در زمینه فیلتراسیون غشایی، میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون دو تکنیک مهم هستند که به طور گسترده برای جداسازی ذرات از مایعات، به ویژه در فرآوری مواد غذایی، تصفیه آب و کاربردهای دارویی استفاده میشوند. اگرچه هر دو فرآیند برای حذف آلایندهها به غشاهای نیمه تراوا متکی هستند، اما از نظر اندازه منافذ، فشار عملیاتی و اندازه ذراتی که قادر به فیلتر کردن آنها هستند، تفاوتهای قابل توجهی دارند. درک تفاوتهای اساسی بین این دو روش فیلتراسیون برای انتخاب فناوری مناسب برای نیازهای خاص صنعتی یا آزمایشگاهی ضروری است. با این مقاله از سایت «رسوب آب» همراه ما باشید.
میکروفیلتراسیون چیست؟
میکروفیلتراسیون (MF) یک فرآیند جداسازی مبتنی بر غشا است که مواد جامد معلق، باکتریها و ذرات بزرگ را از مایعات، معمولاً آب یا مایعات لبنی، حذف میکند. اندازه منافذ غشاهای میکروفیلتراسیون از 0.1 تا 10 میکرومتر متغیر است و آنها را برای جداسازی اجزا بر اساس اندازه مؤثر میکند. این غشاها در فشارهای نسبتاً کم (0.1 تا 2 بار) کار میکنند که باعث میشود از نظر انرژی کارآمد باشند.
میکروفیلتراسیون مواد محلول مانند نمکها یا مولکولهای آلی کوچک را حذف نمیکند. این فرآیند به طور گسترده در صنایع غذایی و آشامیدنی، داروسازی و تصفیه فاضلاب برای شفافسازی مایعات، تضمین ایمنی میکروبی و محافظت از فرآیندهای پاییندستی استفاده میشود. مواد غشایی رایج شامل پلیمرهایی مانند پلیوینیلیدین فلوراید (PVDF) و پلیسولفون هستند. میکروفیلتراسیون اغلب یک مرحله پیش تصفیه قبل از روشهای پیشرفتهتر فیلتراسیون است.
اولترافیلتراسیون چیست؟
اولترافیلتراسیون (UF) یک فرآیند فیلتراسیون غشایی مبتنی بر فشار است که برای جداسازی ماکرومولکولها، مانند پروتئینها و پلیساکاریدها، از مولکولهای کوچکتر و حلالها طراحی شده است. غشاهای اولترافیلتراسیون منافذ بسیار کوچکتری نسبت به میکروفیلتراسیون دارند معمولاً 0.01 تا 0.1 میکرومتر و تحت فشارهای متوسط (1 تا 10 بار) کار میکنند. آنها قادر به حذف ویروسها، کلوئیدها و برخی از اندوتوکسینها هستند، اما نمیتوانند املاح با وزن مولکولی کم مانند نمکها را حذف کنند.
این فرآیند معمولاً در صنایع لبنی (برای غلظت پروتئین)، بیوتکنولوژی (برای خالصسازی آنزیم) و تصفیه آب (برای حذف پاتوژن) اعمال میشود. اولترافیلتراسیون میتواند محصول تصفیهشدهتری تولید کند و اغلب به عنوان مرحله میانی بین میکروفیلتراسیون و نانوفیلتراسیون عمل میکند. غشاها معمولاً از موادی مانند پلی اترسولفون (PES) یا استات سلولز ساخته میشوند.
تفاوت میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون
در ادامه به فرق میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون میپردازیم:
۱. اندازه منافذ و قابلیت جداسازی
تفاوت اصلی بین میکروفیلتراسیون (MF) و اولترافیلتراسیون (UF) در اندازه منافذ غشاهای آنهاست که مستقیماً بر ظرفیت جداسازی آنها تأثیر میگذارد. غشاهای میکروفیلتراسیون معمولاً اندازه منافذی از ۰.۱ تا ۱۰ میکرومتر دارند که به آنها امکان حذف ذرات بزرگتر مانند جامدات معلق، باکتریها و برخی تک یاختهها را میدهد.
در مقابل، غشاهای اولترافیلتراسیون منافذ بسیار کوچکتری دارند، عموماً در محدوده ۰.۰۱ تا ۰.۱ میکرومتر. این اندازه منافذ کوچکتر به غشاهای UF اجازه میدهد تا ویروس ها، کلوئیدها، پروتئینها و ماکرومولکولهایی را که میکروفیلتراسیون نمی تواند حذف کند، فیلتر کنند. به همین دلیل، اولترافیلتراسیون یک روش تصفیه پیشرفتهتر در نظر گرفته میشود. با این حال، ساختار غشایی تنگتر UF به فشار بالاتر و انرژی بیشتری نیاز دارد.
