بررسی عملکرد غشا الیاف توخالی نانوساختار پلی‌اترسولفون در تصفیه و تغلیظ آب پنیر

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار گروه ترموسینتیک و کاتالیست، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران

2 کارشناسی ارشد مهندسی شیمی- ترموسینتیک و کاتالیست، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران

10.22034/jest.2019.7828.1650

چکیده

زمینه و هدف: آب پنیر یک محصول جانبی صنایع لبنی در هنگام تولید پنیر است. به عنوان یک ماده خام، آب پنیر کاربردهای بسیاری در صنایع غذایی به دلیل خواص عملکردی و غذایی پروتئین­ها و لاکتوز موجود در آن دارد. تکنولوژی غشایی، مخصوصاً اولترافیلتراسیون (UF)، در صنعت لبنیات برای تولید کنسانتره پروتئین آب پنیر استفاده می­شود، زیرا این تکنولوژی امکان تغلیظ گزینشی پروتئین­ها نسبت به باقی اجزای آب پنیر را فراهم می­سازد. بر این پایه، هدف از این پژوهش تغلیظ و تصفیه آب پنیر با استفاده از غشاهای UF بوده است.
روش بررسی: سه غشا الیاف توخالی نانوساختار پلی­اترسولفون با مشخصات و اندازه حفرات متفاوت آزمایش شدند و اثر پارامترهای عملیاتی دما (دمای °C 43)، فشار (سه فشار bar 3، bar 2 و bar 1) و سرعت جریان عرضی خوراک بر شار جریان عبوری، پس زنی پروتئین و عبور لاکتوز بررسی و تحلیل شد.
یافته ها: نتایج نشان داده با افزایش فشار، شار افزایش پیدا کرد ولی این افزایش در فشارهای پایین­تر محسوس­تر بوده است. علاوه بر این، با توجه به افزایش گرفتگی و کاهش بازیابی شار، فشارهای بالا مناسب تشخیص داده نشد. افزایش سرعت جریان عرضی خوراک با افزایش تلاطم و کاهش گرفتگی بر روی سطح غشا، باعث افزایش شار شد اگرچه تأثیر این پارامترها بر درصد پس زنی پروتئین و عبور لاکتوز ناچیز بود. در بهترین شرایط عملیاتی درصد بیشینه پس زنی پروتئین 01/91 % اندازه­گیری شد.
بحث و نتیجه گیری:نتایج نشان داد که فرآیند UF با مدول الیاف توخالی برای تغلیظ و تصفیه آب پنیر مناسب است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 

 

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و دوم، شماره چهار، تیر  ماه 99

بررسی عملکرد غشا الیاف توخالی نانوساختار پلی­اترسولفون در

 تصفیه و تغلیظ آب پنیر

 

غلامرضا باکری[1]،*

bakeri@nit.ac.ir

شبنم لطفی [2]

تاریخ دریافت:23/08/93

تاریخ پذیرش: 26/02/97

چکیده

زمینه و هدف: آب پنیر یک محصول جانبی صنایع لبنی در هنگام تولید پنیر است. به عنوان یک ماده خام، آب پنیر کاربردهای بسیاری در صنایع غذایی به دلیل خواص عملکردی و غذایی پروتئین­ها و لاکتوز موجود در آن دارد. تکنولوژی غشایی، مخصوصاً اولترافیلتراسیون (UF)، در صنعت لبنیات برای تولید کنسانتره پروتئین آب پنیر استفاده می­شود، زیرا این تکنولوژی امکان تغلیظ گزینشی پروتئین­ها نسبت به باقی اجزای آب پنیر را فراهم می­سازد. بر این پایه، هدف از این پژوهش تغلیظ و تصفیه آب پنیر با استفاده از غشاهای UF بوده است.

روش بررسی: سه غشا الیاف توخالی نانوساختار پلی­اترسولفون با مشخصات و اندازه حفرات متفاوت آزمایش شدند و اثر پارامترهای عملیاتی دما (دمای °C 43)، فشار (سه فشار bar 3، bar 2 و bar 1) و سرعت جریان عرضی خوراک بر شار جریان عبوری، پس زنی پروتئین و عبور لاکتوز بررسی و تحلیل شد.

یافته ها: نتایج نشان داده با افزایش فشار، شار افزایش پیدا کرد ولی این افزایش در فشارهای پایین­تر محسوس­تر بوده است. علاوه بر این، با توجه به افزایش گرفتگی و کاهش بازیابی شار، فشارهای بالا مناسب تشخیص داده نشد. افزایش سرعت جریان عرضی خوراک با افزایش تلاطم و کاهش گرفتگی بر روی سطح غشا، باعث افزایش شار شد اگرچه تأثیر این پارامترها بر درصد پس زنی پروتئین و عبور لاکتوز ناچیز بود. در بهترین شرایط عملیاتی درصد بیشینه پس زنی پروتئین 01/91 % اندازه­گیری شد.

بحث و نتیجه گیری:نتایج نشان داد که فرآیند UF با مدول الیاف توخالی برای تغلیظ و تصفیه آب پنیر مناسب است.

کلمات کلیدی: آب پنیر، غشا الیاف توخالی، فرآیند اولترافیلتراسیون، غشا نانوساختار پلی­اترسولفون، پروتئین

 


 

 

J. Env. Sci. Tech., Vol 22, No.4,June, 2020

 

 An Investigation on the Performance of Nanostructure

Poly-Ether-Sulfone Hollow Fiber Membrane in

Concentration and Purification of Whey

 

Gholamreza Bakeri [3]*

bakeri@nit.ac.ir

Shabnam Lotfi [4]

Accepted: 2018.05.16

Received: 2014.11.14

Abstract

Background and Objective: Whey is a by-product of dairy industries along cheese production. As a raw material, whey has several applications in food industries and its valuable protein and lactose contents. Membrane technology, more specifically ultrafiltration (UF), is being used in dairy industry to produce whey protein concentrate (WPC) because this technology allows selective separation of whey proteins compared to the rest of its components. In this regard, the objective of this research was to investigate the effects of different operating parameter on whey protein concentration and purification process using ultrafiltration membranes.

