دانلود مقاله فرایند های غشایی و کاربرد آن ها در صنایع لبنی UF اولترافیلتراسیون

تاریخچه : تاریخچه جدا سازی مواد کلوئیدی از محلولها توسط صافیهای غشایی به قرن گذشته بر می گردد .

جداسازی آنزیمهای پروتئینها در مقیاس آزمایشگاهی بوسیله غشاء نیمه تراوا با دیالیز انجام میپذیرفت .

به دلیل کسل کننده بودن و نیاز به مدت طولانی در این روش تلاشی جهت بکارگیری آن در مقیاس صنعتی برای جداسازی مواد کلوئیدی و تغلیظ صورت نمی پذیرفت .

تکامل و توسعه فراپالایش در مقیاس صنعتی پس از اکتشاف غشاهای نامتقارن اسمیتریک به وسیله لئو و سوری- جان در سال 1962 پدید آمد .

هر چند اهداف این دو نفر تولید غشاهایی برای نمک زدایی آب دریا به طریقه اسمز معکوس بود .

مدت کوتاهی پس از آن غشاهای فراپالایش نامتقارن با شدت نفوذ بالا خواص مناسب و مقاومت مکانیکی خوب ابداع و کشف گردید .

تحقیقات برای دستیابی به یک ساختمان مناسب برای فراپالایش موجب ابداع شکل لوله ای صافیها گردید .

در سال 1969 طرح صفحه و قاب برای سیستم فراپالایش ابداع شد و در همان زمان اشکال مختلف فراپالایش بطور تجاری در اختیار عموم قرار گرفت .

از آن پس توسعه بسیار سریعی در تجهیزات و ساختار غشاهای فراپالایش پدید آمد .

مقدمه Mombnrane sepratio فاز حالتی از ماده که کاملا یکنواخت وهمگن است انواع فازها گاز – گاز گاز – مایع گاز –جامد مایع – مایع مایع – جامد جامد – جامد هدف ما از فرزایند های غشائی جدا ازی مواد فازها در اثر کنترل راه عبور آنها ست غشاها غشاء : لایه ای نازک که می تواند اجزاء یک سال را به طور انتخابی از آن جدا کند یا فاز سومی است که انتقال جرم بین فاز را کنترل می کند خواص غشا: فیزیکی :اندازهحفره ْشکل حفره تعداد حفره.

شیمیایی : بار سطحی ْتوانایی جذب ْ آبگریزی یا آبروستی غشا غشاهایی که در صنعت شیر به کار می رود باید دارای وبژگی های زیر باشند قابلیت عبور مقادیر زیاد تداویده را داشته باشند.

دارای قدرت انتخابی زیاد باشند.

دارای مقاومت باکتریولوژی خوب باشند.

نسبت به مواد پاک کننده و ضد عفونی کننده مقاوم باشد.

هزینه تهیه آنها ارزان و مقرون به صرفه باشد.

دسته بندی غشاها غشاء های غیر متقارن »: ازشکل دهی یک محلول پلیمری در حلالها وغیر حلالها تولید می شود (التیرافیلتراسیون ) در برابر عوامل اکسید کننده و تمیز شدن اسید نیتریک و سود کاستیک مقاوم ولای نسبت به برذخی مقادیر کلز عکس العمل نشان می دهند .

غشاء های اساتدلاروزی: که در هیپر فیلتراسیون به کاربرده می شود به دماهای بیش از سی تا 40 درجه وشرایط قلیایی حساس می باشند .

غشاهای مرکب ورغهخ نازک : غشاهایی هستند که از شکل گیری لایه بسیار نازکی از یک پلیمر بر روی یک غشای اولترا فیلدراسیونی به وجود می آیند ودر هیپر فیلدراسیون محصولات لبنی کاربرد وسیعی دارند مثل غشاهای DDS HD گرچه حساسیت بیشتری به کلر از خود نشان می دهند اما از قابلیت های شیمیایی وحرارتی بالاترینسبتا به غشاهای استید سللوزی برخوردارند غشاهای غیر عالی هیدرواکسید زیرکونتیوم : در داخل لوله های کربن شکل می یابد وگاهی در صنایع لبنیات استفاده می شود تقسیم بندی غشاخهابراساس مواد سازنده غشاهعای پلیمری : الف : پلی پروپیلن MF ب : پلی ونیلیدن فلوریدن (pvdf) MF وUF ج سلولز نیترات MF وUF د: سلولز استات MF وUFو RO ه : پلی اتیل اترکتون MF وUF و : پلی نترا فلورا اتیلن ( PTFE) MFوUF غشاهای سرامیکی : کاربردهای آن در غنی سازی اورانیوم است.

