Separation processes : principles and applications

Separation processes - an overview .................................. 1 1.1 Foods - the raw material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.2 Separations from solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Separation from the solid matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2.3 Separations from liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Liquid-solid separations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Immiscible liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 General liquid separation processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4 Separations from gases and vapours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3 Water treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 A . S . Grandison and M . J . Lewis 1.2 Separation techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 7 Solid-solid separations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 11 2 Supercritical fluid extraction and its application in the food industry .... D . Steytler 17 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2 The supercritical fluid state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.1 Physical properties of NCF CO, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Viscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Volatility (vapour pressure) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Chemical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Biochemical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3 Properties of NCF solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.1 Solubilities in NCFs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 General principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Effect of molecular structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Effect of temperature and pressure ......................... 28 2.3.2 Theoretical models (equations of state (EOS)) ..................... 28 Entrainers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.3 Diffusion coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.4 Factors determining the efficiency of NCF extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.4.1 Extraction stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Mechanism of extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 The ‘free diffusion’ model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 The ‘shrinking core’ model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Solubility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Diffusion coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 The role of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.4.2 Separation stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Equipment and experimental techniques used in NCF extraction and fractionation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.5.1 Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pilot plants with recirculati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Small pilot plant with total loss of COZ 2.5.2 Fractionation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.5 . . . Cascades of separation vessels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zosel’s ‘hot finger’ fractionation column 2.6 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.1 Decaffeination of coffee and tea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.6.2 Seed oil extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.6.3 Purification of lecithin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.6.4 Lowering cholesterol levels in foods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.6.5 Fractionation of high-value oils and fats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Butterfat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Fish oils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.6.6 Extraction of flavours and fragrances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3 Pressure-activated membrane processes ............................ 65 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.2 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3 Concentration factor and rejection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.4 Membrane characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.5 Permeate rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.6 Transport phenomena and concentration polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.7 Membrane equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.7.1 Membrane configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.8 Safety and hygiene considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.9 Reverse osmosis applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.9.2 Water treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.9.3 Milk processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.9.4 Fruit and vegetable juices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.9.5 Other applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.10 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Ultrafiltration .................................................. 97 4.2 Processing characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.2.1 Rejection or retention factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.2.2 Yield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.2.4 Practical rejection data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.3 Performance of ultrafiltration systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Permeateflux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.3.1 Transport phenomena and concentration polarisation . . . . . . . . . . . 106 4.3.2 Fouling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.3.3 Factors affecting flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Energy input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.4 Diafiltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 116 Washing-in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 M . J . Lewis 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.2.3 Average rejection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.4.1 Washing out at constant volume 4.4.2 Diafiltration applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3 Protein fractionation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1 Dairy applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Ultrafiltration applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2 Oilseed and vegetable proteins ............................ 125 4.5.3 Animal products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.5.4 Biotechnology applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Membrane-based bioreactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Enzyme reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Membrane fermenters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Recovery of components and downstream processing . . . . . . . . . . . . 132 133 4.6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134