissa konsentraatiopolariosaatioei häiritse mittausta. Kriittisen vuon konseptia käytettiin sopivan proteiinikonsentraation löytämiseksi ultrasuodatuskokeisiin, koska heraproteiinit ovat tunnetusti kalvoa likaavia aineita. Ultrasuodatuskokeissa tutkittiin heran eri komponenttien suodattumista kalvon läpi ja siihen vaikuttavia ominaisuuksia. Herapermeaattien peptidifraktiot analysoitiin kokoekskluusiokromatografialla ja MALDI-TOF massaspektrometrillä. Kokeissa käytettävien nanosuodatuskalvojen keskimääräinen huokoskoko analysoitiin neutraaleilla liukoisilla aineilla ja zeta-potentiaalit virtauspotentiaalimittauksilla. Aminohappoja käytettiin malliaineina tutkittaessa huokoskoon ja varauksen merkitystä erotuksessa. Aminohappojen retentioon vaikuttivat pH ja liuoksen ionivahvuus sekä molekyylien väliset vuorovaikutukset. Heran ultrasuodatuksessa tuotettu permeaatti, joka sisälsi pieniä peptidejä, laktoosia ja suoloja, nanosuodatettiin happamassa ja emäksisessä pH:ssa. Emäksisissä oloissa tehdyssä nanosuodatuksessa foulaantumista tapahtui vähemmän ja permeaattivuo oli parempi. Emäksisissä oloissa myös selektiivisyys laktoosin erotuksessa peptideistä oli parempi verrattuna selektiivisyyteen happamissa oloissa.

The functional and biological properties of whey proteins : prospects for the development of functional foods

Selostus: Heraproteiinit terveysvaikutteisten elintarvikkeiden kehittämisessä

Purification and fractionation by nanotiltration in dairy and sugar and sweetener industry applications

Nanotiltration is a membrane separation method known for its special characteristic of rejecting multivalent ions and passing monovalent ions. Thus, it is commonly applied with dilute aqueous solutions in partial salt removal, like in drinking water production. The possibilities of nanofiltration have been studied and the technique applied in a wide branch of industries, e.g. the pulp and paper, the textile and the chemical processing industry. However, most present applications and most of the potential applications studied involve dilute solutions, the permeating stream being generally water containing monovalent salts. In this study nanotiltration is investigated more as a fractionation method. A well-known application in the dairy industry is concentration and partial salt removal from whey. Concentration and partial demineralization is beneficial for futher processing of whey as whey concentrates are used e.g. in baby foods. In the experiments of this study nanotiltration effectively reduced the monovalent salts in the whey concentrate. The main concern in this application is lactose leakage into the permeate. With the nanofiltration membranes used the lactose retentions were practically ? 99%. Another dairy application studied was the purification and reuse of cleaning solutions. This is an environmentally driven application. An 80% COD reduction by nanofiltration was observed for alkaline cleaning-in-place solution. Nanofiltration is not as commonly applied in the sugar and sweeteners industry as in the dairy industry. In this study one potential application was investigated, namely xylose purification from hemicellulose hydrolyzate. Xylose is raw material for xylitol production. Xylose separation from glucose was initially studied with xylose-glucose model solutions. The ability of nanofiltration to partially separate xylose into the permeate from rather concentrated xylose-glucose solutions (10 w-% and 30 w-%) became evident. The difference in size between xylose and glucose molecules according to any size measure is small, e.g. the Stokes diameter of glucose is 0.73 nm compared to 0.65 nm for xylose. In further experiments, xylose was purified into nanoliltration permeate from a hemicellulose hydrolyzate solution. The xylose content in the total solids was increased by 1.4—1.7 fold depending on temperature, pressure and feed composition.

