اهمیت مواد غذایی از نظر تامین نیازهاي تغذیـه اي بـر کـسی پوشیده نیست اما تولید آن مستلزم توجه به الزاماتی اسـت کـه بتواند علاوه بر کیفیت مورد نظر، ایمنی ماده غذایی و سـلامت مصرف کننده را نیز تضمین کند.از ارکان سیـستم هـاي ایمنـی مواد غذایی می توان به روش هاي صحیح تولیـد و روش هـاي صحیح بهداشتی اشاره نمـود و رویـه پـاکیزه سـازي سـطوح، دستگاه ها و محیط تولید و کار با ماده غـذایی از اساسـی تـرین بخش هاي این سیستم ها محسوب می شوند.در این مقاله به بررسی راهکار‌های موثر و جنبه هاي مختلف پاکیزه سازي و شست و شو در صنعت شیر و فرآورده های آن می پردازیم.
آنچه در این مطلب می‌خوانید:
زنجیره تامین شیر و فراورده هاي آن از نظر تغذیه اي، فساد پذیري و ایمنـی مـواد غذایی از بزرگترین چالش ها محسوب می شود. فراورده هاي این بخش را می توان به محصولات مایع، تغلیظ شده و خشک شده دسته بندي نمود و از سوي دیگـر ایـن امکـان نیـز هـست کـه محصولات جزء جزء شـده را بـر پایـه پـروتئین و چربـی تقسیم بنـدي کـرد.
دسـته بنـدي معمـول دیگـر تقـسیم بنـدي محصولات به انـواع پنیـر، فـراورده هـاي تخمیـري، بـستنی و محصولات مشابه آن است. آنچه در مورد تمام مراحل فراوري شیر و فراورده هاي شیري مشترك است، ضرورت پاکیزه سازي و ضدعفونی محیط و مهم تر از آن سـطوح در تمـاس بـا مـاده غذایی است. به دلیل استفاده از تجهیزات و خطوط کاملا بسته و روند خودکـار شـدن و مکـانیزه شـدن مراحـل تولیـد ایـن محــصولات،شیوه شــست و شــوي ســطوح، از پــاکیزه ســازي تجهیزات در خارج از محل نصب بـه سـوي شـست و شـوي درجا در حال تکامل است.
طی عملیات حرارتی، چسبندگی رسوبات به سـطوح افـزایش می یابد و کارایی عملیات پاکیزه سازي کاهش می یابد. به عـلاوه بسط فناوري هایی مانند استفاده از انواع غشا، زمینه ساز بـروز مشکلاتی چون گرفتگی این تجهیزات اسـت کـه بایـستی بـه روش مناسـبی رفـع شـوند. عـلاوه بـر ترکیبـات آلـی ماننـد پروتئین ها، چربی ها و در برخی موارد قنـدها، مـواد معـدنی و نمک ها از مهمترین عوامل آلوده کننـده ي واحـدهاي عملیـاتی صنعت شیربه حساب مـی آینـد. ارزیـابی اثربخـشی عملیـات پاکیزه سازي به پارامترهاي متعددي وابسته است که از میان آن ها می توان به نوع ترکیب شوینده، غلظـت، زمـان و دمـاي آن اشاره نمود.
بازرسی چشمی تجهیزات قبل و پس از شست و شو و همچنین تنظیم شیرآلات از جمله روش هاي متـداول کنتـرل این عملیات محسوب می شوند. اخیـرا روش هـاي جدیـدتري ماننـد اسـتفاده از حـسگرهاي نـوري، تجهیـزات حـساس بـه کدورت، هدایت الکتریکی و بر پایه فراصوت صـنعت شـیر رواج یافته اند. اگرچه با هدف بهینه سازي این عملیات، اقداماتی همچون به کارگیري آنزیم ها و استفاده از امواج فراصوت انجام شده است، اما همچنان مواردي مانند مـسائل زیـست محیطـی باید مد نظر قـرار گیرنـد.
برحـسب تعریـف، روش مرسـوم شست و شوي در جا شامل پنج مرحلـه اسـت کـه بـه ترتیـب عبارتند از:
آبکشی مقدماتی،
شست و شو با شوینده قلیایی (مانند سود سوزآور)
آبکشی میانی
شست و شـو بـا شـوینده اسـیدي (مانند اسید نیتریک)
آبکشی نهایی
بدیهی است ضدعفونی مطلوب زمانی ممکن می شود که فرایند پاکیزه سازي به صورت رضایت بخش انجام شده باشد. هـدف این مقاله مرور آخـرین یافتـه هـا و بـه روز رسـانی اطلاعـات کاربردي در حوزه هاي یاد شده در صنعت شیر است.
پاکیزه سازي تجهیزات حرارتی
اعمال فرایند حرارتی موجب غیرطبیعی شدن پـروتئین هـا و ناپایدار شـدن مـواد معـدنی مـی شـود. چنـین شـرایطی بـه چسبندگی فزاینده ي این ترکیبات به سطوح حرارتی منجر می شود، لذا پاکیزه سازي این سطوح در مبدل هاي حرارتی ،یکی از چالش هاي مهم در صنعت شیر به حساب می آیـد. رسـوبات ته نشین شده بر سطوح حرارت دیده، علاوه بر کاهش کـارایی انتقال حرارت، ایمنی محصولات را نیـز از نظـر میکروبـی بـه مخاطره می اندازد. پژوهشگران اعلام نمودند که در دماي کمتر از ۱۰۰درجه سانتیگراد، مهمتـرین ترکیبـات تـه نـشین شـده عبارتند از % ۵۰ -۶۰پروتئین و % ۳۰ -۳۵مواد معدنی اما در مورد مقدار چربـی اتفـاق نظـر وجـود نـدارد و در برخـی گزارش هاي قدیمی مقدار آن % ۴-۸و در مطالعـات جدیـدتر % ۱۰ -۱۵عنوان شده است. با افزایش دما به بـیش از درجه سانتیگراد، سهم مواد معدنی به % ۷۰ -۷۵وزنی و سهم پروتئین به حدود % ۳۰وزنی تغییر می کند. بخـش عمـده رســوبات معــدنی را فــسفات کلــسیم تــشکیل مــی دهــد.
کاهشpH موجب افزایش حلالیت فسفات کلسیم می شود، امـا تنها حلالیت بر زدایش ایـن ترکیـب مـوثر نیـست و افـزایش سرعت جریان۱از طریق افزایش تنش برشی موجب خروج هر چه بیشتر این ترکیب می شود.
تجمع مواد معـدنی-پروتئینـی بـر سـطح صـفحه هـاي مبـدل حرارتی، زمان اجراي فرآیند شست و شو را افزایش و کارآمـدي آن را کاهش می دهد، ضمن آنکه امکان خطر آلودگی میکروبی بالا می رود. شدت تجمع و چسبندگی ترسیم کننده ها بسته بـه خواص فیزیک و شیمیایی محصولات غذایی متفـاوت اسـت.
پاکیزه سازي، ضدعفونی و شست و شو در صنعت شیر
پاکیزه سازي و ضدعفونی کردن تجهیزاتی کـه بـراي انتقـال و نگهداري شیر و تولید فرآورده هاي لبنی اسـتفاده مـی شـوند، از منظر کسب اطمینان ازبالا بودن استانداردهاي بهداشتی غـذایی حائز اهمیت هستند. عامل موثر بر چسبیدن اجتناب ناپـذیر ترکیبات رسوب کننده به سطوح انتقال حرارت، کنش بین این سـطوح و ترکیبـات مــاده غـذایی اســت و از ایــن رو اجــراي فرایندهاي شست و شـوي مـنظم و متمرکـز بـه منظـور زدایـش رسوبات، حفظ عملکرد تولید و حصول استانداردهاي بهداشتی لازم است.
یکی از چالش برانگیزترین نگرانی ها، عـدم اطمینـان از پـاکیزه سازي درون تجهیزات حرارتی کاملا بسته است، زیرا عملکرد فرآیند پاکیزه سازي به راحتی قابل پایش نیست. لازم بـه ذکـر است، زمانی که رسـوبات شـکل گرفتنـد، اثـر بخـشی انتقـال حرارت متناسب با ضخامت لایه رسوبی کاهش می یابـد و بـه اشتباه به منظور حفظ موثر انتقال حـرارت، دمـاي مبـدل هـاي حرارتی افزایش پیدا می کند، که خود علاوه بر افـزایش هزینـه، به سبب بـاقی مانـدن شـیر و مـصرف بـی رویـه ي ترکیبـات شیمیایی، اثرات نامطلوب زیـست محیطـی از خـود بـه جـاي می گذارد. از آنجـا کـه سیـستمی کارآمـد جهـت بررسـی بـه هنگـام میـزان ترسـیب در دسـترس نیـست، امـروزه فراینـد شست و شو برپایه ي مصرف آب زیاد و چرخه هاي متعدد پاکیزه سازي انجام می شود.
