19055

۱۹۰۵۵

بررسي محاسباتي و تجربي اثر ميدان الكتريكي بر گرفتگي غشا با پروتئين

كارشناسي ارشد

مدل سازي، شيبه سازي و كنترل فرايند

۹۴-۹۶

۱۳۹۷/۰۱/۲۸

دكتر نورالله كثيري - دكتر تورج محمدي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

پروتئين ها كاربردهاي اساسي و مهمي در صنعت، پزشكي و صنايع غذايي دارند. با در نظر گرفتن ارزش بالاي مواد موجود در آب پنير از جمله پروتئين ها، جداسازي آنها بسيار حائز اهميت مي باشد. تكنولوژي غشايي به دليل مصرف كمتر انرژي، راندمان بالاتر و راهبري ساده تر در مقايسه با ساير فرايندهاي مشابه از علل توجه صاحبان صنايع به اين فناوري مي باشد. مشكل اصلي اين فرآيندها، گرفتگي غشا است كه به شدت عملكرد غشا را تحت تأثير قرار داده و سبب بروز افت شديد در راندمان عمليات جداسازي پس از گذشت زمان اندك مي شود. روش هاي زيادي براي جلوگيري از گرفتگي غشا با پروتئين و كم كردن اثرات منفي آن بر جداسازي غشايي صورت گرفته است. در اين پژوهش به بررسي اثر ميدان الكتريكي بر گرفتگي غشا با پروتئين آب پنير پرداخته شده است. اين مطالعات در دو بخش آزمايشگاهي و شبيه سازي انجام گرديده است. در بخش آزمايشگاهي دو نوع تست انجام گرديد. نوع اول به منظور كاهش گرفتگي غشا انجام شده است. بدين صورت كه پس از گرفتگي غشا، به مدت 5 دقيقه فشار تا اندازه ي 0.24 بار افت پيدا كرده و ميدان الكتريكي اعمال شده سپس فشار به حالت اوليه برگشته و ميزان افزايش شار محاسبه گشته است. آزمايش نوع دوم به منظور پيشگيري از گرفتگي غشا تحت تاثير ميدان الكتريكي انجام شده است و شار عبوري از غشا در حضور و عدم حضور ميدان الكتريكي با هم مقايسه شده است. اين آزمايش ها در سه شدت ميدان 20000، 23000 و 26000 ولت بر متر، غلظت 0.01 ، 0.1 و 1 درصد وزني و pH 7، 8 و 9 انجام شده و نتايج حاصل از آنها به صورت درصد افزايش فلاكس عبوري از غشا در اثر اعمال ميدان الكتريكي با يكديگر مقايسه شده است. نتايج نشان داد در هر دو نوع افزايش غلظت پروتئين از حدود 0.01 درصد وزني به بعد، اثر ميدان الكتريكي را كاهش ميدهد. در آزمايش نوع اول تا شدت ميدان حدود 23000 ولت بر متر گرفتگي كاهش مي يابد و پس از آن افزايش شدت ميدان الكتريكي تاثير زيادي بر كاهش گرفتگي غشايي ندارد. در آزمايش نوع دوم هر چه شدت ميدان اعمال شده بيشتر باشد ميزان تاثير ميدان الكتريكي بر كاهش گرفتگي بيشتر مي شود. همچنين نتايج نشان داده، در هر دو نوع آزمايش افزايش pH اثر ميدان الكتريكي را افزايش مي دهد. در بخش محاسباتي نيز با تكيه بر قابليتهاي روش ديناميك سيالات محاسباتي (CFD) به كمك نرم افزار كامسول، تاثير ميدان الكتريكي بر گرفتگي غشا شبيه سازي شد. اين مدل به كمك داده هاي حاصل از بخش آزمايشگاهي اعتبار سنجي شد بر اساس طراحي آزمايش در شرايط مختلف عملياتي مورد بررسي قرار گرفت. در نهايت كارايي ميدان الكتريكي در كاهش گرفتگي غشا با پروتئين آب پنير هم در بخش شبيه سازي و هم آزمايشگاهي تاييد گرديد. واژههاي كليدي: پروتئين آب پنير، گرفتگي غشايي، ميدان الكتريكي، طراحي آزمايش، ديناميك سيالات محاسباتي

1397/03/04

Computational and experimental study of the effect of electric field on washing protein-fouled membranes

5/25/2018 12:00:00 AM

Proteins have important applications in industry, medicine and food industries. Considering the high value of the materials existing in the whey such as proteins, the separation of these materials is of great importance. Less energy consumption, more efficiency and easier application of membrane technology in comparison to the other similar processes are some of the reasons why it is a popular process for industries owners. The main problem of membrane processes is membrane fouling which strongly affects the membrane performance and significantly decreases the separation efficiency within a short time. Many methods have been introduced to prevent membrane fouling and to reduce its negative effects on membrane separation. In the present study the effect of electric field on membrane fouling with whey protein has been studied. This research is done in two individual parts: Experimental study and simulation. In the experimental part two types of tests are performed. First type is performed in order to fix membrane fouling. In these tests, after fouling of membrane, the pressure is reduced to 0.24 bar in 5 minutes and the electric field is applied and then the pressure is returned to the initial value and the flux increment is calculated. The second type test is done in order to prevent membrane fouling under the effect of electric field and the flux passing through the membrane is compared in the presence and absence of the electric field. This tests are performed in three voltages of 20, 23 and 26 volts, three concentration of 0.01, 0.1 and 1 %wt and pH of 7, 8 and 9 and the obtained results are compared in the form of increment percentage of the flux passing through the membrane under the effect of applied electric field. The results indicated that in both test types, increasing the protein concentration to more than nearly 0.01 %wt decreases the effect of the electric field. In the first type of the tests, fouling decreases until the voltage of nearly 23 volts and after that increasing voltage doesn’t have a significant effect on reducing the membrane fouling. In type two test, the higher voltage is, the greater the impact of electric field on fouling reduction will be. The results also indicates that in both types of tests, increasing pH increases effect of the electric field. In the computational part of the research, the effect of electric field on the membrane fouling is simulated relying on the capabilities of computational fluid dynamics (CFD) method using COMSOL software. This model has been validated using the data obtained from experimental part and has been investigated based on experiment design in different operating conditions. Finally the performance of electric field in reducing membrane fouling with whey protein was proved in both simulation and experimental parts. Keywords: Whey protein, Membrane fouling, Electric Field, Experiment design, Computational fluid dynamics