RU
Исследование и расчет гидродинамических параметров процесса микрофильтрации пива с использованием керамических мембран
Номер: 4 (405), 2026Страницы: 90-99
Раздел: Пищевая инженерия, процессы, оборудование и автоматизация пищевых производств
Автор(ы): Ключников А.И., Казарцев Д.А.
Аннотация:
Использование мембранных процессов в пивоварении сопровождается явлением концентрационной поляризации, снижающей скорость фильтрации. Для минимизации этого эффекта применяют высокие тангенциальные скорости потока, турбулизацию, пульсацию и другие методы интенсификации. Традиционные математические модели не отражают реальной картины таких течений вследствие наличия сложных вихревых структур, застойных зон, а также из-за переменной проницаемости стенки мембраны. Отсутствие универсальных, экспериментально верифицированных моделей, способных с высокой точностью описывать гидродинамические условия в реальных мембранных системах, ограничивает возможность прогнозирования производительности и разработки эффективных стратегий интенсификации мембранных процессов. Поэтому цель настоящей работы состояла в том, чтобы с помощью диффузионной математической модели рассчитать гидродинамические параметры процесса микрофильтрации пива в трубчатом мембранном модуле на базе керамических мембран различной пористости, позволяющие судить об интенсивности процесса осветления и эффективности способов снижения концентрационной поляризации. Экспериментально исследованы зависимости скорости фильтрации нефильтрованного пива от продолжительности процесса, величины избыточного давления и продолжительности процесса при различных значениях тангенциального потока (до 4 м/с) при использовании трубчатых керамических мембран с размером пор 1,2–7,0 мкм. Установлено, что уже через 2 ч эксплуатации керамических мембран скорость фильтрации снизилась в 3,3–10,4 раза, а повышение давления и тангенциальной скорости способствовало временному росту производительности. Для математического описания процесса использована диффузионная модель с учетом обратного перемешивания, позволяющая оценить распределение концентраций в приграничном слое. Расчеты показали, что значения числа Пекле находились в диапазоне 1,9–2,3, что указывало на доминирование конвективных процессов над диффузионными. Изменения значений числа Пекле в 1,95–5,1 раза свидетельствуют о необходимости учета проницаемости мембраны при определении гидродинамических параметров. Полученные данные позволяют более точно моделировать процессы микрофильтрации и разрабатывать эффективные стратегии управления гидродинамическими условиями для повышения устойчивости и производительности мембранных систем в пивоварении.
Ключевые слова: микрофильтрация нефильтрованного пива, тангенциальная скорость, гидродинамика, керамическая мембрана, удельная проницаемость, математическая модель
EN
Research and calculation of hydrodynamic parameters of beer microfiltration process using ceramic membranes
Number: 4 (405), 2026Pages: 90-99
Section: Food Engineering, Processes, Equipment & Automation of Food Production
Authors(s): Klyuchnikov A.I., Kazartsev D.A.
Annotation:
The use of membrane processes in brewing is accompanied by the phenomenon of concentration polarization, which reduces the filtration rate. To minimize this effect, high tangential flow velocities, turbulence promotion, pulsation, and other intensification methods are employed. Traditional mathematical models fail to accurately represent the actual flow dynamics due to complex vortex structures, stagnant zones, and variable membrane wall permeability. The lack of universal, experimentally verified models capable of accurately describing hydrodynamic conditions in real-world membrane systems limits the ability to predict performance and develop effective process intensification strategies. Therefore, the aim of this study was to use a mathematical diffusion model to calculate the hydrodynamic parameters of the beer microfiltration process in a tubular membrane module based on ceramic membranes of varying porosity; these parameters allow for an assessment of the clarification process intensity and the effectiveness of methods for mitigating concentration polarization. The dependence of the filtration rate of unfiltered beer on process duration and excess pressure was experimentally investigated at various tangential flow velocities (up to 4 m/s) using tubular ceramic membranes with pore sizes of 1,2–7,0 µm. It was found that after just two hours of operation, the filtration rate decreased by a factor of 3,3 to 10,4. Increasing the pressure and tangential velocity resulted in a temporary rise in productivity. A diffusion model accounting for back-mixing was used to mathematically describe the process, enabling an assessment of concentration distribution within the boundary layer. Calculations revealed Péclet numbers in the range of 1,9–2,3, indicating the dominance of convective processes over diffusive ones. Variations in the Péclet number by a factor of 1,95–5,1 indicate the need to account for membrane permeability when determining hydrodynamic parameters. The data obtained allow more accurate modeling of microfiltration processes and the development of effective strategies for managing hydrodynamic conditions to improve the stability and productivity of membrane systems in brewing.
Keywords: microfiltration of unfiltered beer, tangential velocity, hydrodynamics, ceramic membrane, specific permeability, mathematical model
DOI: 10.26297/0579-3009.2026.4.13