غشا در یک فرآیند جداسازی غشایی، قلب فرآیند را تشکیل می دهد. بی شک میزان موفقیت آمیز بودن فرآیند را فاکتورهای توانایی غشا در گذر دادن هر چه بیشتر سازنده ها و نیز گذر دادن گزینشی آن ها، تعیین می کنند. غشاهای ماتریس آمیخته یک نسل نو از غشاها هستند که با امید به کارگیری ویژگی های دلخواه هر دو دسته از غشاهای پلیمری و غیرآلی (همانند زئولیت ها، غربال گرهای مولکولی، نانوذره ها) ساخته شده اند و چشم آن می رود که تراوش پذیری و گزینش گری بالاییداشته باشند.از آن جا که تراوش پذیری و گزینش پذیری غشاهای ماتریس آمیخته [و نیز همه ویژگی های ساختاری آن ها] به بارگذاری پرکن ها و شیوه تماس آن ها با شبکه پلیمری وابسته است، باید آزمایش های تجربی گوناگونی برایساخت غشاهای مناسب با کارکرد جداسازیبالا با صرف هزینه و زمان بسیار انجام شود. از این رو گسترش مدل های ریاضیمناسب برای پیش بینی کارکرد این غشاها ضروری است. مدل های مختلفیبر پایه ساختار آرمانی غشا ماتریس آمیخته برای پیش بینیتراوش پذیری غشا ماتریس آمیخته یا سازگار شده اندیا گسترش یافته اند. اما در هنگام ساختن غشاهای ماتریس آمیخته حالت هاییمانند سخت شدن زنجیره های پلیمری پیرامون پرکن ها یا پدید آمدن حفره پیرامون آن هامی تواند رخ دهد تا ساختار آن ها را از حالت آرمانی دور کند. از طرفی برخی از پرکن های ناتراوا که شار آن ها در مدل های کنونی صفر در نظر گرفته می شود، می توانند شار غشاهای ماتریس ساخته شده از آن ها را تا اندازه چشم گیری افزایش دهند. از این رو پیش بینی بیش تر مدل های کنونیگاه تفاوت چشم گیریبا اندازه گیری های تجربیدارد. از این رو در نظر گرفتن واقعیت های ساختار غشاها در مدل های پیش بین با پارامترهای مناسب، می تواند به دقت آن ها کمک کند. در پایان نامه پیش رو، تلاش شده است پس از بازبینی مدل های کنونی،با در نظر گرفتن شار سطحی برای پرکن های ناتراوا و نیز اثر پدید آمدن حفره پیرامون پرکن هامدل را اصلاح کرده و نتایج مدل های اصلاح شده با داده های تجربی مقایسه شده است. نتایج نشان می دهند کهمیانگین درصد خطاهایمطلق (aare) پیش بینی تراوش پذیری ها و گزینش گری هابا اصلاح مدل ماکسول به ترتیب از 28/16 و 63/81% به 10/3 و 11/12% پس از اصلاح مدل کاهش یافتند. از سوییaareبرایتراوش پذیریغشاهای دربرگیرنده پرکن های ناتراوابا در نظر گرفتن شار سطحی پرکن ها، از 51/16 به 19/45% کاهش یافت. از طرفی تراوش محاسبه شده برای حفره تشکیل شده اطراف پرکن خیلی بیش تر از مقدار واقعی است که در مرحله بعد این تراوش را با اصلاح کسر حجمی پرکن و معرفی پارامتر ? اصلاح کرده و نتایج حاصل را با داده های تجربی مقایسه شده است. نتایج نشان می دهند که میانگین درصد خطاهای مطلق (aare) پیش بینی تراوش پذیری با اصلاح مدل به طور قابل توجهی از 10/23 و 28/16 % به 7/08 و 10/3 % و هم چنین برای گزینش گری از 63/81 به 11/12% کاهش یافته است.