Kalvojen vertailu heran nanosuodatuksessa

Työssä verrattiin kaupallisia nanosuodatuskalvoja heran konsentroinnissa. Tutkitut kalvot olivat Desal-5 DK, NF45 ja Koch SR1. NF45-kalvosta tutkittiin kahta eri sukupolven kalvoa. Konsentrointiajoja tehtiin sekä laboratoriomittakaavan levysuotimella että pilot-mittakaavan spiraalimoduulilaitteella. Lisäksi tutkittiin juoksute- ja happoheran konsentrointien eroja. Erityistä huomiota kiinnitettiin permeaattivuon arvoihin konsentroinnissa ja kalvojen suolojen ja laktoosin pidätyskykyyn. NF45-kalvon uuden sukupolven malli osoittautui mittauksissa samankaltaiseksi suolojen ja laktoosin pidätyskyvyltään kuin Desal-5 DK. Koch SR1-kalvo, jonka suolojen ja laktoosin pidätyskyky on Desal-5 DK-kalvoa heikompi, puolestaan vastaa ominaisuuksiltaan NF45 vanhan sukupolven kalvoa. Vanhan sukupolven NF45-kalvon valmistus on loppunut keväällä 2000. Vaihdettaessa vanhan sukupolven NF45-kalvot uuden sukupolven kalvoihin on odotettavissa pienemmät permeaattivuot ja suuremmat suolojen ja laktoosin retentiot kuin aiemmin NF45-kalvolla. Juoksuteheran konsentroinnissa suurimmat permeaattivuot saatiin Koch SR1-kalvolla. Levysuotimella ja spiraalimoduulilla saadaan koostumukseltaan samanlainen juoksuteheratiiviste. Levysuotimella permeaattivuot ovat samalla konsentrointikertoimella suuremmat kuin spiraalimoduulilla. Tämä johtuu spiraalimoduuliin jäävistä kuolleista alueista, joissa ei ole virtausta. Uutta prosessia suunniteltaessa voidaan käyttää laboratoriomittakaavan levysuodinkokokeita, kun halutaan tietoa saatavan tuotteen koostumuksesta. Prosessin tuotantokapasiteetin arvioimiseen tarvitaan pilot-mittakaavan spiraalimoduulikokeita. Happoheratiiviste sisältää enemmän suoloja kuin samalla kalvolla valmistettu juoksuteheratiiviste. Tämä johtuu happoheran juoksuteheraa suuremmasta suolapitoisuudesta. Lisäksi happoheran konsentroinnin permeaattivuo on pienempi kuin juoksuteheran permeaattivuo, sillä happoheran alhainen pH, noin 4,5, vaikuttaa kalvon permeabiliteettiin heikentävästi.

Maidon ja heran mikrosuodatus

Työssä selvitettiin uudenaikaisten polymeerikalvojen soveltuvuutta maidon sekä heran mikrosuodatukseen. Kirjallisessa osassa perehdyttiin maidon ja heran koostumuksiin, mikrobikantoihin sekä erilaisiin maidon sekä heran rasvanpoisto- ja puhdistusmenetelmiin. Tämän lisäksi käsiteltiin mikrosuodatusmenetelmiä sekä niiden käyttöä heran ja maidon käsittelyssä meijeriteollisuudessa. Kokeellisessa osassa verrattiin kahdella eri suodatuslaitteistolla keraami- ja polymeerikalvojen suodatusominaisuuksia separoidun raakamaidon sekä heran poikkivirtausmikrosuodatuksessa. Tavoitteena oli erottaa suodatettavista liuoksista mikrobit sekä jäännösrasva ja tuottaa puhdasta, proteiinipitoista maitoa / heraa. Koeajoissa otetuista näytteistä analysoitiin ainesosakoostumus sekä mikrobipitoisuudet. Tuloksista määritettiin retentioarvot ja näiden perusteella vertailtiin polymeeri- ja keraamikalvojen erotustehokkuutta. Lisäksi kalvojen toimivuutta arvioitiin vuoarvojen avulla. Raakamaidon suodatuksissa polymeerikalvot pidättivät täydellisesti tai lähes täydellisesti jäännösrasvan ja mikrobit, mutta myös kaseiiniproteiinin. Tästä syystä yksikään polymeerikalvoista ei sovellu puhtaan maidon suodatukseen. Keraamikalvot soveltuvat tähän selkeästi paremmin ja yksikään toinen testatuista kalvoista ei päässyt samalle tasolle meijeriteollisuudessa jo käytössä olevan Membralox 1,4 μm -keraamikalvon kanssa. Heran suodatuksissa polymeerikalvot pidättivät täydellisesti tai lähes täydellisesti rasvan ja mikrobit, mutta keraamikalvo päästi huomattavasti enemmän haluttuja proteiineja permeaattiin. Membralox 0,8 μm -keraamikalvo pidätti täydellisesti mikrobit, mutta päästi jonkin verran jäännösrasvaa permeaattiin. Näin ollen kalvovalinta on kompromissi permeaatin puhtauden ja proteiinin saannon välillä. Keraamikalvojen vuohäviöt olivat merkittävästi pienemmät kuin polymeerikalvoilla molempien syöttöliuosten kanssa. Lisäksi keraamikalvojen puhdistus oli huomattavasti nopeampaa ja helpompaa. Tästä syystä keraamiset kalvot soveltuvat polymeerisiä paremmin maidon ja heran mikrosuodatukseen.

