بخشی از مقاله
گرفتگي غشايي؛ مکانيسم و راهکارهاي مقابله با آن
چکيده
فن آوري غشايي براي انواع فرآوريهاي پس از برداشت ميوه جات و سبزيها و در صنايع لبني براي تغليظ شير و آب پنير مورد استفاده قرار ميگيرد. يکي از بزرگ ترين مشکلات فناوري پيشرفته غشايي گرفتگي زودهنگام غشاها به دليل تجمع و رسوب مواد روي سطح غشاء و يا نفوذ ذرات به داخل منافذ غشاء ميباشد که بر تجاري شدن سيستم هاي غشايي اثر ميگذارد. گرفتگي غشاء باعث کاهش شار فرآيند ميشود. همچنين اين پديده باعث تغيير درصد دفع مواد توسط غشاء، کاهش راندمان سيستم ، کاهش عمر غشاء (به علت شستشوهاي پيدرپي غشاء)، نياز بيشتر به تميز کردن غشاء و درنهايت توقف خط توليد ميشود. در اين پژوهش ، پس از توضيح مختصر در مورد فرآيندهاي غشايي و مزايا و معايب آن ، به پديده گرفتگي غشايي روش هاي کنترل آن ازجمله اصلاح سطوح غشايي، استفاده از غشاهاي باردار، ميدان هاي الکتريکي، امواج اولتراسونيک و امواج فرابنفش ميپردازيم .
کلمات کليدي: اولتراسونيک ، شار، غشا، گرفتگي، فرابنفش
١- مقدمه
غشا به عنوان يک فاز که اجزاي خوراک به صورت انتخابي از آن عبور ميکنند، تعريف ميگردد. در اين روش جداسازي، معمولاً تغيير فازي صورت نمي يگ رد و محصولات نيز در همديگر قابل امتزاج هستند. در فرايندهاي غشايي، جزئي از خوراک که از غشا عبور ميکند به نام تراوه و بخشي که نتواند از غشا عبور کند، ناتراوه ناميده ميشود که بر اساس هدف جداسازي، هرکدام از آن ها ميتوانند به عنوان محصول در نظر گرفته شوند [١].
فرآيندهاي غشايي در ميان فرآيندهاي صنعتي رشدي متأخر داشته اند. غشاهاي ميکروفيلتراسيون در اواخر دهه دوم قرن بيستم به صورت تجاري براي استفاده در آزمايشگاه هاي باکتريولوژي توليد شدند. اکثر اولترافيلتراسيونهاي اوليه که در آزمايشگاه ها و مصارف صنعتي استفاده ميشدند تا قبل از اواخر دهه ٦٠ قرن ٢٠ اهميت زيادي نداشتند. از حدود ٢٠ سال پيش تابه حال اين روش در صنايع غذايي نسبت به ساير روش هاي موجود ازجمله تقطير، جذب و استخراج متداول تر بوده است که علت کاربرد آن مزاياي وسيع نسبت به روش هاي قديميتر است . اولترافيلتراسيون ١ متداول ترين فرآيند غشايي در صنايع غذايي، به خصوص در صنايع لبني براي تغليظ شير و آب پنير ميباشد. فرآيند غشايي سيالات لبني، موجب کاهش هزينه هاي عملياتي ناشي از مصرف برق و بخار، بهبود ظرفيت و کارايي فرآيند کارخانه و افزايش کيفيت محصول مي گردد [٢].
با توجه به مزاياي فرآيندهاي غشايي نظير کاهش مصرف انرژي به دليل عدم تغيير فاز، حجم کم و عدم نياز به فضاي زياد، تنوع در شکل و اندازه ، افت فشار کم و انتقال جرم زياد، بالا بودن راندمان جداسازي براي محلول هاي رقيق ، نياز کم به مواد افزودني و حلال ها، ساده بودن طراحي غشاها و سهولت کاربرد آن ها در مقياس هاي صنعتي و همچنين به دليل اينکه دوست دار محيط زيست هستند، در دهه هاي اخير موردتوجه زيادي قرار گرفته اند. يکي از مزاياي اين روش استفاده نکردن از حرارت است چون با اعمال حرارت ترکيبات اوليه خاص مثل ويتامين ها از بين نميروند نه تنها با استفاده از اين روش در انرژي و هزينه صرفه جويي صورت مي رد. بلکه با حفظ اين ترکيبات بر کيفيت مواد غذايي افزوده ميشود؛ مثلاً در جداسازي و شفاف سازي آب ميوه اين چنين است .
