بررسی متغیرهای مؤثر در جداسازی مواد زیستی توسط فیلتر غشایی تحت خلاء: مطالعه موردی محلول اسیدی پکتین

نویسندگان
شعیب غلامی 1
سعید مینائی 2
علیرضا مهدویان 3
1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
2 استاد گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
3 استادیار گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
10.22034/FSCT.20.138.64
چکیده
پکتین یکی از پرکاربردترین ترکیبات در صنایع غذایی است که از محصولاتی چون پوست مرکبات و ضایعات استخراج می‌شود. از روش‌های متداول برای تصفیه محلول اسیدی به‌منظور استخراج پکتین، در مقیاس‌ انبوه، استفاده از ترکیب نیروی خلاء و فیلترهای غشایی است. این پژوهش به بررسی متغیرهای مهم فیلتر غشایی تحت خلاء در جداسازی مواد فیبری از محلول اسیدی پکتین می‌پردازد. این متغیرها شامل اندازه ذرات کمک-فیلتر (پرلیت)، ضخامت لایه پرلیت و میزان خلاء است که موارد ذکرشده همگی بر کیفیت جداسازی، دبی حجمی تولید و انرژی مصرفی اثرگذارند. بدین منظور یک دستگاه فیلتراسیون تحت خلاء ساخته شد تا مواد فیبری حل‌شده در محلول را جداسازی نماید. متغیرهای مستقل پژوهش حاضر، در سه سطح مورد بررسی قرار گرفتند و به کمک روش سطح پاسخ (RSM) داده‌های حاصل از بررسی متغیرهای مذکور تحلیل شد و مقدار بهینه‌ی هر یک از متغیرها مشخص گردید. نتایج نشان داد که با افزایش سطح خلاء از 0/2 تا 0/4 bar میزان دبی 6/5 برابر افزایش داشته است. اما با افزایش بیشتر مقدار خلاء، دبی تولید کاهش داشته است که نشان‌دهنده گرفتگی فیلتر کاغذی و کاهش دبی در سطح خلاء 0/6 bar و پرلیت 100 میکرون است. نتایج ارزیابی نشان داد که اندازه ضخامت لایه پرلیت بیشترین تأثیر را بر بازده جداسازی دارد و با افزایش ضخامت از 1 به 2 سانتی‌متر، بازده 2/5 برابر افزایش داشته است. مقدار بیشینه بازده جداسازی در سطح خلاء 0/2 bar، اندازه ذرات 20 میکرون و ضخامت 2 سانتی‌متر حاصل شد. مصرف انرژی در پرلیت 60 میکرون برابر با 0/74 Wh در حالت بهینه قرار گرفت و در اندازه‌های درشت‌تر و ریز‌تر پرلیت ‌انرژی مصرفی 4/5 برابری داشتند. یافته‌های حاصل از پژوهش حاضر در ساخت سامانه جداسازی مواد زیستی توسط فیلتر غشایی تحت خلاء در مقیاس صنعتی کاربرد دارد.
کلیدواژه‌ها
استخراج
بازده
انرژی مصرفی
پوست پرتقال
پرلیت

موضوعات

عنوان مقاله English

A Survey of Effective Parameters in Biomass Separation Using Vacuum Membrane Filtering: A Case Study of Pectin Acidic Solution

نویسندگان English

shoaib gholami 1
Saeid Minaei 2
Alireza Mahdavian 3
1 MSc, Biosystems Engineering Department, Faculty of Agriculture, Tarbiat Modares University (TMU), Tehran, Iran
2 Professor, Biosystems Engineering Department, Faculty of Agriculture, Tarbiat Modares University (TMU), Tehran, Iran
3 Assistant Professor, Biosystems Engineering Department, Faculty of Agriculture, Tarbiat Modares University (TMU), Tehran, Iran
چکیده English

Pectin, which is made from citrus peel and waste, is one of the most commonly used compounds in the food industry. For large scale production, a combination of membrane-vacuum filtering has been suggested as an alternative to traditional methods of purifying the acidic solution for pectin extraction. This study investigates the main factors involved in membrane filtering system for separation of fibrous materials from an acidic pectin solution under vacuum. These factors which include: filter-aid-particle size, amount of filter-aid (perlite) added to the solution, and the vacuum level, affect, separation quality, volumetric flow rate, and energy consumption . A vacuum separation device was developed for this purpose in order to separate the fibrous material dissolved in solution. The independent variables were examined at three levels, the data were analyzed, and the optimum value for each variable was determined using the response surface method (RSM). Results revealed that increasing the vacuum level from 0.2 to 0.4 bar increases the flow-rate 6.5 folds, while, further increase in the vacuum level decreases the flow-rate. This indicates clogging of the paper filter and decreased flow-rate at vacuum level of 0.6 bar and perlite particle size of 100 microns. The evaluation results showed that thickness of the perlite layer has the greatest effect on the separation efficiency and when increased from 1 to 2 cm, increases the efficiency 2.5 folds. The maximum value of separation efficiency was obtained at a vacuum level of 0.2 bar, particle size of 20 microns and perlite thickness of 2 cm. The energy consumption of 60-micron perlite was 0.74 Wh in the optimal state, and the larger and smaller sizes of perlite had 4.5 times the energy consumption. These findings are applicable in the industrial scale implementation of a biomaterial separation system using vacuum membrane filtering.