Method: Three different nanostructure Poly-Eether-Sulfone (PES) hollow fiber membranes were tested and the effects of operating parameters, temperature (43 oC), three different pressures (1 bar, 2 bar, 3 bar) and feed flow rate on the permeate flow rate, protein rejection and lactose permeation were studied.

Findings: Results showed that pressure increase enhances the permeation flow rate which is more sensible at lower pressures. Moreover, high pressures have not been considered suitable considering higher fouling and lower flux recovery. Increasing feed flow rate resulted in higher turbulence on the surface of the membrane and reduces the membrane fouling and enhances the permeation flow rate even though these parameters (pressure and feed flow rate) did not have any significant effect on the protein rejection and lactose permeation. At the best operating conditions, maximum protein rejection was %91.01.

Discussion and Conclusion: considering the findings, it can be concluded that UF process using PES hollow fiber membrane is capable of performing desired separation and purification of whey.

Keywords: whey, hollow fiber membrane, ultrafiltration process, nanostructured Poly-Ether-Sulfone Membrane, Protein.


مقدمه

 

به علت گسترش روزافزون کارخانجات پنیرسازی در کشور و عدم استفاده از آب پنیر، این فرآورده به محیط زیست تخلیه می شود که به علت بالابودن BOD و COD باعث آلودگی زیست محیطی می­گردد. چنانچه در فاضلاب­ها و چاه­ها ریخته شود، به علت نفوذناپذیر بودن، سبب پرشدن مکان­های یادشده می­گردد و اگر به رودخانه­ها وارد شود، به دلیل دارابودن مواد آلی، اکسیژن محلول را کاهش داده و مرگ و میر آبزیان را به دنبال خواهد داشت. علاوه بر این، واردکردن آب پنیر به محیط­زیست افزون بر آلودگی شدید، باعث هدررفت هزاران تن پروتئین با ارزش بیولوژیکی بالا و لاکتوز و مقادیر قابل توجهی ویتامین و مواد معدنی می­شود.

آب پنیر یک محصول جانبی تهیه پنیر است که از پنیر دلمه شده جدا می­شود و تقریبا حاوی نیمی از مواد جامد موجود در شیر کامل می­باشد. این مواد جامد شامل لاکتوز، مواد معدنی (مثل کلسیم، منیزیم، فسفر و ...)، ویتامین ها، پروتئین و بخشی از چربی شیر است [1]. در طی تولید یک پوند پنیر تقریبا 9 پوند آب پنیر تولید می­شود .امروزه تکنولوژی­های غشایی از جایگاه و کاربرد وسیعی در صنایع لبنی برخوردارند. شاید بهترین کاربرد غشاهای اولترافیلتراسیون در فرآیند آب پنیر باشد. اولترافیلتراسیون در حقیقت یک فرآیند جداسازی غشایی با استفاده از نیروی فشار می­باشد. این فرآیند می­تواند جداسازی و تغلیظ موادی با وزن ملکولی بین ١٠٠٠ تا 1.000.000 دالتون را انجام دهد [2]. با استفاده از فرآیند اولترافیلتراسیون می­توان به تغلیظ پروتئین­های طبیعی آب پنیر به منظور تولید پودر پروتئین آب پنیر با مقادیر متفاوت دست یافت. فرآیندهای سنتی تصفیه آب پنیر مثل تبخیر و خشک کردن به دست یافتن مواد ارزشمند آن کمکی نمی کند. از این روش­ها فقط در جهت کاهش حجم آب موجود در آب پنیر و بالابردن کیفیت نگهداری استفاده می­شود. از این رو تلاش برای بهبود نتایج حاصل از اولترافیلتراسیون با بررسی عوامل و شرایط عملیاتی مؤثر بر آن می­تواند ارزشمند باشد.

فرآیندهای جداسازی غشایی مزایای قابل توجهی نسبت به رویکردهای رقیب خود برای تغلیط یا جداسازی در صنایع زیست­فناوری یا غذایی دارند، از جمله [3]:

  • نیازی به تغییر حالت یا فاز حلال نیست، به همین دلیل معمولاً به صرفه­ترند.
  • عملیات به نسبت در دماهای پایین­تری صورت می­گیرد، پس برای مواد حساس به حرارت مناسب بوده و باعث جلوگیری از کاهش تغییرات در طعم یا مشخصه­های کیفی دیگر می­شود و از طرفی تخریب و تغییر حالت آنزیم­ها را به طور قابل توجهی کاهش می­دهد.
  • درجات بالایی از جداسازی بدون استفاده از فرآیندهای پیچیده­ انتقال حرارت و تجهیزات تولید آن قابل دست­یابی است.
  • جداسازی طیف گسترده­ای از اندازه­ها را که در چندین درجه بزرگی قرار دارند، شامل می­شود. از کوچک­ترین یون­ها تا گلبول­های چربی و یا سلول­های باکتری.

یکی از مهم­ترین محدودیت فرآیندهای غشایی عدم توانایی تغلیظ مواد حل شده تا درجه­ حصول ماده­ خشک است. درجه­ تغلیظ توسط فشارهای اسمزی بالا و ویسکوزیته­ بالا یا شار­های پایین انتقال جرم حاصل در غلظت­های بالای ماده­ حل شده، محدود می­شود [2]. فرآیندهای جداسازی غشایی در بازه­ وسیعی از صنایع تخمیری، دارویی، الکترونیک، غذایی، نوشیدنی، شیمیایی و خودروسازی کاربرد دارند. توسعه مواد و فناوری و کاهش نسبی هزینه­های تجهیزات فرآیندهای غشایی منجر به استفاده وسیع­تر و مبتکرانه­تر این فناوری در صنایع لبنی شده است.

