بخشی از مقاله
چکیده: سیستم های جداسازی غشایی کاربرد وسیعی درصنایع غذایی داشته از جمله، تغلیظ وشفاف سازی آب میوه ها است. در این تحقیق انواع مختلف فیلترهای غشایی به همراه مواد کمک فیلتری جهت انتخاب فرایند مناسب به منظور شفاف سازی با جریان پرمئات بالاتر و رسوب غشایی پائینتر و نیز تولید آب میوه با کیفیت بالا مورد بررسی قرار گرفته است. طبق آزمایشات انجام شده مواد کمک فیلتری بنتونیت نسبت به پلی و نیل پلی پیرولیدین، کربن فعال و ترکیب آنزیمی پکتیناز و آمیلاز، در کاهش کدورت آب میوه ارجحیت دارد، اگرچه در دورکردن تانن pvpp مؤثرتر است.
جهت کنترل تغییرات کیفی توسط کمک صافیها و فیلتراسیونهای غشای، رنگ، PH، اسیدیته تام و محتوای قندکل، اسید آلی و ویتامینC مورد بررسی قرار گرفت. رنگ آب سیب به سمت متمایل به زرد با کاربرد پیش تیمار بنتونیت و فیلتراسیون بهبود یافت ، در حالیکه دیگر شاخصهای کیفی در طی فرایند شفاف سازی بخوبی حفظ شده است. بدیت ترتیب اولترافیلتراسیون با پیش تیمار بنتونیت، به عنوان فرایند بهینهای در شفاف سازی آب میوه ، جریان و مقاومت permeate، شناخته شده است.
مقدمه
سیستمهای جداسازی غشایی از دیر باز کاربرد وسیعی در صنایع شیمیایی داشته است و بهصورت تجاری بیش از 40 سال طول کشید تا توسعه یافته و کاربرد آن در صنایع غذایی رواج پیدا کند . از جمله موارد مصرف این سیستم در صنایع غذایی، تصفیه آب، تغلیظ و شفاف سازی آب میوه ها، شیر و فراورده های آن، نوشابه های الکلی و پساب ها است.
متداولترین روش مورد استفاده جهت تغلیظ کردن مواد غذایی مایع تبخیر است که برای این عمل معادل گرمای نهان تبخیر باید به محصول داده شود تا آب آن تبخیر شود،که این مسئله نیاز به بخش اعظم انرژی و هزینه های عملیاتی دارد ولی در مقابل در سیستم های جدا سازی غشایی، آب بدون اینکه تغییر فاز دهد از محصول جدا می شود.
قدمت تکنولوژی غشایی زیاد نیست اما ایده ای ساده دارد در فیلتراسیون معمولی، برای گرفتن ذرات درشت، ماده غذایی یا محصول، تحت فشار از فیلتر عبور داده میشد و مواد درشت دانه بر روی فیلتر باقی می ماند و تشکیل کیک می داد و مواد ریز از آن عبور می کرد. این فیلترها را اصطلاحا Dead end یا انتها بسته گویند. مهمترین محدودیتش این بود که با گذشت زمان، لایه ای از مواد درشت روی فیلتر کیک را تشکیل می داد و به تدریج سرعت فیلتراسیون تحت تاثیر تشکیل کیک رسوبی، کاهش یافته و در نهایت متوقف می شد.
به همین دلیل در صنایع مختلف که از این نوع فیلتراسیون استفاده میشد مجبور می شدند هر از چند وقت، جریان تولید را متوقف کنند، و فیلتر را باز کرده و شستشو دهند و دوباره مورد استفاده قرار دهند که این کار باعث اتلاف وقت می گردد. محققان سعی داشتند راهی پیدا کنند تا عمل فیلتراسیون به صورت مداوم انجام گیرد. برای ر فع مشکل به فکر فیلتراسیون غشائی یا فیلتراسیون با جریان عرضی افتادند - - Cross flow
اگر ماده غذائی را تحت تاثیر فشار بالا وارد فیلتر بکنیم به تدریج که Feed در داخل فیلتر به طرف مقابل حرکت می کند چون تحت تاثیر فشار است مواد ریز از سوراخ های غشاء عبور میکند بخشی که عبور میکند فاز عبوری نامیده میشود و قسمتی که نمی تواند عبور کند در داخل باقی می ماند و تغلیظ میگردد و Retentate نامیده میشود به این ترتیب عمل فیلتراسیون به مدت طولانی تری می تواند اذامه پیدا کند چون تشکیل کیک در این حالت آسان نیست جریان مایع با سرعت بالا حالت توربلانس ایجاد میکند و مواد رسوبی را با خودش به طرف مقابل حرکت می دهد و در انتها از فیلتر خارج می کند .
