Membrane Distillation and Forward Osmosis for Pre-concentration of Thin Juice in Swedish Beet Sugar Refining

Abstract

The beet sugar process is an energy intensive process relying on steam evaporation to remove large amounts of water from the purified thin juice containing the sugar extracted from the beets. As the industry seeks greater energy efficiency, membrane technology for pre-concentration of thin juice has attracted interest. Limited trials have shown promise but fouling, sugar losses or high osmotic pressures remain unresolved challenges. This work highlights how some of these fundamental limitations can be addressed by the novel membrane techniques forward osmosis (FO) and vacuum membrane distillation (VMD). FO utilises high osmotic pressure draw solutions to extract water, while VMD is a temperature driven process in which water vapour selectively permeates through a hydrophobic membrane under vacuum, thereby concentrating the feed. Experiments performed with thin juice and molasses from Ötrofta sugar factory showed that FO with molasses as draw solution exhibited strong driving forces. During these trials a maximum concentration of 39.1% refractometric dry substance (RDS) without major fouling could be achieved. Concentration polarisation phenomena in molasses however limited fluxes to below 12 L·m^-2·h^- (LMH). Furthermore, when the thin juice to molasses ratios were adjusted to reflect factory conditions, only a one percentage point increase in concentration was achievable. However, a broken module led to increased fluxes and low concentration capabilities. A novel approach to parameter study of VMD at a constant Reynolds number of 1,000 revealed that a feed temperature of 70 °C and a downstream pressure of 80 mbar resulted in the highest flux of 3.18 LMH. It could be concluded that temperature polarisation substantially limited flux at these flow conditions. Despite possible partial wetting of the membrane, a high sugar retention of 99.5% yielded a permeate with reduced wastewater treatment requirement compared to previously reported reverse osmosis (RO) and nanofiltration (NF) trials. This work demonstrated the promising capabilities of FO and general behaviour of VMD in the beet sugar process. Further studies to evaluate improved module choices, long term performance and technoeconomic feasibility are required to fully assess the potential of these novel membrane techniques in the industry.

Abstract (Swedish)

Betsockerprocessen är en energiintensiv process där ångdriven indunstning används för att avlägsna stora mängder vatten från den upprenade tunnsaften, som innehåller det från betorna extraherade sockret. I takt med industrins önskade fokus på energieffektivisering har membranteknologier för förkoncentrering av tunnsaften fått ett ökat intresse. Trots lovande resultat i ett begränsat antal försök återstår utmaningar som fouling, sockerförluster och högt osmotiskt tryck. Detta arbete belyser hur några av dessa fundamentala begränsningar kan åtgärdas av de nya membranteknikerna framåt-osmos (FO) och vakuummembrandestillering (VMD). FO utnyttjar koncentrerade lösningar med ett högt osmotiskt tryck för avvattning. VMD är å andra sidan en temperaturdriven process där selektivt ångpermeation genom ett hydrofobt membran under vakuumtryck sker, vilket resulterar i en koncentrerad ström. Experimenten, utförda på tunnsaft från Örtofta sockerbruk, visade att stor drivande kraft erhölls i FO när melass användes för att koncentrera tunnsaften. Detta möjliggjorde koncentration upp till 39,1% refraktometrisk torrsubstans (RT) med minimal påverkan av membranfouling. Dock begränsade omfattande koncentrationspolariseringsfenomen det maximala fluxet till 12 L·m^-2·h^- (LMH), och med ett industriellt relevant förhållande mellan tunnsaft och melass var koncentrationsförmågan låg. En trasig modul bidrog till ett över-skattat flux och en sänkt koncentreringspotential. Ett originellt utförande av parameterstudie i VMD med konstant Reynoldstal på 1000 visade att en temperatur på 70°C och nedströmstryck på 80 mbar resulterade i det högsta fluxet på 3,18 LMH. Vid dessa flödesförhållanden begränsade temperaturpolarisering fluxet. Trots en möjlig partiell membranvätning, uppmättes hög sockerretention på 99,5% vilket resulterade i ett permeat med ett lägre reningsbehov jämfört med tidigare försök med omvänd osmos (RO) och nanofiltering (NF). Detta arbete visar lovande möjligheter hos FO och generell funktion av VMD i betsockerprocessen. Vidare studier för att utvärdera förbättrade modulval, långsiktig drift och teknoekonomisk rimlighet måste dock genomföras för att utreda dessa membranteknikers fulla potential i industrin.