Separation mechanisms in nanofiltration and retention changes of organic compounds

Orgaanisten yhdisteiden negatiivinen retentio nanosuodatuksessa on ilmiö, jota eiole kovin paljon tutkittu. Negatiivisen retentioon vaikuttavat syyt tai tekijäteivät ole kovin hyvin tiedossa. Erotusmenetelmänä negatiivinen retentio voi olla käyttökelpoinen tietyissä sovelluksissa. Työn kirjallisuusosa käsittelee nanosuodatuksen erotusmekanismeja ja retentioon vaikuttavia tekijöitä. Myös joitakin malleja on esitetty. Nanosuodatus on monimutkainen prosessi, josta ei voida löytää vain yhtä erotusmekanismia tai retentioon vaikuttavaa tekijää. Prosessit ovat kokonaisuuksia, joissa erottumiseen vaikuttavat syöttöliuoksen, erotettavan komponentin ja kalvon ominaisuudet, ja niiden väliset vuorovaikutukset. Työn kokeellisessa osassa koottiin mahdollisimman paljon esimerkkejä, joissa monosakkaridien negatiivinen retentio ilmenee. Muita orgaanisia ja epäorgaanisia yhdisteitä käytettiin 'häiriöyhdisteinä' syöttöliuoksessa monosakkaridien kanssa. Kokeet suoritettiin kahdella laboratoriomittakaavan suodatuslaitteella käyttäen kahta kaupallista nanosuodatuskalvoa. Negatiivinen retentio ilmeni useissa tapauksissa. Permeaattivuon ja 'häiriöyhdisteiden' pitoisuuksien havaittiin vaikuttavan voimakkaasti negatiivisen retention ilmenemiseen.

Kinetics of selective oxidation of lactose to lactobionic acid over Pd-active carbon catalyst

Laktoosi eli maitosokeri on tärkein ainesosa useimpien nisäkkäiden tuottamassa maidossa. Sitä erotetaan herasta, juustosta ja maidosta. Laktoosia käytetään elintarvike- ja lääketeollisuuden raaka-aineena monissaeri tuotteissa. Lääketeollisuudessa laktoosia käytetään esimerkiksi tablettien täyteaineena. Hapettamalla laktoosia voidaan valmistaa laktobionihappoa, 2-keto-laktobionihappoa ja laktuloosia. Laktobionihappoa käytetään biohajoavien pintojen ja kosmetiikkatuotteiden valmistuksessa, sekä sisäelinten säilöntäliuoksissa, joissa laktobionihappo estää happiradikaalien aiheuttamien kudosvaurioiden syntymistä. Tässä työssä laktoosia hapetettiin laktobionihapoksi sekoittimella varustetussa laboratoriomittakaavaisessa panosreaktorissa käyttäenkatalyyttinä palladiumia aktiivihiilellä. Muutamissa kokeissa katalyytin promoottorina käytettiin vismuttia, joka hidastaa katalyytin deaktivoitumista. Työn tarkoituksena oli saada lisää tietoa laktoosin hapettamisen kinetiikasta. Laktoosin hapettumisessa laktobionihapoksi havaittiin selektiivisyyteen vaikuttavan muunmuassa reaktiolämpötila, paine, pH ja käytetyn katalyytin määrä. Katalyyttiä kierrättämällä eri kokeiden välillä saatiin paremmat konversiot, selektiivisyydet ja saannot. Parhaat koetulokset saatiin hapetettaessa synteettisellä ilmalla 60 oC lämpötilassa ja 1 bar paineessa. Tehdyissä kokeissa pH:n säätö tehtiin manuaalisesti, joten pH ei pysynyt koko ajan haluttuna. Laktoosin konversio oli parhaimmillaan 95 %. Laktobionihapon suhteellinen selektiivisyys oli 100% ja suhteellinen saanto 100 %. Kinetiikan matemaattinen mallinnus tehtiin Modest-ohjelmalla käyttäen kokeista saatuja mittaustuloksia.Ohjelman avulla estimoitiin parametreja ja saatiin matemaattinen malli reaktorille. Tässä työssä tehtiin kineettinen mallinnus myös ravistelureaktorissa tehdyille laktoosin hapetuskokeille, missä pH pysyi koko ajan haluttuna 'in-situ' titrauksen avulla. Työn yhteydessä selvitettiin myös mahdollisuutta käyttää monoliittikatalyyttejä laktoosin hapetusreaktiossa.

