Suodatuskalvojen toimivuuden arviointi paperiteollisuuden sovelluksissa

Työn tavoitteena oli etsiä vaihtoehtoja paperiteollisuuden kiertovesien ja pastapitoisten jätevesien suodatusprosesseissa tällä hetkellä käytössä oleville kalvoille. Työssä pyrittiin myös määrittämään tekijöitä, joiden avulla voitaisiin ennustaa polymeerikalvon käyttäytymistä erilaisissa paperiteollisuuden kalvosovelluksissa. Työn kirjallisessa osassa tarkasteltiin polymeerikalvojen ominaisuuksia, jotka vaikuttavat kalvojen käyttäytymiseen suodatusprosesseissa. Työssä esiteltiin myös tavallisimmat kalvomateriaalit ja polymeerikalvojen valmistustavat sekä paperiteollisuuden kalvosovelluksia. Paperiteollisuuden kalvosuodatussovellukset eroavat toisistaan huomattavasti toimintaolosuhteiltaan ja käyttötarkoituksiltaan. Tästä johtuen on hankalaa löytää yhteisiä tekijöitä, joiden perusteella voitaisiin ennustaa kalvon käyttäytymistä eri sovelluksissa. Kalvon hydrofiilisyyden todettiin kuitenkin vaikuttavan positiivisesti suodatustapahtumaan useissa sovelluksissa. Kokeellisessa osassa verrattiin erilaisten polymeerikalvojen ja referenssikalvojen toimintaa happaman kirkkaan suodoksen ja pastapitoisen veden suodatuksessa. Kirkkaan suodoksen suodatuskokeet tehtiin UPM-Kymmene Oy:n Kaukaan tehtailla. Pastapitoista jätevettä mallinnettiin syöttöpanoksilla, jotka tehtiin laimentamalla CTC:n valmistamaa LWC-pastaa. Suodatukset tehtiin CR 200/1- ja CR 550/10 -suodattimilla. Kirkkaan suodoksen suodatuksissa käytettiin referenssikalvona regeneroidusta selluloosasta ja pastapitoisen veden suodatuksessa aromaattisesta polyamidista valmistettua kalvoa. Kirkkaan suodoksen koesuodatusten perusteella todettiin, ettei minkään vertailtavan ultrasuodatuskalvon suodatuskapasiteetti ollut yhtä korkea kuin referenssikalvon. Referenssikalvon toiminta suodatuksessa oli myös vakaata syötön laadun muutoksista huolimatta. Todennäköisesti referenssikalvon erittäin hydrofiilinen luonne tekee siitä vertailtavia kalvoja sopivamman kirkkaan suodoksen suodatukseen. Pastapitoisen veden suodatustulosten perusteella referenssikalvolle löytyi useita potentiaalisia korvaajia. Näistä parhaan kalvon valitseminen edellyttää kuitenkin jatkotutkimuksia. SEM-analyysituloksista huomattiin, että tietyntyyppinen kalvorakenne parantaa kalvon toimintaa pastapitoisen veden suodatuksessa.

Ultrasuodatuskalvojen valinta, likaantuminen ja puhdistus entsyymiliuosten suodatuksessa

Ultrasuodatus on tehokas entsyymiliuosten konsentrointi- ja puhdistusmenetelmä. Prosessin ongelmana on kuitenkin kalvojen likaantumisesta johtuva suodatuksen aikainen vuon pienentyminen ja kalvojen hankala puhdistaminen. Oikeilla kalvovalinnoilla ja optimaalisilla pesustrategioilla voidaan suodatus- ja pesuaikoja lyhentää ja nain parantaa suodatusprosessin tehokkuutta ja tuotteen laatua. Työn kirjallisessa osassa on käsitelty entsyymiliuosten ja polymeerikalvojen suodatusprosessiin vaikuttavia ominaisuuksia. Työssä on esitelty myös pesuaineiden ja pesukemikaalien ominaisuuksia sekä pesuprosessiin vaikuttavia tekijöitä. Työn kokeellinen osa koostui kahdesta osasta. Työn ensimmäisessä osassa etsittiin entsyymiliuosten ultrasuodatusprosessiin sopivaa kalvoa vertailemalla kalvojen permeabiliteetteja, hydrofiilisyytta, varausta ja peseytyvyyttä. Suodatuksissa käytettiin kahta Roal Oy:n tuottamaa entsyymiliuosta ja suodatukset tehtiin DSS Labstak M20-laitteistolla. Työn toisen osan tarkoituksena oli etsiä entsyymiliuosten suodatuksessa käytettävien kalvojen likaantumisen syyt sekä tehokas puhdistusaine kalvojen pesuun. Tehokasta pesuainetta etsittiin liotuskokeilla ja laboratoriomittakaavan poikkivirtauslaitteistolla. Analysointeja tehtiin muun muassa FTIR- spektroskoopilla, vuomittauksilla, pyyhkäisyelektronimikroskoopilla ja kontaktikulmamittauksilla. Entsyymiliuosten suodatuksiin sopivan kalvon etsinnässä testattujen kalvojen välillä oli suuria eroja niin permeabiliteeteissa kuin likaantumisessa ja puhdistumisessa, mutta mikään kalvoista ei erottunut ylivoimaisesti parhaaksi. Pesuaineista kaupalliset membraanien puhdistukseen tarkoitetut emäksiset pesuaineet osoittautuivat tehokkaimmiksi lian poistajiksi.

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.