بخشی از مقاله
کاربردها و چالش هاي فرآيند فيلتراسيون غشايي در صنايع لبني
خلاصه
در چند دهه اخير، فرآيند فيلتراسيون غشايي با توجه به کيفيت عالي غذاهاي فرآوري شده، رقابت پذيري و مقرون به صرفه بودن و درنهايت ايجاد محيط زيست سالم توجه زيادي را به خود جلب نموده است .در ميان صنايع غذايي ، لبنيات بدون شک يکي از مهم ترين و پرکاربردترين حوزهها، جهت به کارگيري فرآيند فيلتراسيون غشايي مي باشد. از مهم ترين مواردي که موجب ايجاد مشکلات عمده اي در فرآيند فيلتراسيونغشايي مي شوند، مي توان به کنترل رسوب، گرفتگي غشاها و نحوه تميز کردن آن ها اشاره نمود. در اين پژوهش برخي از کاربردها، چالش هاو راهکارهاي مناسب جهت حل مشکلات فيلتراسيون غشايي در صنايع لبني مورد بررسي قرار گرفته است .بررسي هايصورت گرفته در اين زمينه نشان دادکه فرآيندفيلتراسيون غشايي در مقايسه با ساير روش ها در صنايع غذايي به دليل اثرات مثيت آن، بيشتر مورد توجه قرار گرفته اند.
کلمات کليدي :چالش ها، صنايع لبني ، فيلتراسيون غشايي ،کاربردها
١. مقدمه
به طور کلي ، گذراندن مايعات از غشاهاي نيمه تراوا(فيلتراسيون) که تنها اجازه عبور به بعضي از مولکول ها را مي دهند، در قرن اخير پديده شناخته شده اي است . البته ، اين فرآيند تا قبل از ساخت اولين غشاهاي استات سلولزي نيمه تراواي متقارن علي رغم تلاشهايLeob و Sourirajan در سال ١٩٥٩ استفاده تجاري نداشت .اولين کاربردهاي آن در صنعت لبني در اواسط دهه ١٩٦٠ معمول شد، اما استفاده موفق از آن تا اوايل دهه ١٩٧٠ ميسر نگرديد. در حال حاضر، اولتراسيون غشايي به عنوان يک واحد بهرهبرداري استاندارد در صنعت لبني تلقي شده است [١].پيشرفت هاي قابل توجهيدر طراحي غشاها با تجهيزات بهتر صورت گرفت ، که جداسازي مولکولها يا ذرات مبتني بر اختلاف اندازه از جمله اين موارد است . در گذشته بيشترين کاربرد ميکروفيلتراسيون در صنايع نوشيدني ٠.٤٥ ميکرومتر، استريليزاسيون تجاري سرد براي مصارف دارويي ٠.٢ ميکرومترو تامين آب خالص در فرآيندهاي نيمه رسانايي ٠.١ ميکرومتر بود . تا سال ١٩٦٠ با وجود درک اصول اساسي غشاهاي مدرن صنايع مهمي در اين زمينه وجود نداشت تا اينکه به تدريج با رفع برخي از معايب آنها نظير قيمت بالا ، فرآيندهاي کند و زمان بر ، غير انتخابي بودن و غيره غشاها از آزمايشگاه به صنعت راه يافتند.
اساس فرآيندهاي غشايي عبور مواد از ميان صافي است ، که اين امر توسط يک نيروي رانشي صورت مي گيرد. اين رانش در فرآيندهاي غشايي به چهار دسته تقسيم مي شود که شامل موارد زير مي باشد:
. اختلاف فشار : در فرآيندهاي غشايي ميکروفيلتراسيون ، اولترافيلتراسيون ، نانوفيلتراسيون و اسمز معکوس
. اختلاف پتانسيل الکتريکي : نظير الکترودياليز و الکتروليز غشايي
. اختلاف دما : مانند membrane distillation
. اختلاف غلظت : نظير gas separation[٢]. طراحي بهداشتي تجهيزات لبني ، امري لازم و ضروري است که بر همين اساس، تنها برخي از اقسام متعدد طرحهاي فيلتراسيون غشايي مي توانند به مرحله اجرا درآيند. تکنولوژيهاي غشايي در صنايع لبني به صورت نمادين در شکل زير نمايش داده شده است ، شکل ١.
عوامل اصلي در تعيين اين که آيا اين طرح، کاربرد مناسبي در صنعت لبني دارد يا نه ، به قرار زيرند:
. طراحي بهداشتي
. پايين بودن حجم داخلي
. مقاومت غشا در برابر استرس برشي شديد
. بازرسي ساده از تمام قسمت ها
. تعويض آسان غشا[١].
٢. فرآيندهاي فيلتراسيون غشايي
قبل از توصيفکاربردها و چالش هايي که ريشه در فرآيندهاي لبني و توسعه محصول جديد با فرآيندهاي غشايي دارند، ابتدا به تعريف̂ نها مي - پردازيم .
١,٢. ميکروفيلتراسيون (MF)
يک فرآيند جداسازي غشا فشار رانده با استفاده از غشاءمتخلخل با اندازه قطر منافذ بيشتر از ٠.١ميلي متر است ، که اجازه حفظ تمام ذرات شير را مي دهد (سلولهاي سوماتيک ، گلبولهاي چربي ، باکتريها، و ميسل کازئين ).