در مقایسه، میکروفیلتراسیون تحت فشارهای پایینتر عمل میکند و اغلب به عنوان یک مرحله پیش تصفیه قبل از اولترافیلتراسیون یا سایر روشهای تصفیه ظریفتر استفاده میشود. این تمایز اساسی بر کاربردهای مربوطه آنها در تصفیه آب، فرآوری مواد غذایی و صنایع دارویی تأثیر میگذارد.
۲. فشار مورد نیاز و مصرف انرژی
میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون از نظر فشار مورد نیاز برای عملیات و مصرف انرژی مرتبط با هر فرآیند، تفاوت قابل توجهی دارند. میکروفیلتراسیون تحت فشار کم، معمولاً بین ۰.۱ تا ۲ بار (۱.۵ تا ۳۰ psi) عمل میکند، که آن را از نظر انرژی کارآمد و نسبتاً ارزان میکند.
اغلب زمانی استفاده میشود که جداسازی ذرات و میکروارگانیسمهای بزرگتر کافی باشد، مانند فرآیندهای تصفیه فاضلاب یا زلال سازی در صنعت نوشیدنی. از سوی دیگر، غشاهای اولترافیلتراسیون به فشارهای عملیاتی بالاتری نیاز دارند، معمولاً بین ۲ تا ۷ بار (۳۰ تا ۱۰۰ psi) یا حتی بیشتر در محیطهای صنعتی. دلیل این امر این است که منافذ ریزتر مقاومت بیشتری در برابر جریان نشان میدهند و نیروی بیشتری برای عبور آب یا محلولها لازم است.
در نتیجه، سیستمهای اولترافیلتراسیون انرژی بیشتری مصرف میکنند و ممکن است به زیرساختهای قوی تری نیاز داشته باشند. با این حال، سطح بهبود یافته تصفیهای که UF ارائه میدهد، اغلب افزایش هزینههای عملیاتی را در کاربردهایی که خواستار سطوح خلوص بالاتر هستند، توجیه میکند.
۳. کاربردها در صنعت و تصفیه آب
میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون بر اساس ظرفیت جداسازی خود در کاربردهای مختلف صنعتی و تصفیه آب مورد استفاده قرار میگیرند. میکروفیلتراسیون معمولاً در فرآوری لبنیات (مثلاً شفاف سازی شیر)، تولید نوشیدنی، تصفیه فاضلاب و استریلیزاسیون هوا استفاده میشود، که در آنها هدف اصلی حذف مواد جامد معلق، باکتریها و ذرات معلق بزرگ است.
نیاز کمتر به انرژی و سرعت جریان بالای آن، آن را برای کارهای جداسازی فلهای ایده آل میکند. در مقابل، اولترافیلتراسیون کاربرد وسیع تری در فرآیندهای تخصصیتر و حساس تر، مانند تولید دارو، تغلیظ پروتئین، حذف ویروس و تصفیه آب آشامیدنی دارد.
این روش میتواند مولکولهای محلول مانند آنزیمها و پلی ساکاریدها را از مایعات جدا کند و آن را برای کارهایی که نیاز به سطح بالاتری از خلوص دارند، ضروری میکند. UF همچنین یک جزء حیاتی در پیش تصفیه اسمز معکوس است و تضمین میکند که آلایندههای ریز به غشاهای RO آسیب نمی رسانند یا آنها را مسدود نمی کنند. انتخاب بین MF و UF به الزامات خلوص خاص و اندازه ذرات مربوط به کاربرد بستگی دارد.
۴. ساختار غشا و دوام مواد
غشاهای مورد استفاده در میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون از نظر ساختار، ترکیب مواد و دوام متفاوت هستند که بر عملکرد و طول عمر آنها تأثیر میگذارد. غشاهای میکروفیلتراسیون عموماً از موادی مانند پلی پروپیلن، پلی اتیلن یا PVDF (پلی وینیلیدین فلوراید) تشکیل شده اند و اغلب با ساختار منافذ باز و متقارن ساخته میشوند که امکان جریان بالاتر و تمیزکاری آسانتر را فراهم میکند.
آنها برای تحمل فشارهای عملیاتی پایینتر طراحی شده اند و در صورت استفاده با ذرات یا مواد آلی ریزتر، بیشتر مستعد رسوب گذاری هستند، به همین دلیل است که عمدتاً در سناریوهای کم آلاینده استفاده میشوند. در مقابل، غشاهای اولترافیلتراسیون از پلیمرهای مقاوم تری مانند پلی سولفون، پلی اترسولفون یا سرامیک ساخته میشوند و اغلب ساختارهای نامتقارنی دارند، با یک لایه پوستی متراکم در بالا و یک تکیه گاه متخلخل در زیر!
این ساختار، گزینش پذیری و استحکام مکانیکی بهتری را فراهم میکند، اما همچنین به پروتکلهای تمیزکاری دقیق تری برای جلوگیری از رسوب گذاری و افزایش طول عمر نیاز دارد. بنابراین، غشاهای UF عموماً پیچیدهتر و بادوامتر هستند، اگرچه تولید و نگهداری آنها نیز گرانتر است.