نانو به کمک صنایع غذایی آمد

جداسازی غشایی کارآمدتر با «نانوفیلتراسیون»

محسن معصومی: افزایش هزینه‌های انرژی و تقاضا برای محصولات با ارزش غذایی بالاتر و روش‌های فرآوری که سمیت کمتری برای محیط‌زیست دارند، شاخص‌های مهمی برای استفاده از فرآیندهای غشایی در صنعت غذا به‌شمار می‌روند.

غشاهای نانو فیلتراسیون «ان‌اف» از نظر اندازه منافذ بین اسمز معکوس «آر او»هستند. این غشاها مشخصات منحصربه‌فردی مانند شعاع منفذ و چگالی بار سطحی را دارند که روی جداسازی مواد محلول مختلف اثر می‌گذارد. درحال‌حاضر نانو فیلتراسیون (ان‌اف) در طیف گسترده‌ای از فرآیندهای غذایی ازجمله سختی‌گیری از آب، تصفیه پساب، فرآوری روغن گیاهی، نوشیدنی، صنایع لبنیات و صنعت قند متمرکز است. نانو فیلتراسیون دارای کارآیی جداسازی بالا، کاهش تولید پساب، انجام عملیات در دماهای پایین و کاهش تعداد مراحل فرآوری بوده و یک انتخاب مناسب به عنوان یک فرآیند موثر و ارزان است.
فرآیندهای جداسازی غشایی برای تغلیظ یا جزءبه‌جزء کردن یک مایع به‌کار می‌رود که بازده آن تولید دو جریان مایع است که از نظر ترکیب‌ها متفاوت است. این یک روش جایگزین برای فرآیندهای صنعتی به منظور استفاده در صنایع شیمیایی، دارویی، بیوفناوری و غذایی است. در بسیاری از موارد، مصرف انرژی پایین، کاهش تعداد مراحل فرآوری، کارآیی جداسازی بالاتر و بهبود کیفیت محصول نهایی ازجمله امتیازهای این فرآیندهای غشایی هستند. نانو‌فیلتراسیون به جز خالص‌سازی همچنین می‌تواند برای کاربردهای پیچیده‌تر که شامل جزء به‌جزء کردن است نیز استفاده شود. طبیعت غشا کنترل می‌کند که چه ترکیباتی تراوش کنند و چه ترکیباتی نگه داشته شوند زیرا ترکیبات به صورت انتخابی براساس وزن مولی یا اندازه ذره‌شان جداسازی می‌شوند.


سختی‌گیری آب
در چند سال گذشته، افزایش کمبود آب و کاهش کیفیت آب به یکی از مشکلات فزاینده در بسیاری از مناطق جهان تبدیل شده است. نانو فیلتراسیون ان‌اف و اسمز معکوس برای طیف گسترده‌ای از کاربردها، ازجمله خالص‌سازی آب برای تولید آب شیر (بیشتر نمک‌زدایی از آب لب‌شور و آب دریا)، جداسازی آفتکش‌ها و تولید آب فوق خالص برای صنایع نیمه‌رسانا استفاده می‌شوند.
در دهه گذشته، علاقه به استفاده از فرآیندهای غشایی به صورت کلی و ان‌اف به‌طور ویژه در تصفیه پساب و همچنین تولید آب آشامیدی و فرآیند تولید آب تمیز افزایش یافته است. این رشد ناشی از عواملی است که عبارتند از: رشد تقاضا برای آب با کیفیت بالا و افزایش فشار برای استفاده دوباره از پساب، قابلیت اطمینان بیشتر و یکپارچگی بالاتر غشاها، نرخ پایین‌تر غشاها به دلیل استفاده موثرتر و استانداردهای سختگیرانه بیشتر برای نمونه در صنعت آب آشامیدنی است.