عملکرد یک غشا با دو فاکتور اصلی تعیین می‌شود که عبارتند از شار جریان عبوری از غشا و پس­دهی[5] غشا. شار یا شدت تراوش­پذیری عبارت است از شدت جریان (حجمی یا جرمی) که در واحد زمان از واحد سطح غشا عبور می‌نماید. در زمینه جداسازی آب­پنیر پس­دهی مربوط به پروتئین و چربی که ذرات درشت­تری در بین اجزای دیگر دارند، می­شود. پژوهشگران بسیاری به بررسی عوامل مختلف مؤثر بر عملکرد غشاهای اولترافیلتراسیون در تصفیه و تغلیظ آب پنیر پرداخته اند [8-4]. برخی دیگر استفاده از فرآیندهای چندمرحله­ای و ترکیب اولترافیلتراسیون با نانوفیلتراسیون، اسمز معکوس و یا کروموتوگرافی تبادل یونی را به منظور جداسازی پروتئین­های آب پنیر از یکدیگر و یا دست­یابی به لاکتوز با خلوص بالا پیشنهاد داده­اند [1،13-9]. Sarkar و همکارانش [13] با استفاده از مدول اولترافیلتراسیون دیسک چرخان به بررسی اثر پارامترهای عملیاتی مختلف مانند pH محلول، فشار دو سمت غشا و چرخش غشا بر روی شار جریان عبوری از غشا و پس زنی غشا پرداختند. در این پژوهش از یک فرآیند دومرحله­ای استفاده شد که علاوه بر جداسازی پروتئین­های آب پنیر از یکدیگر، لاکتوز در جریان عبوری از غشا با حفرات کوچک­تر بازیابی شد (پروتئین پس زده شده و در بخش باقی مانده بازیابی می­شود، لاکتوز که اندازه ذرات بسیار کوچک­تری دارد، عبور کرده و در بخش جریان عبوری از غشا قرار می­گیرد). این فرآیند با جلوگیری از ورود لاکتوز به محیط زیست و استفاده دوباره از آن نقش مهمی در کاهش آلودگی طبیعت دارد و باعث افزایش صرفه اقتصادی فرآیند می­شود.

پژوهشی که توسط Rektor و همکارش [5] انجام یافت، نشان داد که میکروفیلتراسیون با اندازه حفره mµ 2/0 توانایی پس زنی چربی به میزان 7/98% را دارد، زیرا طبق مطالعات علمی انجام گرفته اندازه گلبول­های چربی بین mµ 20-1/0 است. در بسیاری از حالات، هزینه استفاده از یک مرحله میکروفیلتراسیون به عنوان پیش تصفیه برای فرآیندهای اولترافیلتراسیون از لحاظ اقتصادی به صرفه نمی­باشد. اما برخی از خوراک­ها با توجه به ترکیبات و ماهیت آنها، غشاهای اولترافیلتراسیون را به شدت مسدود می­کنند که در این صورت پیش تصفیه آنها با میکروفیلتراسیون، امری اجتناب ناپذیر است. به عنوان مثال، در فرآیند اولترافیلتراسیون شیر یا آب پنیر، اجزایی مانند چربی، کازئین، پروتئین­های منعقدشده و
میکروارگانیزم­ها، همگی موجب انسداد شدید غشا می­شوند. در تغلیظ شیر، استفاده از میکروفیلتراسیون لوله­ای به عنوان یک پیش فیلتر، بازده اولترافیلتراسیون را به اندازه 100% مقدار متوسط افزایش می­دهد [14]. قراردادن یک مرحله میکروفیلتراسیون قبل از UF آب پنیر توسط بسیاری از محققان پیشنهاد شده است [15،13،11].

در این پژوهش از غشا الیاف توخالی نانوساختار پلی­اترسولفون[6] استفاده شده است. PES یکی از مهم­ترین پلیمرهایی است که به طور گسترده­ای در ساخت غشاها مورد استفاده قرار می گیرد. غشاهای PES پایداری اکسیداسیون، حرارتی و هیدرولیکی برجسته و همچنین خصوصیات مکانیکی خوبی نشان داده­اند. از معایب این پلیمر آب گریز بودن آن ذکر شده که در فیلتراسیون غشایی مشکل مهمی می­باشد، زیرا باعث نیاز به انرژی بالاتر، عمر مفید کوتاه­تر و عملکرد جداسازی غیرقابل پیش­بینی می­شود [16]. از این رو انجام اصلاحاتی برای برطرف کردن این مسأله بسیار مطلوب است. اعتقاد بر این است که برای فرآیندهای صنعتی، غشاهای الیاف توخالی مؤثرتر و ارزان­تر از غشاهای صفحه تخت هستند، زیرا نسبت سطح به حجم غشاهای الیاف توخالی بزرگ­تر است و به همین دلیل تعداد کم­تری از تولیدکنندگان غشاهای صفحه تخت تولید می­کنند. مدول الیاف توخالی کمترین فضای مرده را ارائه می­دهد و می­تواند با شستشوی معکوس مکرر تمیز شود، در نتیجه عمر غشا طولانی­تر می­شود و می­تواند در یک کاربرد مشخص به شکلی طراحی شود که ابعادی مخصوص برای کمینه کردن گرفتگی غشا داشته باشد [3].

هدف از این پژوهش تعیین پارامترهای عملیاتی موثر بر روی عملکرد غشا الیاف توخالی نانوساختار پلی­اترسولفون در تصفیه آب پنیر است. به این منظور غشاهای تهیه شده در سه فشار bar 3، bar 2 و bar 1، دمای °C 43 و سرعت جریان­های مختلف از نظر درصد پس­زنی پروتئین، عبور لاکتوز و شار جریان عبوری مورد بررسی قرار گرفتند تا شرایط عملیاتی بهینه به دست آید.