غشاهای فلزی: جنس این نوع غشاها از فلزها وآلیاژهای فلزی می باشد.

غشاهای مایع : که در عملیات جداسازی بین دوفاز از یک مایع که در فاز مذکور حل نمی شود استفاده کرد .

حفره ها از نظر اندازه الف : حفره بزرگ marco pores بیش از 50 nm ب : حفره متوسط : marco pores بیش از 50 nm - 2 ج : حفره کوچک : marco pores بیش از 20 nm اندازه حفرات غشاهای مختلف Nf nm 2 Uf nm 50-2 Mf nm 5-0.05 Ro بدون حفره میباشد.

زنجیره های پلیمریتشکیل دهنده غشائ می تواند بلند یا کوتاه ،بلوری crystalline بیشکل amorphous یا متقاطعcross-linked باشند .

ساختمان غشاء : لایه فوقانی تا حد امکان نازک باشد که باعث افزایش شدت جریان عبوری از آن می شود.

اندازه قطر منافذ و پراکنندگی آنها در سطح غشاء نیز یکسان و یکنواخت باشد.

مقاومت در برابر فشار : غشاهای فرا پالایش دار محدوده فشار 5/1 تا 8 بار بکار برده می شوند.

پس باید در مقابل شدن مکانیکی مقاوم باشند در غیر این صورت ساختمان آنها تغییر شکل یافته و عملکردشان تغییر می یابد.

مقاومت در برابر دما: درجه حرارت عامل تأثیر گذار بر روی مواد سازنده غشاء است.

فرا پالایش شیر در دمای حدود c‌50 انجام می شود تا علاوه بر کنترل رشد باکتریها از افزایش ویسکوزیته شیر تغلیظ شده (در دمای پایین) جلوگیری شود، بنابراین غشاها بایستی در برابر حداکثر دمای کاربردی در طی فرآیند و عملیات شستشو مقاوم باشند.

مقاومت در برابر تغییرات PH : خواص و ترکیب شیمیایی ماده فراینده شوینده اثر مهمی بر روی عمر غشاها دارد.

غشاهای استات سلولز در مقابل محلولهای قلیایی آسیب پذیرند.

سازگاری شیمیایی : قابلیت تحمل غشاء در برابر مواد شیمیایی موجود در محلولهای شستشو مانند اسیدها، قلیاها، شوینده ها ، عوامل اکسید کننده و مواد ضد عفونی کننده می باشد.

مقاومت در مقابل تجزیه میکروارگانیزم ها : سیالهای بیولوژیک دارای مقادیر زیادی میکروفلور است که ممکن است بر روی مواد سازنده غشاء اثر سوء بر جای گذارند.

بنابراین بایستی مواد مصرفی در ساخت غشاء در مقابل آلودگی mic و تجزیه بیولو‍ژیکی (تأثیر پذیری در برابر آنزیمها) مقاوم باشند.

مدلهای غشائی برای بکارگیری غشاها لازم است از تجهیزاتی استفاده کنیم تا در مقابل فشارهای عملیاتی مقاوم باشند.

برای این منظور غشاها بر مدولهائی سوار می شوند که به آسانی در درون سیستمهای مکانیکی در کنار یکدیگر بصورت مرتب قرار می گیرند، یکی از اهداف اصلی طراحی مدولها، جا دادن قسمتهای بزرگ غشاء در یک حجم کوچک برای مقاومت در برابر سرعت جریانهای خوراک می باشد.

از انواع پیکربندیهای رایج در سیستمهای غشائی میتوان به صفحه سطح، لوله ای، فیبر تو خالی ظریف و مارپیچی – حلزونی اشاره کرد.

