دانلود مقاله فرایندهای غشایی و کاربرد آنهادر صنایع لبنی

بخشی از مقاله

UF اولترافیلتراسیون

تاریخچه :
تاریخچه جداسازی مواد کلوئیدی از محلولها توسط صافیهای غشایی به قرن گذشته بر می گردد . جداسازی آنزیمهای پروتئینها در مقیاس آزمایشگاهی بوسیله غشاء نیمه تراوا با دیالیز انجام میپذیرفت . به دلیل کسل کننده بودن و نیاز به مدت طولانی در این روش تلاشی جهت بکارگیری آن در مقیاس صنعتی برای جداسازی مواد کلوئیدی و تغلیظ صورت نمی پذیرفت .

تکامل و توسعه فراپالایش در مقیاس صنعتی پس از اکتشاف غشاهای نامتقارن اسمیتریک به وسیله لئو و سوری- جان در سال 1962 پدید آمد . هر چند اهداف این دو نفر تولید غشاهایی برای نمک زدایی آب دریا به طریقه اسمز معکوس بود . مدت کوتاهی پس از آن غشاهای فراپالایش نامتقارن با شدت نفوذ بالا خواص مناسب و مقاومت مکانیکی خوب ابداع و کشف گردید .

تحقیقات برای دستیابی به یک ساختمان مناسب برای فراپالایش موجب ابداع شکل لوله ای صافیها گردید . در سال 1969 طرح صفحه و قاب برای سیستم فراپالایش ابداع شد و در همان زمان اشکال مختلف فراپالایش بطور تجاری در اختیار عموم قرار گرفت . از آن پس توسعه بسیار سریعی در تجهیزات و ساختار غشاهای فراپالایش پدید آمد .

مقدمه
Mombnrane sepratio
فاز حالتي از ماده كه كاملا يكنواخت وهمگن است
انواع فازها
گاز – گاز
گاز – مايع
گاز –جامد
مايع – مايع
مايع – جامد
جامد – جامد

هدف ما از فرزايند هاي غشائي جدا ازي مواد فازها در اثر كنترل راه عبور آنها ست
غشاها

غشاء : لايه اي نازك كه مي تواند اجزاء يك سال را به طور انتخابي از آن جدا كند يا فاز سومي است كه انتقال جرم بين فاز را كنترل مي كند
خواص غشا: فيزيكي :اندازهحفره ْشكل حفره تعداد حفره.
شيميايي : بار سطحي ْتوانايي جذب ْ آبگريزي يا آبروستي غشا

غشاهايي كه در صنعت شير به كار مي رود بايد داراي وبژگي هاي زير باشند
- قابليت عبور مقادير زياد تداویده را داشته باشند.

- دارای قدرت انتخابی زیاد باشند.
- دارای مقاومت باکتریولوژی خوب باشند.
- نسبت به مواد پاک کننده و ضد عفونی کننده مقاوم باشد.
- هزینه تهیه آنها ارزان و مقرون به صرفه باشد.
دسته بندی غشاها

غشاء هاي غير متقارن »:
ازشكل دهي يك محلول پليمري در حلالها وغير حلالها توليد مي شود (التيرافيلتراسيون ) در برابر عوامل اكسيد كننده و تميز شدن اسيد نيتريك و سود كاستيك مقاوم ولاي نسبت به برذخي مقادير كلز عكس العمل نشان مي دهند .
غشاء هاي اساتدلاروزي:

كه در هيپر فيلتراسيون به كاربرده مي شود به دماهاي بيش از سي تا 40 درجه وشرايط قليايي حساس مي باشند .

غشاهاي مركب ورغهخ نازك :
غشاهايي هستند كه از شكل گيري لايه بسيار نازكي از يك پليمر بر روي يك غشاي اولترا فيلدراسيوني به وجود مي آيند ودر هيپر فيلدراسيون محصولات لبني كاربرد وسيعي دارند مثل غشاهاي DDS HD گرچه حساسيت بيشتري به كلر از خود نشان مي دهند اما از قابليت هاي شيميايي وحرارتي بالاترينسبتا به غشاهاي استيد سللوزي برخوردارند

غشاهاي غير عالي هيدرواكسيد زيركونتيوم :
در داخل لوله هاي كربن شكل مي يابد وگاهي در صنايع لبنيات استفاده مي شود
تقسيم بندي غشاخهابراساس مواد سازنده
غشاهعاي پليمري :