٢,٢. اولترافيلتراسيون (UF)
فرآيند جداسازي غشا فشار رانده با استفاده از غشاء متخلخل با متوسط اندازه قطر منافذ در محدوده ٠.٠٠١ تا ٠.١ مي ي لمتر است . UF اجازه نفوذ لاکتوز، مواد معدني انحلال پذير، و ساير مولکولهاي کوچک شيرو آب را مي دهد. اساس يک سيستم اولترافيلتراسيون به صورت زير نمايش داده شده است ، شکل ٢.
شکل ٢. سيستم اولترافيلتراسيون
٣,٢. نانوفيلتراسيون (FN)
يک فرآيند جداسازي غشا فشار رانده با استفاده از غشاء متخلخلبا متوسط اندازه قطر منافذ کمتر از ٠.٠٠١ ميلي متر (١ نانومتر) مي باشد.در اين روش لاکتوز شير و ساير اجزاي درشت آن حفظ شده وباعث عبور يونهاي معدني انحلال پذير تک ظرفيتي و آب مي شود.
٤,٢. اسمز معکوس (RO)
يک فرآيند انتشار جداسازي غشاء فشار رانده با استفاده از فرآيندهاي غشايي است .RO فرايند غليظ سازي است که فقط اجازه نفوذ آب را مي دهد.
٥,٢. الکترودياليز (ED)
يک فرآيند غشاء که در آن جداسازي از يونهاي باردار الکتريکي از يک ميدان الکتريکي ناشي مي شود[٢]. دامنه کاربرد و ابعاد انواع غشاهاي ميکروفيلتراسيون، اولترافيلتراسيون، نانوفيلتراسيون و اسمز معکوس در زير نشان داده شده است ، شکل ٣.
شکل ٣. دامنه کاربرد و ابعاد انواع غشاها
٣. کاربرد فرآيند فيلتراسيون غشايي در صنايع لبني
کاربردهاي فرآيندهاي غشايي در صنايعغذايي را مي توان به سه حوزه اصلي تقسيم نمود:
. صنعت لبنيات
. صنعت نوشيدني
. صنعت گوشت [٣].
که در اين پژوهش کاربردهاي فرآيندهاي غشايي درصنعت لبنيات مورد بررسي قرار گرفته است .
١,٣. توليد پنير
امروزه تعدادي از انواع پنير صنعتي ساخته شده در سراسر جهان با استفاده از UF و MF با توجه به دستور العمل هاي خاص که به طور مداوم نتيجهاستفاده از نتايج علم لبنيات مي باشد، بهبود يافته است . تحولات اخير در مورد توليد پنير تازه و تنطيم عطر و طعم پنير و بافت پنير نرم برايپاسخ به خواسته هاي مصرف کنندگان و بهبود کيفيت پنير ساخته شده از پودر شير مي باشد.پنير Cantal از افزودن گونه هاي خاصي از مخمر به شير ايجاد مي شود، شکل ٤.
شکل ٤. پنير Cantal
به کمک مقاومت مکانيکي غشاء سراميکي و دانش حاصل از اثر تنش برشي بر روي خواص رئولوژيکي̂Hنها، استفاده از اولترافيلتراسيون براي تهيه انواع پنيرکشک شيري مانند Quarg، پنير خامه اي،mascarpone، کاربرد دارد.اساس استفاده از شير اولترافيلتر شده در فرآيند پنيرسازي اين است که پروتئين هاي موجود در آب پنيردر داخل پنير باقي مي مانند و به اين ترتيب راندمان پنيرسازي افزايش مي يابد. بنابراين از پروتئين هاي آب پنير استفاده بهتري مي شود زيرا در روش سنتي حدود ٢٠ درصد از پروتئين هاي شير به صورت ضايعات از دسترس خارج مي شوند.با استفاده از روش ميکروفيلتراسيون مي توان اسپورهاي باکتريهايي نظير کلستريديوم تايروبوتيريکوم را از شير مصرفي براي توليد پنير حذف کرد و از بادکردگي پنير طي فرآيند رسيدن و نگهداري جلوگيري به عمل آورد و از آنجايي که امروزه استفاده از مواد نگهدارنده از طرف مصرفکنندگان چندان مورد پذيرش قرار نمي گيرد، بنابراين با استفاده از اين روش مي توان رضايت مصرفکنندگان را نيز تاميننمود[٢].
٢,٣. توليد آب پنير
آب پنير فرآورده جنبي صنايع توليد کننده پنير و کازئين است . ترکيب آن با توجه به روندي که ازآن به دست مي آيد متفاوت بوده، اما مي توان مشخصات آن را تقريبا مانند شيرتعيين نمود. در نتيجه ، آب پنير هنوز هم حاوي مقدار زيادي از موادتغذيه اي (پروتئين و لاکتوز) در يک نسبت نامتعادل براي تغذيه بشر و ديگرموارد (پروتئين هاي جزئي ، عوامل رشد، و غيره) با غلظت بسيار پايين مي باشد[٢].اولترافيلتراسيون کاربرد عمدهاي در توليد پنير دارد. در اين روش ابتدا آب پنير خارج مي شود. استفاده مستقيم