مدولهای صفحه مسطح ، یا سیستمهای غشائی صفحه و قاب از تعدادی غشای مسطح که لابلای آنها صفحات فاصله دهنده (فضا ساز spacer ) بکار رفته است.

تشکیل شده اند.

صفحات نگهدارنده از کانالهائی تشکیل شده که اجازه عبور خوراک و جریان نفوذی را میدهد این غشاها و صفحات نگهدارنده با قرار گرفتن در کنار یکدیگر باعث مقاومت در مقابل فشار اعمالی می شود.

ضخامت غشاها در حدود 50تا 500 mm میباشد.

این غشاها مستعد جرم گرفتن از طریق ذرات معلق می باشند.

مدولهای لوله ای ، اولین طرح سیستم اسمز معکوس بود که در مقیاس تجاری و صنعتی بکار گرفته شد.

این مدولها شامل غشاهائی که در درون لوله ها قرار گرفته اند هستند که دارای قطری از 6 تا mm 25 می باشند.

مدولهای لوله ای ثابت شامل چند تا از لوله های غشائی (1 و 7 یا 19) می باشند.

که یکدیگر را مانند یک ترکیب فشرده، نگه میدارند و بسوی لوله های رابط خوراک و مخازن جریان نفوذی هدایت می شوند.

چنانکه خوراک از یک انتهای لوله بداخل آن پمپ شده و در راستای شعاعی با فشار از لوله متخلخل و غشا عبور می کند.

در نتیجه آب از سطح خارجی غشاء چکه کرده و محلول نفوذی از انتهای دیگر لوله خارج می شود.

مدولهای غشائی لوله ای از حایل خارجی تشکیل شده اند، که از غشاهای لوله ای که در درون لوله های تکی قرار گرفته اند محافظت می کنند.

باعث می شود در برابر فشار زیاد مقاومت کنند که بیشتر همچنانکه گفته شد این سیستم مناسب اسمز معکوس می باشد ولی چون سطح غشائی در این نوع سیستم اسمز معکوس کوچک است استفاده از آن برای مواردی که سرعت حجمی جریان بالاست، بسیار پرهزینه خواهد بود.

مدولهای مارپیچی ، با هدف افزایش سطح غشائی در واحد حجم، با طرح اولیه مدولهای لوله ای طراحی شده اند.

در این سیستم دو لایه غشاء توسط یک صفحه مشبک پلاستیکی از یکدیگر جدا شده اند و در سمت دیگر غشاء نیز یک صفحه متخلخل وجود دارد که این پنج لایه به دور یک لوله متخلخل که جریان خوراک در آن وارد می شد پیچیده می شوند برای اختلاط جریان خوراک و جریان نفوذی، لبه های لوله را مسدود می کنند.

خوراک بعد از پمپ شدن به داخل لوله متخلخل به درون شبکه پلاستیکی وارد می شود، که محلول نفوذی در راستای شعاع از غشاء عبور کرده و وارد لایه متخلخل می شود و خارج می شود محلول تغلیظ شده نیز از انتهای دیگر لوله مارپیچی خارج می شود.

برای جمع آوری محلول نفوذ و ایجاد مقاومت در برابر فشار، کل غشاء در درون یک لوله فلزی مقاوم قرار می گیرد.

با توجه به اینکه شبکه لاستیکی به ایجاد اغتشاش و به حداقل رساندن تشکیل جرم و رسوب کمک می کند باز این سیستم مستعد جرم گرفتگی از طریق مواد معلق می باشد.

لوله های مارپیچی معمولاً دارای 11 سانتی متر قطر و 84 سانتی متر طول می باشند.

فاصله بین دو غشاء 7/0 میلی متر و مساحت آن 5 متر مربع است.

مدولهای فیبر توخالی ، شامل دسته هائی از فیبرها می باشند که دارای قطری برابر 5/0 تا mm 3 در درون لوله های رابط پلاستیکی محکم شده اند و در درون لوله های محافظ نفوذی در کنار هم قرار می گیرند خوراک به داخل لوله رانده شده و بعد از تغلیظ از سر دیگر خارج می شد و محلول نفوذی از لوله محافظ بیرونی عبور می کند.

