فصل ۵: واحدهای صنعتی فیلتراسیون

۱. تیتر

اصول فیلتراسیون، انواع فیلترها، مکانیزم‌ها و کاربرد در صنایع غذایی

۲. محتوا

فیلتراسیون فرآیندی برای جداسازی ذرات جامد معلق از یک مایع یا گاز با عبور دادن آن از یک واسطه متخلخل (فیلتر) است.

۲.۱. مبانی فیلتراسیون

• مایع کیک (Filter Cake): ذرات جامدی که روی سطح فیلتر تجمع می‌یابند.
• کیک فیلتر: ضخامت جامد جمع شده روی فیلتر.
• مایع صاف شده (Filtrate): مایع یا گازی که از فیلتر عبور کرده است.
• مقاومت فیلتر: مجموع مقاومت کیک فیلتر و مقاومت خود واسطه فیلتر.

۲.۲. مکانیزم‌های جداسازی

• تله‌گذاری (Straining): ذرات بزرگتر از منافذ فیلتر روی آن باقی می‌مانند.
• انسداد (Bridging): ذرات کمی بزرگتر از منافذ، دهانه منافذ را مسدود می‌کنند.
• جذب سطحی (Adsorption): چسبیدن ذرات ریز به سطح واسطه فیلتر.
• نفوذ اینرسی (Inertial Impaction): ذرات سنگین در مسیر انحنای جریان، به دیواره فیلتر برخورد و جدا می‌شوند.
• انحراف مستقیم (Direct Interception): ذرات نزدیک به خط جریان، با برخورد به فیلتر جدا می‌شوند.

۲.۳. انواع فیلترها

• فیلترهای صفحه و قاب (Plate and Frame Filter Press): رایج برای جداسازی کیک.
• فیلترهای تحت خلاء (Rotary Vacuum Filter): مناسب برای مواد با نرخ فیلتراسیون بالا.
• فیلترهای کیسه‌ای (Bag Filter): برای جداسازی ذرات نسبتاً درشت.
• فیلترهای کارتریجی (Cartridge Filter): برای تصفیه نهایی و حذف ذرات بسیار ریز.
• فیلترهای غشایی (Membrane Filters): اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون، اسمز معکوس برای جداسازی مولکولی.

۲.۴. پارامترهای طراحی

• نرخ فیلتراسیون: حجم مایع عبوری در واحد زمان و سطح فیلتر.
• اندازه منافذ فیلتر: تعیین‌کننده اندازه ذرات جدا شده.
• فشار عملیاتی: تأثیر مستقیم بر نرخ فیلتراسیون.
• خواص کیک فیلتر: حجم، تخلخل، فشردگی.

۲.۵. کاربردها در صنایع غذایی

• تصفیه آبمیوه و نوشیدنی‌ها: حذف مخمر، ذرات معلق.
• جداسازی روغن: از مایعات در تولید پنیر و فرآورده‌های شیری.
• فیلتر کردن شربت‌ها و قند: حذف ناخالصی‌ها.
• جداسازی پروتئین و لیپیدها: در فرآیندهای بیوتکنولوژی.
• استریلیزاسیون: فیلترهای ۰.۲ میکرومتری برای حذف باکتری‌ها.

۳. مثال

فیلتر کردن ۲۰۰ لیتر آب انگور (دما ۲۰ درجه، ویسکوزیته 1 mPa.s) با یک فیلتر صفحه و قاب به مساحت ۲ متر مربع.

اگر مقاومت کلی فیلتر (کیک + واسطه) $R_t = 5 × 10^{10} m^{-1}$ باشد، نرخ فیلتراسیون اولیه را محاسبه کنید. (جرم عبوری در واحد سطح در واحد زمان: $c = 0.5 kg/m^2$)

با استفاده از قانون دارسی برای فیلتراسیون، و با فرض در دسترس بودن سایر پارامترها، می‌توان نرخ جریان حجمی را محاسبه کرد. (این مثال نیاز به داده‌های بیشتری برای حل دقیق دارد، اما مفهوم را نشان می‌دهد).

۴. تمرین پایان فصل

۱. چهار عامل مهم در انتخاب نوع فیلتر را نام ببرید.

۲. تفاوت فیلتراسیون به روش عمقی (Depth Filtration) و سطحی (Surface Filtration) چیست؟

۳. چرا تمیز کردن یا تعویض واسطه فیلتر ضروری است؟

۴. اگر بخواهیم باکتری‌های موجود در شیر را حذف کنیم، چه نوع فیلتری (از نظر اندازه منافذ) لازم است؟

۵. نکات کلیدی

• فیلتراسیون برای حذف ذرات جامد از مایعات و گازها استفاده می‌شود.
• انتخاب اندازه منافذ و نوع فیلتر به اندازه ذرات و نرخ مورد نیاز بستگی دارد.
• فیلتراسیون غشایی، فراتر از جداسازی جامد-مایع، قادر به جداسازی مولکولی است.