Experimental investigation of thin sugar juice concentration through nanofiltration and reverse osmosis membranes

Abstract

Die Weltzuckerproduktion ist in den letzten kontinuierlich von etwa 143,9 Millionen Tonnen in 2007-2008 bis zu 172,1 Mio. Tonnen in den Jahren 2011-2012 gestiegen, und es wird erwartet, dass die Produktion mehr als 173 Mio. Tonnen für die Jahre 2012-2013 erreichen wird. Aus diesem Grund sind die Zuckerindustrie und die eingesetzten Technologien sehr wichtig – gleichzeitig wird in der Forschung die Technologie weiterentwickelt, um die Prozesse und deren Effizienz zu verbessern. Das konventionelle Verfahren zur Aufkonzentrierung von verdünntem Zuckersaft nach die Extraktion und Raffination ist ein Eindampfverfahren, das mit einem hohen Energiebedarf verbunden ist, muss doch etwa 95% Wasser (in der Regel 75% des Wassers stammt aus den Rüben und 20% zusätzliches Wasser aus Produktionsprozessen) entfernt werden. Diese großen Mengen an Wasser sind aufgrund der hohen latenten Wärme des Wassers und der hohen Verdampfungsenthalpie mit einem erheblichen Wärmebedarf verbunden. Daher zwingen immer die neue Umweltrichtlinien und die Steigerungen der Treibstoffpreise die Hersteller, ihre Zuckerproduktionsprozesse zu verbessern, um den Energieverbrauch zu minimieren und um die Prozesse umweltfreundlicher und mit geringeren CO2-Emissionen zu gestalten. Außerdem, neben hohem Energiebedarf, erfordern Eindampfprozesse auch hohe Betriebstemperaturen, die die Zersetzung oder den Abbau von Zucker-Molekülen beschleunigen können, was zu geringerer Qualität und dunkel gefärbten Produkten führen kann. Aus dieser Perspektive wurde Membrantechnologie als Alternative untersucht, weil sie den Vorteil bietet, das Wasser aus den Zuckerlösungen ohne Phasenwechsel oder Wärmezufuhr zu entfernen. Dennoch kann diese Technologie eine höhere Konzentration als 25-30°Brix (Massenprozent) mit klassischen druckgetriebenen Membranverfahren aufgrund der Begrenzung durch den osmotischen Druck nicht erreichen. Das ist deutlich unter den 65-70°B, die durch mehrstufige Verdampfer erreicht werden können. In dieser Arbeit wurde ein neuartiges mehrstufiges Membranverfahren experimentell untersucht, mit der Zielsetzung, Zuckerdünnsaft von einer anfänglichen Feed-Konzentration von 15°B zu konzentrieren, um eine möglichst hohe Konzentration am Ende des Prozesses zu erhalten. Der Prozess basiert auf drei hintereinandergeschalteten Trennstufen, einer Umkehrosmose-Stufe und zwei Nanofiltrationsstufen mit niedrigem und höherem Cut-Off. Die experimentellen Ergebnisse wurden dann verwendet, um ein empirisches Modell zu kalibrieren, das eine Vorhersage der mittleren Flüsse und Retentat-Konzentrationen für unterschiedliche Feedraten, Temperaturen und Betriebsdrücke ermöglicht. Die Ergebnisse aus den modellierten Gleichungen waren in guter Überstimmung mit den experimentellen Werten aus den Betriebsversuchen der einzelnen Prozessstufen. Danach wurden die Modell-Gleichungen für die Extrapolation des Verhaltens der Gesamtanlage verwendet, um den Einfluss von Temperatur, Druck, Feed-strömungsgeschwindigkeit und Membranfläche auf Permeat-Flüsse, Retentat-Konzentrationen und Zuckerverluste dieser Anlage zu quantifizieren. Der Einfluss einer Prozesskombination aus Membranaufkonzentrierung und mehrstufiger Eindampfung auf das Energieeinsparpotential von Zuckerdünnsaft in der Zuckerrübenindustrie wurden ebenfalls vorgestellt. Die Berechnungen wurden auf den Einsatz des mehrstufigen Umkehrosmose / Nanofiltrationsprozesses zur Vorkonzentration von Zuckerdünnsaft einer Eingangskonzentration von 15°B auf 26°B bei einer Temperatur von 50°C und bei einem Druck von 38 bar in der ersten Stufe und 32 bar in der zweiten und dritte Stufe ausgelegt. Für die nachfolgende Aufkonzentrierung von 26° B auf 70° B wurde die Anzahl der Effekte bei der Eindampfung variiert. Das untersuchte Membranverfahren konnte rund 50 Massenprozent des Wassers aus dem Zuckerdünnsaft entfernen, also die gesamte Dünnsaftmenge um 42 Massenprozent reduzieren, das entspricht jener Menge, die zu den mehrstufigen Verdampfern geführt wird. Dies würde auch den erforderlichen thermischen Energiebedarf der Verdampfer um etwa 50% im Fall einer mehrstufigen Eindampfung mit fünf Effekten reduzieren. Als Folge sollte nur etwa 58% des Dünnsaft auf die erforderliche Temperatur vor der Verdampfung, die typischerweise im Bereich 125-130°C liegt, erhitzt werden. Schlussendlich wird auch die Bildung von Nebenprodukten und die Verfärbung und damit die Produktqualität positiv beeinflusst – mit positiven Auswirkungen auf die Kristallisation.