شست و شوي شیمیایی در صنعت شیر
مبدل حرارتی
پژوهشگران عملیات حرارتی شیر در مبدل حرارتی لولـه اي را در دماي ۹۰درجه سانتیگراد و زمـان ۳۱۵ ثانیـه بـا سـرعت جریان ۲۳۰۰لیتر بر ساعت انجام دادند. درحالی که بـه منظـور پاستوریزاسیون آب پنیر بـا مـاده خـشک % ۵/۷ از دمـاي ۷۰ درجه سانتیگراد به مدت ۵۰ ثانیه و سرعت جریان ۲۷۰۰لیتر بر ساعت و براي پاستوریزاسیون آب پنیر تغلیظ شده بـا % ۲۸ ماده خشک از دماي ۷۰درجه سانتیگراد به مدت ۹۰ ثانیـه و سرعت جریان ۱۶۰۰لیتر بر ساعت استفاده نمودند. عملیـات مرسوم پاکیزه سازي صـورت گرفـت و دمـاي هـر دو مرحلـه شست و شوي قلیایی و اسیدي ۷۰درجه سانتیگراد،در حالی که مـدت زمـان مرحلـه ي قلیاشـویی ۲۰دقیقـه و مـدت زمـان اسیدشویی ۱۰دقیقه در نظر گرفته شد.
بلافاصله پس از تماس ترکیبات رسوبی با محلول هیدروکسید سدیم (% ۱حدود زمان ۲۰دقیقـه) قلـه ي بلندي بر حسب اکسیژن شیمیایی مورد نیاز در نمـودار ظـاهر می شود که نشانگر جدا شدن بخش قابل تـوجهی از ترکیبـات آلی است و پیک کوچکتري از خروج کلسیم دیده می شود کـه بیانگر اثر نسبی هیدروکسید سدیم بر مـواد معـدنی اسـت. در همین نمـودار تـاثیر عمـده ي محلـول اسـید نیتریـک % ۱بـر ترکیبات معدنی را در زمان ۴۵دقیقه پس از آغاز شست و شـو می توان مشاهده نمود. براساس این نمودار، اسید نیتریک تنهـا موجــب پاکــسازي مــواد معــدنی مــی شــود و تــاثیر نــاقص هیدروکسید سدیم بر آنها را کامل می کند.
به دنبال بررسی چگونگی پاکیزه سازي شـیر از سـطح دسـتگاه پاستوریزاتور مشخص شد کـه لایـه ي رسـوبی تـشکیل شـده، شبکه ي پروتئینی اسفنجی است که با لایـه اي از مـواد معـدنی نزدیک به فولاد زنگ نزن در ارتباط است و گویچه هاي چربی نیز در آن گرفتار شده اند. در مرحله شـست و شـوي قلیـایی علاوه بر متورم شدن این رسوب، عامل تعیین کننده دیگر، تاثیر مکانیکی حاصل از تنش برشی جریان شوینده اسـت.
آبکـشی مقدماتی تنها موجـب خـروج بخـش عمـده اي از شـیر درون سیستم می شود و تاثیري بر رسوبات ندارد و به محـض تمـاس محلول قلیایی با این رسوبات، پاك شدن آنها آغاز مـی شـود.
پس از انتشار آهسته ماده ي شوینده قلیایی در لایه رسـوبی بـا ضخامت ۱۰میلیمتر و ثابت انتشار ۱۰ -۸ مترمربـع بـر ثانیـه، تورم آن شروع می شود. بدین ترتیب به منظور انتشار این مـاده تا سطح فولاد زنگ نزن حداقل به یک ساعت زمان نیاز است، در حالی که در عمل، شست و شوي قلیـایی تـا ایـن حـد طـول نمی کشد. مراحل آبکـشی و نفـوذ شـوینده قلیـایی در لایـه ي اسفنجی بیرونیتر نشان می دهد که با نفـوذ شـوینده، ضـمن تـورم ایـن لایـه، ترك هایی مشاهده می شود. این ترك ها تا نزدیکی فولاد زنـگ نزن گسترش می یابند، در حالی که لایه معدنی چسبیده به فولاد زنگ نزن متورم نمی شود. ایجـاد تـرك و شکـست در لایـه ي اسفنجی که به نفود هرچه بیشتر شوینده قلیایی کمک می کنـد، موجب بادکردگی و تورم این لایه شده و همچنین به گسـسته شدن برخی پیوسـتگی هـاي درونـی لایـه ي اسـفنجی، لایـه ي اسفنجی با لایه ي معدنی و تا حدودي لایه ي معدنی بـا سـطح فولاد زنگ نزن منجر می شود.
عامل مهم دیگر در این میان تاثیر pHبالاي شوینده قلیـایی و افزایش دافعه ي الکترواستاتیکی است. تخریـب و جـدا شـدن بخش هاي ترك خورده به دو علت عمده صورت می گیرد کـه عبارتند از تنش برشی و نوسان فشار به علت جریان سـریع و تلاطمی سیالپاك کردن لایه اسفنجی مورد نظـر بـه همـراه بخـش هـایی از رسوبات معدنی به وسیله برخی محققین تایید شده است، اما از آنجایی که در برخی نقاط همچنان رسوبات معـدنی بـه ویـژه رسوب فـسفات کلـسیم بـه صـورت لایـه اي متـراکم پـس از قلیاشویی باقی می ماند، استفاده از شوینده ي اسیدي یا تـدبیري مشابه ضروري است .
تبخیر کننده شست و شو در صنعت شیر
با هدف بررسی مکانیسم پاکیزه شدن دستگاه هاي تبخیر کننـده، پژوهشگران با طراحی و ساخت مـدلی از تبخی رکننـده لولـه اي تمامی شرایط تبخیر کننده صنعتی بدنه اي را فراهم کردند. از این تبخیرکننده به منظور تغلیظ ماده ورودي پاستوریزه شده اعم از شیر، آب پنیر با ماده خشک %۵/۷ و آب پنیر تغلیظ شده با ماده خشک %۲۸ استفاده شد.
عملیات تغلـیظ شـیر در ایـن تبخیرکننده به ترتیب از بدنه ي اول تا چهارم در دماي ۷۴تـا ۶۷ ،۷۰تا ۶۰ ،۶۳تا ۵۳ و ۵۲تـا ۴۵درجـه سـانتیگـراد تـا رسیدن به ماده خشک %۴۸ صورت پذیرفت. تغلیظ آب پنیر از ماده خشک % ۵/ ۷به % ۲۸به ترتیب در دماهاي ۷۰تا ۶۶ ،۶۶ تا ۵۵ ،۶۱ تا ۴۸و ۴۸ تا ۴۰ درجه سانتی گـراد انجـام گرفـت.
عملیات تغلیظ مجدد آب پنیر غلیظ بـا مـاده خـشک %۲۸تـا رسیدن به %۵۵ ماده خشک به ترتیب در دماهاي ۵۹تا ۷۱ ،۵۶ تـا ۶۵ ،۶۸تـا ۶۲و ۶۰ تـا ۵۶ درجـه سـانتی گـراد صـورت پذیرفت.
عملیات پاکیزه سازي تبخیر کننده از نظر دما، سرعت جریان و غلظت هیدروکسید سدیم و اسید نیتریک مشابه شست و شـوي پاستوریزاتور صورت گرفت، با این تفاوت که محلول قلیایی به مـدت ۳۰دقیقـه و محلـول اسـیدي بـه مـدت ۱۵دقیقـه در تبخیر کننده به گردش درآمدند.
مرحله جریان سریع قلیاشویی علاوه بر زدودن بخش بسیار زیادي ) (%۹۶از ترکیبات آلی )عمدتا پروتئین ها و چربی ها( بخش قابل توجهی ) (%۵۲از مواد معدنی را نیز پاك نمود در عمل، اولین گردش محلول هیدروکسید سدیم بـا آلـودگی شدید همراه شد وضرورتا این ماده از سیستم تخلیه و محلـول تازه جایگزین آن گردید. اما استفاده از شوینده تـازه، تنهـا بـه زدودن % ۲ از مواد آلی منجر شد. پس از آبکشی، با استفاده از محلول اسید نیتریک مقدار بیشتري (% ۴۲) از رسوبات معدنی و بخش باقی مانده (حدود % ۲) مواد آلـی نیـز پـاك شـد. در مقایسه با شست و شوي پاستوریزاتور، عملیـات شـست و شـوي تبخیر کننده به مراتب طولانی تر است.