روش بررسی

آب پنیر

آب پنیر استفاده شده به صورت سنتزی، روزانه دقایقی قبل از آزمایش تهیه شد. برای تهیه خوراک (آب پنیر)، 60 گرم از پودر آب پنیر در 940 گرم آب یون­زدایی شده با هدایت الکتریکی 9/2 میکروزیمنس بر سانتی متر حل شده و خوراک با درصد وزنی 6% ماده جامد تهیه شد. مقادیر اولیه لاکتوز، پروتئین و خاکستر در آب پنیر سنتزی به ترتیب 79%، 8% و 1±8% بود. از آن جا که پودر آب پنیر چربی زدایی شده بود از محتوای چربی آب پنیر سنتزی صرف نظر شد.

مشخصات غشاها

غشای مورد استفاده برای انجام پژوهش، غشا الیاف توخالی نانوساختار پلی­اتر­سولفون بوده که توسط دستگاه تارساز ساخته شده است. تخلخل، اندازه حفره و زاویه تماس آب با سطح خارجی غشاهای الیاف توخالی تهیه شده  (اندازه گیری شده با دستگاه مدل G1, Krüss GmbH, Hamburg, Germany) در جدول 1 نشان داده­ شده ­است. شعاع متوسط حفره­های غشا با استفاده از شار آب خالص و با معادلهGuerout–Elford–Ferry  محاسبه شد [17]. تخلخل غشاهای تهیه شده در محدوده 77/0-71/0 است. نفوذپذیری غشاهای متخلخل متأثر از اندازه حفره و ساختار غشا می باشد.

 

 

جدول 1- مشخصات غشاهای الیاف توخالی موردبررسی در این پژوهش.

Table 1- The characteristics of hollow fiber membranes.

قطر خارجی (mm)

قطر داخلی (mm)

تخلخل (%)

شعاع حفره (نانومتر)

زاویه تماس آب

غشا

75/0

55/0

77

29/8

28/1 ± 13/77

M1

75/0

5/0

75

43/7

98/1 ± 17/82

M2

80/0

5/0

71

70/6

96/1 ± 16/83

M3

 


تخلخل غشا

تخلخل غشا (Ɛ) عبارت است از نسبت حجم حفره­های مجزا/جداشده به حجم کل غشای متخلخل. تخلخل غشا با استفاده از رابطه 1 محاسبه می شود [18].

(1)

 

 

که ε تخلخل غشا، 1ω وزن غشا تر (بر حسب گرم)، 2ω وزن غشا خشک (بر حسب گرم)، pρ دانسیته پلیمر (بر حسب گرم بر سانتی متر مکعب) و wρدانسیته آب (بر حسب گرم بر سانتی متر مکعب) می باشند. برای تهیه غشاهای خشک و غشاهای تر، تعدادی غشا الیاف توخالی در نظر گرفته می­شود.

 

الیاف مشخص را به مدت 3 روز در متانول و سپس به مدت سه روز در آب قرار می­دهیم. قبل از وزن نمودن غشاهای تر، آب باقی مانده در داخل الیاف را با جریان هوا خارج می­سازیم. غشاهای تر در آون خلا به مدت 12 ساعت در درجه حرارت 40 درجه سانتی گراد خشک شده و وزن می­شوند.

تجهیزات فیلتراسیون

شار جریان عبوری و پس­دهی غشاهای نانوساختار الیاف توخالی پلی­اتر­سولفون با استفاده از تجهیزات آزمایشگاهی اولترافیلتراسیون جریان متقاطع در شرایط عملیاتی مختلف اندازه گیری شده است. شماتیکی از تجهیزات آزمایشگاهی در شکل 1 نشان داده شده است. دمای مخزن خوراک (T) در تمام مدت آزمایش تحت کنترل بود. برای جلوگیری از نوسانات جریان بعد از خروج از پمپ، یک محفظه نوسان گیر تعبیه شد که از نوسان فشارسنج و آسیب­های واردشده به تجهیزات و غشا جلوگیری شود. جریان عبوری از غشا و باقی مانده به غیر از مواردی که برای آنالیز نمونه برداری شد، به مخزن خوراک بازگردانیده شد و سیستم در حالت در گردش کامل قرار داشت.

 


 

شکل 1- شماتیکی از فرآیند اولترافیلتراسیون جریان متقاطع: T (مخزن خوراک)، P (پمپ)، PI (فشارسنج)، TI (دماسنج)، M (ماژول غشایی).

Fig. 1- The schematic of ultrafiltration setup, T: feed tank, P: pump, PI: pressure gauge, TI: temperature sensor, M: membrane module.

 

روش­های آنالیز

 

برای ارزیابی عملکرد سیستم علاوه بر اندازه­گیری شار جریان عبوری از غشا، میزان پس­دهی پروتئین و عبور لاکتوز با تعیین غلظت پروتئین و لاکتوز در جریان عبوری از غشا در هر آزمایش بررسی شد. برای انجام آنالیز مربوط به تعیین غلظت پروتئین از آزمون بردفورد [19] استفاده شد. این آزمون روش رنگ­سنجی پروتئین بر مبنای تغییر جذب رنگ کوماسی بریلینت بلو جی-250[7] است. برای انجام آنالیز مربوط به لاکتوز از معرف فنل و اسید سولفوریک استفاده شد [20]. با استفاده از فنل و اسید سولفوریک غلیظ، لاکتوز به رنگ قهوه­ای در می­آید که شدت آن می­تواند در طول موج 480 نانومتر اندازه­گیری شود. هر دو آزمون از روش­های اسپکتروفوتومتریک بوده و جذب محلول­ها توسط دستگاه اسپکتروفوتومتر UV-visible مدل ChromTech خوانده شد.