World sugar production has been increasing for many years: from about 143.9 million tons in 2007-2008 up to 172.1 million tons in 2011-2012 and is expected to reach more than 173 million for the 2012-2013 years. As a result, this industry and all the technologies besides are very important and a lot of research and developments are done to improve the processes. Moreover, as the current method of concentrating thin sugar juice is evaporation, sugar manufacturing processes require a very high energy demand to remove about 95% of water (typically 75% from the beet itself and 20% additional water from production processes) present in beet sugar factory process which represents a huge amount of water and thus an enormous amount of energy due to the latent heat of water. Therefore, new environmental legislations and fuel prices increases are continuously forcing sugar manufacturers to improve their sugar manufacturing processes to minimise energy consumption and use environmentally friendly processes. Furthermore, besides high energy consumption, evaporation processes also bring high temperatures which may cause decomposition of sugar molecules resulting in low quality and dark coloured sugar. From this perspective, membrane technology can be investigated as it offers the advantage to remove water from solutions without any phase change or heat application. Nevertheless, this technology is not able to reach concentrations higher than 25-30°Brix (mass percent) in its classical pressure-driven membrane processes due to the limitation caused by the osmotic pressure, which is quite below 65-70°B concentrations reached by multiple-effects evaporation processes. In this work, a novel multistage membrane process was evaluated to concentrate thin sugar juice from an initial feed concentration of 15°B to obtain an as high as possible retentate concentration at the end of the process. The process was based on three different stages including reverse osmosis, tight and loose nanofiltration membranes. The experimental results were then used to develop semi-empirical model equations which were capable to predict the average fluxes and retentate concentrations for different feed flow rates, temperatures and pressures. The predicted results from the modeled equations were in good agreement with the experimental values measured for each stage. Afterwards, the modeled equations were used in different simulations of the pilot plant to quantify the influence of temperature, pressure, feed flow rate and membrane area on permeate fluxes, retentate concentrations and sugar losses of this installation. Energy savings in evaporation and thin sugar juice pre-heating in the beet sugar industry were also presented. These savings were based on the application of the designed multistage pressure-driven membrane technology for pre-concentration of thin sugar juice from initial feed concentration of 15°B to 26°B at 50°C and a pressure of 38 bar for the first stage and 32 bar for both the second and third one. For final concentration, from 26°B to 70°B, different n-effects evaporators were investigated. The designed membrane process was able to remove around 50% of water from the thin sugar juice decreasing the total amount of thin juice to be sent to multiple-effects evaporators by around 42% which should save around 50% of the energy required for the thin juice concentration process in the case of a 5-effects evaporation. As a consequence, only 58% of the thin juice should be heated to a high temperature required before evaporation which is typically in the range of 125-130°C. On the other hand, it should reduce the energy consumption and heating area requirements of the thin sugar juice and also decrease the thermal degradation and colour formation due the thermal instability of sugar solutions with higher temperatures. As a result, the efficiency of the crystallisation step should also increase.