بازرسی هاي چشمی نشان داد که در بخش بـا دمـاي زیـر ۴۰ درجه سانتیگراد ترکیب اصـلی رسـوب، عمـدتا چربـی و در بخش بالاي ۴۰درجه سانتیگراد عمدتا پروتئین و مواد معدنی است. رسوب مـواد معـدنی احتمـالا بـه دلیـل زمـان طـولانی مرحله ي فرآوري ) ۳۱۵ثانیه( در دماي ۹۰درجه سـانتیگـراد پدید می آید.
برخلاف بخش پیش گرمکن که داراي دماي بالاتري از بخش تبخیر کننده است و موجب غیـر طبیعـی شـدن پـروتئین هـاي سرمی می شود، دماي بخش تبخیرکننده (به علـت اسـتفاده از خلاء) به مراتب کمتر است. براساس این شرایط دمایی و نتایج اکسیژن شیمیایی مـورد نیـاز کـه نـشان دهنـده ي ترکیبات آلی در رسوب اسـت، بـه نظـر مـی رسـد عـلاوه بـر پروتئین هاي سرمی غیر طبیعی شـده، کـه عامـل اصـلی بـروز گرفتگی در تبخیرکننده محسوب مـی شـوند، ترکیبـاتی ماننـد لاکتوز و اسید سیتریک نیز در ایجاد رسوب نقش دارنـد. زیـرا هر میکروگرم بر گرم پروتئین و چربی کـه بـه ترتیـب معـادل ۱/۲۷و ۲/۹۶میکروگرم بر گرم اکسیژن شیمیایی مصرف می کنند، به تنهایی نمی توانند این شاخص را به این میزان افزایش دهند.
برخی پژوهشگران اظهار نمودند که فسفات کلسیم در رسوبات معدنی سطوح مبدل حرارتی براساس نسبت مـولی کلـسیم بـه فسفر ) (۱/۵تشکیل می گردد. اما نکته اینجاست که فسفر کـل شامل فسفر آلی نیز هست. براي اثبات وجود فـسفات کلـسیم معدنی در رسوب به شکل براشیت می توان به حضور نمـک هاي فسفات کلسیم در اولین مرحله رسوبگذاري به صـورت فسفات کلسیم دو آبه و وجود آن در اتـصال بـا میـسل هـاي کازئینی (فسفات کلسیم میسلی) با سـاختاري مـشابه براشـیت اشاره نمود نسبت مولی کلسیم به فسفر در محلول هاي شوینده ي خروجی تبخیرکننده بیش از ۱/۵ و در حدود ۱/۸ است. این مطلب خود نشان دهنده ي ترسیب نمک هایی به جز فسفات کلسیم )ماننـد سیترات کلسیم( و همچنـین حـضور میـسل هـاي کـازئینی در رسوب است.
به دلایل متعددي چـون مـشخص نبـودن ثابـت تفکیک نمک هاي در تعادل، انحلال پذیري نامعلوم نمک هـاي کلسیم در شیر با دماي بالا و تاثیر ضریب غلظـت بـر قـدرت یونی و ثابت فعالیت یونی، تعیین نمک هاي واقعـی کلـسیم در تبخیرکننـده دشـوار اسـت. پــاکیزه شـدن رسـوبات شـیر در تبخیر کننده ها مشابه پاك شـدن پاسـتوریزاتور اسـت، بـا ایـن تفاوت که به دلیل استفاده از خلاء و دماي کمتر در تبخیر کننده، حالت اسفنجی رسوب بیشتر از پاستوریزاتور اسـت کـه خـود سبب نفوذ هرچه سریعتر شوینده قلیایی در لایه ي اسـفنجی و شستوشوي سریعتر آن می شود. نکته بسیار مهم آن است که، در صـورت اسـتفاده از دماهـاي بـالاتر، رسـوبات بـه مراتـب سخت تري شکل می گیرند که مکانیسم زدایش آنها مـی توانـد متفاوت باشد.
نتایج بررسی هاي صورت گرفته حاکی از آن است که بیشترین گرفتگی در آخرین بدنه تبخیرکننده ها صورت می پـذیرد و بـا توجه به طراحی و عملکرد این دسـتگاه هـا (تبخیرکننـده لایـه نازك پایین ریزنده ) نباید انتظار داشت کـه پـاکیزه سـازي بـه کمک سرعت جریان صورت پذیرد و تنهـا مـیتوان قابلیـت مرطوب کنندگی شوینده را در این امر مـوثر دانـست.
هماننـد مبدل هاي حرارتی، روند شست و شـو در تبخیـر کننـده هـا نیـز حکایت از رابطه مستقیم سرعت جریان و میزان پـاکیزه سـازي دارد، به عنوان مثال اگر سرعت جریان از ۳۰۰۰به ۸۰۰لیتر بر ساعت کاهش یابد، میزان مرطوب کننـدگی از ۳۱۰۰بـه ۸۰۰ لیتر بر ساعت در هر متر،کاسته می شود. به عبارت دیگر میـزان پاکیزه سازي به طور قابل توجهی افت می کند، به گونـه اي کـه حتی بازرسی ظاهري درون تبخیر کننـده، نـشان از عـدم پـاك شدن کامل آن دارد.
نکته ي جالب آن است که با افزایش غلظت شوینده قلیایی بـه % ۴/۵حتی در شرایط مطلوب سرعت جریان ( ۳۰۰۰ لیتـر بـر ساعت)، میزان پاکیزه سازي افت میکند و نمی تواند تبخیر کننده را به طور کامل پاك نماید. به عبارت دیگر بر خلاف تصورات معمول در صنعت، پاکیزه کردن تبخیر کننـده هـا و مبـدل هـاي حرارتی با افزایش غلظت شوینده قلیایی نتیجه بخش نیـست. بدیهی است که افزایش غلظت شوینده قلیایی از ۱بـه % ۲بـا سرعت جریان ۸۰۰ لیتر بر ساعت نیـز در پـاکیزه سـازي ایـن تجهیزات ناموفق است.
به بیانی دیگر، تنها در سرعت جریان مناسب ( ۳۰۰۰لیتر بر ساعت) و غلظت مطلوب شوینده قلیایی ( % ۱) در مدت زمان کوتاهی می توان دستگاه تبخیر کننده را پاکیزه نمود و در صورت اسـتفاده از سـرعت جریـان کـم، استفاده از شوینده قلیایی بیش ازغلظت مورد نیاز و یـا وقـوع همزمان هر دو مورد (مثلا هنگامی که محلول شوینده در تبخیر کننده تغلیظ می شود)، ضمن کاهش شدت پاکیزه سازي، زدایش رسوبات به طورکامل انجام نمی گیرد. به منظور برطرف کـردن مشکل سرعت جریان اندك در این دستگاه می توان از قـدرت یک پمپ مازاد با ظرفیت بهینه بهره جست.
مطالعات متعددي نشان داده اند که مقدار رسوبات آلی زدوده شده، علیرغم ثابت نگه داشتن شرایط فرآوري، به صورت روزانـه فـرق مـیکنـد. بررسی نسبت پروتئین به چربی در آخـرین بدنـه تبخیر کننـده نشان می دهد که در این قسمت از دسـتگاه، احتمـالا بـه دلیـل سرعت جریان ناکافی یا توزیـع غیـر یکنواخـت شـیر، صـرفا خشک شدن شیر غلیظ صورت می گیرد، زیرا این نسبت با آن چه در شیر تغلیظ شده (مساوي) وجود دارد، برابر است.
مشاهدات چشمی رسوبات درون تبخیر کننده پـس از شـست و شوي نامناسـب مبـین آن اسـت کـه بـر سـطح بیرونـی ایـن رسوبات، لایه اي به رنگ قهـوه اي سـوخته و مـشابه لاسـتیک وجود دارد که تحت تاثیر شرایط پـاکیزه سـازي اعمـال شـده، متورم شده است احتمالا واکنش هایی مانند تشکیل ژل یا پلیمریزه شدن، این ساختار لاستیک مانند را پدید آورده اسـت. کـه بـا کاهش نفوذ شوینده قلیـایی، موجـب افـت چـشمگیـر میـزان شست و شو می شود. پژوهشگران دیگري نیز تشکیل ژل حاوي پروتئین بر اثر واکنش قلیا(با غلظـت % ۲) و لایـه رسـوبی را گزارش دادند.
