بخشی از مقاله
خلاصه
غشاء و فرآیندهای غشایی سبب تحول در صنایع لبنی گردیده است. انواع مختلف غشاء، در این صنعت، برای اهدافی چون گسترش عمر مفید شیر بدون قرار گرفتن در معرض عملیات حرارتی، استاندارد کردن اجزاء اصلی شیر برای تولید محصولات جدید، افزایش عملکرد و کیفیت محصولات لبنی و تغلیظ، تجزیه و تفکیک و تصفیه و پالایش اجزای شیر، به خصوص پروتئین های با ارزش شیر در حالت طبیعی خود، به کار می رود. در تولید پنیر، تغلیظ آن بوسیله فیلتراسیون غشائی سبب افزایش محصول و کیفیت پنیر و هم چنین کنترل حجم آب پنیر شده است.
با پیشرفت های اخیر در فرایندهای غشایی، بازیابی فاکتورهای رشد از آب پنیر نیز ممکن شده است. هم چنین با فیلتراسیون فاضلاب صنایع لبنی از هدر رفت مواد با ارزش و ایجاد خطرات زیست محیطی جلوگیری گردیده است. با ابداع غشاهای با کیفیت بالا و نیز دست یابی به فناوری های جدید، به میزان بیشتری بر گرفتگی و انسداد غشاها - که به عنوان محدودیت اصلی برای استفاده از این سیستم مطرح می شوند - غلبه گردیده است.
.1 مقدمه
اصطلاح " فناوری غشایی " به جمعی از فرآیندهای جداسازی گفته می شود که در آن از فیلترهای غشائی نیمه ترآوا برای تغلیظ یا تجزیه ی یک مایع به دومایع با ترکیبات متفاوت، استفاده شده باشد. نفوذپذیری انتخابی غشاء اجازه عبور به برخی از ترکیبات را می دهد؛ در حالی که از نفوذ برخی دیگر جلوگیری میکند. مایعی که قادر به عبور از غشاء است را فاز عبوری - - Permeate و مایع باقی مانده- تغلیظ شده- را برگشتنی - - Retentate می گویند.
راندمان غشاء تا حد زیادی تابع گرادیان فشار هیدرواستاتیک یا فشار بین غشائی - - Trans Membrane Pressure - TMP و گرادیان غلظت مایعات می باشد. در موارد کمی نیز پتانسیل الکتریکی نقش مهمی دارد .[1] از آنجا که فرآیندهای غشائی با نیروی محرکه فشار - که شامل: میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس می باشد. - بیشترین کاربرد را در صنایع غذایی دارند، عمده بحث را در این مقاله تشکیل می دهند. شیر به عنوان یک غذای کامل و ایده آل در نطر گرفته شده و جایگاه مهمی در رژیم غذایی انسان ها به ویژه رژیم های گیاهی دارد .[2-5] با توجه به ترکیبات شیر، این ماده یک مایع ایده آل برای انجام فیلتراسیون غشائی است.
فناوری غشائی از اوایل 1960 در صنایع لبنی مورد استفاده قرار گرفت. و امروزه در جایگاه دوم و پس از فناوری تصفیهآّب قرار دارد. از این فرآیند می توان به عنوان جایگزین مناسبی برای بیشتر فرآیندهای لبنی سنتی چون تقطیر، تبخیر یا استخراج استفاده کرد. صنایع غذایی چیزی حدود 20 تا 30 درصد از گردش مالی 250 میلیون دلاری مربوط به غشاء را به خود اختصاص داده و رشد سالیانه 7,5 درصد را نیز نشان می دهد.
درحال حاضر از صدها هزار متر مربع غشاء بهره برداری می شود. - اولترافیلتراسیون : 400000 مترمربع، نانوفیلتراسیون : 300000 مترمربع، اسمز معکوس : 100000 مترمربع و میکروفیلتراسیون : 50000 مترمربع - . این در حالی است که چیزی حدود 66,7 درصد از سطح غشاء مورد استفاده در صنایع لبنی برای تصفیه آب پنیر و 33,3 درصد باقی مانده برای شیر به کار می رود .[6]
استفاده از غشا در صنایع لبنی با یافتن و معرفی مواد اساسی جدید، تا حد زیادی افزایش یافته است. غشاهای ساخته شده از سلولز استات، پلی آمیدها و پلی سولفون ها با فرآیندهای تکنولوژیک جدیدتری هم چون اسمز معکوس، دیافیلتراسیون - - Diafiltration و نانوفیلتراسیون همراه شدند. شکل 1 رویدادهای مهم در طول توسعه فناوری غشائی برای صنعت لبنیات را نشان می دهد.
فناوری هایی نظیر میکرو فیلتراسیون، اولترافیلتراسیون [7]، نانوفیلتراسیون [8] و اسمز معکوس نیز در صنایع لبنی مورد استفاده قرار می گیرند. استفاده از فناوری فیلتراسیون غشائی گستره وسیعی از مزایا را هم برای مصرف کننده و هم تولید کننده در بر دارد. فناوری غشائی یک تکنولوژی غیر حرارتی، نوین و سبز - دوست دار محیط زیست - بوده و اثرات نامطلوبی چون افزایش حرارت برای تغییر فاز، دناتوره کردن پروتئین ها و تغییر در خواص حسی محصول را به حداقل می رساند و از سوی دیگر باعث حذف اجزای ناخواسته نیز می گردد. میکروارگانیسم ها، داروها و یا رسوبات که تاثیر منفی بر کیفیت محصول دارند، کیفیت بافت و عمر مفید آن را نیز افزایش می دهند.