Betaiinin tuotannon sivujakeiden mikrosuodattaminen teräskeraamisella kalvolla

Betaiini on ammoniumyhdiste, jota käytetään esimerkiksi eläinten rehussa, kosmetiikassa ja lääkkeissä. Danisco Animal Nutrition Finnfeeds Finland Oy:n Naantalin tehdas on maailman johtava betaiinin tuottaja ja raaka-aineena tehtaalla käytetään melassierotuksesta saatavaa betaiinimelassia. Kiteisen betaiinin puhdistusprosessin yhteydessä syntyybetaiinipitoisia sivujakeita, jotka sisältävät huomattavan määrän betaiinia, minkä takia niiden jatkokäsittely on tärkeää. Betaiinin tuotannon sivujakeet ovat erittäin vaikeasti suodattuvia orgaanisia liuoksia, joiden koostumuksia ei täysin tunneta. Tämän työn tarkoituksena oli puhdistaa betaiinin tuotannon sivujakeita mikrosuodattamalla niitä teräskeraamisella kalvolla. Työn kokeellisessa osassa suoritettiin suodatusparametrien eli pH:n, lämpötilan, TMP:n ja betaiiniliuoksen kuiva-ainepitoisuuden optimointi sekä konsentrointikokeita. Mikrosuodatus suoritettiin Graver Technologiesin Scepter-putkimoduulilla, joka toimi ohivirtausperiaatteella ja jonka huokoskoko oli 0,1 ¿m. Scepter-moduuli koostui ruostumattomasta teräksestä sintratuista putkimoduuleista, joissa erottavana kerroksena toimi TiO2. Esikokeiden perusteella todettiin ettei pH:lla ollut suurta vaikutusta suodatukseen. Permeaattivuo kasvoi selvästi lämpötilan ja TMP:nkasvaessa. Vuo taas huononi ja permeaatin sameus lisääntyi selvästi 35 % korkeammissa kuiva-ainepitoisuuksissa. Konsentrointikokeet suoritettiin betaiiniliuoksen refraktrometrisessa kuiva-ainepitoisuudessa, BetRk, 35 %, 80 °C lämpötilassa ja betaiiniliuoksen omassa pH:ssa (pH 8-9,5). Esikokeiden tulosten perusteella konsentrointikokeet suoritettiin TMP:ssa 0,6; 0,8 ja 1,0 bar. Betaiinin tuotannonsivujakeiden konsentrointikokeissa saannoksi saatiin 95 %. Suodatustuloksista havaittiin, että betaiinin tuotannon sivujakeen erä vaikutti voimakkaasti suodatuksen toimivuuteen. Konsentrointikokeissa suodatukset suoritettiin sekäuusilla mikrosuodatusmoduuleilla että vanhalla moduulilla, joka oli jo kulunut.Kulumisen ei kuitenkaan havaittu huonontavan suodatustehokkuutta. Konsentrointikokeiden perusteella voidaan laitteiston pesuväliksi arvioida noin viikko ja pesu tulisi suorittaa sekä emäksisellä että happamalla pesuaineella.

Heran nanosuodatus: raaka-ainekoostumuksen ja prosessiolosuhteiden vaikutus kalvon likaantumiseen