سیبهای تولیدی در کره عمدتاً بصورت تازه مصرف میشوند و تنها %2/4 بصورت فراوری شده مورد مصرف قرار میگیرند، در حالیکه این آمار در ایالت متحده %42 و در ژاپن %20 میباشد. بادرنظرگرفتن نوسان قیمت بازار بدلیل تولید سالانه سیب خام، افزایش نسبت فراوری سیب تولید شده برای تولیدکننده و مصرف بسیار با ارزش است. محصول فراوری شده اصلی سیب، آب سیب طبیعی است که دارای ویژگی کلوئیدی پیچیده همراه با چندین نوع پیلمر میباشد. لوکانین و همکاران گزارش کردند که آب سیب خام اویح مقادیر نسبتاً بالایی - - 4/4gr/L از پلی مرهایی مثل پلی ساکارید، پکتین و پروتئین و غیره میباشد.
از آنجائیکه این پلیمرها ویژگی فراوری، ثبات و پذیرش آب میوه توسط مشتری را تحت تأثیر قرار میدهند، شفاف سازی آبمیوه اخیرا توجه زیادی را به خود جلب کرده است. در شفاف سازی سنتی، از فرایندی استفاده می شود که به کمک آنزیم هیدرولیز کننده پکتین مولکولهای در اندازه کوچک ایجاد می شود به طوری که بعد از کاربرد عامل آگلومره کننده برای آبمیوه خام فیلتراسیون زمینی یا سانتریفوگاسیون استفاده می شود. برای تثبیت آشامیدنیها، تیمار با ژلاتین، بنتونیت یا سیلیکاژل بطور گستردهای استفاده میشود. هرچند که، این شفافسازی و تثبیت نه تنها پیچیده بلکه گران نیز میباشد.
برای این اهداف، میتوان از تکنولوژی غشایی مثل میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون به عنوان آلترناتیو استفاد ه کرد. و آن بدلیل بازده بالا و کاهش قیمت میباشد و در ضمن کیفیت محصول نیز بالا میباشد. فرایند اولترافیلتراسیون به طور گستردهای در زمینهای زیادی بکار میرود. در فرایندشفاف-سازی، تغلیظ و جداسازی آب میوه، بازیافت اجزاء مفید از فاضلاب و خالص سازی آنزیمی و غیره، متاسفانه،کاهش سریع جریان permeate با کاربرد تجاری آلترافیلتراسیون در فرآوری آب میوه مداخله میکند و هنوز به فرآوری موثر در شفافسازی آب سیب به طور خاصی دست نیافتهایم.
بنابراین، این بررسی جهت تثبیت شرایط بهینه برای شفاف سازی آب سیب از طریق فیلتراسیون غشایی با کمک فیلتر های مختلف جهت انتخاب فرایند مناسب جهت شفافسازی با جریان پرمئات بالاتر و رسوب غشایی پائینتر و نیز تولید آب میوه با کیفیت بالا انجام شده است . برای این امر، شرایط عملیاتی و کمک صافی مناسبی همراه با آنالیز شاخص کیفیتی و جریان permeate انجام شده است. مواد کمک فیلتری مورد استفاده بنتونیت، پلی و نیل پلی پیرولیدین - pvpp - ، کربن فعال، ترکیب آنزیمی پکتیناز و آمیلاز و تانن می باشد.
نتایج و بحث:
تأثیر تیمارهای مختلف بر کدورت آبمیوه کدورت آبمیوه به شدت تحت تأثیر نوع کمک صافی بکار رفته میباشد بنتونیت دارای بالاترین قابلیت شفاف سازی میباشد که بدنبال آن آنزیم ، و کربن فعال قرار دارد. پیش تیمار آنزیمی، با در نظر گرفتن فیلتراسیون غشایی، تاثیر کمی بر کدورت آبمیوه دارد.این امر احتمالاً ممکن است به دلیل اجزاء کوچکتری باشد که از دپلیمریزاسیون و یا شکستن پکتین و سلولز با وزن مولکولی بالا ناشی میشود. که به منفذ غشایی نفوذ کرده و باعث بسته شدن آن شده که در نهایت منجر به کدورت در آبمیوه permeate نهایی میگردد.. تانن، که علت اصلی کدورت آبمیوه همراه با پکتین و دیگر مواد جامد معلق است، به طور مؤثری توسط فیلتراسیون غشایی کاهش مییابد. PVPP ، برای دور کردن تانن در ترکیب با فیلتراسیون، به عنوان بهترین کمک فیلتر شناخته شده است.
تغییر در مقاومت در طی فیلتراسیون غشایی
علاوه بر خود جریان permeate در فیلتراسیون غشایی، کاهش آن همراه با زمان عملیات نیز بسیار مهم است زیرا کارایی فیلتراسیون غشایی را کاهش میدهد. پلی ساکاریدها، پروتئینها و مواد کلوئیدی به عنوان مواد جامد آب میوه حضور دارند، که با افزایش غلظت یا کریستال تشکیل میدهند و یا تبدیل به ژل میگردند، که به نوبه خود برروی سطح جمع شده و یک غشای ثانویهای را با پیشرفت فیلتراسیون تشکیل میدهند.
