في الحلقة الخامسة من برنامج ZwitterCo Unfiltered، يلقي جون جودمان وليندسي بنس نظرة أعمق على كيمياء الأغشية، وبنية الأغشية، وكيفية تصنيع واستخدام أنواع الأغشية المختلفة في تطبيقات معالجة الأغذية ومنتجات الألبان.
تتناول هذه الحلقة موضوعات الترشيح الفائق، والتناضح العكسي، والأغشية المركبة ذات الطبقة الرقيقة، وتوزيع حجم المسام، والكيمياء الأيونية المزدوجة التي تقوم عليها أغشية إيفولوشن. كما تستكشف أسباب استمرار تأثير التلوث، ومرور البروتينات، وبرامج التنظيف على أداء الأغشية في صناعة الألبان.
نوع مختلف من كيمياء الأغشية
أحد المواضيع الرئيسية التي تناولتها الحلقة هو كيف تختلف أغشية Evolution عن أغشية الترشيح الفائق التقليدية المصنوعة من البولي إيثر سلفون (PES).
كما توضح ليندسي، فإن أغشية الترشيح الفائق التقليدية هي أغشية بوليمرية غير متماثلة تُستخدم منذ عقود. أما أغشية Evolution PCM وSF، فهي أغشية مركبة رقيقة تتكون من ثلاث طبقات: طبقة داعمة، وطبقة ترشيح فائق، وطبقة أيونية مزدوجة دائمة تقوم بعملية الفصل النشط.
إن الكيمياء الأيونية المزدوجة هي التي تمنح الأغشية خصائصها المضادة للتلوث.
توضح الحلقة أن الأيونات ثنائية القطب شديدة الاستقطاب، أي أنها تجذب الماء بشدة. وبسبب الشحنات الموجبة والسالبة الموجودة في بنيتها، يصعب على المواد العضوية الالتصاق بسطح الغشاء. ويشرح جون وليندسي هذا الأمر باعتباره السبب وراء ملاحظة العملاء لأداءٍ ممتاز في مقاومة التلوث أثناء التشغيل.
وتشرح المناقشة أيضًا كيف تتجمع الطبقة ثنائية القطب ذاتيًا على هيكل أساسي كاره للماء يوفر القوة والبنية للغشاء.
لماذا يُعدّ التلوث والتنظيف أمراً بالغ الأهمية؟
ومن المواضيع الرئيسية الأخرى في الحلقة عمر الغشاء والعلاقة بين التلوث، وشدة التنظيف، واحتفاظ البروتين.
يشير جون إلى أن أغشية الترشيح الفائق في تطبيقات تركيز البروتين تفشل عادةً لأحد سببين: التلوث أو تسرب البروتين. مع مرور الوقت، تبدأ العديد من الأغشية التقليدية بتسريب البروتين بعد أشهر من التشغيل. ويربط النقاش هذا الأمر مباشرةً بظروف التنظيف. ووفقًا لليندسي، يتأثر عمر الغشاء بشكل كبير بتقلبات الرقم الهيدروجيني ودرجات الحرارة، وبرامج التنظيف المكثفة.
نظراً لأن الأغشية ثنائية القطبية تقاوم التلوث بشكل أكثر فعالية، فقد لا تتطلب تنظيفاً متكرراً أو مكثفاً. وتوضح الحلقة أن هذا قد يطيل عمر الغشاء مع المساعدة في الحفاظ على البروتين مع مرور الوقت.
كما يناقش المضيفون مرور اللاكتوز ويوضحون أن البيانات الحالية تُظهر أن أغشية Evolution تعمل بشكل مماثل للأغشية التقليدية، دون أي زيادة ملحوظة في رفض اللاكتوز من شأنها أن تؤثر سلبًا على تطبيقات مثل الحليب فائق الترشيح أو معالجة بروتين مصل اللبن المعزول (WPI).
فهم حجم المسام وتصنيع الأغشية
يركز جزء كبير من الحلقة على كيفية تصنيع أغشية الترشيح الفائق ولماذا يعد توزيع حجم المسام أمراً مهماً.