l- لیزین یکی از 5 آمینواسید ضروری برای رشد بدن می باشد. آمینواسیدها از جمله مواد ضروری برای رشد در جانداران جوان می باشد. آمینواسیدها در بدن تولید نمی شوند و لذا باید از طریق مواد غذایی تأمین شود. از آنجایی که بیشتر منابع غذایی دام، از جمله غلات از نظر این ماده فقیر هستند، این اسید آمینه باید به خوراک دام و به ویژه طیور افزوده شود. فرم خوراکی آن به صورت l- لیزین هیدروکلراید می باشد و لازم است سوسپانسیون آن در آب به کمک یکی از فرآیندهای جداسازی تغلیظ شود. امروزه کاربرد فرآیندهای غشایی در صنعت، جهت جداسازی، تغلیظ و تخلیص مواد بخصوص در صنایع غذایی و بیوتکنولوژی روز به روز در حال افزایش می باشد. هدف این پروژه تغلیظ سوسپانسیون l-لیزین هیدروکلراید بوده است. آلترافیلتراسیون uf، اسمز معکوس ro و تقطیر غشایی تحت خلاء vmd سه فرآیند غشایی می باشند که در این پروژه برای تغلیظ آزماشگاهی l-لیزین هیدروکلراید به کار گرفته شده اند. با توجه به اندازه مولکولی l-لیزین هیدروکلراید، از میان فرآیندهای با نیروی محرکه فشار فرآیند ro انتخاب شده است. تمامی آزمایشها با روش تاگوچی طراحی، انجام و تحلیل شده اند با توجه به کم بودن شار حاصله در فرآیند ro و گرفتگی زیاد، فرآیند vmd نیز جهت انجام تغلیظ بررسی شده است. نتایج حاصله بسیار رضایت بخش بوده است. در این فرآیند از نیروی محرکه خلاء در طرف جریان عبور کرده استفاده می شود. جریان عبور کرده در تمامی شرایط آزمایشی بخار آب خالص بوده است و تحت هر شرایط عمل l-لیزین هیدروکلراید از غشاء عبور نمی کرد. به دلیل اینکه هم فرآیند ro و هم فرآیند vmd هر دو به حضور ذرات جامد در خوراک ورودیشان بسیار حساسند، لذا از یک واحد غشایی uf به عنوان واحد پیش تصفیه استفاده شده است. در واقع در این واحد سوسپانسیون ورودی به فرآیند ترکیبی غشایی (فرآیند uf به همراه فرآیند ro یا vmd) به دو جریان غلیظتر سوسپانسیون (جریان پس زده شده) و یک محلول صاف تقسیم شده است. جریان صاف وارد فرآیند ro و یا vmd شده و در آنجا آب از آن جدا شده است. نهایتا شرایط بهینه عملیاتی در هر فرآیند به کمک نرم افزار طراحی آزمایش تاگوچی تعیین شدند. در این پروژه تاثیر پارامترهای غلظت و سرعت خوراک، فشار و دمای عملیاتی و ph در هر فرآیند مورد بررسی قرار گرفته است افزایش غلظت همواره به دلیل تشدید اثر پدیده های پلاریزاسیون غلظتی و گرفتگی اثر معکوس بر روی شار دارد. در فرآیندهای با نیروی محرکه فشار افزایش فشار تا حد معین اثر افزایشی دارد و بعد از آن اثر افزایشی از بین می رود. با افزایش سرعت میزان اثر پدیده های پلاریزلسیون غلظتی و گرفتگی کمتر می شود و میزان شار افزایش می یابد دما یکی از پارامترهای مهم عملیاتی، بویژه در فرآیند vmd، می باشد که اثر افزایشی بر میزان شار دارد. اثر ph بر روی شار از طریق نزدیک و یا دور کردن محلول از نقطه ایزوالکتریک آن مشاهده می شود.