الف : پلي پروپيلن MF
ب : پلي ونيليدن فلوريدن (pvdf) MF وUF
ج سلولز نيترات MF وUF

د: سلولز استات MF وUFو RO
ه : پلي اتيل اتركتون MF وUF
و : پلي نترا فلورا اتيلن ( PTFE) MFوUF

غشاهاي سراميكي : كاربردهاي آن در غني سازي اورانيوم است.
غشاهاي فلزي: جنس اين نوع غشاها از فلزها وآلياژهاي فلزي مي باشد.
غشاهاي مايع : كه در عمليات جداسازي بين دوفاز از يك مايع كه در فاز مذكور حل نمي شود استفاده كرد .
حفره ها از نظر اندازه

الف : حفره بزرگ marco pores بيش از 50 nm
ب : حفره متوسط : marco pores بيش از 50 nm - 2
ج : حفره كوچك : marco pores بيش از 20 nm
اندازه حفرات غشاهاي مختلف
Nf nm 2

Uf nm 50-2
Mf nm 5-0.05

Ro بدون حفره میباشد.
زنجيره هاي پليمريتشكيل دهنده غشائ مي تواند بلند يا كوتاه ،بلوري crystalline بيشكل amorphous يا متقاطعcross-linked باشند .

انواع فرايند هاي غشائي
برخی کاربردها جزء ترجیحا تراوش کننده نیروی محرکه فراهم شده بوسیله توانایی جداسازی برای فرایند غشایی
تولید نمک خوراکی از آب دریا- تغلیظ آب نمک از طریق اسمز – عمل آوری آبهای زائد از طریق آبکاری برق ماده حل شده (یونها) میدان الکتریکی محلولهای آبی الکترو دیالیز

جدا کردن سولفات

نیکل از اسید سولفوریک همو دیالیز ماده حل شده (یونها) اختلاف غلظت
محلولهای آبی دیالیز

بازیافت روی از فاضلاب در صنعت فیبر ویسکوز – بازیافت نیکل از محلولهای آبکاری برق ماده حل شده (یونها) اختلاف غلظت محلولهای آبی با جرم مولکولی کم غشاء مایع

نمک زدایی آب نمک – عمل آوری فاضلاب و زدودن گونه های وسیعی از ناخالصی- عمل آوری آب سطحی و زیر زمینی – جداسازی الکل از آبجو حلال اختلاف غلظت محلولهای آبی اسمز

حلال اختلاف فشار(< 100 بار ) محلولهای آبی با جرم مولکولی کم اسمز معکوس

سختی گیری از آب حلال اختلاف فشار ( < 15 بار ) موارد اسمز معکوس و اولترا فیلتراسیون نانو فیلتراسیون

غلیز کردن شیر – تصفیه آب میوه – بازیافت آنتی بیوتیکها ازتخمیر محلولهای رقیق- حلال اختلاف فشار (< 10 بار ) ملکولهای درشت محلولهای امولسیون اولترافیلتراسیون

سترون سازی داروها-پالایش و پایدارسازی بیولوزیک نوشیدنیها- پاکسازی آنتی بیوتیکها فاز پیوسته اختلاف فشار (< 80 بار ) سوسپانسیونها- امولسیونها میکرو فیلتراسیون
جداسازی جزء ترجیحا تراوش کننده اختلاف فشار (< 80 بار ) مخلوطهای گازی – مخلوطهای گاز و بخار آب تراوش گاز
آبگیری از آزئوتروپ آب و اتانول- دفع آب ازحلالهای آلی- دفع مواد آلی از آب جزء ترجیحا تراوش کننده قسمت خروجی غشاء نسبت فشار جزئی به فشار اشباع محلولهای ابی- آبی تراوش تبخیری

ويژگيهاي مورد لزوم غشاء :
1- ساختمان غشاء : لايه فوقاني تا حد امكان نازك باشد كه باعث افزايش شدت جريان عبوري از آن مي شود.
اندازه قطر منافذ و پراكنندگي آنها در سطح غشاء نيز يكسان و يكنواخت باشد.
2- مقاومت در برابر فشار : غشاهاي فرا پالايش دار محدوده فشار 5/1 تا 8 بار بكار برده مي شوند. پس بايد در مقابل شدن مكانيكي مقاوم باشند در غير اين صورت ساختمان آنها تغيير شكل يافته و عملكردشان تغيير مي يابد.