 

آزمایش ها

قبل از انجام آزمایش ها بر روی آب پنیر، شار آب خالص به منظور تعیین اندازه حفره غشا و همچنین تعیین میزان گرفتگی توسط آب پنیر اندازه­گیری شد. آزمایش ها با آب پنیر در دمای  oC43 و سه فشار bar 1، bar 2 و bar 3 انجام گرفت. دمای oC 43 به دلیل نزدیکی به دمای خروجی آب پنیر از کارخانه انتخاب شد. شکل 2 شماتیکی از روند انجام آزمایش ها را نشان می­دهد.

آزمایش­های

انجام شده

43

 

1

2

سرعت جریان خوراک  (m/s)

فشار (bar)

دما (°C)

CFVmax     ........ CFVmin

3

شکل 2- آزمایش­های انجام شده در این پژوهش.

Fig. 2- The flowchart of performed experiments.

بعد از هر آزمایش غشاها به منظور برطرف کردن گرفتگی­های بازگشت­پذیر و بازیابی شار اولیه شستشو داده شدند. در صنایع لبنی عمده موادی که باعث گرفتگی غشا می­شوند پروتئین­ها و مواد معدنی (به خصوص فسفات کلسیم) هستند، اگرچه چربی­ها می­توانند بر لایه­های به جامانده تاثیرگذار باشند. روش معمول برای حذف پروتئین و چربی جریان گردشی محلول قلیایی است و در ادامه از اسیدشویی برای حذف مواد معدنی استفاده می­شود. استفاده از آنزیم­های پروتئولیتیک و مواد شیمیایی جداسازی یون­ها نیز قابل استفاده است [21]. در این پژوهش برای فرآیند شستشوی غشا ابتدا آب یون زدایی شده با دمای  oC 45 جایگزین آب پنیر شد. سپس غشاها با استفاده از محلول شوینده شیمیایی در دمای oC 45 شستشو داده شدند. به منظور خروج تمامی مواد شیمیایی دوباره غشاها با آب یون زدایی شده  oC 45 شستشو داده شدند. همه این مراحل ابتدا به صورت شستشوی مستقیم و سپس به صورت
شستشوی معکوس انجام یافت. اگر دمای صحیح در حین فرآیند و شستشو رعایت نشود، آسیب­هایی ممکن است به غشا وارد شود. این امر مخصوصاً در شرایطی اهمیت دارد که دمای اضافی باعث دناتوره شدن رسوبات شود که پس از آن حذف آن­ها از غشا بسیار دشوار می­شود [22]. محلول شیمیایی با استفاده از آب یون­زدایی شده با هدایت الکتریکی 9/2 میکروزیمنس بر سانتی متر، اتیلن­دی­آمین­تترااستیک­اسید (EDTA[8]) و سدیم­دو­دسیل­سولفات (SDS) و سود صنعتی (NaOH) تهیه شد. محلول شستشو با غلظت:EDTA = 0.01 wt% ، SDS = 0.01 wt%  وNaOH = 0.01 wt% (سود صنعتی) تهیه شد. از استفاده از محلول اسیدی به منظور جلوگیری از واردآمدن آسیب به غشا و تجهیزات صرف نظر شد. بعد از اتمام شستشو برای اطمینان از کارآمدبودن فرآیند شست و شو، شار آب خالص اندازه گیری شد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

یافته ها و بحث

 

(ب)

(الف)

   

(ج)

 

شکل 3-تغییرات شار جریان عبوری آب پنیر بر حسب زمان پایداری برای غشاهای مختلف.دما:  oC43. (الف) فشارbar 1،  (ب) فشارbar 2،  (ج) فشارbar 3.

Fig. 3- The plots of whey flux versus the stabilization time for different membranes. T: 43 oC. (a) P = 1 bar, (b) P = 2 bars, (c) P = 3 bars.

شکل 3 (الف، ب و ج) تغییرات شار آب پنیر را بر حسب زمان پایداری (ST [9]) به ترتیب در در فشارهای bar 1، bar 2 و bar 3، دمای oC 43 و سرعت جریان عرضی بیشینه معادل m/s 1745/0، m/s 1834/0 و m/s 1997/0 برای سه غشا موردآزمایش به ترتیب M1، M2 و M3 نشان می­دهد. همان طور که در شکل های یادشده مشخص است، شار با گذشت زمان کاهش یافته که نشان دهنده گرفتگی و پلاریزاسیون غلظتی است. شیب تند اولیه در نمودار به علت ساخته شدن
لایه مقاومت بر روی سطح غشا است که در نهایت به حالت پایدار می­رسد و به یک مقدار ثابت میل می­کند [13]. محققان دیگری نیز به نتایج مشابهی دست یافته­اند [26-23،4]. در شکل 3 اثر اندازه حفرات بر فلاکس جریان عبوری به خوبی مشهود است. علاوه بر این مشاهده می شود که روند تغییرات شار بر حسب زمان پایداری در فشارهای مختلف یکسان بوده و تنها میزان شار تغییر می کند. از بین سه غشا موردبررسی، غشا M1بهترین عملکرد را از خود نشان داده است.

 

 

 

 

 

تأثیر سرعت جریان­ عرضی خوراک[10] (CFV) بر شار جریان عبوری آب پنیر در 3 فشار bar 1، bar 2 و bar 3 برای سه غشا موردآزمایش در شکل 4 نشان داده شده است. با بررسی نمودار مشخص است که شار جریان عبوری با افزایش سرعت جریان عرضی خوراک افزایش می­یابد که این امر ناشی از
کاهش مقاومت لایه نشسته بر روی سطح غشا است. بررسی دیگر محققان نیز روند این نتایج را نشان می­دهد [5،8،13،27]. با کاهش سرعت جریان عرضی خوراک تا نزدیکی صفر، گرفتگی به میزانی افزایش پیدا می­کند که تأثیر عواملی مانند فشار کمرنگ­تر می­شود.