مطالعات نشان می دهد که در صورت کـاهش دمـاي عملیـات شست و شو از ۷۰ به ۵۰درجه سانتیگراد، لایه اسفنجی قهوه اي رنگ شبه لاستیکی تشکیل نمی شود. فرض بر آن است که پاکیزه سازي مطلوب هنگامی حاصل می شود که لایه رسوبی پیش از آن کـه پلیمریزاسـیون بـه حـدي برسد که مانع از نفوذ محلول شـوینده و ایجـاد تـرك در لایـه رسوبی شود، در شرایط مناسبی از سطح فولاد زنگ نـزن جـدا گردد.
پاکیزه سازي رسوبات آب پنیر یا آب پنیر تغلیظ شده در کارخانه ي تولید پنیر، به منظور کاهش هزینه ي حمل و نقل، ماده خشک آب پنیر تازه از %۵/۶به % ۲۸افزایش می یابـد، در حالی که در واحد فـرآوري آب پنیـر، مـاده خـشک آب پنیـر ورودي از %۲۸به % ۵۵می رسد. در این صنایع، پـاکیزه سـازي تجهیزات به سبب ایجاد رسوبات آب پنیر و پدیده گرفتگی از اهمیت بسیاري برخوردار است.
در پژوهشی که در کشور هلند و با هدف پاکیزه سازي این تجهیزات انجام شد، شست و شـو و پاکیزه سازي تجهیـزات آب پنیـر در واحـد پنیرسـازي بـه دو صــورت مــورد بررســی قــرار گرفــت:
در روش اول ابتــدا شست و شوي اسیدي و سپس شست و شوي قلیایی اعمال شـد، در حالی که در روشی دیگر ترتیب ایـن دو مرحلـه معکـوس بود. در صورت شروع فرایند پاکیزه سـازي بـا شـوینده ي اسـیدي، بخش عمده ي ترکیبات آلی نیز به همراه اسید خارج می شود که این مطلب چندان تعجـب آور نیـست، زیـرا بـه عنـوان نمونـه سیترات کلسیم که بخش عمـده ي ترکیبـات رسـوبی را دربـر می گیرد، از جمله ترکیبات مهم آلی نیز محسوب می شود.
نکته مهم دیگر آن کـه اولـین مرحلـه ي شـست و شـوي اسـیدي در زدودن پروتئین ها بسیار موثر بـوده و بـرخلاف انتظـار مقـدار بیشتري از این ترکیب را نسبت به اولـین مرحلـه ي قلیاشـویی خارج نموده است. خروج ترکیبات معدنی در اولین مرحله ي شست و شوي اسیدي تقریبا کامل صورت می گیـرد، در حـالی کـه اولـین مرحلـه ي شست و شوي قلیایی بیشترین تاثیر را در زدودن سیترات نـشان داده است و بر زدودن کلسیم و فسفات تاثیر نسبتا کمتري دارد.
در مجموع می توان گفت شروع فرآیند شـستوشـو بـا اسـید مرحله کار آمـدي در پـاکیزه سـازي ترکیبـات آلـی و معـدنی محسوب می شود. آبکشی مقدماتی تا حدودي بر پاك نمودن ترکیبات آلی موثر است و پاکیزه سازي رسوبات آب پنیر نشان می دهدکه عملیات سودشویی تاثیر محدودي بـر پـاکیزه سـازي مـواد معدنی به ویژه کلسیم داشته و ضـرورت اسیدشـویی همچنـان پابرجا است. همچنـین قلیاشـویی در زدودن ترکیبات آلی نیازمنـد صـرف زمـان قابـل تـوجهی اسـت، در حالی که اگر اسیدشویی بر قلیاشویی مقدم باشد به سرعت و عمدتا در اولین مرحله بخش عمده اي از ترکیبات آلی و معدنی را پاك می کند.
پاکیزه سازي آنزیمی و شست و شو در صنعت شیر
در فرایند پاکیزه سازي به منظور دستیابی به روش هاي سازگار با محیط زیست، از آنزیم ها به جاي ترکیبـات شـیمیایی اسـتفاده می شود. با هدف پـاکیزه سـازي پاسـتوریزاتور، شـست و شـوي اسیدي با اسیدنیتریک % ۰/۵ در دماي ۶۰درجه سانتیگراد بـه مدت ۱۵دقیقه، آبکشی با آب و شست و شوي آنزیمی به مدت ۴۵دقیقه صورت گرفت. محققین ضمن تنظیم دما و pHبهینه از آنزیم هاي متفاوتی استفاده نمودند.
نتایج این تحقیق نـشان داد کـه روش مبتنـی بـر آنـزیم بـراي شست و شوي مبدل هاي حرارتی مناسب است، امـا ضـمن دارا بودن مزایاي زیست محیطی قابل ملاحظـه، محـدودیت هـایی چون تنظیم دوز آنزیم مصرفی، کنترل فرایند آنزیمی و افزایش هزینه را نیز در پی دارد.
یکی از سوالات مهم، انتخاب آنزیم مناسب براي شست و شو و پاکیزه سازي در صنعت شیر است. محققین در مقایسه ۱۰نـوع پروتئاز و لیپاز تجاري مورد استفاده در این صنعت، دریافتند که در دماي ۴۰ درجه سانتیگراد، تنها سه نـوع از آنهـا عملکـرد قابل مقایسه اي با سود سوزآور %۱در دماي ۶۰درجه سـانتی گراد دارند. پژوهشگران عملکرد پروتئـاز هـاي مختلـف را در دماها و pHهاي مختلف بررسی نمودند و اعلام داشـتند کـه
دماي ۴۰درجه سلسیوس در اغلب آنهـا و pHحـدود ۱۰در برخی از آنها شرایط بهینه است. این مقایسه بر اسـاس مقـدار ترکیبات آلی و پروتئین هاي باقی مانده بر سطح فولاد زنگ نزن صورت پذیرفت. نتایج این تحقیقات نشان دهنده پاکیزه سازي رضایت بخش با روش آنزیمـی در مقیـاس صـنعتی اسـت.
از دیدگاه اقتصادي اسـتفاده از آنـزیم در دمـاي پـایین، بـا روش پاکیزه سازي قلیایی در دماي بالا قابل رقابت است. بـه عـلاوه، استفاده از روش آنزیمی مزایایی چون کاهش مصرف انرژي و آب، بهبود ایمنی شغلی، کاهش مقدار پساب تولیدي، قابلیـت بیشتر تصفیه پساب و کاهش تـاثیر مخـرب زیـست محیطـی فرایند شست و شو را نیز در پی داشت در پژوهش دیگري به منظور پاکیزه سازي پروتئین هـاي شـیر، پروتئــاز قــارچی بــا یکــدیگر مقایــسه شــدند. مراحــل شست و شوي درجا شامل شست و شو با کربنات سدیم و سپس پاکیزه سازي با آنزیم هاي قارچی بود.
کـاهش هـر چـه بیـشتر مقدار مواد آلی و پروتئین هاي نشسته بر سطح فولاد زنگ نـزن در دماي ۴۰ درجه سانتیگراد، به عنوان شـاخص اثـر گـذاري این روش در نظر گرفته شدند. نتایج نشان داد که در میان انواع پروتئاز به کار رفته، پروتئاز برون سلولی تولید شده به وسیله ي شیزوفیلیوم کومون بیشترین تاثیر پاك کنندگی را داراسـت. در گزارش دیگري شـرایط بهینـه عملکـرد پروتئازهـاي قـارچی مقایسه شد و مشابه یافته هاي قبلی دماي ۴۰درجه سلسیوس به مدت ۶۰دقیقه و pHحدود خنثی شـرایط مطلـوبی بـراي حصول عملکرد مناسب بدون ایجاد مشکل خـوردگی و تـاثیر نامطلوب زیست محیطی است. عدم نیاز به خنثی نمـودن pH پساب قبل از دفع را می توان از مزایاي این روش برشمرد.
گروهی از پژوهشگران، آنزیم پروتئـاز نـوعی باسـیلوس را بـر گوي هاي کوچک آلژینات تثبیت نمودند. آنها از این آنزیم ها در دماي ۷۰درجه سانتیگراد به منظور پاکسازي رسوبات ازسطح فولاد زنگ نزن اسـتفاده کردنـد. پژوهـشگران دیگـري کـه از پروتئازهاي باکتریایی استفاده نمودند دماي مناسب عملکرد آن را قدري بالاتر (۷۰-۵۰درجه سلسیوس) و محدوده ي بهینـه ي pHآن را بین ۸تا ۱۱ اعلام نمودند که در ایـن pHپروتئـاز باکتریایی %۹۰فعالیت آنزیمی را داراست. البته این محققین بر خـلاف گزارشـات پیـشین pHمعـادل ۱۰/ ۵را مناسـب تـر دانستند. نتایج این پژوهش نشان داد که می توان ضمن کـاهش مصرف مواد شیمیایی به نتایج رضایت بخـشی دسـت یافـت و فاضلاب عاري از مواد قلیایی و اسیدي بدون بـوي نـامطلوب تولید نمود.
