第二章膜分離技術(shù)

1、（第 4次課 2 學(xué)時）一、授課題目第1節(jié)膜技術(shù)概述第2節(jié)膜分離裝置二、教學(xué)目的和要求了解膜技術(shù)的歷史及現(xiàn)狀，掌握膜技術(shù)的概念及基本原理。三、教學(xué)重點和難點教學(xué)重點：膜技術(shù)的原理,四、教學(xué)過程輔導(dǎo)手段：PPT 、板書板書設(shè)計第1節(jié)膜技術(shù)概述一.1.第二章 膜分離技術(shù) 第2節(jié)膜分離裝置一.(一).疑難字詞第二章 膜分離技術(shù)2.1 膜技術(shù)概述2.2 膜分離裝置2.3 極化、污染現(xiàn)象和控制2.4 典型的膜分離技術(shù)及應(yīng)用第1節(jié)膜分離技術(shù)概述1.1基本概念所謂的膜，是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之間有一層薄的凝聚相，它把流體相分隔為互不相通的兩部分，并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。膜又稱分離膜或濾膜

2、，膜壁布滿小孔，膜的孔徑一般為微米級：根據(jù)孔徑大小（或稱為截留分子量）可以分為：微濾膜（MF）、超濾膜（UF）、納濾膜（NF）、反滲透膜（RO）等，膜分離都采用錯流過濾方式。（切向流過濾則是指液體的流動方向是平行于膜表面的，在壓力的作用下只有一部分的液體穿過濾膜進(jìn)入下游，這種操作方式也有人稱之為“錯流過濾”）。根據(jù)材料的不同，可分為無機(jī)膜和有機(jī)膜，無機(jī)膜主要還只有微濾級別的膜，主要是陶瓷膜和金屬膜。有機(jī)膜是由高分子材料做成的，如醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。膜的性質(zhì)：膜是具有選擇性分離功能的材料。利用膜的選擇性分離實現(xiàn)料液的不同組分的分離、純化、濃縮的過程稱作膜分離。它與傳

3、統(tǒng)過濾的不同在于，膜可以在分子范圍內(nèi)進(jìn)行分離，并且這過程是一種物理過程，不需發(fā)生相的變化和添加助劑。膜分離技術(shù)是以選擇性透過膜（通常為天然或人工合成的高分子薄膜）為分離介質(zhì)，以外界能量（如濃度差、壓力差或電位差等）為推動力，對雙組分或多組分體系進(jìn)行分離、分級、提純或富集的方法。膜分離技術(shù)是指在分子水平上不同粒徑分子的混合物在通過半透膜時，實現(xiàn)選擇性分離的技術(shù)?；驹砟し蛛x技術(shù)的工作原理膜分離技術(shù)，是利用一張?zhí)厥庵圃斓?，有選擇透過性的薄膜，在外力推動下對混合物進(jìn)行分離、提純、濃縮的一種新型分離技術(shù)，是根據(jù)混合物的物理性質(zhì)的不同用過篩的方法將其分離，或根據(jù)混合物的不同化學(xué)性質(zhì)分離開物質(zhì)。物質(zhì)通過

4、分離膜的速度（溶解速度）取決于進(jìn)入膜的速度和進(jìn)入膜的表面擴(kuò)散到膜的龍眼、另一表面的速度（擴(kuò)散速度）。而溶解速度完全取決于被分離于膜材料之間化學(xué)性質(zhì)的差異，擴(kuò)散速度除化學(xué)性質(zhì)外還與物質(zhì)的分子量有關(guān)，速度越大，透過膜所需的時間越短，混合物中各組分透過膜的速度相差越大，則分離效率越高。膜分離過程以選擇透性膜為分離介質(zhì)，通過在膜兩側(cè)施加一種或幾種推動力（如濃度差、壓力差、溫度差或電位差等）時，原料側(cè)組分可以選擇性地透過膜，以達(dá)到分離提純的目的。通常膜原料側(cè)稱為膜上游，透過側(cè)稱為膜下游分離膜能混在一起的物質(zhì)分開，主要有以下兩種手段：（1）根據(jù)它們的物理性質(zhì)不同主要是質(zhì)量、體積大小和幾何形態(tài)差異，用過篩的

5、辦法將其分離。微濾膜分離就是根據(jù)這一原理將水溶液中孔徑大于50nm的固體雜質(zhì)去掉的。宋紀(jì)蓉書138頁（2）根據(jù)混合物的不同化學(xué)性質(zhì)。物質(zhì)通過分離膜的速度取決于兩個步驟的速度，首先是從膜表面接觸的混合物中進(jìn)入膜內(nèi)的速度（溶解/擴(kuò)散速度），其次是進(jìn)入膜內(nèi)后從膜的表面擴(kuò)散到另儀一表面的速度。二者之和為總速度，總速度越大，透過膜所需的時間越短；總速度越小，透過膜所需的時間越長。分離膜應(yīng)具備的條件宋紀(jì)蓉書139頁（1）分離性（2）透過性（1、2）膜的分離透過性：雖然膜具對被分離物具有選擇透過性，但它也不可能將某一組分百分之百完全阻擋，而對另一組分完全透過。膜材料的化學(xué)特性、形態(tài)結(jié)構(gòu)和分離過程中的一些操作

