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膜分離技術(shù)以及應用

膜技術(shù)是一項新型的高新分離技術(shù).自上世紀五十年代以來(lái),微濾膜、離子交換膜、反滲透膜、超濾膜、氣體膜分離等相繼得到廣泛應用.成為世界各國研究的熱點(diǎn).已被國際公認為本世紀最有發(fā)展前途的重大高新生產(chǎn)技術(shù)之一,有操作方便、設備緊湊、工作環(huán)境安全、節約能源和化學(xué)試劑等優(yōu)點(diǎn),目前已被廣泛應用于食品、醫藥、化學(xué)、環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域。產(chǎn)生了顯著(zhù)經(jīng)濟和社會(huì )效益。

而利用膜分離技術(shù)生產(chǎn)的食品稱(chēng)為膜分離食品。膜分離食品技術(shù)以其優(yōu)越性得到了食品工業(yè)依賴(lài)于廣泛的應用;用以乳品加工領(lǐng)域的牛奶濃縮、乳清分離和軟干酪制造;發(fā)酵工業(yè)領(lǐng)域的微濾除菌、酒及酒精飲料的超濾精制、提高葡萄糖的甜度;飲料生產(chǎn)領(lǐng)域的蘋(píng)果汁、番茄汁等果汁和蔬菜汁的澄清和濃縮;還在茶葉、甜菊糖、大豆蛋白、醬油、醋的加工方面有很好的應用。

1、膜分離技術(shù)的現狀

隨著(zhù)制膜技術(shù)的發(fā)展,膜分離技術(shù)不斷進(jìn).212業(yè)應用領(lǐng)域。近二十年來(lái),反滲透、超濾、微濾、電滲析、氣體膜分離、無(wú)機膜分離、液膜分離等都取得很多新的進(jìn)展,其應用范圍也不斷地擴大,遍及海水與苦咸水淡化、環(huán)保、化工、石油、生物醫藥、輕工食品等領(lǐng)域。膜分離技術(shù)正作為分離混合物的重要方法,將在生產(chǎn)實(shí)踐中越來(lái)越顯示其重要作用。

我國50年代開(kāi)始研究電滲析,66年開(kāi)始研究反滲透,80年代以來(lái)對各種新型膜分離過(guò)程和制膜技術(shù)展開(kāi)了全面研究與開(kāi)發(fā),目前已有多種反滲透、超濾、微濾和電滲析膜與膜組件的定型產(chǎn)品,在各個(gè)工業(yè)、科研、醫藥部門(mén)廣為應用。

2、膜分離技術(shù)的基本原理及分類(lèi)

2.1 膜分離的概念

即是以天然或人工合成的高分子薄膜為介質(zhì),以外界能量或化學(xué)位差為推動(dòng)力,對雙組分或多組分溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離、提純和濃縮的方法稱(chēng)之為膜分離法。膜分離可用于液相和氣相。對于液相分離,可用于水溶液體系、非水溶液體系、水溶膠體系以及含有其他微粒的水溶液體系。

2.2膜分離的性能

1)膜的化學(xué)穩定性

膜的化學(xué)穩定性主要體現在抗氧化、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)結構,又取決于被分離溶液的性質(zhì)。氧化、水解的最終結果使膜色澤變深,發(fā)硬變脆,使其化學(xué)結構與外觀(guān)形態(tài)受到破壞。

2)膜的物理穩定性

主要體現在耐熱性和機械強度等方面。膜的耐熱性取決于膜材料的化學(xué)結構。故可以采取改變高分子的鏈節結構和聚集態(tài)結構,提高分子鏈的剛性等措施來(lái)提高膜的耐熱性。而膜的機械強度是高分子材料力學(xué)性質(zhì)的體現。在外力作用下,膜產(chǎn)生剪切蠕變,使膜透過(guò)速度下降。外力消失后,若再給膜施加相同外力,膜的透過(guò)速度暫時(shí)有所回升隨后很快下降。

3)膜的分離透過(guò)性

雖然膜具對被分離物具有選擇透過(guò)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(guò)。膜材料的化學(xué)特性、形態(tài)結構和分離過(guò)程中的一些操作條件等都會(huì )影響膜的分離能力。膜的分離透過(guò)性是其處理能力的重要指標。當膜達到所需的分離率后,其透量愈大愈好。故膜的分離性能和透過(guò)性能是相互依賴(lài)的,當膜的分離性能高時(shí)其透量就會(huì )受到損失,反之其透過(guò)率高則分離率就會(huì )降低。