فرآیندهای غشائی به دلیل طراحی مناسب و نیاز بسیار کم به تعمیر و نگهداری، برای انواع مختلف کارخانجات مناسب هستند. عملیات غشاء بسیار ساده بوده و به دانش و تخصص خاصی برای رسیدگی و عمل نیاز ندارد. برای به دست آوردن اثر مورد نظر، گاهی لازم است به جای یک غشاء منفرد؛ به صورت ترکیبی از آن ها استفاده شود .[7-8] در حاضر برای توسعه تولیدات صنعتی و طراحی مجدد، از ادغام عملیات های مختلف غشاء بهره گیری می شود .[6]
.2 مشخصات غشاء
میکروفیلتراسیون - - Micro Filtration - MF یک فرآیند جداسازی غشائی همانند اولترافیلتراسیون می باشد؛ ولی با اندازه منافذ بزرگتر و فشار عملیاتی کم تر، که به آن اجازه می دهد ذراتی با قطر 0,2 تا 2 میکرومتر را از خود عبور دهد. میکروفیلتراسیون دارای غشاءهای مناسبی برای جداسازی ذرات ریز در محدوده 0,1 تا 10 میکرومتر می باشد. درحالی که غشاءهای اولترافیلتراسیون با داشتن اندازه منافذی در محدوده 1 تا 100 نانومتر؛ برای تغلیظ پروتئین ها و ماکرومولکول های دیگر طراحی شده است .[9]
اولترافیلتراسیون - - Ultra Filtration - UF نوعی از فیلتراسیون غشائی است که در آن فشار هیدرواستاتیک نیروئی خلاف مقاومت غشاء نیمه ترآوا بر مایع وارد می کند. مواد جامد معلق و املاح با وزن مولکولی بالا در این فیلتراسیون حفظ شده و آب و املاح با وزن مولکولی کم از آن عبور می کنند. این فرآیند یک فرآیند جداسازی/ شکنش با قابلیت عبوردادن وزن مولکولی - 10000 - Molecular Weight Cut Off - MWCO، و کارکرد در فشارنسبی 40 پوند بر اینچ مربع، دمای 50 تا 60 درجه سانتی گراد و با استفاده از غشاءهای پلی سولفون را دارد.
دیافیلتراسیون - - Dia Filtration - DF نوع خاصی از فرآیند اولترافیلتراسیون است که در آن فاز تغلیظ شده دوباره با آب رقیق شده و از اولترافیلتر گذرانده می شود. این کار به منظور کاهش غلظت اجزاء محلول در پساب و هم چنین افزایش بیشتر غلظت اجزاء باقی مانده در فاز تغلیظ شده صورت می گیرد. نانوفیلتراسیون - - Nano Filtration - NF اسمزمعکوسی است که غشاء آن ساختار بازتری داشته، می تواند یون های تک ظرفیتی را از خود عبور داده و یون های دوظرفیتی را تا حد زیادی جذب کند.
اسمز معکوس - - Reverse Osmosis - RO یک فرآیند فیلتراسیون غشائی با فشارعملیاتی بالا است که ساختار غشاء آن بسیار متراکم می باشد. منافذ غشاء اسمزمعکوس بسیار ریز بوده و تنها اجازه عبور به مقادیر کمی از املاح با وزن مولکولی ناچیز را می دهد. این فرآیند تغلیظ قابلیت عبور مواد با وزن مولکولی - 100 - MWCO و قابلیت کارکرد در فشار نسبی 700 پوند بر اینچ مربع، دمای کم تر از 40 درجه سانتی گراد با غشاء سلولز استات و 70 تا 80 درجه با غشاءهای مرکب را دارد .[10]
وزن مولکولی برش - - MWCO یک روش توصیفی برای بیان توزیع اندازه منافذ و توانایی غشاء در حفظ مواد می باشد . و به وزن مولکولی ذره ای - مانند پروتئین - گفته می شود که بیش از %90 آن بوسیله غشاء حفظ شود. معمولا از وزن مولکولی دکستران، پلی اتیلن گلیکول و پروتئین برای بیان وزن مولکولی برش استفاده می شود. واحد این کمیت دالتون - - Dalton - Da می باشد.
- .[11] - 1 Da = 1.66 * 10-24 g فناوری غشائی در صنایع لبنی به طور عمده کاربردهای زیر را دارا می باشد :میکروفیلتراسیون : جداسازی باکتریها ، جداسازی مولکولهای درشت اولترافیلتراسیون : تغلیظ مولکولهای بزرگ و درشت - ماکرومولکولها - نانوفیلتراسیون : تغلیظ ترکیب های آلی بوسیله حذف بخشی از یونهای تک ظرفیتی مانند سدیم و کلر - حذف جزئی مواد معدنی - اسمزمعکوس : تغلیظ مایعات با حذف آب .[12]
.3 استفاده از غشاء در صنایع لبنی
در فرآیندهای لبنی نوین، غشاء نقش عمده ای در جداسازی و افزایش غلظت اجزاء مورد نظر و هم چنین جداسازی اجزاء خاص و با ارزش؛ از شیر یا محصولات لبنی دیگر بازی می کند.