6、條件等都會影響膜的分離能力。膜的分離透過性是其處理能力的重要指標(biāo)。當(dāng)膜達(dá)到所需的分離率后，其透量愈大愈好。故膜的分離性能和透過性能是相互依賴的，當(dāng)膜的分離性能高時其透量就會受到損失，反之其透過率高則分離率就會降低。（3）物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定膜的物理穩(wěn)定性：其主要體現(xiàn)在耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度等方面。膜的耐熱性取決于膜材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)。故可以采取改變高分子的鏈節(jié)結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，提高分子鏈的剛性等措施來提高膜的耐熱性。而膜的機(jī)械強(qiáng)度是高分子材料力學(xué)性質(zhì)的體現(xiàn)。在外力作用下，膜產(chǎn)生剪切蠕變，使膜透過速度下降。外力消失后，若再給膜施加相同外力，膜的透過速度暫時有所回升隨后很快下降。膜的化學(xué)穩(wěn)定性:主要體現(xiàn)在抗氧

7、化、抗水解性和耐酸堿性等。膜的抗氧化、抗水解性和耐酸堿性既取決于膜材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)，又取決于被分離溶液的性質(zhì)。氧化、水解的最終結(jié)果使膜色澤變深，發(fā)硬變脆，使其化學(xué)結(jié)構(gòu)與外觀形態(tài)受到破壞。溶液中的氧化物產(chǎn)生的初級自由基（）能與膜的高分子材料（鍵）反應(yīng)：反應(yīng)產(chǎn)物不穩(wěn)定，經(jīng)過一系列反應(yīng)，由醇變成醛，再轉(zhuǎn)化為酸，二氧化碳、水等，從而降低膜的分離效果。1（4）經(jīng)濟(jì)性：主要是要求分離所用的膜材料和制造工藝等方面的價格合理，成本不高，便于制造，方便使用，否則就會嚴(yán)重制約膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的廣泛使用。缺點：膜技術(shù)共同的優(yōu)點分離條件溫和，對于熱敏感物質(zhì)的分離很重要：在常溫下進(jìn)行，有效成分損失極少，特別適用于熱

8、敏性物質(zhì)，如抗生素等醫(yī)藥、果汁、酶、蛋白的分離、分級、濃縮與富集。 無相態(tài)變化：揮發(fā)性成分如芳香物質(zhì)損失較少， 可保持原有的芳香及風(fēng)味；與有相變化的其他分離法相比，能耗低，分離水分時，其費用約為蒸發(fā)濃縮或冷凍濃縮的1/31/8。無化學(xué)變化：典型的物理分離過程，不用化學(xué)試劑和添加劑，產(chǎn)品不受污染。 選擇性好：可在分子級內(nèi)進(jìn)行物質(zhì)分離，具有普遍濾材無法取代的卓越性能。適應(yīng)性強(qiáng)，使用范圍廣：可用于分離、濃縮、純化、澄清等工藝。 密閉系統(tǒng)中進(jìn)行，被分離食品無色素分解和褐變反應(yīng)，食品色澤變化小，能保持食品的自然狀態(tài)。處理規(guī)?？纱罂尚。梢赃B續(xù)也可以間歇進(jìn)行，膜組件可單獨使用也可聯(lián)合使用，工藝簡單，操作簡

9、便，結(jié)構(gòu)緊湊且構(gòu)造簡單、維修成本低。易于實現(xiàn)自動化。膜技術(shù)共同的缺點：1）膜面易發(fā)生污染，膜分離性能降低，產(chǎn)品被濃縮的程度有限，故需采用與工藝相適應(yīng)的膜面清洗方法；2）有時其實用范圍受到限制，因加工溫度、食品成分、PH、膜的穩(wěn)定性、耐藥性、耐熱性、耐溶劑性等的不同，有時不能使用分離膜；3）單獨的膜分離技術(shù)功能有限，需與其他分離技術(shù)連用。規(guī)模經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢較低，一般要與其他工藝相結(jié)合。膜分離技術(shù)發(fā)展簡史見幻燈片膜的分類.1. 按膜的材料分類.2. 按膜的分離原理及適用范圍分類.3. 按膜的形態(tài)分類.4. 按膜的結(jié)構(gòu)分類膜分離過程的類型分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中有選擇地透過或輸送特定的物質(zhì)，如顆粒、

