Ingegneria dei sistemi a membrana in pressione

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1 Roma, 21 Novembre 2006 SIERO DI LATTE TRATTAMENTO E VALORIZZAZIONE NEL RISPETTO DELL AMBIENTE Processi di Separazione con membrane Ingegneria dei sistemi a membrana in pressione 1

2 ORIGINAL EQUIPMENT MANUFACTURER 2

3 OPERAZIONI UNITARIE DI SEPARAZIONE SEPARAZIONI CON AGGIUNTA O CREAZIONE DI FASE SEPARAZIONI TRAMITE AGENTE SOLIDO SEPARAZIONI TRAMITE BARRIERA FISICA 3

4 SEPARAZIONE TRAMITE AGGIUNTA/CREAZIONE DI FASE DISTILLAZIONE EVAPORAZIONE ASSORBIMENTO STRIPPING ESTRAZIONE LIQUIDO-LIQUIDO ESSICCAMENTO CRISTALLIZZAZIONE LISCIVIAZIONE SUBLIMAZIONE 4

5 SEPARAZIONE TRAMITE AGENTE SOLIDO ADSORBIMENTO CROMATOGRAFIA SCAMBIO IONICO 5

6 SEPARAZIONE TRAMITE BARRIERA FISICA OSMOSI DIRETTA OSMOSI INVERSA NANOFILTRAZIONE ULTRAFILTRAZIONE MICROFILTRAZIONE DIALISI PERVAPORAZIONE GAS PERMEAZIONE MEMBRANE LIQUIDE 6

7 SPETTRO DI FILTRAZIONE 1 nm = 10 Å m = 1 Å m (Å) 10-3 nm 10-3 µm 10-3 mm 10-3 m m 10-9 m 10-6 m pm nm µm mm cm dm m OSMOSI INVERSA FILTRAZIONE PARTICELLARE MICROFILTRAZIONE ULTRAFILTRAZIONE NANOFILTRAZIONE Le tecniche di Filtrazione FILTRAZIONE DEAD-END FILTRAZIONE TANGENZIALE 7

8 DEAD-END END FILTRATION FEED STREAM DEAD-END FILTRATION 8

9 DEAD-END END FILTRATION FEED STREAM FILTRATO SPESSORE DEL MATERIALE DEPOSITATO FLUSSO 9

10 CROSS-FLOW FILTRATION FEED STREAM REJECT STREAM CROSS-FLOW FILTRATION 10

11 CROSS-FLOW FILTRATION FILTRATO FEED STREAM FILTRATO FLUSSO SPESSORE DEL MATERIALE DEPOSITATO 11

12 MATERIALI UTILIZZATI PER LA REALIZZAZIONE DELLE MEMBRANE MATERIAL Alumina/Titania/Zirconia (ceramic membrane) Carbon-carbon Composites Cellulose Esters (Mixed) Cellulose Nitrate Polyamide, aliphatic (e.g. nylon) Polycarbonate (track-etch) Polyester (track-etch) Polypropylene Polytetrafluoroethylene (PTFE) Polyvinyl chloride (PVC) Polyviniylidene fluoride (PVDF) Sintered Stainless steel Cellulose (regenerated) Polyacrylonitrile (PAN) Polyvinyl alcohol (PVA) Polysulfone (PS) Polyethersulfone (PES) Cellulose acetate (CA) triacetate (CTA) Polyamide aromatic (PA) Polyimide (PI) CA/CTA blends Composites, polymeric thin film (e.g.pa, PES) Polybenzimidazole (PBI) Polyetherimide (PEI) MF UF RO 12

13 CONFIGURAZIONE GEOMETRICA DELLE MEMBRANE Membrane Polimeriche PIANA SPIRALE AVVOLTA TUBOLARE CAPILLARE Membrane Ceramiche TUBOLARE CAPILLARE 13

14 MEMBRANA PIANA SCANSIONE AL MICROSCOPIO ELETTRONICO 14

15 REALIZZAZIONE DELLA SPIRALE AVVOLTA Lato Retentato Tubo del Permeato Larghezza Adesivo Permeato FEED Lato Permeato Membrane I lati 1,2,3 sono incollati. Il lato 4 del sandwich è incollato al tubo forato del permeato. Lo spaziatore di alimentazione è posizionato sopra il sandwich di membrana prima che la membrana sia avvolta a spirale. L alimentazione è pompata da entrambe i lati del sandwich di membrana. 15