3- مقاومت در برابر دما: درجه حرارت عامل تأثير گذار بر روي مواد سازنده غشاء است. فرا پالايش شير در دماي حدود c‌50 انجام مي شود تا علاوه بر كنترل رشد باكتريها از افزايش ويسكوزيته شير تغليظ شده (در دماي پايين) جلوگيري شود، بنابراين غشاها بايستي در برابر حداكثر دماي كاربردي در طي فرآيند و عمليات شستشو مقاوم باشند.

4- مقاومت در برابر تغييرات PH : خواص و تركيب شيميايي ماده فراينده شوينده اثر مهمي بر روي عمر غشاها دارد. غشاهاي استات سلولز در مقابل محلولهاي قليايي آسيب پذيرند.
5- سازگاري شيميايي : قابليت تحمل غشاء در برابر مواد شيميايي موجود در محلولهاي شستشو مانند اسيدها، قلياها، شوينده ها ، عوامل اكسيد كننده و مواد ضد عفوني كننده مي باشد.

6- مقاومت در مقابل تجزيه ميكروارگانيزم ها : سيالهاي بيولوژيك داراي مقادير زيادي ميكروفلور است كه ممكن است بر روي مواد سازنده غشاء اثر سوء بر جاي گذارند. بنابراين بايستي مواد مصرفي در ساخت غشاء در مقابل آلودگي mic و تجزيه بيولو‍ژيكي (تأثير پذيري در برابر آنزيمها) مقاوم باشند.
مدلهاي غشائي

براي بكارگيري غشاها لازم است از تجهيزاتي استفاده كنيم تا در مقابل فشارهاي عملياتي مقاوم باشند. براي اين منظور غشاها بر مدولهائي سوار مي شوند كه به آساني در درون سيستمهاي مكانيكي در كنار يكديگر بصورت مرتب قرار مي گيرند، يكي از اهداف اصلي طراحي مدولها، جا دادن قسمتهاي بزرگ غشاء در يك حجم كوچك براي مقاومت در برابر سرعت جريانهاي خوراك مي باشد.

از انواع پيكربنديهاي رايج در سيستمهاي غشائي ميتوان به صفحه سطح، لوله اي، فيبر تو خالي ظريف و مارپيچي – حلزوني اشاره كرد.
مدولهاي صفحه مسطح ، يا سيستمهاي غشائي صفحه و قاب از تعدادي غشاي مسطح كه لابلاي آنها صفحات فاصله دهنده (فضا ساز spacer ) بكار رفته است. تشكيل شده اند. صفحات نگهدارنده از كانالهائي تشكيل شده كه اجازه عبور خوراك و جريان نفوذي را ميدهد اين غشاها و صفحات نگهدارنده با قرار گرفتن در كنار يكديگر باعث مقاومت در مقابل فشار اعمالي مي شود. ضخامت غشاها در حدود 50تا 500 m ميباشد. اين غشاها مستعد جرم گرفتن از طريق ذرات معلق مي باشند.

مدولهاي لوله اي ، اولين طرح سيستم اسمز معكوس بود كه در مقياس تجاري و صنعتي بكار گرفته شد. اين مدولها شامل غشاهائي كه در درون لوله ها قرار گرفته اند هستند كه داراي قطري از 6 تا mm 25 مي باشند. مدولهاي لوله اي ثابت شامل چند تا از لوله هاي غشائي (1 و 7 يا 19) مي باشند. كه يكديگر را مانند يك تركيب فشرده، نگه ميدارند و بسوي لوله هاي رابط خوراك و مخازن جريان نفوذي هدايت مي شوند. چنانكه خوراك از يك انتهاي لوله بداخل آن پمپ شده و در راستاي شعاعي با فشار از لوله متخلخل و غشا عبور مي كند. در نتيجه آب از سطح خارجي غشاء چكه كرده و محلول نفوذي از انتهاي ديگر لوله خارج مي شود.

مدولهاي غشائي لوله اي از حايل خارجي تشكيل شده اند، كه از غشاهاي لوله اي كه در درون لوله هاي تكي قرار گرفته اند محافظت مي كنند. باعث مي شود در برابر فشار زياد مقاومت كنند كه بيشتر همچنانكه گفته شد اين سيستم مناسب اسمز معكوس مي باشد ولي چون سطح غشائي در اين نوع سيستم اسمز معكوس كوچك است استفاده از آن براي مواردي كه سرعت حجمي جريان بالاست، بسيار پرهزينه خواهد بود.