پاکیزه سازي غشاء ( شست و شو در صنعت شیر)
فیلتراسیون شیر با اسـتفاده از غـشاءهـا، یکـی از کارآمـدترین روش هاي غیر حرارتی جداسازي چربی، پروتئین و بسیاري از میکروارگانیسم هـا اسـت. اسـتفاده از غـشاءهـایی چـون میکروفیلتــر ،اولترافیلتــر و نــانوفیلتر در حــوزه ي طراحــی فرایندها و توسعه ي محصولات شیري به واحـدهاي عملیـاتی پایه در این صنعت تبدیل شده انداما به سـبب تـه نـشین شـدن ترکیبات آلی و غیرآلی بر سطح غشاء، پاکیزه سازي منظم آنهـا الزامـی اسـت.
هماننـد اهـداف شـست و شـو در مـورد سـایر تجهیزات، علت اصلی شست و شوي غشاءها بازگرداندن آنهـا به وضعیت اولیه قبل از شروع بـه کاراسـت. بـه عـلاوه حفـظ نفوذپـذیري انتخــابی غـشاء، بازگــشت بـه ظرفیــت اولیــه ي تجهیزات، به حداقل رساندن خطر آلـودگی هـاي باکتریـایی و تولید محصولی مطلوب نیز در این زمینه حیاتی هستند. بـدین منظور شوینده هایی بر پایه ي سود کاستیک، انواع اسید و آنزیم به کار گرفته می شود و معمولا با افزودنی هـایی کـه بـا اهـداف شــست و شــوي خــاص بهتــرین انطبــاق را دارنــد، فرمولــه می شوند. عملیات شست و شو معایبی چون تولید حجـم بـالاي پساب، کاهش عمر غشاء و افت بازده تولید کارخانه را نیز بـه همراه دارد و بر این اساس باید از نظر غلظت، ترتیب و مـدت زمان مراحل شست و شو، دما، فـشار و سـرعت جریـان بهینـه شود.
اولترافیلتراسیون
پر کاربردترین غشاء در صنعت شـیر، غـشاء اولترافیلتراسـیون است که از معمولترین کاربردهاي آن می تـوان بـه جداسـازي ترکیبات شـیر، تغلـیظ ایـن ترکیبـات و آب پنیر اشـاره نمـود. نشست وماند میکروارگانیسم ها، پروتئین ها، چربـی هـا و مـوادمعدنی عامل اصلی گرفتگی این نوع غـشاء هـستند و بـدیهی است که پاکیزه سازي آن از اهمیـت خاصـی برخـوردار اسـت.
از این روي روش هـاي شـست و شـوي آن در مطالعـات مختلف بررسی شده اند. در پژوهشی شست و شو و رفع گرفتگی غشاء اولترافیلتراسـیون غیر آلی که براي فرآوري آب پنیر یا شیر مورد اسـتفاده قـرار گرفته بود، بـا اسـتفاده از هیپوکلریـت سـدیم و سـپس اسـید نیتریک مطالعه شد. نتایج نـشان داد بـراي انحـلال مـواد آلـی، کاربرد هیپوکلریت سدیم و براي رفع گرفتگی با مواد معـدنی، استفاده از اسید نیتریک ضروري است. این روش شستو شـو معمولا در مدت کوتاه، بـه صـورت کارآمـد عمـل مـی کنـد و می توان از بازگرداندن تراویده نیز استفاده نمـود.
هیپوکلریـت سدیم قادر به رفع گرفتگی هاي شدید نیست و استفاده از اسید براي زدودن رسوبات معدنی ضرورت دارد. در صورت تغلـیظ آب پنیر، به دلیل ایجاد لایه نازکی از پروتئین ها و نمـک هـاي معدنی بر سطح غشاء، پاکیزه سازي شیمیایی به طور کامل قابل دستیابی نیست، زیرا یون ها نقش بسیار مهمی در گرفتگی غشاء بازي می کنند و هنگام شست و شو باید به طـور خاصـی مـورد توجه قرار گیرند.
در ادامه این پژوهش، پاکیزه سازي غشائی که براي تغلیظ شـیر بی چربی مورد استفاده قرار گرفته بود، ارزیابی شد. به ترتیـب از هیپوکلریت سدیم به تنهـایی، یـا اول هیپوکلریـت و سـپس اسید نیتریک، اسـید نیتریـک بـه تنهـایی و همچنـین از سـود سوزآور حاوي ترکیبات کمپلکس دهنده ) اتیلن دي آمین تترا استیک اسید ( و ترکیبات فعال سطحی استفاده شـد.
اگـر چـه تمام روش هاي به کار رفته کارآمد بودند، اما در تمام موارد پس از این عملیات، مقادیر کمی از پروتئین و کلـسیم بـر سـطح و درون غشاء شناسایی شد. پژوهشگران دریافتند که در صورت انتخاب مناسب مواد فعال سطحی و ترکیبات کمپلکس دهنـده بــا کلــسیم، امکــان تهیــه ي محلــول قلیــایی کارآمــد بــراي شست و شوي تک مرحله اي غشاء وجود دارد.
در مطالعه ي دیگري، شست و شوي دو مرحله اي غشاء با سـود سوزآور و سپس اسید نیتریک بررسی شد. نتایج نشان دادند که استفاده از اسید در رفع گرفتگی غشاء اولترافیلتراسیون مسدود شده با شیر بی چربی موثر است. ظـاهرا اسـتفاده از شـوینده ي اسیدي پس از شست و شو با سود سوزآور موجب افزایش گمراه کننده ي شار می شود. در ضـمن پژوهـشگران بـه ناکارآمـدي عملیات شست و شوي اسیدي پی برده و اعلام نمودند که یون هاي نیترات با پروتئین هاي سطح غشاء واکنش داده و خاصیت آبگریزي آن را کاهش می دهند.
همان پژوهشگران پاکیزه سازي غشاء اولترافیلتراسیون از جنس پلی اترسولفون که هنگام کار با شیر بی چربی صرفا به وسیله ي پروتئین ها دچار گرفتگی بازگشت ناپذیري شده بود را بررسی کردند. این مطالعه که با7ATR/FTIR صورت گرفت مشخص نمود که سود سوزآور به تنهـایی قـادر بـه پـاك کـردن %۲۴از پروتئین ها است و اگرچه اسید نیتریک نیز همان مقدار پروتئین را خارج می کند، اما در pHاسیدي و از طریق جذب سـطحی نیترات بر پروتئین ها، موجب کـاهش آبگریـزي ترکیـب و در نهایت افزایش گمراه کننده ي شار می شود.
رفع گرفتگی غشاء اولترافیلتراسیون از جنس پلی اترسولفون که به منظور تغلیظ پروتئین هاي شیر بی چربی به کار گرفتـه شـده بود، موضوع مطالعه قـرار گرفـت، کـه در آن از شـوینده هـاي قلیایی ( pHمعادل ،۱۱/۵-۱۲دمـاي ۵۰درجـه سـانتیگـرا) استفاده شد. مشخص شد که عوامل هیدرودینامیکی مانند فشار و سرعت جریان بر کارایی شست و شو تاثیر محدودي دارنـد و باید ویژگی هاي فیزیکو شیمیایی محلول هـاي شـوینده نیـز در نظر گرفته شود.
نکته ي مهم آن که، آبکشی نهایی نقش تعیـین کننده اي در رفع گرفتگی دارد، اما بهینه سازي زمان و میزان آب مصرفی ضروري است.
پژوهشگران عوامل اصلی ایجاد گرفتگی و کاهش شار غشاء اولترافیلتراسیون از جنس پلیسولفون را بررسی نمودند. نتایج نشان داد که مهم ترین عوامل موثر بر گرفتگی، فشار و دماي مورد استفاده هنگام کار با غشاء است. به طور معمول در ابتداي کاربا غشاء شار بسیار بالا است، اما پس از مدتی کاهش می یابد.
علت این پدیده مسدود شدن سوراخ هاي غشاء به مرور زمان است. به نحوي که ابتدا سوراخ هاي کوچکتر و سپس سوراخ هاي بزرگتر دچار گرفتگی می شوند، که نتیجه ي آن کاهش ناگهانی شار است. عواملی چون مشخصات ظاهري، شکل، ساختار غشاء و ویژگی هندسی منافذ آن در این پدیده بسیار تاثیر گذارند.
