چکیده
در این مقاله ، پیشرفت های جدید در زمینه ریز پالایش با جریان عرضی cross flow mtro filtra tion (CFMF) بوجود آمده ، مورد بررسی قرار می گیرد . اکثر این پیشرفت ها اختصاص به صنعت لبنی دارد .
استفاده از فرضیه فشار هیدرولیک ترانس ممبران uniform transmembrane hy drolic pressur (UTP) با روشهای مختلف ریسکوله کردن میکروفیلترت آن و درجه تخلخل طولی و غشاهای سرامیکی جدید اجازه داد که جداسازی دیفرانسیلی از هر گروه از ترکیبات شیر انجام بگیرد . وقتی که از MF برای تولید شیر مایع استفاده می شود بدلیل استفاده از حرارت کم . شیر مایع حاصل طعم مشابه شیر خام دارد و عمر مفید آن 5-3 ساعت نسبت به تولیدات قبلی طولانی تر است . نتایج نشان داد که کاربرد غشا MF در حذف باکتری های پاتوژن باعث شد که سلامت بهداشتی پنیرهای درست شده از شیرخام MF اقلا برابر یا بیشتر از پنیرهای تولید شده از شیر خام باکتونرگاسیون و پاستوریزاسیون باشد. میروفیلتراسیون علاوه بر حذف چربی ، باکتری ها و تغلیظ میسلهای کازئینی کاربردهای دیگری چون حذف چربی رسوب کوره آب پنیر . شفاف سازی آب پنیر ، حذف باکتری ها از شوراب پنیر . استفاده از CFMF برای جداسازی انتخابی میسلهای کازئینی و گلبولهای کوچک شیر امکانپذیر شود . با تولیداتی که در 2 سوی غشا حاصل می شود تکنولوژی لبنیاتی این امکان را خواهد داشت که تنها بازده فراورده ای لبنی بهبود یابد بلکه محصولات گوناگون با بافت های متنوع تولید شود که با توجه به مزایای روش میکروفیلتراسیون استفاده از آن در آینده رو به گسترش خواهد بود.
مقدمه
میکروفیلتراسیون تکنیکی از فرایندهای غشایی است که طی آن مولکولهای سنگین مواد محلول در یک حلال سبک یا سوسپانسیون ذرات کلوییدی به 2 جریان با غلظت های متفاوت تفکیک می شود . جداسازی با غشا متخلخل با قابلیت نفوذ پذیری انتخابی با قطر منفذ و اعمال فشار هیدرولیکی (1-2bar) بعنوان نیروی رانشی انجام می‌گیرد. هر غشا بسته به اندازه منافذ دارای حداقل جداسازی است که ذرات بزرگتر از این حداقل به وسیله غشا قابل جداسازی نیست . مایعی که در غشا مانده ، رتنتیت نامیده می شود که شامل ترکیباتی بزرگتر از میانگین قطر منافذ غشا است مایعی که از خلال غشا عبور می کند میکروفیلترت نام دارد که ترکیبات موجود در آن کوچکتر از میانگین قطر منافذ غشا است جدول (1) اندازه تعدادی از ترکیبات شیر را نشان می دهد که می تواند با فرایند MF جدا شود که این فرایند در شکل (1) هم نشان داده شده است . تکنیک MF می تواند برای جداسازی دیفرانسیلی مخصوص اجزاء معلق شیر به کار رود . چربیها . میسلهای درشت کازئین ، باکتریها بازداشته نی شوند و الباقی ترکیبات شیر از غشا رد می شوند .
تکنولوژی MF در دهه 1980 م . با توسعه غشاهای سرامیکی جدید وارد صنعت لبنی شد . این غشا شکل هندسی چند کاناله و یک محافظ شدید اتراوا هستند که امکان صنعتی شدن فرضیه فشار هیدرولیک پیشنهاد شده توسط سندبلوم (Sandblom) را میسر ساخت . با این کار قسمت اعظم مشکل گرفتگی غشا مرتفع گردید .
ساختار مهندسی غشاء
در اوایل دهه هشتاد تلاش هایی انجام شد تا از MF برای سانترینوگاسیون جهت شفاف سازی و میکرب زدایی از آب پنیر استفاده شود اما غشاهای آلی چون پلی کربنات و پلی سلوفان از نظر فلاکس عبوری و جداسازی دقیق مورد قبول نبودند ولی استحکام گرمایی و ثبات شیمیایی آنها رضایتبخش بود . با اینحال نتوانست در صنعت لبنی مورد توجه قرار بگیرد . لذا فرصت جدیدی بوجود آمد یعنی غشاهای سرامیکی بودجود آمدند که با وجود استحکام گرمایی و شیمیایی ولی کاهش فلاکس عبوری و تغییرات سلکیتویتی در برابر زمان زیاد بود در نتیجه استفاده از فرضیه فشار هیدرولیک ترانس ممبران یکپارچه پیشنهاد شده توسط سندبلوم که از سرعت های جریان عرضی بالا استفاده می شود بر پدیده Fouling غلبه شد.