تصفیه پساب
صنعت غذا یکی از صنایعی است که بیشترین مصرف آب را دارد. آب استفاده شده در صنایع غذایی می‌تواند به ۳ گروه تقسیم شود: آب فرآوری، آب دیگ‌جوش و آب سردکننده و آبی که برای اهداف عمومی استفاده می‌شود (آب برای شستشوی مواد خام، آماده‌سازی محصولات و دستگاه‌ها). ظرفیت استفاده از نانوفیلتراسیون ان‌اف در تصفیه پساب و استفاده دوباره از آب بسیار نویدبخش است اما به دلیل ناپایداری عملیاتی که ناشی از فولینگ غشایی است، کاربرد آن محدود شده است.
فرآیندهای غشایی ظرفیت خوبی در بازیابی ترکیبات باارزش از صنایع فرآوری آبزیان دارند. آب پخت حاصل از میگو و ماهی تن دارای آلودگی بالایی بوده و باید قبل از دفع به محیط، تصفیه شود (نیاز اکسیژن شیمیایی سی‌اُ‌دی آن بین ۵ تا ۴۰ گرم اکسیژن در لیتر است) اما این پساب‌ها همچنین حاوی ترکیبات رنگی جالبی هستند. بازیابی این ترکیبات می‌تواند از یک طرف باعث بازیابی این مولکول‌های باارزش شده و از طرفی هزینه تصفیه این پساب‌ها را کاهش دهد.


صنایع نوشیدنی
یکی از کاربردهای نویدبخش نانوفیلتراسیون ان‌اف در صنعت غذا مربوط به صنایع نوشیدنی است. یون‌های تک‌ظرفیتی کوچک و آب می‌توانند تا حد زیادی از یک غشای نانو فیلتراسیون ان‌اف عبور کنند، درحالی‌که مولکول‌های بزرگ‌تر مانند قندها در پشت غشا باقی می‌مانند.
 آبمیوه‌ها به صورت سنتی به‌وسیله تبخیرکننده‌های تحت‌خلأ چند مرحله‌ای تغلیظ می‌شوند اما این فرآیند باعث از دست‌رفتن آرومای آبمیوه تازه شده و تغییر رنگ و مزه آبمیوه را در اثر تخریب حرارتی درپی دارد. تیمار حرارتی یک آبمیوه هنگامی که آبمیوه به‌وسیله آنالیز حسی مورد بررسی قرار می‌گیرد، روی رنگ و بوی آن تاثیر می‌گذارد. پیشرفت‌های فناوریک مربوط به ساخت غشاهای جدید و پیشرفت‌ها در مهندسی فرآیند برای غلبه بر این محدودیت انجام شده است. فناوری غشای ظرفیت عملیات در دمای پایین و ملایم برای شفاف‌سازی، پایدارسازی میکروبی و تغلیظ آبمیوه‌ها و عصاره‌ها را با مصرف انرژی پایین دارد.


صنعت قند
فرآوری شکر یکی از فرآیندهای بسیار انرژی‌بر در صنعت غذا است. از این‌رو، فرآیندهای جداسازی غشایی مانند ام‌اف و یو‌اف شربت قند خام و شراب قند سبک، استفاده از ان‌اف برای جداسازی نمک از جریان آب نمک ضایعاتی در یک واحد رنگ‌بری شکر و شفاف‌سازی با «آراُ-ان‌اف» در تصفیه آب پرس چغندرقند به‌نظر می‌رسد که کاربردهایی در این صنعت داشته باشد.
 از طرف دیگر، برخی محدودیت‌ها برای کاربرد فرآیندهای غشایی در صنعت قند وجود دارد زیرا حجم سیالات پمپ شده در این صنعت در مقایسه با دیگر بخش‌های صنعت غشا بسیار بالا بوده و محلول‌ها ویسکوزیته و فشار اسمزی بالایی را نشان می‌دهند. شکر به عنوان محصول نهایی باید برخی پارامترهای کیفی الزامی را داشته باشد، ازاین‌رو تمایل عمومی این است که شراب‌هایی که از آنها شکر مستقیم کریستالیزه می‌شوند باید تا حد ممکن دارای مواد رنگی پایینی باشند زیرا آنها وارد ساختار کریستال‌های شکر می‌شود.
در فرآیند تولید شکر، جداسازی ترکیبات غیرساکاروزی در فرآیند آهک‌زنی و کربناسیون و فیلتراسیون بعدی انجام می‌شود اما، این عملیات‌ها هزینه انرژی بالایی داشته و باعث آلودگی محیط‌زیست می‌شوند. ازاین‌رو استفاده از دیگر تکنیک‌های جدید جداسازی مانند فناوری‌های غشایی مورد بررسی قرار گرفته است. علاقه به فیلتراسیون غشایی در صنعت قند به‌تازگی افزایش یافته است.
 تغییر فناوری‌های موجود نیاز به سرمایه‌گذاری بزرگی دارد، تا جایی‌که پیدا کردن روش‌های جداسازی غشایی که تنها بخشی از فاز خالص‌سازی را تغییر دهد، یا بتواند در فرآیندهای فناوریک موجود تولید شکر تلفیق شود، به‌صرفه‌تر است.


