فصل ۶: واحدهای صنعتی سانتریفوژ

۱. تیتر

اصول سانتریفیوژ، انواع سانتریفیوژها، طراحی و کاربرد در صنایع غذایی

۲. محتوا

سانتریفیوژ یک دستگاه است که با استفاده از نیروی گریز از مرکز، ذرات جامد را از مایع یا دو مایع با چگالی‌های متفاوت را از یکدیگر جدا می‌کند.

۲.۱. مبانی سانتریفیوژ

• نیروی گریز از مرکز: نیروی رو به خارج که بر اجسام در حال چرخش وارد می‌شود.
• سرعت زاویه‌ای (ω): چرخش بر حسب رادیان بر ثانیه.
• شعاع چرخش ®: فاصله از مرکز دوران.
• فاکتور جداسازی (SF): نسبت نیروی گریز از مرکز به نیروی گرانش. $SF = \frac{ω^2 r}{g}$
• سرعت گریز از مرکز (RCF): $RCF = 1.118 × 10^{-5} × r × (RPM)^2$

۲.۲. انواع سانتریفیوژ

• سانتریفیوژهای دسته‌بندی (Batch Centrifuges):
• Basket Centrifuges: برای جداسازی جامد از مایع، مانند جداسازی whey از پنیر.
• Peeler Centrifuges: خودکار، برای مواد با کیک مقاوم.
• سانتریفیوژهای پیوسته (Continuous Centrifuges):
• Tube Centrifuges: برای مایعات با جامدات کم، جداسازی قوی.
• Disc Stack Centrifuges: بیشترین کاربرد در صنایع غذایی (شیر، روغن، آبمیوه)؛ با صفحات مخروطی متعدد برای افزایش سطح جداسازی.
• Decanter Centrifuges: برای مواد با جامدات بالا، جداسازی پیوسته جامد و مایع.

۲.۳. پارامترهای طراحی و عملکرد

• سرعت دوران (RPM): تعیین‌کننده نیروی گریز از مرکز.
• شعاع: شعاع دستگاه، بر نیروی گریز از مرکز تأثیر دارد.
• ظرفیت: حجم ماده ورودی در واحد زمان.
• شدت جریان: دبی مایع یا سوسپانسیون.
• اندازه ذرات: سانتریفیوژها برای اندازه‌های خاصی بهینه عمل می‌کنند.

۲.۴. کاربردها در صنایع غذایی

• صنایع لبنی: جدا کردن خامه از شیر، جدا کردن whey از پنیر.
• روغن‌کشی: جداسازی روغن از آب و ذرات جامد در روغن زیتون، آفتابگردان.
• آبمیوه: حذف ذرات معلق و شفاف‌سازی.
• تولید نشاسته: جداسازی نشاسته از عصاره.
• تولید مخمر: جداسازی سلول‌های مخمر.
• مدیریت پسماند: جداسازی جامدات از پساب.

۳. مثال

جداسازی خامه از شیر با سانتریفیوژ دیسکی.

• شیر با چگالی $\rho_L = 1030 \, kg/m^3$ و خامه با چگالی $\rho_C = 950 \, kg/m^3$.
• سانتریفیوژ با شعاع $r = 0.1 \, m$ و سرعت $RPM = 6000$ (یعنی $\omega = 628 \, rad/s$).

در اثر نیروی گریز از مرکز، فاز با چگالی کمتر (خامه) به سمت مرکز و فاز با چگالی بیشتر (شیر) به سمت خارج رانده می‌شود.

مقدار نیروی گریز از مرکز مؤثر بر یک ذره خامه:

$F_{C} = m \omega^2 r = m (628)^2 \times 0.1 = 39438 m$

مقدار نیروی گریز از مرکز مؤثر بر یک ذره شیر:

$F_{L} = m \omega^2 r = m (628)^2 \times 0.1 = 39438 m$

با توجه به تفاوت چگالی، نیروهای گریز از مرکز باعث جداسازی می‌شوند.

۴. تمرین پایان فصل

۱. مزیت اصلی سانتریفیوژ در مقایسه با فیلتراسیون چیست؟

۲. چهار کاربرد سانتریفیوژ در صنایع غذایی را نام ببرید.

۳. فرمول محاسبه RCF را بنویسید و تأثیر شعاع بر آن را توضیح دهید.

۴. کدام نوع سانتریفیوژ برای جداسازی جامدات با درصد بالا مناسب‌تر است؟ چرا؟

۵. نکات کلیدی

• سانتریفیوژ از نیروی گریز از مرکز برای جداسازی بر اساس چگالی استفاده می‌کند.
• سانتریفیوژهای دیسکی و دکانتر رایج‌ترین انواع در صنایع غذایی هستند.
• سرعت دوران و شعاع عوامل اصلی تعیین‌کننده قدرت جداسازی هستند.