در بررسی ممبرانها از 2 قسمت تشکیل می شوند :1- ساپورت (Support) با منافذ بزرگ 2- لایه غشا با منافذ ریزتر که بر روی ساپورت قرار می گیرد . غشاهای بسیار پایداری تشکیل می شود . جنس ساپورت بیشتر از آلومین ، کربن ، استیل استنلس یا Sic ( پایداری کسی به PH بالا دارد در سنعت غذا توسعه نیافته است ) . لایه غشا از آلومین ، اکسیدتیتانیوم یا مخلوطی از هر دو تشکیل می شود به این روش که پودر یک سوسپانسیون کلوییدی روی ساپورت ریخته شده و با حرارت رسوب داده می شود . اندازه منافذ غشا با کنترل دقیق اجزاء کلوییدی بدست می آید که اغلب اوقات 2 یا 3 لایه بر روی هم جوش داده می شود.
غشاها به فرم های مونوتیوب ( تک لوله ) با قطر داخلی 8-3 میلی متر و ارتفاع 5/8 سانتی متر ساخته می شوند و یا چند کاناله هستند کانالهای استوانه ای یا کانالهایی با مقاطع عرضی به اشکال مختلف ساخته می شوند . اشکال تک لوله و چند لوله به صورت یکپارچه هستند و طول آنها بیشتر از یک متر است که در مجموعه های منسجم قرار گرفته که در خانه هایی از جنس استیل استنلس گذاشته می شوند که مدول نامیده می شود . در یک مدول مقدار سطح توسعه یافته حاوی منافذ 2 m 10-2/0 است . در طراحی مدولها باید توجه داشت که قابل تمیز کردن باشند تعویض مدولهای فرسوده مقرون به صرفه باشد و نسبت بین سطح تعبیه شده و حجم محفظه فشار متناسب باشد .
مقدار فشار مورد استفاده در فیلتراسیون غشایی بستگی به اندازه منافذ غشا دارد و هر قدر اندازه منافذ ریزتر باشد فشار لازم برای عبور مایع نیز بیشتر خواهد بود . از سوی دیگر با عبور مایع از غشار فشار افت کرده که این میزان افت فشار را اصطلاحات افت فشار هیدرولیکی می نامند بنابراین افت فشار هیدرولیکی برابر است با فشار ورودی ( فشار در ورودی محصول ) منهای فشار خروجی ( فشار در انتهای ممبران ) .PH=P1-P2 فشار هیدرولیکی باعث حرکت مداوم مایع بر روی سطح ممبران می شود . عبور مواد از داخل غشا تحت تاثیر اختلاف غشاء دیگری قرار می گیرد که به فشار ترانس ممبران معروف است . (PTM) فشاری است که در هر نقطه از ممبران از طرف محصول به طرف پرمیات در بیرون از غشا وارد می شود و باعث خروج پرمیات از صافی می گردد.
مقدار این فشار در سرتاسر غشا متغیر بوده در ابتدای صافی مقدار آن ماکزیمم و در انتهای صافی مقدار می نیمم می باشد . بنابراین میزان متوسط آن در نظر گرفته می شود که مطابق فرمول ذیل تغیین می گردد.
عوامل موثر بر ظرفیت فیلتراسیون می توان به مقاومت غشا که خود بستگی به ضخامت غشاء سطح قاس و قطر منافذ و جنس غشا دارد از طرفی به گرفتگی فشا یا پلاریزاسیون غلظت که با عبور مواد از غشا ، مواد معلق سوراخهای غشا را مسدود کرده و باعث کور شدن صافی می گردند این حالت ابتدا در بخش اول صافی بوجود می آید بعد به تدریج در تمامی سطح غشا گسترش می یابد که باعث مقاومت فیلتر شده پیامد آن کاهش فلاکس عبوری و پایین آمدن استاندارد باکتریولوژیکی است . تا سرانجام شرایطی در سیستم بوجود می آید که باید برای تمیز کردن آن را متوقف ساخت .
برای کاهش اثر پلاریزاسیون غلظت از سرعت های جریان عرضی بالای رتنتیت استفاده می کنند با با وارد آمدن تنش برشی در سطح غشا از انباشته شدن مواد ممانعت بعمل آید . البته برای برطرف کردن اثر پلاریزاسیون غشا در فواصل زمانی معین از جریان معکوس آب ( از بیرون صافی به طرف داخل آن ) در خلاف جهت پرمیت استفاده می کنند تا رسوبات برطرف گردد.