فیبرهای تو خالی ثابت برای استفاده در فشارهای عملیاتی که مناسب بوده و برای جداسازی آرام و یکنواخت، برای اجزای معلق بکار می روند.

مدولهای فیبر تو خالی ظریف، حاوی رشته هائی با قطری در حدود 50 تا mm‌100 می باشند.

در این سیستم الیافی از فیبرها در درون قابل U شکل قرار می گیرند.

مایع خوراک به فضای بیرونی فیبرها وارد می شود و جریان نفوذی با عبور از غشاء از درون فیبرها خارج می شود که این‌ آرایش قادر خواهد بود در برابر فشارهای عملیاتی بالا مقاومت کند.

گرفتگی غشاء و روش مقابله با آن: هرگاه تراوایی محلول از یک غشاء با تراوای همان حلال به صورت خالص کمتر باشد این پدیده را گرفتگی غشاء می نامند.

گرفتگی غشاء یک مسأله در فرآیندهای فرا پالایش بوده و عوارش حاصل از آن متعدد گرفتگی غشاء یک مسأله در فرآیندهای فرا پالایش بوده و عوارش حاصل از آن متعدد می باشد و به عوامل زیر بستگی دارد : - مصرف انرژی : برای جبران اثر گرفتگی انر‍ژی بیشتری مورد نیاز است.

- مصرف زمان گرفتگی : گرفتگی غشاء باعث کاهش زمان کار مفید سیستم فرا پالایش می شود.

- از عمر مفید دستگاه می کاهد.

- بر خواص و کیفیت ماده غذایی تأثیر می گذارد.

گرفتگی موجب افزایش زمان نگهداری ماده غذایی در سیستم شده و احتمال افزایش بار میکروبی فرآورده نهایی وجود دارد.

انواع گرفتگی غشاء : گرفتگی سطحی (موقت) عامل این گرفتگی تهنشین شدن لایه ای یکنواخت روی سطح غشاء است.

این نوع گرفتگی با محلولهای شستشو قابل برطرف شدن است.

گرفتگی سطح شایعترین نوع گرفتگی در کارخانه های فراپالایش می باشد.

گرفتگی غشاء (دائمی ) : در این نوع گرفتگی ذرات به داخل منافذ غشاء نفوذ کرده و آنها را مسدود می کنند.

در این حالت نمی توان توسط عملیات شستشو گرفتگی غشاء را برطرف کرد.

اگر در حین عملیات سیستم uf برای مدت 5 الی 10 دقیقه خاموش شود.

سیال فرآوری شده که در تماس با غشاء وجود دارد موجب بروز این نوع گرفتگی می شود.

یکی دیگر از عوامل مهم در گرفتگی غشاها مسأله جذب مولکولهای درشت به سطح غشاء است.

این پدیده یک فرآیند ترمودینامیکی خود به خودی است که شاید اولین مرحله در بروز گرفتگی غشا باشد.

گرفتگی غشاء در صنایع لبنی : دو عامل اصلی گرفتگی غشا در صنایع لبنی عبارتند از : 1- ترکیب و خواص سیال فرآیند شوینده 2- کیفیت آب مصرفی جهت شستشوی غشا در مورد گرفتگی غشاء طی فرآیند فرا پالایش آب پنیر اطلاعات گسترده ای موجود است ولی در مورد گرفتگی غشاء در اثر فراپالایش شیر پس چرخ، دوغ کره یا شیر منعقد شده اطلاعات کمی در دسترس است.

گرفتگی غشاء طی عملیات فراپالایش آب پنیر: دو نوع عمده آب پنیر وجود دارد : آب پنیر شیرین (Sweet whey) از پنیرهایی که توسط آنزیم ونت منعقد شده اند استخراج می شود و PH آن بالاتر از 5 می باشد.

آب پنیر اسیدی (Acid whey) از پنیرهایی که توسط اسید منعقد شده اند استحصال می شود.

ویژگی آن PH پایین تر از 5 و داشتن مقدار مواد معدنی بالا بویژه فسفات کلسیم می باشد.

اگر آب پنیر بدون اعمال فرآیند حرارتی ذخیره گردد امکان رشد میکروبی در آن وجود دارد که این امر