استفاده از سود سوزآور به تنهایی با غلظت نیم درصد پس از نیم ساعت گردش و اسید سیتریک به تنهایی موجب آسیب به غشاء می شود و پیشنهاد پژوهشگران براي کاهش انسداد غشاء استفاده از آب دیونیزه با جریان پرفشار در دماي ۵۵ درجه سانتیگراد است. تاثیر پاك کنندگی محلول سود سوزآور تازه و محلول چند بار استفاده شده ، بر غشاء اولترافیلتراسیون مقایسه شد.
پاکیزه شدن غشاء مسدود شده با شیر بی چربی به وسیله محلول سود سوزآور چند بار استفاده شده به علت پایین آمدن کشش سطحی به مراتب از محلول تازه، موثرتر بود، مشروط بر آنکه محلول سود سوزآور مورد نظر قبلا به وسیله ي غشاء میکروفیلتراسیون ) با منافذ ۰/۱میکرومتر( تصفیه شود، به نحوي که ذرات معلق آن به طور قابل توجهی کاهش یابد.
نتایج تحقیقات دیگري نشان می دهد که غشاء اولترافیلتراسیون مسدود شده با ترکیبات شیر را می توان با ترکیبی شامل اتـیلن دي آمین تترا استیک اسید، سدیم دو دسـیل سـولفات وسـود کاستیک پاکسازي نمود. در این میان سدیم دو دسیل سـولفات به عنوان مادهي فعال سطحی، اتیلن دي آمین تترا استیک اسید به عنوان عامل شلاته کننـده و هیدروکـسید سـدیم بـه عنـوان شوینده قلیایی قوي مورد استفاده قرار گرفتند.
نقش اتیلن دي آمین تترا استیک اسید شلاته کردن برخی از کاتیون هـاي دو و چند ظرفیتی و اثر سدیم دو دسیل سولفات تغییر کـشش بـین سطحی و نقش امولسیون کنندگی اسـت و سـود کاسـتیک بـا تغییر pH محلول، شرایط بهتري براي خروج هـر چـه بیـشتر عوامل مسدود کننده ي غشاء که بوسیله ي اتیلن دي آمین تتـرا استیک اسید وسدیم دو دسیل سولفات از آن جـدا شـده انـد را فراهم میکند.
استفاده از تنش برشـی زیـاد بـه منظـور پـاکیزه سـازي غـشاء اولترافیلتراسـیون مـسدود شـده بـا ترکیبـات پـساب شـیر و فراورده هاي آن مورد بررسی قرار گرفت و تاثیر تـنش برشـی، دما، نوع ترکیب شوینده، غلظت و زمان شستوشو بر کـارایی پــاکیزه ســازي بــا روش هــاي مختلــف )آبکــشی بــا آب و شست و شوي شیمیایی( مطالعه شـد.
امکـان پـاك شـدن مـوثر میسل هاي کازئین و پروتئی نهاي سرم شیر با کمک تنش برشی فراهم گردید. در میان عوامل مختلفی چون تنش برشـی، دمـا، نوع ماده شوینده، غلظت ماده شـوینده و زمـان پـاکیزه سـازي، مهم تـرین عامـل تـنش برشـی و کـم اهمیـت تـرین آن زمـان پاکیزه سازي بـود. شـست و شـوي غـشاء در دمـاي ۳۵درجـه سانتیگراد تاثیر بهتري از دماي محیط)۲۰درجـه سـانتیگـراد( داشت.
میکروفیلتراسیون
بررسی علل گرفتگی و کاهش شـار غـشاء میکروفیلتراسیون از جنس پلی وینی لیدین دي فلوراید و غـشاء اولترافیلتراسـیون از جنس پلی سولفون نشان داد که عواملی چون مشخصات غشاء، جریان ماده ورودي، شـرایط عملیـاتی ماننـد دمـا اختلاف فشار دو سمت غشاء و زمان گردش ترکیبات شوینده بر عملکرد پاکیزه سازي موثر هستند.
بررسی شرایط بهینه ي پـاکیزه سـازي غـشاء میکروفیلتراسـیون مشخص نمود که علت عمده انـسداد ایـن نـوع غـشاء، مانـد ترکیبــات و عــواملی ماننــد چربــی هــا، مــواد معــدنی و میکروارگانیسم ها است. با ارزیابی اثر غلظت، دما، زمان شست و شو و سرعت جریان، ضمن اسـتفاده از انـواع مـواد شـوینده مانند اسـیدها، بازهـا و ترکیبـات فعـال سـطحی پژوهـشگران دریافتند که:
- شستو شوي طولانی تر و دماي بالاتر تا حـد مشخـصی در کارایی این فرایند موثر است و موجب بازیابی سـریعتـر شـار می شود.
- استفاده از اسید نیتریک و اسید کلریدریک به عنوان ترکیبات شوینده پیشنهاد نمی شوند.
- به طور کلی انواع قلیا قادر بـه صـابونی کـردن چربـی هـا و محلول کردن نسبی پروتئین ها هستند.
- در هیچ غلظتی استفاده از اتیلن دي آمین تترا استیک اسید به تنهایی پیشنهاد نمی شود، اما ترکیب آن با مواد شوینده ي قلیایی نتایج مناسبی در پی دارد.
- نتایج استفاده از سدیم دو دسیل سولفات هم به تنهایی و هم در ترکیب با سود سوزآور )شوینده قوي( و اتیلن دي آمین تترا استیک اسید به عنوان عامل شلاته کننده نتایج مطلوبی داشت.
- بهینه سازي سرعت جریان باید مورد توجه قرار گیرد.
کاربرد غشا در بازیابی شوینده هـاي قلیایی
به طور معمول مقادیر قابل توجهی از محلول هاي شوینده قلیایی با دماي بالا (معمولا ۸۰درجه سانتی گراد) در صنعت شیر بـه کار گرفته می شوند. دفع این ترکیبات شـوینده، ضـمن ایجـاد مشکلات زیست محیطی متعدد، نیازمند خنثی سـازي پـیش از تخلیه است. یکی از تلاش هاي صـورت گرفتـه، بـه کـارگیري فن آوري جداسازي غشایی براي تصفیه این محلول هـا اسـت.
هدف اصلی استفاده از این فناوري، جداسازي ترکیبات شیر از مواد شوینده و فراهم کردن شرایطی براي استفاده مجدد از این شوینده ها است. بدین ترتیب دوره ي زمانی استفاده از آنها قبل از دفـع، طـولانی تـر شـده و در مـصرف انـرژي، آب و مـواد شیمیایی صرفه جویی می شود. میزان شار و اکـسیژن شـیمیایی مورد نیاز هنگام تصفیه مواد شوینده ي متفاوت، بـا اسـتفاده از غشاءهاي سـرامیکی، مطالعـه شـد. یکـی از اهـداف پـیشرو دستیابی به شار مناسب و ثابت بود. تـصفیه ي مـواد شـیمیایی به وسیله غشاء نتایج متفاوتی حاصل نمود. به عنوان مثال پس از هربار استفاده ازیک محلـول شـوینده ثابـت، ترکیـب محلـول تصفیه شده، مقدار کاهش اکسیژن شیمیایی مورد نیاز و مقـدار افزایش شار تفاوت نمود. به نظر می رسد عواملی چون ترکیب، ویژگی ها، زمان و دماي محلول پاکیزه کننده به مراتب بـیش از غلظت آن در این امر موثرند. به عنوان نمونه، ترکیبـات فعـال سطحی بر میزان شار موثرند و وجود ترکیبات کمپلکس دهنده بر ایجاد رسـوبات پراکنـده بـر سـطح غـشاء اثـر دارنـد.
شست و شو در صنعت شیر با کمک امواج فراصوت
از این امواج به طـور مـشخص در جهـت پـایش(بـه وسـیله فراصوت تشخیصی) و پاکیزه سازي (توسط فراصوت تخریبی) می توان استفاده نمود. امروزه از امواج مافوق صوت تخریبی در کنـار روش هـاي معمـول پـاکیزه سـازي بـه ویـژه بـه منظـور شست و شوي انواع غشاء، ظروف بسته بندي و سبدهاي حمـل فرآورده هاي شیري استفاده می شود. پروتئین هاي سرم شیر مهمترین عامل کیپ شدن غشاها هستند.