16 MODULI A SPIRALE AVVOLTA 16

17 MODULI A SPIRALE AVVOLTA DIMENSIONE ELEMENTI Elemento Numero modello Diametro (pollici) Lunghezza (pollici) P.W.T. ID , , , ,

18 18 Certificato n MODULI A SPIRALE AVVOLTA MODULI A SPIRALE AVVOLTA AREA ELEMENTI AREA ELEMENTI (square square feet feet) n/a , , , , Spaziatore alimentazione ( mils) Elementi

19 MODULI A SPIRALE AVVOLTA ORTATA DI ALIMENTAZIONE RACCOMANDATA Elementi 24 Spaziatore alimentazione ( mils) ,8 m 3 /h gpm ,3 m 3 /h gpm ,8 m 3 /h gpm ,3 m 3 /h gpm m 3 /h gpm m 3 /h gpm n/a n/a

20 20 Certificato n MODULI A SPIRALE AVVOLTA MODULI A SPIRALE AVVOLTA DIMENSIONE DEGLI ELEMENTI (Kg) (lb) Peso Diam.Interno (pollici) Lunghezza (pollici) Diam.Esterno (pollici) Modello Descrizione Elementi

21 MEMBRANE TUBOLARI POLIMERICHE 21

22 MEMBRANE CAPILLARI POLIMERICHE 22

23 MEMBRANE CAPILLARI POLIMERICHE 23

24 LE MEMBRANE CAPILLARI POLIMERICHE 24

25 MEMBRANE CERAMICHE 25

26 SCANSIONE ELETTRONICA MEMBRANA CERAMICA PORE GRADE 0,2 micron 0,8 micron 12 micron (Support) 0,05 micron 0,2 micron Support 26

27 STRATO SOTTILE COMPOSITO MEMBRANE CON SINGOLO COMPONENTE STRATO DENSO (MEMBRANA) 0,2 micron Acetato di Cellulosa 99,8 micron MATRICE POROSA MEMBRANA COMPOSITA A DUE COMPONENTI Poliammide STRATO DENSO (MEMBRANA) 0,04 0,1 micron 75 micron Polisulfone SUPPORTO POROSO 27

28 BILANCIO DI MATERIA F,C F MEMBRANA P, C P R, C R F P R Portate C F C P C R Concentrazioni EQUAZIONE DEL BILANCIO Q F *C F = Q R *C R + Q P *C P Feed Retent. Perm. 28

29 PARAMETRI FONDAMENTALI PORTATA DI ALIMENTAZIONE PRESSIONE TEMPERATURA REIEZIONE % R= rapporto di recupero/resa (anche VCR) 29

30 STANDARD BATCH FILTRATION Permeate FILTRAZIONE DISCONTINUA CON RICIRCOLO COMPLETO DEL RETENTATO Configurazione indicata per concentrare una determinata quantità di soluzione nel minor tempo possibile con la minima superficie filtrante di membrana. Il prodotto desiderato è in genere il concentrato 30

31 SINGLE-PASS FILTRATION FILTRAZIONE CONTINUA O DISCONTINUA SENZA RICIRCOLO DEL RETENTATO Configurazione tipica per sistemi di MF e UF dove il tempo di residenza deve essere minimo. Richiede grandi superfici filtranti con J V bassi e ridotti VCR. 31

32 CHRISTMAS TREE SINGLE-PASS PERMEATO FEED RETENTATO 32

33 FEED-AND AND-BLEED OPERATION FILTRAZIONE CONTINUA CON PARZIALE ESTRAZIONE DEL RETENTATO Configurazione a margine tra filtrazione Batch e Single-Pass, indicata quando si desidera immediatamente raggiungere la concentrazione finale. Le condizioni di lavoro sono quelle del 33 fine Batch con J inferiore al J medio

34 MULTISTAGE FILTRATION FILTRAZIONE CONTINUA CON PARZIALE ESTRAZIONE DEL RETENTATO Configurazione multistage Feed-and-Bleed indicata per lavorare con cicli separativi più lunghi (18-22 ore) rispetto al Batch (14-16 ore) senza problemi di crescita batterica o di denaturazione del prodotto. L ultimo stadio lavora ad alte concentrazioni con 34 J più bassi a parità di area filtrante

35 CONFIGURAZIONE MULTISTADIO GENERALIZZATA CONCENTRATO PERMEATO WASTE WATER PIT 102 FI 101 PIT 103 FIT 100 PT 100 FIT 100 M WATER PIT