10、分子、離子等。或者說，物質(zhì)的分離是通過膜的選擇性透過實現(xiàn)的。幾種主要的膜分離過程及其傳遞機(jī)理如表2所示。膜材料用作分離膜的材料包括廣泛的天然的和人工合成的有機(jī)高分子材料和無機(jī)材料。原則上講，凡能成膜的高分子材料和無機(jī)材料均可用于制備分離膜。但實際上，真正成為工業(yè)化膜的膜材料并不多。這主要決定于膜的一些特定要求，如分離效率、分離速度等。此外，也取決于膜的制備技術(shù)。目前，實用的有機(jī)高分子膜材料有：纖維素酯類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料。從品種來說，已有成百種以上的膜被制備出來，其中約40多種已被用于工業(yè)和實驗室中。以日本為例，纖維素酯類膜占53，聚砜膜占，聚酰胺膜占，其他材料的膜占2，可見纖維素酯

11、類材料在膜材料中占主要地位。（1）纖維素酯類膜材料（2）非纖維素酯類膜材料膜的保存分離膜的保存對其性能極為重要。主要應(yīng)防止微生物、水解、冷凍對膜的破壞和膜的收縮變形。微生物的破壞主要發(fā)生在醋酸纖維素膜；而水解和冷凍破壞則對任何膜都可能發(fā)生。溫度、pH值不適當(dāng)和水中游離氧的存在均會造成膜的水解。冷凍會使膜膨脹而破壞膜的結(jié)構(gòu)。膜的收縮主要發(fā)生在濕態(tài)保存時的失水。收縮變形使膜孔徑大幅度下降，孔徑分布不均勻，嚴(yán)重時還會造成膜的破裂。當(dāng)膜與高濃度溶液接觸時，由于膜中水分急劇地向溶液中擴(kuò)散而失水，也會造成膜的變形收縮。五、作業(yè)1.膜分離技術(shù)的分類2.膜分離技術(shù)的原理？3. 膜分離常用的材料有哪些？醋酸纖維

12、膜的特點？4.膜分離技術(shù)的的特點？六、課后記現(xiàn)代食品加工技術(shù)教案（第5次課 2 學(xué)時）一、授課題目第2節(jié)膜分離裝置第3節(jié)濃差極化、污染現(xiàn)象和控制二、教學(xué)目的和要求要求學(xué)生了膜組件的結(jié)構(gòu)及型式并掌握其特點，掌握濃差極化、污染現(xiàn)象的概念,了解膜污染的主要原因及清洗方法。三、教學(xué)重點和難點教學(xué)重點：膜組件的結(jié)構(gòu)及型式并掌握其特點四、教學(xué)過程輔導(dǎo)手段：多媒體板書設(shè)計第2節(jié)膜分離裝置第3節(jié)濃差極化、污染現(xiàn)象和控制1.濃 差 極 化 定 義2.濃差極化特性3.膜污染的主要原因疑難字詞第2節(jié)膜分離裝置膜組件(Membrane Module)：將膜、固定膜的支撐材料、間隔物或管式外殼等組裝成的一個單元稱為膜組

13、件。以便于使用、安裝、維修。膜面積愈大，單位時間透過量愈多，因此，當(dāng)膜分離技術(shù)實際應(yīng)用時，要求開發(fā)在單位體積內(nèi)具有最大膜面積的組件。膜組件的結(jié)構(gòu)及型式取決于膜的形狀,工業(yè)上應(yīng)用的膜組件主要有中空纖維式、管式、螺旋卷式、板框式等四種型式。管式和中空纖維式組件也可以分為內(nèi)壓式和外壓式兩種。 幻燈片：膜組件四種型式示意圖(1)板框式(Plate-and-Frame)膜組件板框式膜組件使用平板式膜，其設(shè)計類似于常規(guī)的板框過濾裝置,這類膜器件的結(jié)構(gòu)與常用的板框壓濾機(jī)類似，由導(dǎo)流板、膜、支承板交替重疊組成。板框式是最早使用的一種膜組件。膜被放置在可墊有濾紙的多孔的支撐板上,兩塊多孔的支撐板疊壓在一起形成的

14、料液流道空間,組成一個膜單元,單元與單元之間可并聯(lián)或串聯(lián)連接。不同的板框式設(shè)計的主要差別在于料液流道的結(jié)構(gòu)上。優(yōu)點: 組裝方便，膜的清洗更換比較容易，料液流通截面較大，不易堵塞，同一設(shè)備可視生產(chǎn)需要而組裝不同數(shù)量的膜。缺點: 需密封的邊界線長 (2)管式(Tubular)膜組件管式膜組件由管式膜制成，它的結(jié)構(gòu)原理與管式換熱器類似，管內(nèi)與管外分別走料液與透過液，管式膜的排列形式有列管、排管或盤管等。管式膜組件有外壓式和內(nèi)壓式兩種。對內(nèi)壓式膜組件,膜被直接澆鑄在多孔的不銹鋼管內(nèi)或用玻璃纖維增強(qiáng)的塑料管內(nèi)。加壓的料液流從管內(nèi)流過,透過膜的滲透溶液在管外側(cè)被收集。對外壓式膜組件,膜則被澆鑄在多孔支撐管