از میان کاربرد های وسیع فرآیند تراوش تبخیری، آب زدایی ترکیبات آلی و به خصوص الکل ها بسیار مورد توجه است. فرآیند غشایی تراوش تبخیری افزون بر برتری های ویژه خود، کاستی های فرآیندهای سنتی در آب زدایی الکل ها را ندارد و می تواند بدون محدودیت های ترمودینامیکی خالص سازی الکل ها را انجام دهد. در پژوهش پیش رو غشاهای نانوکامپوزیت پلیمر کیتوسان و نانوذرات بوهمیت برای آب زدایی غشایی اتانول با کارایی بهتر ساخته شدند. نانوذرات بوهمیت، با گروه های عاملی هیدروکسیل موجود در ساختار آن، امکان ایجاد پیوند های هیدروژنی با کیتوسان را فراهم می کند. غشاهای ساخته شده و نیز نانوذرات توسط آزمون های xrd، ftir و sem مورد بررسی قرار گرفتند.آزمون sem متراکم بودن ساختار تمامی غشاها را نشان داد و همچنین برقراری پیوند های هیدروژنی مطلوب بین پلیمر و نانوذرات بوهمیت توسط آزمون ftir تایید شد. درصد تورم غشا نیز در غلظت آب خوراک در گستره (40 - 10 % وزنی آب) مورد بررسی قرار گرفت و مشاهده شد که با افزودن نانوذره به ساختار پلیمر درصد تورم کاهش یافته است. کارایی جداسازی غشاهای نانوکامپوزیتی ساخته شده در فرآیند تراوش تبخیری، در شرایط عملیاتی متغیر دما (c°70 - 50) ، غلظت خوراک (40– 20% وزنی آب) و فشار خلا طرف جریان تراوش یافته (pa 2000 - 1000) مورد بررسی قرار گرفت. یافته ها نشان دادند به صورت میانگین با افزایش هر c? 10 دما، شار عبوری از غشا به میزان 5/14 % افزایش و ضریب جداسازی به میزان 26 %کاهش یافت؛ با افزایش درصد وزنی آب خوراک به ازای هر 10 % وزنی، به صورت میانگین شار 44/13 % افزایش و ضریب جداسازی به میزان 72/12 % کاهش می یابد؛ از طرفی با افزایش pa500ی فشار مطلق قسمت تراوش یافته از 1000 بهpa 1500 به صورت میانگین شار به مقدار 87/12 % و ضریب جداسازی به مقدار 77/35 % کاهش می یابند. همچنین، افزایش نانوذرات به میزان 1 % به صورت میانگین، شار عبوری را 13 % و ضریب جداسازی را 56/54 % افزایش می دهد. بیش ترین مقدار psi فرآیند نیز در دمایc° 50، فشار مطلق pa 1000، درصد وزنی آب خوراک 20 % وزنی و بارگذاری نانو ذره به میزان 2 % وزنی ، kg.h^(-1).m^(-2)879/346 گزارش شد. در این شرایط شار و ضریب جداسازی غشا نانوکامپوزیت بهینه به ترتیب برابر kg.h^(-1).m^(-2)513 و 676 اندازه گیری شد که به ترتیب 50 % و 3 برابر نسبت به غشا پلیمری افزایش نشان داد.