36 IMPIANTO PILOTA INDUSTRIALE 36

37 APPROACH tep1 Data analysis (*) Feasibility study Rough estimation of investment s and running costs tep 2 Lab tests for : membrane and operational parameters selection calculation of investment s value and running costs tep 3 Pilot test on site ( worked out by a multipurpose plant) to: Check lab data and definition of operational parameters, cleaning procedures included Definition of investment value and running costs Final offer and supply conditions (**) tep 4 After sales services: maintenance on site assistance by remote control ) secrecy agreement signature if needed *) case by case we could guarantee a performance level 37

38 METODI DI REGOLAZIONE IMPIANTI A MEMBRANA UN METODO DI CONTROLLO COMUNEMENTE UTILIZZATO NEI ISTEMI DI SEPARAZIONE A MEMBRANA Pressione costante e rapporto di recupero costante. Portata di permeato variabile 38

39 OTTIMIZZAZIONE DEI PARAMETRI OPERATIVI NEGLI IMPIANTI A MEMBRANA 39

40 BILANCI DI MASSA PROCESSO DI UF SIERO VCR = 2 ALIMENTO RETENTATO (VCR = 2) PERMEATO % w/v Kg % w/v Kg % w/v Kg PROTEINE (vere) 0,6 30 1,19 29,90 0,004 0,10 NPN 0,2 10,0 0,23 5,95 0,16 4,05 LATTOSIO 4,5 225,0 4,76 118,91 4,24 106,09 CENERI 0,65 32,5 0,65 16,25 0,65 16,25 GRASSI 0,07 3,5 0,14 3,50 0,00 0,00 ACIDI (mix) 0,15 7,5 0,15 3,75 0,15 3,75.S.TOTALI 6, ,13 178,26 5,21 130,24 l/h

41 BILANCI DI MASSA PROCESSO DI UF SIERO VCR = 7,2 ALIMENTO RETENTATO (VCR = 7,2) PERMEATO % w/v Kg % w/v Kg % w/v Kg PROTEINE (vere) 1, , ,02 34 NPN 0, ,1 28 0,1 172 LATTOSIO 12, , , CENERI 1, , , GRASSI 0, , ACIDI (mix) 0, , , S.TOTALI 16, , , l/g

42 BILANCI DI MASSA PROCESSO DI OI SIERO VCR = 3,6 ALIMENTO RETENTATO (VCR = 3,6) PERMEATO % w/v Kg % w/v Kg % w/v Kg PROTEINE (vere) 0, , ,00 0,00 NPN 0, , ,00 0,00 LATTOSIO 4, , ,00 0,00 CENERI 0, , ,03 56 GRASSI 0, , ,00 0,00 ACIDI (mix) 0, , ,00 0,00.S.TOTALI 6, , ,03 56 l/g

43 COSTI F- UF OI- NF SW HF TUB SW HF-TUB CERAMIC. SW HF-TUB Costo investimento al m 2 di membrana installata ( /m 2 ) = SPIRAL WOUND SPIRALE AVVOLTA = HOLLOW FIBER : CAPILLARE, FIBRA CAVA = TUBOLARE POLIMERICA Costo di gestione riferito alla % del costo di investimento 10 15% 10 20% 15 25% 5 15% 10 25% Costo di gestione riferito al m 3 di permeato prodotto ( /m 2 ) 0,4 0,8 0,80 2 1,5 3 0,20 0,60 0,25 0,90 43

44 WATER REUSE FOOD INDUSTRY 44

45 REVERSE OSMOSIS FOR PERMEATE POLISHING 45

46 APPLICAZIONI INDUSTRIALI SETTORE LATTIERO-CASEARIO FRAZIONAMENTO, RECUPERO E VALORIZZAZIONE DELLE COMPONENTI AD ALTO VALORE BIOLOGICO DEL SIERO (PROTEINE E LATTOSIO) MICROFILTRAZIONE DEL LATTE SCREMATO CONCENTRAZIONE DEL LATTE SCREMATO RECUPERO LATTE DALLE ACQUE DI PRIMO RISCIACQUO CONCENTRAZIONE E FRAZIONAMENTO DI SIERO E SCOTTA RIGENERAZIONE MEDIANTE ULTRAFILTRAZIONE DELLE SALAMOIA DI SALAGIONE (PRINCIPALMENTE FORMAGGI A CROSTA EDIBILE) OSMOSI INVERSA DEI CONDENSATI PURIFICAZIONE E CONCENTRAZIONE DEL CAGLIO CONCENTRAZIONE DI SIERO INNESTO 46

47 IL GRUPPO TORCHIANI 47