Työssä tutkittiin kalvon likaantumiseen vaikuttavia tekijöitä juoksuteheran nanosuodatuksessa. Tutkimuksessa käytettiin Desal-5 DK kalvoa. Heran nanosuodatukset suoritettiin yhden spiraalimoduulin käsittävää pilot -mittakaavaista suodatuslaitteistoa käyttäen. Työssä selvitettiin suodatettavan heran iän, pastörointilämpötilan, pH:n, suodatuslämpötilan sekäheran sisältämän juustopölyn, lisätyn kalsiumkloridin määrän ja rasvan laadun vaikutusta permeaattivuohon. Jokaista tekijää testattiin kahta eri muuttujaa käyttäen. Työssä tutkittiin myös kahden samanlaisen kalvon välisiä läpäisevyyseroja. Heran pastörointilämpötila, pH ja suodatuslämpötila osoittautuivat kalvon likaantumisen kannalta tärkeimmiksi tekijöiksi heran nanosuodatuksessa. Permeaattivuo oli korkeampi suodatettaessa 74 ºC lämpötilassa pastöroitua heraa, kuin 78 ºC lämpötilassa pastöroitua. Hera suodattui paremmin silloin, kunsen pH oli säädetty 5,8:aan, kuin heran pH:n ollessa säädettynä 5,2:een. Suodatettaessa 18 ºC suodatuslämpötilaan temperoitua heraa havaittiin korkeampi permeaattivuo kuin 12 ºC lämpötilaan termostoitua heraa suodatettaessa. Heran sisältämä pölyn määrä, rasvan laatu ja heran ikä havaittiin tilastollisesti merkityksettömiksi tekijöiksi sekä heran suodattuvuuden, että kalvon puhdistuvuuden kannalta. Kalsiumkloridin lisääminen heraan ennen suodatusta vaikuttivain kalvon suodatuksen jälkeiseen peseytyvyyteen. Kalvo puhdistui paremmin, kun kalsiumkloridia ei oltu lisätty heraan ennen suodatusta. Desal-5 DK kalvojen läpäisevyyseroja tutkittiin suodattamalla glukoosia ja natriumkloridia sisältävää malliaineliuosta kummankin vertailtavan kalvon läpi. Kokeissa havaittiin, että toista nanosuodatuskalvoa käytettäessä mitatut vesivuot olivat jopa 100 % korkeampia kuin vertailukalvoa käytettäessä mitatut. Myös glukoosin kalvolle pidättymisessä havaittiin eroja kalvojen välillä. Syyksi suuriin läpäisevyyseroihin arveltiin riittämätöntä kalvojen esikäsittelyä ennen malliainekokeen suorittamista, joten ei pystytty arvioimaan, oliko kalvojen läpäisevyyksissävalmistusprosessista johtuvia eroja.

Choice of Optimal MembraneProcesses for Economical Treatment of Paper Machine Clear Filtrate

In this thesis membrane filtration of paper machnie clear filtrate was studied. The aim of the study was to find membrane processes which are able to produce economically water of sufficient purity from paper machine white water or its saveall clarified fractions for reuse in the paper machnie short circulation. Factors affecting membrane fouling in this application were also studied. The thesis gives an overview af experiments done on a laboratory and a pilot scale with several different membranes and membrane modules. The results were judged by the obtained flux, the fouling tendency and the permeate quality assessed with various chemical analyses. It was shown that membrane modules which used a turbulence promotor of some kind gave the highest fluexes. However, the results showed that the greater the reduction in the concentration polarisation layer caused by increased turbulence in the module, the smaller the reductions in measured substances. Out of the micro-, ultra- and nanofiltration membranes tested, only nanofiltration memebranes produced permeate whose quality was very close to that of the chemically treated raw water used as fresh water in most paper mills today and which should thus be well suited for reuse as shower water both in the wire and press section. It was also shown that a one stage nanofiltration process was more effective than processes in which micro- or ultrafiltration was used as pretreatment for nanofiltration. It was generally observed that acidic pH, high organic matter content, the presence of multivalent ions, hydrophobic membrane material and high membrane cutoff increased the fouling tendency of the membranes.

Fouling, prevention of fouling, and clearing in filtration

In this thesis fouling of conventional filter fabrics and membranes was studied. In the beginning of the thesis fouling and how it can be measured and predicted is reviewed. Information on different methods on how fouling canbe decreased or cleaned away is also given. The experimental part is divided into two sections; fabric filtration and membrane filtration. Fouling of the filter fabrics was studied with silica or cupper slurries and fouling of the membranes was studied with pulp and paper mill waters. The fouled filter materials were characterised according to many different methods. The most useful way to observe fouling is to measure the changes in the permeate flux. Fouling can also be seen visually e.g. with scanning electron microscopy. Consequently, also the reason for the fouling in question might be found. Different filtration characteristics affect fouling e.g. as the filtration pressure was increased it did not have much influence on the permeate flux, but the pressure caused the membrane to get fouled faster. Also, an increase of shear rate on the membrane surface decreased fouling. Different pretreatment methods for the effluent were tested in membrane filtration to decrease fouling. The tested methods; biological treatment, ozonation, enzymatic treatment and flocculation, did not have a clear influence on the fouling of the membrane, but e.g. a biological treatment combined with ultrafiltration made the tested groundwood mill circulation water purer than ultrafiltration alone.