15、外側(cè)面。加壓的料液流從管外側(cè)流過,滲透溶液則由管外側(cè)滲透通過膜進(jìn)入多孔支撐管內(nèi)。無論是內(nèi)壓式還是外壓式,都可以根據(jù)需要設(shè)計成串聯(lián)或并聯(lián)裝置。優(yōu)點:水力條件好，安裝、清洗、維修比較方便。能耐高壓，可以處理高粘度的原水。缺點: 管式膜組件的缺點是單位體積膜組件的膜面積少,一般僅為33330 m2/m3，裝置體積大，而且兩端要較多的聯(lián)結(jié)裝置。除特殊場合外，一般不被使用。(3)、螺旋卷式(Spiral Wound)膜組件螺旋卷式簡稱卷式，卷式膜組件也是用平板膜制成的，其結(jié)構(gòu)與螺旋板式換熱器類似。膜、料液通道網(wǎng)、以及多孔的膜支撐體等通過適當(dāng)?shù)姆绞奖唤M合在一起,然后將其裝入能承受壓力的外殼中制成膜組件。這

16、類膜組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可被設(shè)計成多種不同的形式。主要部件為多孔支撐材料，兩側(cè)是膜，三邊密封，開放邊與一根多孔的中心產(chǎn)品水收集管密封連接，在膜袋外部的原水側(cè)墊一層網(wǎng)眼型間隔材料，把膜袋隔網(wǎng)依次迭合，繞中心集水管緊密地卷起來，形成一個膜卷，裝進(jìn)圓柱形壓力容器內(nèi)，就制成了一個螺旋卷式膜組件。優(yōu)點：膜的裝填密度高；膜支撐結(jié)構(gòu)簡單；濃差極化??；容易調(diào)整膜面流態(tài)。與板框式柱比、卷式贖組件的設(shè)備比較緊湊、單位體積內(nèi)的膜面積大。缺點：中心管處易泄漏；膜與支撐材料的粘結(jié)處膜易破裂而泄漏；膜的安裝和更換困難。清洗不方便，膜有損壞，不易更換，尤其是易堵塞，因而限制了其發(fā)展。(4)、中空纖維(Hollow Fiber)膜

17、組件中空纖維具有高壓下不變形的強(qiáng)度，勿需支撐材料。把大量(多達(dá)幾十萬根)中空纖維膜裝入圓筒型耐壓容器內(nèi)。纖維束的開口端用環(huán)氧樹脂鑄成管板。料液從中空纖維組件的一端流入, 沿纖維外側(cè)平行于纖維束流動,透過液則滲透通過中空纖維壁進(jìn)入內(nèi)腔,然后從纖維在環(huán)氧樹脂的固封頭的開端引出,原液則從膜組件的另一端流出。中空纖維膜組件的最大特點是單位裝填膜面積比所有其他組件大, 最高可達(dá)到30000m2/m3。中空纖維膜組件也分為外壓式和內(nèi)壓式。優(yōu)點：缺點：壓力降較大；再生清洗困難；原料的前處理成本高。優(yōu)點:設(shè)備緊湊，膜的裝填密度很高，單位設(shè)備體積內(nèi)的膜面積大(高達(dá)1600030000 m2/m3)不需要支撐材料

18、。缺點:中空纖維內(nèi)徑小，阻力大，易堵塞，所以料液走管間，滲透液走管內(nèi)，透過液側(cè)流動損失大，壓降可達(dá)數(shù)個大氣壓，膜污染難除去，因此對料液處理要求高。各種膜組件的傳質(zhì)特性和綜合性能的比較分別見下表第3節(jié)濃差極化、污染現(xiàn)象和控制2.3.1.濃 差 極 化 定 義：在膜分離操作中，所有溶質(zhì)均被透過液傳送到膜表面上，不能完全透過膜的溶質(zhì)受到膜的截留作用，在膜表面附近濃度升高。這種在膜表面附近濃度高于主體濃度的現(xiàn)象稱為濃度極化或濃差極化(concentration polarization)。濃差極化特性：它是一個可逆過程。只有在膜過程運行中產(chǎn)生存在，停止運行，濃差極化逐漸消失。它與操作條件相關(guān)，可通過降

19、低膜兩側(cè)壓差，減小料液中溶質(zhì)濃度，改善膜面流體力學(xué)條件，來減輕濃差極化程度，提高膜的透過流量。2. 凝膠極化膜表面附近濃度升高，增大了膜兩側(cè)的滲透壓差，使有效壓差減小，透過通量降低。當(dāng)膜表面附近的濃度超過溶質(zhì)的溶解度時，溶質(zhì)會析出，形成凝膠層。當(dāng)分離含有菌體、細(xì)胞或其他固形成分的料液時，也會在膜表面形成凝膠層。這種現(xiàn)象稱為凝膠極化(gel polarization)2.膜分離過程中的問題膜分離過程中遇到的最大問題是膜污染(membrane fouling)膜污染：指處理物料中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學(xué)相互作用或機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞

20、，使膜產(chǎn)生滲透通量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象。物理污染包括膜表面的沉積，膜孔內(nèi)的阻塞，這與膜孔結(jié)構(gòu)、膜表面的粗糙度、溶質(zhì)的尺寸和形狀等有關(guān)?；瘜W(xué)污染包括膜表面和膜孔內(nèi)的吸附，這與膜表面的電荷性、親水性、吸附活性點及溶質(zhì)的荷電性、親水性、溶解度等有關(guān)。膜污染特性：一旦料液與膜接觸，膜污染即開始；即，由于溶質(zhì)與膜之間相互作用產(chǎn)生吸附，開始改變膜特性。而對于超濾，若膜材料選擇不合適，此影響相當(dāng)大，與初始純水透水率相比，可降20%到40%。操作運行開始后，由于濃差極化產(chǎn)生，尤其在低流速、高溶質(zhì)濃度情況下，在膜面達(dá)到或超過溶質(zhì)飽和溶解度時，便有凝膠層形成，導(dǎo)致膜透過通量的急劇降低，且不依賴于所加壓力。膜

21、污染的主要原因來自以下幾個方面。1.凝膠極化引起的凝膠層；2.溶質(zhì)在膜表面的吸附層；3.膜孔堵塞；4.膜孔內(nèi)的溶質(zhì)吸附。2.3.4.膜的清洗膜污染不僅造成透過通量的大幅度下降，而且影響目標(biāo)產(chǎn)物的回收率。為保證膜分離操作高效穩(wěn)定地進(jìn)行，必須對膜進(jìn)行定期清洗，除去膜表面及膜孔內(nèi)的污染物，恢復(fù)膜的透過性能。膜的清洗一般選用水、鹽溶液、稀酸、稀堿、表面活性劑、絡(luò)合劑、氧化劑和酶溶液等為清洗劑。具體用何種清洗劑應(yīng)根據(jù)膜的性質(zhì)和污染物的性質(zhì)而決定，使用的清洗劑要具有良好的去污能力，同時又不能損害膜的過濾性能。如果用清水清洗就恢復(fù)膜的透過性能，則不需使用其他清洗劑。對于蛋白質(zhì)的嚴(yán)重吸附所引起的膜污染，用蛋白

22、酶(如胃蛋白酶、胰蛋白酶等)溶液清洗，效果較好。清洗操作是膜分離過程不可缺少的步驟，但清洗操作是造成膜分離過程成本增高的重要原因。因此，在采用有效的清洗操作的同時，需采取必要的措施防止或減輕膜污染。例如，選用高親水性膜或?qū)δみM(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理(如聚砜膜用乙醇溶液浸泡)，均可緩解污染程度。此外，對料液進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理(如進(jìn)行預(yù)過濾、調(diào)節(jié)pH值)，也可相當(dāng)程度地減輕污染的發(fā)生。如何防止膜污染以及開發(fā)高效節(jié)能的污染清除技術(shù)是進(jìn)一步普及膜分離技術(shù)的關(guān)鍵之一，也是產(chǎn)學(xué)界孜孜以求的目標(biāo)。研究表明，膜分離過程存在臨界操作壓力，在臨界壓力以下進(jìn)行膜分離操作，可長時間維持較高的透過通量。降低對清洗操作的依賴程度，

23、提高膜分離效率。膜分離技術(shù)應(yīng)用中需注意的幾個問題:膜材料的選擇膜孔徑或截留分子量的選擇膜結(jié)構(gòu)選擇組件結(jié)構(gòu)選擇溶液 pH 控制溶液溫度影響溶質(zhì)濃度，料液流速與壓力的控制五、作業(yè)4什么是濃差極化？5 常見的膜組件有哪些？六、課后記現(xiàn)代食品加工技術(shù)教案（第6次課 2 學(xué)時）一、授課題目第4節(jié)典型的膜分離技術(shù)及在食品工業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域二、教學(xué)目的和要求了解典型的膜分離技術(shù)及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用。三、教學(xué)重點和難點教學(xué)重點：主要膜技術(shù)的應(yīng)用四、教學(xué)過程輔導(dǎo)手段：PPT 、板書、多媒體板書設(shè)計膜技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用第4節(jié)典型的膜分離技術(shù)及在食品工業(yè)中的應(yīng)用典型的膜分離技術(shù)簡介.1微濾（MF）疑難字詞第4節(jié)