استفاده از فرایند امواج فراصوت به همراه ترکیبـات شـیمیایی پاك کننده امکان کاهش پدیده ي گرفتگی غشاء و افزایش شار را میسر می کند. جالب آن که میزان بازیابی شار بـه مـدت زمـان عملیات فراصوت بستگی نداشته، اما به قـدرت ایـن عملیـات وابسته است. نتایج این پژوهش نشان داد که استفاده از امـواج فراصوت تاثیر مخربی بر غشاء اولترافیلتراسیون از جنس پلـی سولفون ندارد.
برخی پژوهشگران در آزمایـشی بـر غـشاء اولترافیتراسـیون از جنس پلیسولفون، ضمن تایید تاثیر مثبت این امواج بـر رفـع پدیده ي گرفتگی، متذکر شدند که ایـن تکنیـک، حتـی بـدون استفاده از ترکیبات شوینده ي شیمیایی نیز تاثیر به سزایی داشته، اما به همراه شوینده ها کارایی به مراتب بهتري دارد. آنها اظهار نموده اند که استفاده از امواج فراصوت از طریق افزایش جریان تلاطمی، پـنج تـا ده درصـد بـه کـارایی فراینـد شـست و شـو می افزاید.
نتایج یکی از پژوهش هاي جدید حاکی از تاثیر این فراینـد بـر افزایش قابلیت نفوذپذیري ترکیبات شـیمیایی پـاك کننـده در عوامل مسدود کننده ي غشاء اولترافیلتراسیون می باشد. عوامـل مسدود کننده ي مهم عبارتند از:
پروتئین هاي سرم شیر، آلبومین سرم شیر گاو و کلریدکلسیم .
استفاده از امـواج فراصـوت بـا تواتر ۲۰ ۴کیلو هرتز و تـوان ۳۰۰ ۵وات بـه افـزایش قابلیـت نفوذپذیري مواد شوینده به میزان % ۹منجر شد.
عواملی چـون نوع پروتئین ها، غلظت آنها، غلظت مواد شوینده و دمـاي بـه کار رفته حین کار با غشاء،بر گرفتگی و رفـع آن موثرنـد، امـا تاثیر عملیات فراصوت بـه منظـور رفـع انـسداد غـشاء از اثـر عواملی چون دما و غلظت مواد شوینده بیشتر است، به گونه اي که می تواند تا % ۹۵پروتئین هاي سرمی را از سطح غشاء پـاك کند. در ادامه ي همان پژوهش، تاثیر عملیات فراصوت بر پاکیزه سازي غشاء اولترافیلتراسیون از جنس پلـی اترسـولفون و سرامیکی با اندازه هاي منافذ متفاوت بررسی شد. مـاده ورودي به غشاء، شامل آلبومین سرم شیر گاو، آلبومین پروتئین شیرگاو، به علاوه کلرید کلسیم و تغلیظ شده ي پروتئین هاي سرمی شیر بود.
نتایج این پژوهش نیز موید این نکته است کـه تـاثیر ایـن عملیات بیش از جنس و اندازه منافذ غشاء اولترافیلتراسیون، به نوع گرفتگی وابسته است به طوري که بیشترین انسداد به وسیله تغلیظ شده ي پروتئین هـاي سـرمی شـیر روي داد. اسـتفاده از فرایند فراصوت در قیاس با پاکیزه سازي غشاء با سود سوزآور موثرتر بود و با کاهش تـواتر امـواج فراصـوت، اثربخـشی آن افزایش یافت.
نکته مهـم آن کـه در صـورت افـزایش غلظـت کاتیون هایی مانندکلسیم که منجر به اسـتحکام هـر چـه بیـشتر پیوند بین پروتئین ها و غشاء می شود، عملکرد امواج فراصوت کاهش می یابد.
از دیگر کاربردهاي این امواج میتوان به شست و شوي ظـروف بسته بندي و سبدهاي حمل و نقل فراورده هـاي شـیري اشـاره نمود. با بازگشت سبد حمل فراورده هاي شـیري بـه کارخانـه، آلودگی خطوط با برخـی عوامـل بیمـاري زا از جملـه لیـستریا منوسیتوژنز ممکن می شود.
پاکیزه سازي این ظـروف بـا سـود سوزآور حاوي اتیلن دي آمین تترا استیک اسید ازشوینده هـاي حاوي سورفاکتانت هاي آنیونی موثرتر اسـت و افـزایش زمـان شست و شو به مراتب موثرتر از افزایش غلظت ترکیبات شوینده است. پژوهشگران همچنین پیـشنهاد نمـوده انـد کـه از امـواج فراصوت با هدف افزایش کارایی این عملیات استفاده شود.
به عنوان نمونه نتایج پژوهشی در خصوص اثر امواج فراصوت بر پاکیزه سازي قالب هاي پلیمري پنیر نشان داد که استفاده از این فرایند موجب بهبود پاکیزه سازي این وسایل و تجهیزات و رفع آلودگی درون کانال هاي باریک و بلند آنها می شود. البتـه تـاثیر این فرایند باید بر اساس روش هاي آزمایش معتبر سنجیده شود.
پایش فرآیند پاکیزه سازي
شست و شوي در جا در بـسیاري از مـوارد بـر اسـاس تجربـه صورت می گیرد و غالبا این عملیات طولانی تر از زمـان مـورد نیاز ادامه می یابد. طولانی شدن این عملیات با افزایش هزینه ي شست و شو و کاهش ظرفیـت تولیـد همـراه اسـت. بـه همـین منظور، محققین از دو حسگر جهت پایش این فرایند در مبدل حرارتی فرادما استفاده نمودند.
یکـی از حـسگرها بـر اسـاس کدورت و دیگري بر پایه مقدار کلسیم طراحی شد. نتایج ایـن پژوهش حاکی از ارتباط اطلاعات حاصل از هر دو حسگر بـا عواملی چون پاك شـدن گرفتگـی هـا، تنظیمـات شـیرآلات و هدایت الکتریکی بود. لازم به ذکر است که در صـورت ایجـاد کف، سنجش کدورت دچار اختلال می شود و تغییرات pHنیز بر عملکرد حسگر کلسیم موثر است.
همچنین، محققین از فرایند فراصوت با قدرت کم، جهت پایش پاکسازي رسوبات از سطح مبدل هاي حرارتی استفاده کـرده و به این نتیجه رسیدند که در صورت کالیبراسیون مناسب، مـی توان از این روش در حد صنعتی استفاده نمود.
به کارگیري این امواج، داراي مزایایی همچون عدم مداخله در فراینـد شـست و شو، عدم تخریب محصول و قابلیت استفاده به صورت مداوم در مدار تولید است. بـدین ترتیـب امکـان بهینـه سـازي زمـان شست و شو با در نظر گرفتن ماهیت و میزان مواد ته نشین شـده فراهم می شود.
بررسـی عوامـل فیزیکـی )دمـا و سـرعت جریـان( و عوامـل شـیمیایی )pHو غلظـت پـروتئین هـا( در ایجـاد رسـوب بـر مبدل هاي حرارتی نشان داد که یکی از مهمترین پروتئین هاي ترسیب شده بتالاکتوگلوبولین است.
به منظور کاهش رسـوب سه راه حل زیر پیشنهاد شد:
- اصلاح عملیات حرارتی از طریق تنظیم برنامهي دمایی، مثلا ثابت نگه داشتن دماي بخش حرارتی.
- اصلاح طراحی مبدل حرارتی با تغییر پیکره بندي و استفاده از سطوح صیقلی تر.
- اصلاح ترکیب مایع ورودي،به عنوان مثال از طریق افزودن عوامل اکسید کننـده بـا هـدف جلـوگیري از متجمـع شـدن پروتئین هاو استفاده از ترکیبات مهار کننده ي فـسفات کلـسیم جهت جلوگیري از ناپایدار شـدن و تـه نـشینی آنهـا.
لازم بـه یادآوري است که ممکن است استفاده از این ترکیبات به دلیـل محدودیت ویژگی هاي محصول غذایی ممنوع باشد.
بازیابی ترکیبات شوینده بـا هـدف افـزایش کـارایی عملیـات شست و شو صورت می پذیرد. استفاده از انواع غـشاء بـه ویـژه نانوفیلتراسیون یکی از روش هاي بازیابی شوینده قلیایی اسـت. به منظور کنترل و پایش این عملیات، شاخص اکسیژن شیمیایی مورد نیاز در فرایند شست و شوي در جا، به صورت یـک و دو مرحله اي به کار گرفته شده است.
نتایج این پژوهش نشان داد که استفاده چند باره از شـوینده قلیـایی تـا زمـانی کـه میـزان آلودگی آن پس از فیلتراسیون از حـد مطلـوب بیـشتر نباشـد، ممکن است. براین اساس لازم است عملیات کنترل به صورت دوره اي انجام شده و در صورتی که آلودگی از حد مجاز بیشتر باشد، شوینده قلیـایی تخلیـه و بـا شـوینده جدیـد جـایگزین شود.