Popular Abstract (Swedish)

Nya membrantekniker för energieffektivisering av svensk betsockersproduktion

Betsockerproduktion är och har varit en energislukande industri som önskar hitta nya tekniker för energieffektivisering. Membrantekniker är en lovande teknik för detta ändamål och detta arbete har visat att två nya membrantekniker inte bara har stor teoretisk potential, utan också experimentellt påvisad möjlighet att förändra industrin.

Sockerbetor innehåller mycket vatten och i sockertillverkning måste detta vatten kokas bort från urlakningsvätskan, den så kallade tunnsaften, för att producera det rena strösockret, vilket historiskt och än idag görs genom ett energikrävande kokningssteg. Sveriges och världens sockerbruk är effektiva industrier som utnyttjar all energi väl, men för att nå målen om en utsläppsneutral sockerproduktion år 2050 krävs innovation, framför allt inom tunnsaftskoncentrering. Olika typer av membranteknologier för ändamålet att energieffektivt filtrera bort vatten utan att socker följer med har visat sig vara en lyckad metod i annan livsmedelsindustri, men endast ett begränsat antal studier har genomförts på tunnsaft med varierande resultat. Framförallt har de mer traditionella membrantekniker som nanofiltrering eller omvänd osmos, där högt tryck pressar vatten genom membranet och stöter bort sockret, haft problem med stora sockerförluster, filterbeläggning (fouling) eller behov av för högt tryck. Två relativt nya membrantekniker har dock gjort entré med andra egenskaper som kan lämpa sig väl för koncentreringen av tunnsaft, nämligen membrandestillering (MD) och framåt-osmos (FO). Detta arbete har i samarbete mellan Nordic Sugar AB i Örtofta och Membrangruppen vid LTH, djupdykt i dessa två metoder i relation till betsockerindustrin. Författaren har klargjort deras teoretiska potential till att koncentrera tunnsaft samt planerat och genomfört experiment för att undersöka deras verkliga prestanda med tunnsaft och me-lass från sockerbruket i Örtofta.

I FO används en annan koncentrerad lösning med ett högt, så kallat, osmotiskt tryck för att forcera ut vattnet från tunnsaften och på sockerbruket finns en mycket koncentrerad biprodukt, nämligen melass, som av många skäl lämpar sig mycket väl till detta ändamål. Det experimentella arbetet visade att med rätt tryck på tunnsaften samt högre temperatur och koncentration på melassen kan mycket vatten föras bort från tunnsaften, helt utan att påverka kvalitén på sockret. Med dagens membranteknik visade det sig dock att den trögflytande melassen sätter vissa begränsningar på hastigheten detta kan genomföras med. Därtill gick det att visa att mer melass än vad som på bruket finns tillgängligt måste användas för att åstadkomma en rimlig koncentrering. Här tillkom dock en stor felkälla då membranet delvis gick sönder under försökens gång, därav ges missvisande resultat av teknikens uppskalningspotential. Vad som också gick att se i slutet av försöken var att någon form av fouling av membranet skedde under försöken, men inte alls till samma grad som man sett under tidigare studier med membran för tunnsaftkoncentrering.

I MD används helt hydrofoba membran som inte släpper igenom tunnsaften självt utan endast vattenånga. Tunnsaften värms, men nödvändigtvis inte ända till kokpunkten, och vattenångan drivs genom membranet genom kylning eller ett vakuum till andra sidan där helt rent vatten kan kondenseras. Dessa försök var mer problematiska med låga avvattningshastigeter och visade att mer dedikerade studier behövs för att de goda teoretiska möjligheterna för MD ska införlivas. Dessa tekniker är fortfarande i sin vagga i betsockerproduktionen men dessa resultat har påvisat deras potential att förändra industrin.

• author: Persson, Benjamin
• supervisor: Mikael Sjölin; Johan Hallbeck
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20251
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Beet sugar, Thin juice, Molasses, Forward osmosis, Vacuum membrane distillation, Membrane concentration, Chemical engineering
• language: English
• id: 9204774
• date added to LUP: 2025-06-24 14:58:06
• date last changed: 2025-06-24 14:58:06