بااين حال اين روش معايبي از قبيل پلاريزاسيون غلظت ، گرفتگي غشاها و دبي کم عبوري از غشاها و هزينه بالاي ساخت را دارد. طول عمر غشاء براي اجراي فرآيند غشايي در مقياس صنعتي بسيار مهم است ، چراکه پارامترهاي عملياتي مانند دما و فشار ممکن است در طول زمان بر مواد غشا تأثير گذارد. درنتيجه نياز به جايگزيني دوره اي غشاء دارد که ممکن است بر تجاريسازي اين فرآيند تأثير گذارد.
يکي از بزرگ ترين مشکلات فناوري پيشرفته غشايي ، گرفتگي٢ زودهنگام غشاها به دليل تجمع و رسوب مواد روي سطح غشاء و يا نفوذ ذرات به داخل منافذ غشاء ميباشد. گرفتگي غشا مشابه تغليظ قطبي است ولي گرفتگي غشا با تشکيل رسوب همراه است که به دو قسمت گرفتگي موقتي و گرفتگي دائمي تقسيم ميشود. هرگاه مقدار تراوايي محلولي که توسط غشا تحت فرآيند قرار مي رد در شرايط پايا (steady state) ازنظر فشار، درجه حرارت ، شدت جريان و غلظت سيال ورودي در مقايسه با تراوايي همان حلال خالص به طور قابل ملاحظه اي کاهش يابد. نتايج حاصل از اين پديده به شرح زير است : کاهش شار خروجي از غشا در طول زمان ، تغيير يافتن پس دهي مواد توسط غشا، کاهش راندمان سيستم ، کاهش عمر غشا، افزايش فشار لازم براي انجام فرايند، نياز بيشتر به تميز کردن غشا، توقف خط توليد براي شستشو و تميز کردن ، تخريب غشاها و دستگاه ها توسط شوينده هاي شيميايي و آسيب هاي زيست محيطي [٣].
١-١- مکانيسم پديده گرفتگي
بررسي و شناخت مکانيسم هاي گرفتگي غشاءها براي استفاده بهينه از غشاء ضروري ميباشد. انواع گرفتگي غشاءها در رابطه با منشأ آن ها شامل گرفتگي با منشأ ذره اي ، کريستاله شدن ، اتصال شيميايي يا تلفيقي از آن ها، جذب ، مسدود شدن منافذ، تشکيل لايه کيک و گرفتگي عمقي هستند. مکانيسم پديده گرفتگي در هر فرايندي فرق ميکند. به طورکلي ميتوان مراحل زير را براي اين پديده در نظر گرفت .
١-در مرحله اول به علت جابجايي يا نفوذ، مواد موجود در سيال به طرف سطح غشا حرکت نموده و موجب ميشوند که غلظت در مجاورت غشا افزايش يابد (پلاريزاسيون غلظتي).
٢-در مرحله دوم در اثر جاذبه بين مواد و غشا، ذرات به سطح بيروني يا دروني غشا ميچسبند.
٣-در مرحله سوم ذرات موجود در سيال به يکديگر ميچسبند. از اجتماع اين مواد لايه اي در سطح غشا تشکيل ميگردد که مقاومتي در برابر عبور سيال ايجاد خواهد نمود (تراکم ) [٢].
درصورتيکه شار خروجي از غشا زياد و حرکت سيال در مجاورت غشا آرام باشد مرحله اول مهم تر خواهد بود و جاذبه بين غشا و ديگر مواد از اهميت کمتري برخوردار است . جذب و تراکم در اثر نيروهاي الکترواستاتيکي و واندروالسي صورت مي رد. پلاريزاسيون غلظتي معمولاً در کمتر از يک دقيقه رخ ميدهد، درحاليکه گرفتگي در طول فرآيند اتفاق ميافتد.