24、典型的膜分離技術(shù)及在食品工業(yè)中的應(yīng)用典型的膜分離技術(shù)有微孔過濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)、納濾(NF)、滲析(D)、電滲析(ED)、液膜(LM)及滲透蒸發(fā)( PV)等，下面對膜技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用做簡要介紹。膜技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用 在牛奶工業(yè)中的應(yīng)用v 牛奶的微濾除菌、乳清濃縮、酸奶處理等 果汁生產(chǎn)中的應(yīng)用v 主要在蘋果汁、獼猴桃汁等生產(chǎn)中已實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。 釀酒工業(yè)中的應(yīng)用 v 無菌低溫啤酒生產(chǎn)、啤酒罐底液處理等工業(yè)已規(guī)模應(yīng)用以及在葡萄酒生產(chǎn)中的應(yīng)用。.1.在牛奶工業(yè)中的應(yīng)用：UF巴氏殺菌脫脂乳生產(chǎn)奶酪超濾法生產(chǎn)飲料奶乳清處理反滲透、超濾技術(shù)在乳品工業(yè)中的應(yīng)用的最主要方面是乳清

25、蛋白的回收、脫鹽和牛乳的濃縮。乳清中含有高營養(yǎng)價值的蛋白質(zhì)、乳糖、乳酸、脂肪及礦物質(zhì)。為了從低分子量組分中分離出蛋白質(zhì)，通常采用超濾和反滲透處理，反滲透、超濾技術(shù)主要用于乳清蛋白的回收和牛乳的濃縮。目前各國廣泛應(yīng)用超濾法作為回收乳清蛋白的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，用膜分離技術(shù)加工乳品比用其他方法更為經(jīng)濟(jì)。從牛奶生產(chǎn)酸奶或奶酪等傳統(tǒng)工藝使用蒸發(fā)濃縮法，不但能耗較高， 且會破壞牛奶中的某些熱敏性成分，影響產(chǎn)品質(zhì)量。將反滲透技術(shù)用于稀牛奶的濃縮，可生產(chǎn)出品質(zhì)令人滿意的奶酪及甜酸奶。用反滲透技術(shù)除去乳清中的微量青霉素，大大延長了乳制品的保質(zhì)期。采用反滲透法還可以把乳清中的同形成分濃縮至1830，進(jìn)一步干燥后成為家畜飲

26、料或乳酪的原料。由于全干乳清中含有大量的乳糖和灰分，因而限制了它在食品中的應(yīng)用。采用超濾技術(shù)，可在濃縮乳清蛋白的同時，從濾液中分離掉乳糖和灰分等。日本對牛奶的超過濾濃縮與真空蒸發(fā)法作了對比，結(jié)果表明，對于一個日處理量為2268t的工廠來說，無論是前期各種投資還是運轉(zhuǎn)費用，采用超過濾法均要便宜得多。古巴干酪公司生產(chǎn)干酪素的經(jīng)驗表明，每kg牛奶可制0.453kg干酪， 剩下的4.082kg乳清若以反滲透法和蒸發(fā)法進(jìn)行處理，每日處理牛奶量為422t。一年生產(chǎn)92天，可比單純用蒸發(fā)干燥法節(jié)省8萬美元。.2 果汁生產(chǎn)中的應(yīng)用在果蔬汁生產(chǎn)中，膜技術(shù)有兩方面的主要應(yīng)用：微濾、超濾技術(shù)用于澄清過濾；納濾、反滲

27、透技術(shù)用于濃縮。用超濾法澄清果汁時，細(xì)菌將與濾渣一起被膜截留，不必加熱就可除去果汁中的細(xì)菌，相對于酶法而言，濾汁中不存在未分解的果膠，長期貯存很少出現(xiàn)二次沉淀。果蔬汁濃縮的目的是為了提高果汁成分的穩(wěn)定性，減少體積以便于運輸。同時期望能除去酸和產(chǎn)生不良?xì)馕兜某煞值龋纳乒咧L(fēng)味。傳統(tǒng)的果蔬汁濃縮方法主要采用蒸發(fā)與冷凍脫水兩種，都存在高溫或低溫相變過程，能耗大，且因果蔬汁內(nèi)舍有大量有機(jī)酸，加熱濃縮時容易氧化變質(zhì)，營養(yǎng)成分損失嚴(yán)重、產(chǎn)品品質(zhì)低。例如，果蔬汁中的芳香成分在蒸發(fā)濃縮過程中幾乎全部失去，冷凍脫水法也只保留大約8，而用反滲透技術(shù)則能保留3060。以普通蒸發(fā)法濃縮的果汁，在蒸發(fā)過程中，原果汁

28、所含水溶性芳香物質(zhì)及維生素等幾乎全部被破壞、損失。當(dāng)采用反滲透設(shè)備在10MPa的操作壓力下處理柑橘和蘋果等果汁，得到固形物損失率小于1%的濃縮果汁，其芳香物及維生素等得到很好的保存。而超濾主要用于果汁的澄清，如靠壓榨生產(chǎn)的蘋果汁，含有12%的固體包括糖、蘋果酸、淀粉、果膠和酚類化合物。超濾后果汁的得率可達(dá)到96%-98%，且超濾加工時間很短，操作簡單，節(jié)省人力和儲罐設(shè)備，同時通過超濾也除去了果汁中的細(xì)菌、霉菌、酵母和果膠等，故超濾后的果汁有較長的貨架壽命（長達(dá)2年）。采用膜分離技術(shù)（超濾膜）除去酒及含酒精飲料中的酵母菌、雜菌及膠體等物質(zhì)，使酒的澄清性得到改善，并獲得良好的保存性，還能使生酒具有