مدولهاي مارپيچي ، با هدف افزايش سطح غشائي در واحد حجم، با طرح اوليه مدولهاي لوله اي طراحي شده اند. در اين سيستم دو لايه غشاء توسط يك صفحه مشبك پلاستيكي از يكديگر جدا شده اند و در سمت ديگر غشاء نيز يك صفحه متخلخل وجود دارد كه اين پنج لايه به دور يك لوله متخلخل كه جريان خوراك در آن وارد مي شد پيچيده مي شوند براي اختلاط جريان خوراك و جريان نفوذي، لبه هاي لوله را مسدود مي كنند. خوراك بعد از پمپ شدن به داخل لوله متخلخل به درون شبكه پلاستيكي وارد مي شود، كه محلول نفوذي در راستاي شعاع از غشاء عبور كرده و وارد لايه متخلخل مي شود و خارج مي شود محلول تغليظ شده نيز از انتهاي ديگر لوله مارپيچي خارج مي شود. براي جمع آوري محلول نفوذ و ايجاد مقاومت در برابر فشار، كل غشاء در درون يك لوله فلزي مقاوم قرار مي گيرد.

با توجه به اينكه شبكه لاستيكي به ايجاد اغتشاش و به حداقل رساندن تشكيل جرم و رسوب كمك مي كند باز اين سيستم مستعد جرم گرفتگي از طريق مواد معلق مي باشد. لوله هاي مارپيچي معمولاً داراي 11 سانتي متر قطر و 84 سانتي متر طول مي باشند. فاصله بين دو غشاء 7/0 ميلي متر و مساحت آن 5 متر مربع است.

مدولهاي فيبر توخالي ، شامل دسته هائي از فيبرها مي باشند كه داراي قطري برابر 5/0 تا mm 3 در درون لوله هاي رابط پلاستيكي محكم شده اند و در درون لوله هاي محافظ نفوذي در كنار هم قرار مي گيرند خوراك به داخل لوله رانده شده و بعد از تغليظ از سر ديگر خارج مي شد و محلول نفوذي از لوله محافظ بيروني عبور مي كند. فيبرهاي تو خالي ثابت براي استفاده در فشارهاي عملياتي كه مناسب بوده و براي جداسازي آرام و يكنواخت، براي اجزاي معلق بكار مي روند.
مدولهاي فيبر تو خالي ظريف، حاوي رشته هائي با قطري در حدود 50 تا m‌100 مي باشند. در اين سيستم اليافي از فيبرها در درون قابل U شكل قرار مي گيرند. مايع خوراك به فضاي بيروني فيبرها وارد مي شود و جريان نفوذي با عبور از غشاء از درون فيبرها خارج مي شود كه اين‌ آرايش قادر خواهد بود در برابر فشارهاي عملياتي بالا مقاومت كند.

گرفتگي غشاء و روش مقابله با آن:
هرگاه تراوايي محلول از يك غشاء با تراواي همان حلال به صورت خالص كمتر باشد اين پديده را گرفتگي غشاء مي نامند.
گرفتگي غشاء يك مسأله در فرآيندهاي فرا پالايش بوده و عوارش حاصل از آن متعدد مي باشد و به عوامل زير بستگي دارد :
- مصرف انرژي : براي جبران اثر گرفتگي انر‍ژي بيشتري مورد نياز است.

- مصرف زمان گرفتگي : گرفتگي غشاء باعث كاهش زمان كار مفيد سيستم فرا پالايش مي شود.
- از عمر مفيد دستگاه مي كاهد.
- بر خواص و كيفيت ماده غذايي تأثير مي گذارد. گرفتگي موجب افزايش زمان نگهداري ماده غذايي در سيستم شده و احتمال افزايش بار ميكروبي فرآورده نهايي وجود دارد.

انواع گرفتگي غشاء :
1- گرفتگي سطحي (موقت) عامل اين گرفتگي تهنشين شدن لايه اي يكنواخت روي سطح غشاء است. اين نوع گرفتگي با محلولهاي شستشو قابل برطرف شدن است. گرفتگي سطح شايعترين نوع گرفتگي در كارخانه هاي فراپالايش مي باشد.
2- گرفتگي غشاء (دائمي ) : در اين نوع گرفتگي ذرات به داخل منافذ غشاء نفوذ كرده و آنها را مسدود مي كنند.
در اين حالت نمي توان توسط عمليات شستشو گرفتگي غشاء را برطرف كرد. اگر در حين عمليات سيستم uf براي مدت 5 الي 10 دقيقه خاموش شود. سيال فرآوري شده كه در تماس با غشاء وجود دارد موجب بروز اين نوع گرفتگي مي شود.