 

 

 

 

 

 

 

(الف)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

(ب)

 

(ج)

شکل 4- تغییرات شار جریان عبوری از غشا بر حسب سرعت جریان عرضی خوراک در فشار bar 1، bar 2 و bar 3. دما: oC 43 (الف) غشا M1، (ب) غشا M2، (ج) غشا M3.

Fig. 4- The plots of whey flux versus the CFV of feed at 1 bar, 2 bars and 3 bars transmembrane pressure. T: 43 oC. (a) membrane #M1, (b) membrane #M2, (c) membrane #M3.

 

 

 

در شکل 4 تأثیر فشار بر شدت جریان عبوری غشا نیز قابل مشاهده است. وابستگی شدت جریان عبوری از غشا به فشار اعمال شده به آسانی قابل درک است، چرا که فشار نیروی محرکه جداسازی است. شار با افزایش فشار افزایش می­یابد، معمولاً تا یک مقدار محدودکننده که میزان جریان عبوری از غشا به دلیل لایه مرزی یا لایه gel-permeation در سطح غشا، مستقل از فشار می­شود [3]. با افزایش فشار لایه کیک تشکیل شده بر روی سطح غشا ضخیم­تر و محکم­تر می­شود، در نتیجه بر روی شار عبوری تأثیر منفی می­گذارد. ادغام این دو اثر با یکدیگر باعث می­شود محققان به دنبال یک فشار بهینه برای فرآیند فیلتراسیون باشند. مطالعات دیگر محققان نیز نشان دهنده این امر است [29-26، 13، 8-6].

میزان پس زنی پروتئین و لاکتوز با تغییر پارامترهای عملیاتی موردبررسی در این پژوهش (فشار، دما و سرعت جریان عرضی خوراک) تغییر چندانی از خود نشان نداد. حداکثر پس زنی برای غشاهای M1، M2 و M3 به ترتیب 88/88%، 01/91% و 17/90% بود و میزان عبور لاکتور برای هر سه غشا حدود 100% اندازه­گیری شد. تغییرات اندک پس زنی با پارامترهای عملیاتی فشار و سرعت جریان عرضی خوراک می­تواند به این دلیل باشد که اندازه اکثریت پروتئین­های آب پنیر از بزرگترین حفرات غشا بزرگ­تر است و میزان اندک پروتئین مشاهده شده در جریان عبوری از غشا مربوط به پروتئین­های کوچک آب پنیر است که درصد آن­ها بسیار کم است.

 

نتیجه­گیری

با توجه به آزمایش ها انجام یافته در این پژوهش می­توان نتیجه گرفت با استفاده از غشا الیاف توخالی نانوساختار پلی­اترسولفون می­توان به جداسازی مناسب ترکیبات آب پنیر دست یافت. جریان عبوری از غشا که عمدتاً حاوی لاکتوز است، می­تواند برای مصارف بستنی سازی، خوراک دام و ... استفاده شود و یا دست­یابی به لاکتوز با خلوص بالا که می­تواند مصرف دارویی داشته باشد با یک مرحله اسمز معکوس در ادامه امکان­پذیر است. جریان باقی مانده که حاوی پروتئین­های ارزشمند آب پنیر است، می­تواند برای بهبود کیفیت پنیر به خط تولید پنیر بازگردد و یا برای جداسازی پروتئین­ها از یکدیگر می­توان از یک مرحله اولترافیلتراسیون در ادامه اولترافیلتراسیون قبلی با استفاده از شرایط عملیاتی بهینه و تنظیم pH مناسب استفاده کرد.

نتایج کلی که می­توان از بررسی پارامترهای عملیاتی به دست آورد بدین شرح است:

  • با افزایش فشار، شار افزایش پیدا می­کند تا جایی که تأثیر منفی لایه پلاریزاسیون غلظتی مانع از افزایش بیشتر شار می­شود.
  • با افزایش سرعت جریان عرضی خوراک شار افزایش می­یابد. این افزایش سرعت توسط افزایش مصرف انرژی محدود می­شود.
  • ·        با توجه به اندازه حفرات و ساختار غشا تغییر پارامترهای فشار و سرعت جریان عرضی خوراک تأثیر قابل توجهی بر پس زنی پروتئین و عبور لاکتوز نداشت.

 

مراجع

        1.        Yorgun, M.S., Balcioglu, I.A., & Saygin, O. (2008). Performance comparison of ultrafiltration, nanofiltration and reverse osmosis on whey treatment. Desalination, Vol. 229, pp. 204-216.

        2.        Cheryan, M. (1998). Ultrafiltration and microfiltration handbook. CRC Press.

        3.        Goulas G. and Grandison A. (2008), Applications of membrane separation. in advanced dairy science and technology, Blackwell Publishing. pp. 35-75.

        4.        Li, Y., & Chung, T.S. (2008). Exploration of highly sulfonated polyethersulfone (SPES) as a membrane material with the aid of dual-layer hollow fiber fabrication technology for protein separation. Journal of Membrane Science, Vol. 309, pp. 45-55.

        5.        Rektor, A., & Vatai, G. (2004). Membrane filtration of Mozzarella whey. DesalinationVol. 162, pp. 279-286.

        6.        Baldasso, C., Barros, T.C., & Tessaro, I.C. (2011). Concentration and purification of whey proteins by ultrafiltration. DesalinationVol. 278, pp. 381-386.

        7.        Chollangi, A., & Hossain, M.M. (2007). Separation of proteins and lactose from dairy wastewater. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, Vol. 46, pp. 398-404.