29、熟成味，縮短老熟期。一些酒經(jīng)超濾處理后風(fēng)味有所改善，變得清強(qiáng)又醇香延潤。目前美國、意大利、日本等國采用超濾法對酒和酒精飲料進(jìn)行精制，處理的酒類有葡萄酒、威士忌燒酒、清酒、黃酒等。使用超濾法還可避免酒因熱處理引起混濁成分的析出，簡化了過濾設(shè)備。用超濾法代替離心分離法進(jìn)行葡萄酒的提純可以在不加化學(xué)試劑的情況下制得透明葡萄酒，還可降低酒中的乙醇含量。過濾是啤酒生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，目的是除去啤酒中的酵母、蛋白質(zhì)和多酚復(fù)合物等微小物質(zhì)、改善啤酒的生物和非生物穩(wěn)定性。經(jīng)棉餅過濾或硅藻土過濾后之啤酒稱為鮮啤酒或生啤酒，貯存超過一周就會發(fā)生生物混濁。人們?nèi)粘ｏ嬘玫钠垦b啤酒，在裝瓶后必須經(jīng)過低溫滅菌，使殘留的酵母及

30、其他雜菌停止繁殖，這樣的啤酒稱為熟啤酒，一般能保持6090天或更長。生啤酒的口味雖優(yōu)于熟啤酒，但不能長期保存，給運輸及銷售等帶來一定的困難。為了使生啤酒能長期保存，建議采用超濾技術(shù)對啤酒進(jìn)行精濾。.4 在豆制品工業(yè)中的應(yīng)用在豆制品加工業(yè)中，可以用膜分離技術(shù)從廢液中回收蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的分離和回收是膜技術(shù)在豆制品工業(yè)中的主要應(yīng)用。豆乳制作時產(chǎn)生的大豆乳清，通常方法只能從中提取近60的蛋白質(zhì)，殘留蛋白質(zhì)采用超濾法進(jìn)行濃縮，可增加2030的豆腐收率。采用超濾法還可在濃縮蛋白的同時，去除產(chǎn)生豆膻味和影響豆乳穩(wěn)定性的低分子物質(zhì)，提高豆乳質(zhì)量。制醬工廠排出的廢水中，80以上的BOD主要來自大豆的蒸煮汁。大豆蒸

31、煮汁可進(jìn)行分段超濾處理，經(jīng)膜法處理后的濾液可作為生產(chǎn)用水回收，濃縮液可作為生產(chǎn)原料。大豆蛋白工業(yè)中的乳清處理是防止水體污染的重要問題。大豆乳清中含有多種低分子蛋白質(zhì)、多糖類、肽、低聚糖類等物質(zhì)，可采用超濾法回收濃縮大豆蛋白，以滿足人類對畜牧業(yè)的需求。對大豆乳清進(jìn)行濃縮分離時，濃縮液中還有淀粉酶、胰蛋白酶等，選用合適的超濾膜對淀粉酶進(jìn)一步分離濃縮，可獲得淀粉酶產(chǎn)品。.5 在純水制造業(yè)中的應(yīng)用采用膜技術(shù)制造純水在日常生活中應(yīng)用最廣。日常飲用的自來水、純凈水等均采用該技術(shù)，其優(yōu)點是延長離子交換樹酯的壽命，縮短樹酯再生周期；使終端過濾器壽命延長，減少管理費，污染少，產(chǎn)出水質(zhì)穩(wěn)定。但采用膜技術(shù)生產(chǎn)純水時

32、，前處理須加強(qiáng)，要求水濁度小于13，水溫5-40，余氯小于0.2 mg/Kg，且要經(jīng)常殺菌以防微生物生長，殺菌劑為甲醛、雙氧水等，濃度為3%，處理時間為30分鐘。此外，在淀粉加工工藝中，可采用膜分離技術(shù)回收蛋白質(zhì)；在制糖工業(yè)中，采用膜分離技術(shù)可回收糖分并進(jìn)行廢水處理，減少環(huán)境污染；還可以對茶汁進(jìn)行過濾澄清，消除茶飲料的渾濁和沉淀現(xiàn)象等等?？傊S著科技的發(fā)展，膜分離技術(shù)已經(jīng)為食品工業(yè)的快速發(fā)展作出了很大的貢獻(xiàn)。在廣大食品科技工作者的共同努力下，相信膜分離技術(shù)還會越來越多的應(yīng)用于食品工業(yè)中，生產(chǎn)開發(fā)出更多好的食品，滿足消費者日益增長的物質(zhì)需要，更好地造福人類。典型的膜分離技術(shù)簡介2.4.2.1微