يشرح جون وليندسي أن أغشية الترشيح الفائق التقليدية تعتمد على ظروف صب دقيقة ومضبوطة تشمل المذيبات ودرجة الحرارة والرطوبة وظروف الفرن. تؤثر هذه العوامل على كل من حجم المسام وكثافتها. وتُبرز الحلقة أن الغشاء المثالي يتميز بأحجام مسام متطابقة تمامًا وكثافة عالية للمسام لزيادة التدفق إلى أقصى حد مع الحفاظ على معدل رفض مُتحكم به.
لكن في الواقع، يختلف توزيع حجم المسام عبر الأغشية.
أحد أكثر النقاشات التقنية في الحلقة يتمحور حول حقيقة أن الحد الأدنى للوزن الجزيئي ليس قياسًا موحدًا تمامًا. يوضح جون أنه بينما قد تتجمع العديد من المسام حول النطاق المستهدف، غالبًا ما تحتوي الأغشية على سلسلة طويلة من المسام الأكبر حجمًا التي تُسهم في مرور البروتين.
يرتبط هذا النقاش أيضاً بمنهجية الاختبار. وتشير ليندسي إلى أن اختبارات الألواح المسطحة الصغيرة أو عناصر الأغشية الصغيرة قد لا تمثل بشكل كامل أداء النظام واسع النطاق، لأن توزيع حجم المسام يصبح أكثر تمثيلاً مع زيادة مساحة الغشاء.
الأغشية المركبة ذات الطبقة الرقيقة وتقنية التناضح العكسي
تتناول الحلقة أيضًا تاريخ وبنية أغشية التناضح العكسي، بما في ذلك أغشية أسيتات السليلوز، وكيمياء التناضح العكسي المصنوعة من البولي أميد، وبنية الأغشية المركبة الرقيقة. ويشرح جون وليندسي أن معظم أغشية التناضح العكسي الحديثة تعتمد على كيمياء البولي أميد التي تعود أصولها إلى براءة اختراع كادوت في أواخر سبعينيات القرن الماضي.
تختلف أغشية التناضح العكسي من إيفولوشن لاحتوائها على تقنية البوليمر المشترك ثنائي القطبية فوق سطح البولي أميد. صُمم هذا التركيب للحفاظ على خصائص أداء التناضح العكسي القياسية مع إضافة مزايا مقاومة التلوث. كما يتناول النقاش بإيجاز تقنيات الأغشية غير العضوية، بما في ذلك أغشية السيراميك والفولاذ المقاوم للصدأ، بالإضافة إلى تصميمات أغشية الألياف المجوفة.
الخلاصة الأكبر
تقدم الحلقة الخامسة نظرة أكثر تقنية على علم الأغشية وتشرح لماذا تؤثر كيمياء الأغشية بشكل مباشر على التلوث وبرامج التنظيف والإنتاجية واستقرار النظام على المدى الطويل.
طوال المحادثة، ربط جون وليندسي مرارًا وتكرارًا بنية الغشاء بالتحديات التشغيلية الحقيقية في تطبيقات معالجة الألبان، وخاصة تركيز البروتين وأنظمة التلميع بالتناضح العكسي.
تؤكد هذه الحلقة على العديد من المواضيع الرئيسية:
- تُغير كيمياء الأغشية المضادة للتلوث طريقة تفاعل المواد العضوية مع أسطح الأغشية
- تلعب شدة التنظيف دورًا رئيسيًا في عمر الغشاء وأدائه
- يؤثر توزيع حجم المسام على عملية الفصل ومرور البروتين
- تسمح هياكل الأغشية المركبة ذات الطبقة الرقيقة بإضافة طبقات كيميائية وظيفية إضافية
- لا تزال زيادة التدفق التشغيلي المستدام وبرامج التنظيف الأبسط من الأولويات الحاسمة للمُصنِّعين
هل لديك سؤال تود أن نتناوله في حلقة قادمة؟ تواصل معنا اليوم.