        8.        She, Q., Tang, C.Y., Wang, Y.N., & Zhang, Z. (2009). The role of hydrodynamic conditions and solution chemistry on protein fouling during ultrafiltration. DesalinationVol. 249, pp. 1079-1087.

        9.        Sangita Bhattacharjee, C.B. (2006), Studies on the fractionation of ᵝ-lactoglobulin from casein whey using ultrafiltration and ion-exchange membrane chromatography, Journal of Membrane Science, Vol. 275, pp. 141–150.

       10.      Cheang, B., & Zydney, A.L. (2004). A two-stage ultrafiltration process for fractionation of whey protein isolate. Journal of Membrane Science, Vol. 231, pp. 159-167.

       11.      de Souza, R.R., Bergamasco, R., da Costa, S.C., Feng, X., Faria, S.H.B., & Gimenes, M.L. (2010). Recovery and purification of lactose from whey. Chemical Engineering and Processing: Process IntensificationVol. 49, pp. 1137-1143.

       12.      Arunkumar A. & Etzel M.R., (2013), Fractionation of a-lactalbumin from b-lactoglobulin using positively charged tangential flow ultrafiltration membranes. Journal of Separation and Purification Technology, Vol. 105, pp. 121–128.

       13.      Sarkar, P., Ghosh, S., Dutta, S., Sen, D., & Bhattacharjee, C. (2009). Effect of different operating parameters on the recovery of proteins from casein whey using a rotating disc membrane ultrafiltration cell. DesalinationVol. 249, pp. 5-11.

       14.      Porter, M. (1990). Handbook of industrial membrane technology. William Andrew.

       15.      Akbache A., Lamiot É., Moroni O., Turgeon S., Gauthier S., Pouliot Y. (2009), Use of membrane processing to concentrate TGF-B2 and IGF-I from bovine milk and whey. Journal of Membrane Science, Vol. 326, pp. 435–440.

       16.      Zhao, C., Xue, J., Ran, F., & Sun, S. (2013). Modification of polyethersulfone membranes–a review of methods. Progress in Materials Science, Vol. 58, pp. 76-150.

       17.      Yuliwati, E., & Ismail, A.F. (2011). Effect of additives concentration on the surface properties and performance of PVDF ultrafiltration membranes for refinery produced wastewater treatment. Desalination, Vol. 273, pp. 226-234.

       18.      Yuliwati, E., Ismail, A.F., Matsuura, T., Kassim, M.A., & Abdullah, M.S. (2011). Effect of modified PVDF hollow fiber submerged ultrafiltration membrane for refinery wastewater treatment. Desalination, Vol. 283, pp. 214-220.

       19.      Bradford, M.M. (1976). A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Analytical biochemistryVol. 72, pp. 248-254.

       20.      Dubois, M., Gilles, K.A., Hamilton, J.K., Rebers, P., & Smith, F. (1956). Colorimetric method for determination of sugars and related substances. Analytical chemistry, Vol. 28, pp. 350-356.

       21.      Vankelecom, I.F.J. and Gevers, L.E.M. (2005), Membrane processes in green separation processes, Wiley-VCH Verlag GmbH, 251-289.

       22.      Askew, C.E., Poele, S.T., Skou, F., (2008). Membrane filtration in cleaning-in-place: dairy, food and beverage operations. Blackwell Publishing. Third ed., pp. 195-222.

       23.      Ramachandra Rao, H.G. (2002). Mechanisms of flux decline during ultrafiltration of dairy products and influence of pH on flux rates of whey and buttermilk. DesalinationVol. 144, pp. 319-324.

       24.      Li, Q., Lin, H.H., & Wang, X.L. (2014). Preparation of sulfobetaine-grafted PVDF hollow fiber membranes with a stably anti-protein-fouling performance. Membranes, Vol. 4, pp. 181-199.

       25.      Narong, P., & James, A.E. (2008). Efficiency of ultrafiltration in the separation of whey suspensions using a tubular zirconia membrane. DesalinationVol. 219, pp. 348-357.

       26.      Carić, M.Đ., Milanović, S.D., Krstić, D.M., & Tekić, M.N. (2000). Fouling of inorganic membranes by adsorption of whey proteins. Journal of Membrane ScienceVol. 165, pp. 83-88.

       27.      Atra, R., Vatai, G., Bekassy-Molnar, E., & Balint, A. (2005). Investigation of ultra-and nanofiltration for utilization of whey protein and lactose. Journal of Food Engineering, Vol. 67, pp. 325-332.

       28.      Chiang, B.H., & Cheryan, M. (1986). Ultrafiltration of skim milk in hollow fibers. Journal of Food Science, Vol. 51, pp. 340-344.

       29.      Breslau, B.R., & Kilcullen, B.M. (1977). Hollow fiber ultrafiltration of cottage cheese whey: Performance study. Journal of dairy scienceVol. 60, pp. 1379-1386.

 

 

 

 



1- دانشیار گروه ترموسینتیک و کاتالیست، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران

2- کارشناسی ارشد مهندسی شیمی- ترموسینتیک و کاتالیست، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران

[3]- Associate Professor, Thermo-Kinetics and Catalyst Group, Faculty of Chemical Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran

[4] -M.Sc., Chemical Engineering, Thermo-Kinetics and Catalyst Group, Faculty of Chemical Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran

[5]- Rejection

[6]- Polyethersulfone (PES)