تولید بیودیزل تجدیدپذیر به عنوان جایگزینی برای سوخت های فسیلی رو به پایان جذابیت و اهمیت بسیار زیادی دارد. کارهای پژوهشی بسیاری در زمینه تولید بیودیزل با واکنش ترانس استری شدن انجام می شود. پارامترهای بسیاری بر تولید بیودیزل اثرگذار هستند. زمان اقامت تولید بیودیزل در واکنش ترانس استری شدن پارامتر بسیار مهمی است و در سیستم های ناپیوسته به زمانی حدود یک ساعت نیاز می باشد. دو راهکار متفاوت برای کاهش زمان اقامت در این پژوهش به کار گرفته شده است: نخست این که یک کمک حلال برای افزایش امتزاج پذیری روغن و متانول و کاهش مقاومت انتقال جرم میان فازها و تعیین کنندگی آن و دوم به کارگیری فناوری میکروراکتورها برای افزایش درصد تبدیل و انتخاب پذیری بالاتری در زمان های کمتری در مقایسه با سیستم های ناپیوسته است. انتخاب دوم به دلیل آن است که در میکروراکتور سرعت انتقال جرم و حرارت بالا و طول نفوذ مولکولی کوتاه است. بنابراین در این مطالعه، ترانس استری شدن روغن سویا با به کارگیری هگزان به عنوان کمک حلال در سیستم میکرو بررسی شد. روش سطح پاسخ از طراحی مرکب مرکزی برای تعیین شرایط بهینه واکنش استفاده شد و در آن اثر پنج عامل دمای واکنش (c°60- 30)، زمان اقامت (s15-3)، نسبت حجمی هگزان به متانول (7/0- 1/0)، نسبت حجمی روغن به متانول (3-1) و نوع میکرومیکسر بر روی درصد خلوص بیودیزل در فرآورده تولید شده بررسی شد. آزمایش در شرایط بهینه ی دمای واکنش c° 63/59، زمان اقامت s57/7، نسبت حجمی هگزان به متانول 44/0، نسبت حجمی روغن به متانول 9/2 در میکرومیکسر e1 منجر به درصد خلوص 1/99 درصد برای بیودیزل شد. مدل برازش شده بر داده های آزمایش با روش سطح پاسخ خلوص بیودیزل در همین شرایط را برابر 23/100 % پیش بینی می کند. نزدیکی نتایج آزمایشگاهی و مقادیر پیش بینی شده ی مدل حاکی از اعتبار مدل رگرسیون تطبیق داده شده بود. همچنین عملکرد بالای سیستم مورد بررسی در تولید بیودیزل در طی زمان های فوق العاده کم به دلیل تشدید فرایندهای انتقال جرم و حرارت در میکروتیوب به کارگرفته شده و استفاده همزمان کمک حلال می باشد. لازم به ذکر است که زمان اقامت های تولید بیودیزل در این کار نسبت به کارهای انجام شده در سیستم میکرو بسیار کوچکتر می- باشد (s15- 3) که این مطلب به استفاده ی همزمان از دو تکنیک میکروتیوب و کمک حلال مربوط می شود. تحت شرایط بهینه ی تعیین شده، واکنش ترانس استری شدن در سیستم ناپیوسته در حضور و عدم حضور کمک حلال نیز انجام شد و نتایج سیستم ناپیوسته (در حضور کمک حلال) و راکتور میکروتیوب با یکدیگر مقایسه شدند. زمان مورد نیاز برای رسیدن به درصد خلوص %1/99 بیودیزل در حضور حلال در سیستم ناپیوسته حدود min 9 اندازه گیری شد در حالی که در میکروتیوب برای رسیدن به این درصد خلوص تنها s 57/7 زمان نیاز است و این نشان از کارآمدی سیستم پیشنهادی به کارگیری میکروراکتور و کمک حلال در کار کنونی دارد. در انتها، الگوی جریان در واکنش ترانس استری شدن در میکرومیکسرهایی با دو و سه ورودی در حضور و عدم حضور کمک حلال بررسی شد. مشاهدات بصری و نتایج گاز کروماتوگرافی هر دو حاکی از آن بود که استفاده از کمک حلال و میکرومیکسر مناسب می تواند اثر قابل توجهی بر درصد خلوص بیودیزل داشته باشد. افزودن کمک حلال در سیستمی با میکرومیکسر y شکل (میکرومیکسر با دو ورودی) درصد خلوص را 23 درصد افزایش داد و هنگامی که از میکرومیکسری با سه ورودی استفاده شد درصد خلوص 13 درصد دیگر افزایش یافت.

به تازگی فرایندهای جداسازی غشایی به عنوان فرآیندهایی سازگار با فرایندهای سنتی جداسازی مانند تقطیر توجه صنایع را به خود جلب کرده است.داشتن دانش در مورد ساز و کار و پدیده های انتقال حاکم بر این فرایندها می تواند نقش مهمی در طراحی و برنامه های کاربردی در این زمینه بازی کند.بنابراین توسعه و شبیه سازی یک مدل ریاضی که قادر به توصیف درست پدیده ها در طول نفوذ و انتقال اجزا از طریق غشا باشد یک کار ضروری است.