کلیدواژه‌ها English

Extraction
yield
energy consumption
Orange peel
Perlite
[1] G. R. Pesch and F. Du, “A review of dielectrophoretic separation and classification of non‐biological particles,” Electrophoresis, vol. 42, no. 1–2, pp. 134–152, 2021.
[2] S. R. Rao, Surface chemistry of froth flotation: Volume 1: Fundamentals. Springer Science & Business Media, 2013.
[3] N. Uduman, Y. Qi, M. K. Danquah, G. M. Forde, and A. Hoadley, “Dewatering of microalgal cultures: a major bottleneck to algae-based fuels,” J. Renew. Sustain. energy, vol. 2, no. 1, p. 12701, 2010.
[4] N. P. Cheremisinoff, “Industrial liquid filtration equipment,” in Fibrous filter media, Elsevier, 2017, pp. 27–50.
[5] R. Wakeman and S. Tarleton, Solid/liquid separation: principles of industrial filtration. Elsevier, 2005.
[6] P. Shao, K. Darcovich, T. McCracken, G. Ordorica-Garcia, M. Reith, and S. O’Leary, “Algae-dewatering using rotary drum vacuum filters: Process modeling, simulation and techno-economics,” Chem. Eng. J., vol. 268, pp. 67–75, 2015, doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2015.01.029.
[7] D. Purchas and K. Sutherland, Handbook of filter media. Elsevier, 2002.
[8] L. Svarovsky, Solid-liquid separation. Elsevier, 2000.
[9] V. Jadwani, “Development of a Method to Prepare a Test Fluid with Soft Particles in Biodiesel Fuel Blends.” 2020.
[10] P. M. Doran, “Unit operations,” Bioprocess Eng. Princ., pp. 445–595, 2013.
[11] J. Milani and G. Maleki, “Hydrocolloids in food industry,” Food Ind. Process. Equip., vol. 2, pp. 2–37, 2012.
[12] E. D. Ngouémazong, S. Christiaens, A. Shpigelman, A. Van Loey, and M. Hendrickx, “The emulsifying and emulsion‐stabilizing properties of pectin: A review,” Compr. Rev. Food Sci. Food Saf., vol. 14, no. 6, pp. 705–718, 2015.
[13] A. N. Grassino, J. Halambek, S. Djaković, S. R. Brnčić, M. Dent, and Z. Grabarić, “Utilization of tomato peel waste from canning factory as a potential source for pectin production and application as tin corrosion inhibitor,” Food Hydrocoll., vol. 52, pp. 265–274, 2016.
[14] J. P. Maran, V. Sivakumar, K. Thirugnanasambandham, and R. Sridhar, “Microwave assisted extraction of pectin from waste Citrullus lanatus fruit rinds,” Carbohydr. Polym., vol. 101, pp. 786–791, 2014.
[15] D. R. Bagal‐Kestwal, M. H. Pan, and B. Chiang, “Properties and applications of gelatin, pectin, and carrageenan gels,” Bio monomers green Polym. Compos. Mater., pp. 117–140, 2019.
[16] L. Leclere, P. Van Cutsem, and C. Michiels, “Anti-cancer activities of pH-or heat-modified pectin,” Front. Pharmacol., vol. 4, p. 128, 2013.
[17] R. Minjares-Fuentes, A. Femenia, M. C. Garau, J. A. Meza-Velázquez, S. Simal, and C. Rosselló, “Ultrasound-assisted extraction of pectins from grape pomace using citric acid: A response surface methodology approach,” Carbohydr. Polym., vol. 106, no. 1, pp. 179–189, 2014, doi: 10.1016/j.carbpol.2014.02.013.
[18] M. Huttunen et al., “Specific energy consumption of vacuum filtration: Experimental evaluation using a pilot-scale horizontal belt filter,” Dry. Technol., 2019.
[19] J. Hammond, M. Brennan, and A. Price, “The control of microbial spoilage of beer,” J. Inst. Brew., vol. 105, no. 2, pp. 113–120, 1999.
[20] T. Sivakumar, G. Vijayaraghavan, and A. V. Kumar, “Enhancing the performance of rotary vacuum drum filter,” Int. J. Adv. Eng. Technol., vol. 2, no. 4, pp. 41–47, 2011.
[21] F. L. Duarte, L. Coimbra, and M. Baleiras-Couto, “Filter media comparison for the removal of Brettanomyces bruxellensis from wine,” Am. J. Enol. Vitic., vol. 68, no. 4, pp. 504–508, 2017.
[22] L. Fillaudeau and H. Carrère, “Yeast cells, beer composition and mean pore diameter impacts on fouling and retention during cross-flow filtration of beer with ceramic membranes,” J. Memb. Sci., vol. 196, no. 1, pp. 39–57, 2002, doi: 10.1016/S0376-7388(01)00568-3.