پژوهشگران دیگري عنوان نموده اند که استفاده مجـدد از سـود کاستیک جهت پاکیزه سازي غشا اولترا فیلتراسیون در دماي ۵۰ درجه سانتیگراد در صورتی کارآمد است که مقدار مواد جامد معلق وکشش سطحی آن به اندازه ي کافی کم باشد.
در پژوهشی از حـسگر نـوري بـه منظـور پـایش اثـر بخـشی شست و شوي سطوح مبدل حرارتـی صـفحه اي )پاسـتوریزاتور شیر( با سود سوزآور استفاده و تاثیر عواملی مانند دما، غلظت، سرعت جریان و ماهیت محلول شوینده بر فرایند پاکیزه سازي بررسی شد. پژوهشگران اعلام نمودند که حسگر نوري کالیبره شـده قـادر بـه پـایش اثربخـشی ایـن عملیـات بـه صـورت برخط است، اما کالیبراسیون آن به ترکیب مـاده غـذایی مـورد نظر بستگی دارد.
در تکمیل این مطالعه از حسگر نوري حساس به کدورت براي پایش پاکیزه سـازي دسـتگاه پاسـتوریزاتور اسـتفاده شـد. ایـن دستگاه که جهت پاستوریزه کـردن شـیر خـام پرچـرب مـورد استفاده قرار گرفته بود، با سود سوزآور شست و شو شد. استفاده از این حسگر به همراه محلول شست و شوي تـازه تهیـه شـده، امکان سنجش میزان پاکیزه سازي را به صورت بر خـط فـراهم نمود.
در میان پارامترهاي فیزیک و شیمیایی مختلف و مـوثر بـر فرایند پاکیزه سازي؛ دما، غلظت و میزان گردش محلول شوینده قلیایی مطالعه شدند. نتایج نـشان داد کـه تـاثیر افـزایش یـک درصدي غلظت سود سوزآور بر میزان شست و شو،با افزایش ۸ درجه سانتیگراد دما یا ۰/۵متر بر ثانیه سرعت جریان معـادل است.
اهمیت آب، انرژي و ملاحظات زیست محیطی
مراحل مختلف شست و شوي سطوح در تماس با شیر و فراورده هاي آن، تبعات زیست محیطی بسیاري دارند. به همین جهت یکی از مهم ترین اهداف، کاهش مصرف آب، انرژي و مقدار شوینده ها در پساب است. پساب حاصل از آبکشی مقدماتی از دیدگاه زیست محیطی و براساس دو شاخص اکسیژن مورد نیاز زیستی و شیمیایی از اهمیت زیادي برخوردار است. شوینده هاي قلیایی که در پاکسازي چربی ها و تا حدودي پروتئین ها موثرند و شوینده هاي اسیدي که با هدف خارج کردن رسوبات معدنی به کار می روند، داراي آثار مخرب زیست محیطی هستند.
از شوینده هاي اسیدي در مراحلی از فرایند که دما بالاست و رسوب مواد معدنی بیشتر اتفاق می افتد )مانند دستگاه هاي پاستوریزاتور( استفاده می شود. بر خلاف شست و شوي هر روزه با ترکیبات قلیایی، تناوب شست و شوي اسیدي متفاوت است و ممکن است هر روز، یک روز در میان یا هفته اي یکبار به کار گرفته شود.
چهار روش شست و شوي درجاي کامل )شست و شو و ضدعفونی(، شامل شست و شوي معمول قلیا-اسید بدون استفاده از آب داغ جهت ضدعفونی، شست و شوي قلیایی یک مرحله اي با ضدعفونی شیمیایی)اسیدي(، شست و شو بر پایه آنزیم با ضدعفونی به روش شیمیایی (اسیدي) و همچنین شست و شوي معمول با ضدعفونی به وسیله اسید نیتریک سرد در pHبرابر از جنبه هاي مربوط به ملاحظات زیست محیطی با یکدیگر مقایسه شدند.
در میان این چهار روش و از دیدگاه مصرف انرژي، گرمایش جهانی، اسیدي کردن محیط و آب، ایجاد مرداب و تشکیل ترکیبات موسوم به فتواکسیدانت، دو روش پاکیزه سازي بر پایه ي آنزیم و پاکیزه سازي قلیایی یک مرحله اي بهتر از دو روش دیگر بودند. اگرچه ترکیبات شیر در اولین مرحله آبکشی عمده ترین عامل مردابی کردن آب ها به حساب می آیند، وجود فسفر و نیتروژن در ترکیبات شوینده نیز در این پدیده موثر است.
به هر حال از جنبه ي زیست محیطی و در میان شوینده هایی که تا حدودي داراي عوامل سمی هستند، شست و شوي قلیایی یک مرحله اي با ضدعفونی شیمیایی (اسیدي) بهترین نتیجه را حاصل نمود.
نتیجه گیري
شاخص ها و عوامل پایش کننده ي کارایی عملیات شست و شو عبارتند از اکسیژن شیمیایی مورد نیاز، کلسیم، کدورت، هدایت الکتریکی و حسگرهاي با فناوري فراصوت.
بر اساس پایش این شاخص ها می توان نتیجه گرفت که بر خلاف تصور مرسوم، روش هاي کلاسیک شست و شو از ضعف هاي متعددي برخوردارند و نمی توان از آنها حداکثر کارایی را انتظار داشت، مثلا استفاده از محلول هیدروکسید سدیم وسپس محلول اسید نیتریک تبخیر کننده ها موجب پاك کردن کامل مواد معدنی نخواهد شد و یا استفاده از سود سوزآور در طی زمان صدمات جبران ناپذیري بر غشا اولترافیلتراسیون وارد نموده و عمر آن را به طور چشم گیري کاهش می دهد.
نوع ترکیبات رسوبی )به ویژه پروتئین هاي سرمی و اشکال مختلف کلسیم( در مبدل هاي حرارتی و تبخیرکننده ها به ترکیب ماده ي ورودي )مثلا شیر یا آب پنیر(، غلظت آنها )به عنوان مثال آب پنیر باغلظت ۵/۷و ،(%۲۸ دما و زمان فرآوري بستگی دارد. بدین ترتیب شرایط شست و شوي تجهیزات، برنامه ي شست و شو و ترکیبات مورد استفاده به منظور پاکیزه سازي ممکن است تغییر کند. به عنوان مثال، اگرچه هنگام کار با شیر برنامهي شست و شوي قلیایی وسپس اسیدي کاراست، به هنگام فراوري آب پنیر و به ویژه آب پنیر غلیظ لازم است شست و شوي اسیدي و سپس شست و شوي قلیایی به کار رود.
جلوگیري از پیدایش لایه ي لاستیک مانند در پی پلیمریزه شدن پروتئین ها بر سطح رسوبات به منظور حفظ عملکرد مناسب ترکیبات شوینده از اهمیت ویژه اي برخوردار است. استفاده از روش هاي جایگزین یا تکمیلی مانند به کارگیري آنزیم ها )هنگام شست و شوي مبدل هاي حرارتی( وامواج فراصوت ) جهت پاکیزه سازي غشاها( از تدابیر به روز شده ي پاك کردن رسوبات دستگاه هاي حرارتی و مسدود کننده ي غشاها به حساب می آیند. به نظر می رسد در آینده استفاده از روش هاي تلفیقی، متناسب با ماده اولیه (به عنوان نمونه، شیر یا آب پنیر) وشرایط فراوري براي شست و شوي تجهیزات این صنعت، جایگزین روش هاي شست و شوي متداول شده و ضمن کاهش هزینه وتبعات زیست محیطی، کارایی آنها را به طور قابل ملاحظه اي افزایش دهند.
مطالب مرتبط:
- آموزش زنان روستایی بهترین راهکار تولید شیر بهداشتی
- آلودگی شیر به آنتی بیوتیک
- کاملترین روشهای شناسایی باکتری بروسلا در شیر خام و پنیر
- سالم سازي سرد شير؛ چطور بدون حرارت دادن ممکن است؟
- چربي پنيـر و جایگزینی آن با استفاده از روغن هاي زيتون و كانولا
- بهينه سازي سه گانه شرايط تخمير شير در توليد ماست پروبيوتيك
- انتقال نامتقارن عمودي قیمت در بازار شیر ایران
- پنير پيتزا موزارلا و پنیر پیتزا پروسس چه تفاوتی دارند؟