نيروهاي هيدروديناميکي ناشي از سيال و پارامترهاي فرآيند مانند سرعت جريان عرضي، فشار انتقال غشايي، غلظت خوراک، اندازه منافذ و دما نيز عوامل مؤثر بر ميزان و مقدار گرفتگي غشايي و درنتيجه کاهش شار تراوه ميباشد.
با توجه به خصوصيات غشا، آب گريزي لايه بالايي مؤثرترين عامل کاهش شار است . براي ترکيبات آلي باردار مانند پروتئين ، جذب الکترواستاتيکي و يا نيروهاي دافعه بين حل شونده و غشاء بر شدت گرفتگي تأثيرگذار است . اگر بار سطحي غشا به اندازه کافي زيا نباشد، نيروهاي آب گريز بر نيروهاي الکترواستاتيک غلبه خواهد کرد و درنتيجه باعث گرفتگي بيشتر غشاء آب گريز ميشود. بيوفولينگ ٣ يکي از مشکلات عمومي بسياري از فرايندهاي غشايي است و شامل تمام موجودات بيولوژيکي فعال ، به طور عمده باکتريها و (در برخي موارد) قارچ ها ميباشد. بيوفولينگ يک فرايند ديناميک مي باشد و تشکيل و رشد بيوفيلم متصل به غشا را شامل ميشود. بيوفيلم ممکن است شار تراوه را کاهش دهد و حتي باعث گرفتگي کامل شود.
گرفتگي غشاء عموماً با تشکيل کيک يا ژل در سطح غشا و يا مسدود شدن منافذ غشاء توسط ماکرو مولکول ها، کلوئيدها و يا ذرات در ارتباط است . اندازه گ ري در محل گرفتگي و مشاهده مستقيم تشکيل لايه کيک ، بالاترين اهميت را براي درک فرايندهاي اساسي حاکم بر گرفتگي غشايي دارا ميباشد. براي مديريت فولينگ غشايي روش هايي همچون مشاهده مستقيم مدول غشايي [٤]، حس گر ليزر نوري [٥]، اسپکتروسکوپي امپدانس الکتريکي [٦] و SEM [٧] توسط محققان به کاررفته است .
١-٢- کنترل گرفتگي در فرآيندهاي غشايي
گرفتگي غشايي يک مسئله اجتناب ناپذير در فرآيندهاي غشايي است ، اما تأثير آن را ميتوان با انواع تکنيک ها کاهش داد. مديريت فولينگ غشايي يک موضوع اساسي براي بررسي موفقيت آميز بودن فيلتراسيون غشايي هست . انتخاب مناسب شرايط عملياتي و خصوصيات غشاء (جنس غشاء، ابعاد و پيکربندي) ميتواند به طور قابل توجهي اثر گرفتگي را بر روي عملکرد فرايند کاهش دهد.
براي کاهش گرفتگي غشاء ميتوان از روش هايي همچون پيش -تصفيه سيال ورودي به غشاء، احياء مجدد غشاء و امواج فراصوت استفاده کرد [٨]. در
سالهاي اخير استفاده از نيروهاي ديگر همراه با فيلتراسيون براي رفع گرفتگي غشاها و بهبود عمليات توجه زيادي را به خود جلب کرده است .
١-٢-١- اصلاح سطوح غشايي
اصلاح غشاء يک راه حل مناسب براي دستيابي به غشاهاي مقاوم در برابر گرفتگي ميباشد. يک ايده ، واردکردن گروه هاي هيدروفيل درون ساختار پليمري ميباشد که باعث افزايش خاصيت آب دوستي شده و درنتيجه کمتر در معرض گرفتگي قرار مي رد.
سو و همکاران (٢٠٠٩) از غشاي اولترافيلتراسيون پلي اکريلو نيتريل (PAN)
هيدروفيل در ترکيب با پلياتيلن گليکول (PEG) به منظور افزايش خاصيت آب دوستي و ضد گرفتگي استفاده نمودند. غشاء اولترافيلتراسيون تهيه شده