جذب مواد محلول در داخل و برروی غشا باعث افزایش در مقاومت غشایی میگردد. این پدیده باعث کاهش جریان permeate شده و سرعت - گرفتن - دور کردن مواد جامد را تغییر میدهد، که منجرر به کاهش در کارایی جداسازی غشایی میشود.. بطور کلی، مقاومت همگام با درجه حرارت عملیاتی بالاتر، سرعتهای بالاتر و پیش تیمارهای بیشتر و فشارهای پایینتر کاهش مییابد. که میتوان آن را با افزایش توربلانس و ترکیب شدن در درون کانالهای مدول و فشردگی کمتر لایه قطبی شده در فشارهای پایینتر بیان کرد.
مقاومت کلی - Rt - در طی UFنسبت به MF بالاتر بوده است و آن بدلیل فشار عملیاتی بالاتر میباشد، که منجر به ایجاد فشردگی لایهی ژلهای تشکیل شده بر سطح غشا و فشردگی حاصل از فشار غشا میگردد. پیش تیمار بنتونیت Rt یا مقاومت کلی را بطور موثرتری کاهش میدهد، مخصوصاً این امر در فرایندهای UFبیشتر است.
تغییر درر رنگ در طی فیلتراسیون غشایی
از آنجائیکه رنگ مواد غذایی یکی از شاخصهای کیفی مهم در تعیین نیازهای خرید توسط مشتری است، تغییر رنگ آب سیب بعد از هر تیماری بررسی شده است. مشخص است که رنگ معمول آب سیب طبیعی بسیار به عمل پلی فنول اکسیداز بر ترکیبات فنولی مرتبط است. اعداد هانترL - روشنی - تا میزان مشابهی در هر دو فرایند فیلتراسیون به مقدار کمی کاهش مییابد، اما در گروه PO - آبمیوه پیش تیمار شده بدون فیلتراسیون غشائی - به استثنای بنتونیت کمی بالاتر است. زردی - عدد - b، که به شدت با پذیرش مشتری از لحاظ رنگ آب سیب مرتبط است، در فیلتراسیون غشایی بدون درنظر گرفتن نوع کمک صافی استفاده شده رو به افزایش است. در نتیجه، ترکیب پیش تیمار بنتونیت و فیلتراسیون غشایی، رنگ را بهبود می بخشد.
تغییر کیفی در طی فیلتراسیون غشایی
تغییر کیفی در طی فرایندهای غشایی به کمک آنالیز شیمیایی قندهای آزاد،اسیدهای آلی و محتوای ویتامینC بیان شده است. محتوای قند آزاد کل حتّی با فیلتراسیون غشایی با مواد کمک صافی زیاد تغییر نکرده است. اینبدین معنی است که تقریباً قندهای آزاد بدون درنظر گرفتن تیمارها به آبمیوه نهائی انتقال داده خواهند شد و تفاوت در اندازه منفذ در غشاها نفوذ قند را تحت تأثیر قرار نمیدهد و آن بدلیل وزن مولکولی پائینتر شان می-باشد. در آب سیب، فراوانترین قند فروکتوز،سپس گلوکز، سوکروز و سوربیتول میباشد.
جالب اینکه، تیمار آنزیمی محتوایقند کل، مخصوصاً فروکتوز و گلوکز به مقدار کمی افزایش میدهتاد. آن احتمالاً بدلیل هیدرولیز آنزیمی پلی ساکاریدها درآب میوه میباشد. محتوی اسیدهای آلی تام در هر تیماری تغییر نمیکند، که ممکن است به علت همان دلیل مشابه یعنی قندها باشد. اسید مالیک نسبت به بقیه از همه بیشتر بوده است.
آنالیز محتوای ویتامین c ، نیز تفاوتی را در میان تیمارها نشان نداده است. یعنی، فیلتراسیون مشکلی را در کاربرد ویتامین c از آب میوه permeate نهایی ایجاد نمیکند. فیلتراسیون غشایی همراه با کمک صافی کیفیت آب میوه را از لحاظ قند کل، اسیدآلی، محتوای ویتامین C و نیز PH و اسیدیته تام تا محدوده خاصی تغییر نمیدهد.
نتیجه گیری کلی:
مواد کمک فیلتری بنتونیت نسبت به پلی و نیل پلی پیرولیدین - pvpp - ، کربن فعال و ترکیب آنزیمی پکتیناز و آمیلاز، در کاهش کدورت آب میوه ارجحیت دارد، اگرچه در دورکردن تانن pvpp مؤثرتر است.