A Study on Fractionation and Ultrafiltration of Proteins with Characterized Modified and Unmodified Membranes

Membrane filtration has become increasingly attractive in the processing of both foodand biotechnological products. However, the poor selectivity of the membranes and fouling are the critical factors limiting the development of UF systems for the specific fractionation of protein mixtures. This thesis gives an overview on fractionation of proteins from model protein solutions or from biological solutions. An attempt was made to improve the selectivity of the available membranes by modifying the membranes and by exploiting the different electrostatic interactions between the proteins and the membrane pore surfaces. Fractionation and UF behavior of proteins in the model solutions and in the corresponding biological solutions were compared. Characterization of the membranes and protein adsorptionto the membrane were investigated with combined flux and streaming potential studies. It has been shown that fouling of the membranes can be reduced using "self-rejecting" membranes at pH values where electrostatic repulsion is achieved between the membrane and the proteins in solution. This effect is best shown in UF of dilute single protein solutions at low ionic strengths and low pressures. Fractionation of model proteins in single, binary, and ternary solutionshas been carried out. The results have been compared to the results obtained from fractination of biological solutions. It was generally observed that fractination of proteins from biological solutions are more difficult to carry out owingto the presence of non studied protein components with different properties. Itcan be generally concluded that it is easier to enrich the smaller protein in the permeate but it is also possible to enrich the larger protein in the permeateat pH values close to the isoelectric point of the protein. It should be possible to find an optimal flux and modification to effectively improve the fractination of proteins even with very similar molar masses.

Development of a Ceramic Membrane Filtration Equipment and Its Applicability for Different Wastewaters

In this thesis the membrane filtration equipment for plate type ceramic membranes was developed based on filtration results achieved with different kinds of wastewaters. The experiments were mainly made with pulp and board mill wastewaters, but some experiments were also made with a bore well water and a stone cutting mine wastewater. The ceramicmembranes used were alpha-alumina membranes with a pore size of 100 nm. Some ofthe membranes were coated with a gamma-alumina layer to reduce the membrane pore size to 10 nm, and some of them were modified with different metal oxides in order to change the surface properties of the membranes. The effects of operationparameters, such as cross-flow velocity, filtration pressure and backflushing on filtration performance were studied. The measured parameters were the permeateflux, the quality of the permeate, as well as the fouling tendency of the membrane. A dynamic membrane or a cake layer forming on top of the membrane was observed to decrease the flux and increase separa-tion of certain substances, especially at low cross-flow velocities. When the cross-flow velocities were increased the membrane properties became more important. Backflushing could also be used to decrease the thickness of the cake layer and thus it improved the permeate flux. However, backflushing can lead to a reduction of retentions in cases where the cake layer is improving them. The wastewater quality was important for the thickness of the dynamic membrane and the membrane pore size influenced the permeate flux. In general, the optimization of operation conditions is very important for the successful operation of a membrane filtration system. The filtration equipment with a reasonable range of operational conditions is necessary, especiallywhen different kinds of wastewaters are treated. This should be taken into account already in the development stage of a filtration equipment.