 فرآوری روغن گیاهی
فرآیند تصفیه روغن سنتی نیاز به انرژی بالایی داشته، با افت روغن همراه بوده، نیاز به مقدار زیادی آب و دیگر ترکیب‌های شیمیایی دارد، باعث اتلاف مواد مغذی شده و مقدار زیادی پساب تولید می‌کند. فناوری‌های جداسازی و خالص‌سازی بر پایه غشا دارای کارآیی جداسازی بیشتری بوده، از نظر هزینه به‌صرفه هستند (کاهش مصرف انرژی)، تعداد مراحل فرآوری را کاهش می‌دهند، باعث بهبود کیفیت محصول نهایی شده و فرآیندهای دوستدار محیط‌زیست هستند.
درباره صنعت غذا، تمرکز این فناوری درحال‌حاضر بر تولید غشاهای کارآمدتر برای فرآیندها و محصولات مشخص بوده و همچنین روی بهبود کیفیت محصولات موجود متمرکز است.
 پژوهش‌های اخیر روی کاربرد فناوری غشایی برای روغن‌های گیاهی عبارتند از بازیابی میسلا (مخلوط روغن استخراج‌شده و حلال)، صمغ‌زدایی، اسید‌زدایی، حذف رنگدانه‌ها، حذف واکنش با استفاده از غشاهای میکروفیلتراسیون (ام‌اف)، جداسازی امولسیون‌ها، سنتز و خالص‌سازی چربی‌های استخراج شده، جداسازی ترکیباتی که در مقدار کم در روغن موجود هستند، ازجمله آنتی‌اکسیدان‌ها. مهم‌ترین مشخصه این غشاها عبارتند از سرعت جریان تراویده، مقاومت به حرارت، مواد شیمیایی و مقاومت مکانیکی، ضخامت، اندازه منافذ، تخلخل و تراوایی حلال. نخستین مرحله فرآوری روغن گیاهی شامل استخراج روغن از دانه روغنی است.
 نوع فرآیند وابسته به مقدار روغن دانه روغنی است. عمده فرآیندهای استخراج روغن از دانه‌های روغنی مربوط به استخراج روغن با هگزان به عنوان حلال است که باعث تولید یک میسلا می‌شود.
روغن خام نمی‌تواند بدون فرآوری مورد استفاده قرار گیرد و باید ترکیبات نامطلوب آن جداسازی شده و ترکیبات مطلوب آن تغلیظ شود، از این‌رو برای کاربردهای صنعتی نیاز است که روغن تصفیه شود. استفاده از فناوری غشای نانو فیلتراسیون ان‌اف در فرآوری روغن که در دمای پایین انجام می‌شود، یک جایگزین نویدبخش برای روش‌های سنتی به منظور صرفه‌جویی در هزینه‌های فرآیند بوده و مواد سمی کمتری برای محیط‌زیست تولید می‌کند.


چاپ