33、濾（MF） 又稱微孔過濾，截留分子質(zhì)量大于300000u,它屬于精密過濾，是最常用的分離技術(shù),其基本原理是篩孔分離過程。微濾膜的材質(zhì)分為有機(jī)和無機(jī)兩大類，有機(jī)聚合物有醋酸纖維素、聚丙烯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。無機(jī)膜材料有陶瓷和金屬等。鑒于微孔濾膜的分離特征，微孔濾膜的應(yīng)用范圍主要是從氣相和液相中截留微粒、細(xì)菌以及其他污染物，以達(dá)到凈化、分離、濃縮的目的。 微孔過濾技術(shù)始于十九世紀(jì)中葉，是以靜壓差為推動力，利用篩網(wǎng)狀過濾介質(zhì)膜的“篩分”作用進(jìn)行分離的膜過程。實施微孔過濾的膜稱為微孔膜。微孔膜是均勻的多孔薄膜，厚度在90150m左右，過濾粒徑在10m之間，操作壓在。到目前為止，國內(nèi)外商品化的微

34、孔膜約有13類，總計400多種。（1）微孔過濾和微孔膜的特點微孔膜的主要優(yōu)點為：孔徑均勻，過濾精度高。能將液體中所有大于制定孔徑的微粒全部截留；孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度為107孔/cm2，微孔體積占膜總體積的7080。由于膜很薄，阻力小，其過濾速度較常規(guī)過濾介質(zhì)快幾十倍；無吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90150m之間，因而吸附量很少，可忽略不計。無介質(zhì)脫落。微孔膜為均一的高分子材料，過濾時沒有纖維或碎屑脫落，因此能得到高純度的濾液。微孔膜的缺點：顆粒容量較小，易被堵塞；使用時必須有前道過濾的配合，否則無法正常工作。（2）微孔過濾技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ谖V而言，膜的截留特性是以膜的孔徑來表

35、征，通常孔徑范圍在0.0210微米，故微濾膜能對大直徑的菌體、懸浮固體等進(jìn)行分離。可作為一般料液的澄清、保安過濾、空氣除菌。具體涉及領(lǐng)域主要有：醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)（明膠、葡萄酒、白酒、果汁、牛奶等）、高純水、城市污水、工業(yè)廢水、飲用水、生物技術(shù)、生物發(fā)酵等。具體涉及領(lǐng)域有：醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)（明膠、葡萄酒、白酒、果汁、牛奶等）、高純水、城市污水、工業(yè)廢水、飲用水、生物技術(shù)、生物發(fā)酵等。 微孔過濾技術(shù)目前主要在以下方面得到應(yīng)用：1）微粒和細(xì)菌的過濾?？捎糜谒母叨葍艋?、食品和飲料的除菌、藥液的過濾、發(fā)酵工業(yè)的空氣凈化和除菌等。2）微粒和細(xì)菌的檢測。微孔膜可作為微粒和細(xì)菌的富集器，從而進(jìn)行微粒和細(xì)

36、菌含量的測定。3）氣體、溶液和水的凈化。大氣中懸浮的塵埃、纖維、花粉、細(xì)菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固體顆粒和微生物，都可借助微孔膜去除。4）食糖與酒類的精制。微孔膜對食糖溶液和啤、黃酒等酒類進(jìn)行過濾，可除去食糖中的雜質(zhì)、酒類中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的純度和酒類產(chǎn)品的清澈度，延長存放期。由于是常溫操作，不會使酒類產(chǎn)品變味。5）藥物的除菌和除微粒。以前藥物的滅菌主要采用熱壓法。但是熱壓法滅菌時，細(xì)菌的尸體仍留在藥品中。而且對于熱敏性藥物，如胰島素、血清蛋白等不能采用熱壓法滅菌。對于這類情況，微孔膜有突出的優(yōu)點，經(jīng)過微孔膜過濾后，細(xì)菌被截留，無細(xì)菌尸體殘留在藥物中。常溫操作也不會引起藥物的受熱破壞和變性。許多液態(tài)藥物，如注射液、眼藥水等，用常規(guī)的過濾技術(shù)難以達(dá)到要求，必須采用微濾技術(shù)。2.4.2.2超濾（UF） 是介于微濾和納濾之間的一種膜過程，在壓力差的驅(qū)動下，用可以阻擋不同大小分子的濾膜將液體過濾的方法。超濾是一種能夠?qū)⒁?液相進(jìn)行凈化、分離、濃縮的膜分離技術(shù)，。超濾過程通常可以理解成與膜孔徑大小相關(guān)的篩分過程，m至1nm之間。以膜兩側(cè)的壓力差（一般為）為驅(qū)動力，以超濾膜為過濾介質(zhì)，在一定的壓力下，當(dāng)水流過膜表面時，只允許水及比膜孔徑小的小分子物質(zhì)通過，達(dá)到溶液的凈化、分離、濃縮的目的。 對于超濾而言，膜的截留特性是以對標(biāo)準(zhǔn)