[7]- Coomassie Brilliant Blue G-250

[8]- Ethylenediaminetetraacetic acid

[9]- Stabilization time

[10]- Cross Flow Velocity

        1.        Yorgun, M.S., Balcioglu, I.A., & Saygin, O. (2008). Performance comparison of ultrafiltration, nanofiltration and reverse osmosis on whey treatment. Desalination, Vol. 229, pp. 204-216.
        2.        Cheryan, M. (1998). Ultrafiltration and microfiltration handbook. CRC Press.
        3.        Goulas G. and Grandison A. (2008), Applications of membrane separation. in advanced dairy science and technology, Blackwell Publishing. pp. 35-75.
        4.        Li, Y., & Chung, T.S. (2008). Exploration of highly sulfonated polyethersulfone (SPES) as a membrane material with the aid of dual-layer hollow fiber fabrication technology for protein separation. Journal of Membrane Science, Vol. 309, pp. 45-55.
        5.        Rektor, A., & Vatai, G. (2004). Membrane filtration of Mozzarella whey. DesalinationVol. 162, pp. 279-286.
        6.        Baldasso, C., Barros, T.C., & Tessaro, I.C. (2011). Concentration and purification of whey proteins by ultrafiltration. DesalinationVol. 278, pp. 381-386.
        7.        Chollangi, A., & Hossain, M.M. (2007). Separation of proteins and lactose from dairy wastewater. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, Vol. 46, pp. 398-404.
        8.        She, Q., Tang, C.Y., Wang, Y.N., & Zhang, Z. (2009). The role of hydrodynamic conditions and solution chemistry on protein fouling during ultrafiltration. DesalinationVol. 249, pp. 1079-1087.
        9.        Sangita Bhattacharjee, C.B. (2006), Studies on the fractionation of ᵝ-lactoglobulin from casein whey using ultrafiltration and ion-exchange membrane chromatography, Journal of Membrane Science, Vol. 275, pp. 141–150.
       10.      Cheang, B., & Zydney, A.L. (2004). A two-stage ultrafiltration process for fractionation of whey protein isolate. Journal of Membrane Science, Vol. 231, pp. 159-167.
       11.      de Souza, R.R., Bergamasco, R., da Costa, S.C., Feng, X., Faria, S.H.B., & Gimenes, M.L. (2010). Recovery and purification of lactose from whey. Chemical Engineering and Processing: Process IntensificationVol. 49, pp. 1137-1143.
       12.      Arunkumar A. & Etzel M.R., (2013), Fractionation of a-lactalbumin from b-lactoglobulin using positively charged tangential flow ultrafiltration membranes. Journal of Separation and Purification Technology, Vol. 105, pp. 121–128.
       13.      Sarkar, P., Ghosh, S., Dutta, S., Sen, D., & Bhattacharjee, C. (2009). Effect of different operating parameters on the recovery of proteins from casein whey using a rotating disc membrane ultrafiltration cell. DesalinationVol. 249, pp. 5-11.
       14.      Porter, M. (1990). Handbook of industrial membrane technology. William Andrew.
       15.      Akbache A., Lamiot É., Moroni O., Turgeon S., Gauthier S., Pouliot Y. (2009), Use of membrane processing to concentrate TGF-B2 and IGF-I from bovine milk and whey. Journal of Membrane Science, Vol. 326, pp. 435–440.
       16.      Zhao, C., Xue, J., Ran, F., & Sun, S. (2013). Modification of polyethersulfone membranes–a review of methods. Progress in Materials Science, Vol. 58, pp. 76-150.
       17.      Yuliwati, E., & Ismail, A.F. (2011). Effect of additives concentration on the surface properties and performance of PVDF ultrafiltration membranes for refinery produced wastewater treatment. Desalination, Vol. 273, pp. 226-234.
       18.      Yuliwati, E., Ismail, A.F., Matsuura, T., Kassim, M.A., & Abdullah, M.S. (2011). Effect of modified PVDF hollow fiber submerged ultrafiltration membrane for refinery wastewater treatment. Desalination, Vol. 283, pp. 214-220.
       19.      Bradford, M.M. (1976). A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Analytical biochemistryVol. 72, pp. 248-254.
       20.      Dubois, M., Gilles, K.A., Hamilton, J.K., Rebers, P., & Smith, F. (1956). Colorimetric method for determination of sugars and related substances. Analytical chemistry, Vol. 28, pp. 350-356.
       21.      Vankelecom, I.F.J. and Gevers, L.E.M. (2005), Membrane processes in green separation processes, Wiley-VCH Verlag GmbH, 251-289.
       22.      Askew, C.E., Poele, S.T., Skou, F., (2008). Membrane filtration in cleaning-in-place: dairy, food and beverage operations. Blackwell Publishing. Third ed., pp. 195-222.
       23.      Ramachandra Rao, H.G. (2002). Mechanisms of flux decline during ultrafiltration of dairy products and influence of pH on flux rates of whey and buttermilk. DesalinationVol. 144, pp. 319-324.
       24.      Li, Q., Lin, H.H., & Wang, X.L. (2014). Preparation of sulfobetaine-grafted PVDF hollow fiber membranes with a stably anti-protein-fouling performance. Membranes, Vol. 4, pp. 181-199.
       25.      Narong, P., & James, A.E. (2008). Efficiency of ultrafiltration in the separation of whey suspensions using a tubular zirconia membrane. DesalinationVol. 219, pp. 348-357.
       26.      Carić, M.Đ., Milanović, S.D., Krstić, D.M., & Tekić, M.N. (2000). Fouling of inorganic membranes by adsorption of whey proteins. Journal of Membrane ScienceVol. 165, pp. 83-88.
       27.      Atra, R., Vatai, G., Bekassy-Molnar, E., & Balint, A. (2005). Investigation of ultra-and nanofiltration for utilization of whey protein and lactose. Journal of Food Engineering, Vol. 67, pp. 325-332.
       28.      Chiang, B.H., & Cheryan, M. (1986). Ultrafiltration of skim milk in hollow fibers. Journal of Food Science, Vol. 51, pp. 340-344.
       29.      Breslau, B.R., & Kilcullen, B.M. (1977). Hollow fiber ultrafiltration of cottage cheese whey: Performance study. Journal of dairy scienceVol. 60, pp. 1379-1386.