Rasvaisten jätevesien puhdistus

Rasvaisten jätevesien puhdistus on sitä tuottaville yrityksille kallista ja hankalaa. Nykyisten päästövaatimusten saavuttaminen on perinteisillä jätevedenkäsittelymenetelmillä vaikeaa tai lähes mahdotonta, riippuen käsiteltävän jäteveden ominaisuuksista. Rasvaisen jäteveden käsittelyssä on käytetty mm. laskeutusta, flotaatiota, hydrosykloneja, pisaroitusta, suodatusta sekä biologista käsittelyä. Lisäksi happohydrolyysiä voidaan soveltaa edellä mainittujen menetelmien esikäsittelynä. Useita näitä erotusmenetelmiä voidaan myös tehostaa kemikaalien lisäyksellä. Työn kirjallisuusosassa on käsitelty rasvaisten jätevesien ja emulsioiden kalvosuodatusta ja kalvojen käyttöä pisaroituselementtinä. Tavanomaisessa kalvosuodatuksessa tarkoituksena on erottaa kalvoa läpäisemätön rasvajae ja permeoituva vesijae toisistaan, kun taas pisaroittamisen tarkoituksena on saada dispergoituneen faasin pisarakoko kasvamaan joko kalvon pinnalla tai sen huokosissa. Pisarakoon kasvaessa emulsion stabiilisuus heikkenee ja faasit voidaan helpommin erottaa toisistaan. Työn kokeellisessa osassa tavoitteena oli tutkia kalvosuodatuksen ja erilaisten kalvojen toimivuutta esteröintilaitoksen rasvaisten jätevesien käsittelyssä. Tutkimuksessa käytettiin MW- (GE Osmonics), C30F- (Nadir Filtration), Teflon Typar- (Tetratex) sekä JX-kalvoa (Osmonics Desal). Haastetta työhön syntyi tutkittujen jätevesien ominaisuuksien suuresta vaihtelusta sitä tuottavan laitoksen panostyylisestä toiminnasta johtuen. Lisäksi tutkittiin, onko syöttöliuoksen pH-säädöllä ja laskeutuksella ennen suodatusta merkittävää etua itse kalvosuodatusprosessiin. Kalvotekniikkaa voidaan tämän tutkimuksen perusteella soveltaa myös esteröintilaitoksen rasvaisten jätevesien suodatukseen, ja erityistä etua saadaan jäteveden pH-säädöllä (pH 3) ja laskeutuksella ennen varsinaista suodatusta. Tällaiseen käsittelyyn soveltuu tutkituista kalvoista parhaiten hydrofiilinen regeneroidusta selluloosasta valmistettu C30F-kalvo, jonka etuna on vähäinen foulaantuminen muihin tutkittuihin kalvoihin verrattuna.

Kalvoerotusprosessin esikäsittely

Työn tavoitteena oli tutkia kiertoveden puhdistamiseen käytetyn kalvosuodatuksen esikäsittelymenetelmien vaikutusta ultrasuodatukseen. Suodatettava vesi oli kierrätyskuitua käyttävän paperikoneen kiekkosuotimen kirkassuodosta. Koeajon loppuosassa käytettiin biokirkassuodosta. Paperitehtaassa oli suljettu vesikierto. Pilot-laitteistona käytettiin Metso PaperChemin OptiFilter CR550/40 ultrasuodatusyksikköä. Testatut kalvot olivat C30 kalvoja. Suodatuksissa seurattiin esikäsittelymenetelmien vaikutusta permeaatin määrään ja laatuun. Ultrasuodatus tehtiin sekä ilman esikäsittelyä että lamelliselkeytin esikäsittelynä. Esikäsittelykemikaalina käytettiin talkkia. Ultrasuodatuksissa havaittiin, että suodatuslämpötilalla oli suora vaikutus kapasiteettiin. Lämpötila vaikutti lineaarisesti kirkassuodoksen ja biokirkassuodoksen permeaattivuohon. Lämpötila nostettiin 55oC:een suodatuslämpötilasta 35 – 40oC. Korkeassa lämpötilassa kirkassuodos oli kapasiteetiltaan suurempi kuin biokirkassuodos. Konsentrointiajoista nähtiin, että ultrasuodatuksen syötön konsentraatioaste vaikutti kirkassuodoksen permeaattivuohon. Syötön konsentraatioastetta lisättäessä kapasiteetti laski. Konsentrointiajoja vertailtaessa havaitaan, että ilman esikäsittelyä vuo laski konsentroitaessa nopeammin kuin suodatuksissa, joissa käytettiin esikäsittelyä. Lamelliselkeyttimellä ja talkilla esikäsitelty suodatus laski kapasiteettia vähiten. Konsentraatioasteen nostaminen lisäsi konsentraatin kemiallista hapenkulutusta. Konsentraatin viskositeetti nousi konsentraatioastetta lisättäessä. Analyysitulosten perusteella saadaan ultrasuodatuskalvoille tyypilliset reduktiot. COD-reduktio oli 10 – 30 %, anionisuuden 40 – 70 % ja värin 80 – 90 %. Vuon kanssa korreloivat pH, uuteaine, ligniini, viskositeetti ja hemiselluloosat.