يكي ديگر از عوامل مهم در گرفتگي غشاها مسأله جذب مولكولهاي درشت به سطح غشاء است. اين پديده يك فرآيند ترموديناميكي خود به خودي است كه شايد اولين مرحله در بروز گرفتگي غشا باشد.

گرفتگي غشاء در صنايع لبني :
دو عامل اصلي گرفتگي غشا در صنايع لبني عبارتند از : 1- تركيب و خواص سيال فرآيند شوينده 2- كيفيت آب مصرفي جهت شستشوي غشا در مورد گرفتگي غشاء طي فرآيند فرا پالايش آب پنير اطلاعات گسترده اي موجود است ولي در مورد گرفتگي غشاء در اثر فراپالايش شير پس چرخ، دوغ كره يا شير منعقد شده اطلاعات كمي در دسترس است.

گرفتگي غشاء طي عمليات فراپالايش آب پنير:
دو نوع عمده آب پنير وجود دارد :
1- آب پنير شيرين (Sweet whey) از پنيرهايي كه توسط آنزيم ونت منعقد شده اند استخراج مي شود و PH آن بالاتر از 5 مي باشد.
2- آب پنير اسيدي (Acid whey) از پنيرهايي كه توسط اسيد منعقد شده اند استحصال مي شود. ويژگي آن PH پايين تر از 5 و داشتن مقدار مواد معدني بالا بويژه فسفات كلسيم مي باشد.

اگر آب پنير بدون اعمال فرآيند حرارتي ذخيره گردد امكان رشد ميكروبي در آن وجود دارد كه اين امر PH آب پنير را تغيير مي دهد و سلولهاي باكتريها نيز موجب گرفتگي غشاء در حين عمليات فراپالايش مي شود.
معمولاً اجزاء زير موجب گرفتگي غشاء در هنگام فراپالايش آب پنير مي شوند: پروتئينها ، مواد غير آلي، چربيها.
پروتئينها :
مواد غير آلي : كلسيم نقش عمده اي در گرفتگي غشاهاي uf دارد. كلسيم باعث سفت شدن لايه تهنشين شده و اين سختي با افزايش فشار بيشتر مي شود.
چربي ها : در آب پنير گويچه هاي كوچك چربي شير همراه با مواد موجود در ديواره هاي گويچه چربي (ليپوپروتئينها) قرار دارند و به سختي مي توان آنها را توسط سانتريفو‍ژ كردن جدا نمود. اين چربيها مهمترين عامل گرفتگي غشا مي باشند، زير با جداسازي آنها مقدار تراوايي آب پنير بهبود مي يابد.
• فرآيند مقدماتي آب پنير براي كاهش گرفتگي غشاء

براي بهبود مقدار تراوايي انجام اعمال زير پيشنهاد شده است :
1- صاف كردن، فيلتراسيون و ميكروفليتراسيون : ذرات سوسپانيسوني كلسيم يكي از مهمترين عوامل گرفتگي غشاء هستند كه با جداسازي آنها به وسيله سانتريفو‍ژ مي توان با قابليت تراوايي را افزايش داد.

همچنين مواد چرب بهتر است از آب پنير شيرين جداسازي شوند.
2- حرارت دهي و تنظيم PH‌: در اين عمليات آب پنير در دماي C 80 و به مدت 15 ثانيه حرارت داده مي شود و PH درجه بهينه 9/5-2/5 تنظيم مي گردد. بر اثر اين عمليات مجتمع هاي بزرگ پروتئينهاي آب پنير به ويژه تبالاكتو گتوگلبولين تشكيل شده كه موثر بر تراوايي آب پنير است.
3- املاح زدايي : اگر كلسيم از آب پنير حذف و به جاي آن سديم جايگزين شود موجب بهبود تراوايي آب پنير مي گردد.
4- افزودن عامل هاي سكواسترن‌: افزودن (EDTA ) به آب پنير اثر خوبي بر روي تراوايي دارد.
گرفتگي غشاء توسط آب شستشو :

كيفيت آب مصرفي براي شستشوي تجهيزات uf در ايجاد گرفتگي غشاء اهميت زيادي دارد كه مي توان به موارد زير اشاره نمود :
- حضور ذرات سوسپانسيوني
- وجود مقادير بالاي كلسيم و فلزات سنگين

- وجود اسيدهاي مرطوب (Humic)
- وجود كلر
پيچيدگي هاي عملي
1- خواص و غلظت جريان ورودي : ويسكوزيته اثر معكوس بر روي شدت جريان نفوذ يافته دارد. افزايش ويسكوزيته موجب كاهش شدت جريان عبوري از غشا مي شود.