MF در صنعت لبنی بر اساس فرضیه (Uni form trans membrane pressur)UTP بکار می رود برای حل مشکل Fouling ناشی از پلاریزاسیون غشا از سرعت های جریان بالا بیشتر از m/s 7 بکار رفت سندبلوم پیشنهاد داد که تحت شرایط فشار ترانس ممبران پایین و یکپارچه در تمامی غشا پرمیت دیسکوله شود . شکل ( ) . از این رو قسمت پرمیت با توپ های پلاستیکی پر شد تا فشار را با پمپاژ پرمیت در یک حلقه موازی برای هدایت جریان و تنتیت تنظیم کند . این پیشنهاد در واحد تجاری توسط کمپانی آلفالاوال بکار گرفته شد .
غشاهای سرامیکی تک لوله ممبرالوکس با منفد 4/1 که نشان داد میزان گرفتگی کاهش یافته ودبی جریان خیلی بالاست .شکل ( ) . برای پریودهای 6 ساعته فشار کمتر شده حدود Psl 6-3 است . اگر نیاز باشد UTP می تواند به مقدار ناچیزی در طول جریان افزایش یابد . چون فشارهای خیلی بالا غیر قابل تحمل هستند چون فشارهای خیلی بالا بدلیل فشردگی لایه Fouling نفوذپذیری کاهش می یابد شکل ( ) . یک نکته جالب اینکه شیر با مقداری چربی (1%) در مقایسه با شیر چربی گرفته جریان بیشتری عبور می دهد چون شیر چربی گرفته استعداد بیشتری برای کف کردن طی پمپاژ دارد که باعث گرفتگی غشا می شود .
سیستم MF شامل یک تانک تغذیه کننده و یک پمپ تغذیه کننده و 2 حلقه ریسکولاسیون است یکی برای رتنتیت و دیگری برای پرمیت . در هر 2 حلقه دریچه هایی وجود دارد که با سنسورهایی برای تولید مداوم 2 جریان با غلظت های متفاوت تنظیم می شوند البته با پیشرفت های اخیر در زمینه تکنولوژی غشاهای سرامیکی باعث شد که از کاربرد یک حلقه ریسکولایسون پرمیتMF صرفنظر کرد که از هزینه سرمایه گذاری تجهیزات نصب شده کم متعاقب أن در مصرف انرژی صرفه جویی می شود .
اولین غشا ساخته شده در این مورد ممبرالوکس GP نام داشت که در آن در قسمت پرمیت ، فشار سنجی گذاشته شده که در نتیجه تغییر مداوم تخلخل ساپورت غشا سرامیکی کار می کند . دومین مورد ایزوفلوکس نام گرفت که در آن UTP با یک شیب مداوم ضخامت غشا بدست می آید از این پیشرفت ها می توان در خالص سازی فلاکس عبوری و سلکیتوینی بهره برد .
نحوه شروع به کار MF
برای استفاده از تجهیزات MF باید دقت نمود که منافذ غشا سریعا دچار گرفتگی یا پلاریزاسیون غلظت نگردند لذا ابتدا با آب گرم C 0 52 پر می شوند ( علت استفاده از دما افزایش کارآیی غشا است ) دریچه خروج هوا باز می شود تا هوا خارج شود . پارامترهای ریسکولاسیون هیدرولیک که در شیر استفاده خواهند شد در آب ریسکوله شده تنظیم می شود سپس شیریکه خواص فیزیکو شیمیایی آن با گرمایش C 0 50 به مدت 20 دقیقه مجددا برقرار شده است در حلقه رتنتیت وارد می شود .
تمیز کردن تجهیزات MF
غشاها باید از موادی ساخته شوند که نسبت به مواد شیمیایی ، PH و درجه حرارت های بالا مقاوم باشند تا بتوان در مواقع لزوم آنها را پاکسازی کرد . در مورد غشاهای سرامیکی بدلیل تحمل وسیع به PH (5/13-5/0 ) اجازه می دهد که در تمیز کردن آنها از مواد اسیدی چون اسید نیتریک ( 2% بیشتر ) و مواد قلیایی چون سود کاستیک ( 3% بیشتر ) استفاده شود . در مورد آب مورد استفاده در شستشو باید از کیفیت بالایی برخوردار باشد یعنی از مواد کلوییدی ته نشین شده عار می باشد ، همچنین فاقد میکروارگانیزم های مستعد باشد به همین جهت آب قبل از استفاده با فیلتر انتها بسته 2/0 صاف می شود .
- چرخه تمیز کردن شامل است بر :
شستشو با آب گرم شده تا C 0 50
تمیز کردن قلیایی با دترژن هایی مانند اولتراسیل 25 ( هنکل ) در غلظت 1/0-5/0 درصد یا محصول مشابه در دمای C 0 70-65به مدت 20 دقیقه
شستشو با آب گرم C0 50
ضدعفونی کردن با Cl Ona به مقدار PPm 200 در C 0 20 به مدت 15 دقیقه
تمیز کردن اسیدی ، اسید نیتریک 5 درصد به مدت 20 دقیقه در دمای C 0 50
شستشو با آب گرم c 0 50
کفایت شستشوی غشا با فلاکس عبوری آب سنجیده می شود که آب خروجی از غشا باید ویژگیهای خاصی داشته باشد و برای کنترل باکتریولوژیکی آب آخرین شستشو بایستی چک شود .
کاربرد MF در صنعت لبنی
1-حذف میکروارگانیزم ها از شیر چربی گرفته یا تولید ماده خام عاری از باکتری که به شیر مایع ، پنیر و دیگر محصولات لبنی با ماندگاری بالا مثل پودر یا مشتقات پروتئینی تبدیل می شود .
جداسازی انتخابی میسل های کازئینی که می توان از خاصیت بالقوه آنها در جهت افزایش ارزش اجزاء تشکیل دهنده شیر و دیگر صنایع بهره برد .
1) باکتری زدایی
باکتری زدایی در صنعت شیر مایع
منشاء آلودگی هایی که اساسا به شیر راه می یابد از طریق پستان گاو ، ماشین های شیردوشی . اتمسفر محل نگهداری حیوانات ، تانک های ذخیره ، امکانات نقل و انتقال به کارخانه باشد از این رو شیر جمع آوری شده در کارخانه شیر دارای فلور میکربی است که با توجه به آن باید اذعان داشت که چقدر امکان دارد اصول بهداشتی در سطح دامداریها رعایت شود . البته دامدار نمی تواند تحت شرایط اسپتیک کار کند پس شیر همیشه دارای باکتریهای پاتوژن خواهد بود که برای انسان خطر ساز است . برای از بین بردن خطرات ناشی از این فلور میکربی 50 سال است که از فرایندهای گرم کردن شیر HTST و UHT استفاده می شود باید در نظر داشت که فرایند گرم کردن در از بین بردن میکربها کافی باشد . سلبولهای مرده و سلولهای سوماتیک مانده در شیر بدلیل فعالیت آنزیمی باعث رشد و نمو باکتریهای ترمودیوریک شیر می شود از این رو کیفیت شیر مایع نگهداری شده دستخوش تغییر شده و shelf life آن کم می شود لذا تکنیک MF ، یک روش جالب در جهت اصلاح کیفیت باکتریایی شیر است که تکنولوژی مربوطه (( باکتوکاتج )) نام دارد . شیر با سرعت های بالا در یک سیستم MF با غشاهای سرامیکی به روش معمولی ( بدون استفاده از UTP,CPT ) سیر کوله می شود میزان فلاکس عبوری در مقایسع با اشکال جدید MF کم است . از باکتوکاتج می توان برای تولید محصولات شیری خنک شده و پاستوریزه شده پایدارتر استفاده کرد . در کشورهای گرمسیری و نیمه گرمسیری که سود کردن ناکافی است در نتیجه بار میکربی شیر آمده به کارخانه بالاست از این رو یک باکتوکاتج در محل دریافت شیر با کمتر کردن بار میکربی می تواند بطور موثری کیفیت محصولات لبنی را بهبود ببخشد .
امروزه شیر خامه گرفته تا c 0 50 گرم می شود سپس در یک ممبران استریلوکس با اندازه منفذ4/1 و (bar 5/0) با سرعتm/s2/7 وارد می شود VRF (Volumetricrecuction factor ) 20 است ولی در تجهیزات عظیم ( استفاده از 2 سری MF ) جریان در کاسکاو دومین اسباب MF مدت زمان بیشتری حدود 10 ساعت تغلیظ می شود VRF به 200 می رسد . سرعت پرمیت پروتئین ها و مواد جامد نسبتا بیشتر از 99% و 5/99% است فلاکس بدست آمده دراشل صنعتی L/hm2 500 در مدت 10 ساعت بود .
اشکال اسپوری باکتری ها که نشان دهنده زنده ماندن آنها در عملیات پاستوریزاسیون است با غشاهای MF بهتر حذف می شوند چون حجم سلولیشان بزرگ است در نتیجه با غشاهای MF بازداشته می شوند . تولید شیرهای مایع به روش MF در عرصه تحارت با موفقیت روبرو بوده بدلیل اینکه طعم آنها ( طعم پخته نمی دهد چون از دمای پایین استفاده می شود ) و توانایی انبارهای آنها بهبود یافته است .