4)膜的經(jīng)濟實(shí)用性

主要是要求分離所用的膜材料和制造工藝等方面的價(jià)格合理,成本不高,便于制造,方便使用,否則就會(huì )嚴重制約膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的廣泛使用。 膜的種類(lèi)很多,很難用一種方法進(jìn)行分類(lèi)。根據膜的材質(zhì),從形態(tài)上可分為固態(tài)膜和液態(tài)膜;從來(lái)源上分天然膜和合成膜,后者下分無(wú)機膜和有機膜;根據膜的斷面形態(tài),可將膜分為對稱(chēng)膜、不對稱(chēng)膜和復合膜。目前在工業(yè)上應用最廣的是高分子材料制成的聚合物膜。

2.3 膜分離的基本原理

膜是具有選擇性分離功能的材料,利用膜的選擇性分離實(shí)現料液的不同組分的分離、純化、濃縮的過(guò)程稱(chēng)作膜分離。它與傳統過(guò)濾的不同在于,膜可以在分子范圍內進(jìn)行分離,并且這過(guò)程是一種物理過(guò)程,不需發(fā)生相的變化和添加助劑。膜的孔徑一般為微米級,依據其孔徑的不同(或稱(chēng)為截留分子量),可將膜分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜,根據材料的不同,可分為無(wú)機膜和有機膜,無(wú)機膜主要是陶瓷膜和金屬膜,其過(guò)濾精度較低,選擇性較小。有機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。錯流膜工藝中各種膜的分離與截留性能以膜的孔徑和截留分子量來(lái)加以區別。

2.4 膜分離的分類(lèi)

  按膜的不同可分為固膜及液膜兩大類(lèi)。

 固膜包括氣體滲透、反滲透、超濾、滲析、電滲析。

 液膜包括液膜、固定液膜。

1)氣體滲透的推動(dòng)力為分壓差,常應用與空氣中氧氣的分離、富集。

2)反滲透的推動(dòng)力為壓力差(1~10MPa),應用于海水淡化,番茄汁、西番蓮汁、蔬菜汁、雞蛋白、糖漿等濃縮,從酒中出去酒精,生產(chǎn)去離子無(wú)菌水,食品廠(chǎng)廢水處理等。

3)超濾的推動(dòng)力也是壓力差,壓力為0.1~1MPa,應用于高分子化合物、膠體溶液或氣溶膠的分離以及液體的提純、澄清和濃縮。其有效分離范圍是0.0015~0.2um, 截留相對分子質(zhì)量為500~3000000,在這個(gè)范圍內,幾乎包括了食品的全部有效組分和營(yíng)養物質(zhì)在內。用超濾法濃縮果膠可以減少沉淀劑酒精的用量,果膠純度高,成本也較低。超濾法澄清的果汁質(zhì)量好,成本低。超濾得到的米酒、黃酒、清酒,透明度好,可延長(cháng)貯藏期。

4)滲析的推動(dòng)力為濃度差,應用與造紙工業(yè)堿的回收。人工腎也基于滲析的原理制成的。

5)電滲析的推動(dòng)力為電位差,應用與海水淡化、高純水的制備等。乳用于軟飲料和啤酒廠(chǎng)生產(chǎn)軟化水,乳清脫鹽,回收乳糖、蛋白質(zhì)脂肪、乳酸和維生素等物質(zhì),并能出葡萄糖中的部分酒石酸,以防止結晶析出。

2.5 膜技術(shù)應用于食品工業(yè)的特點(diǎn)

一)由于膜具有選擇性,它能選擇性地透過(guò)某些物質(zhì),而阻擋另外一些物質(zhì)的透過(guò)。選擇合適的膜,可以有效地進(jìn)行物質(zhì)的分離、提純和濃縮。其分離顆粒小至納米級,分離系數高達三位數。因此是一個(gè)高效的分離過(guò)程。

(二)分離過(guò)程不發(fā)生相變化,與有相變化的分離法和其它分離法相比,能耗較低。因此膜分離技術(shù)又稱(chēng)省能技術(shù)。

(三)膜分離技術(shù)整個(gè)分離過(guò)程在密閉系統中進(jìn)行,無(wú)需加熱,無(wú)化學(xué)變化,避免和減輕了熱和氧對食品和營(yíng)養成分的影響,因而特別適用于對熱敏感的物質(zhì),如果汁、酶、藥品等的分離、分級、濃縮與富集。

(四)膜分離技術(shù)不僅適用于有機物和無(wú)機物,從病毒、細菌到微粒的廣泛分離的范圍,而且還適用于許多特殊溶液體系的分離,如溶液中大分子與無(wú)機鹽的分離、一些共沸物或近沸點(diǎn) 物系的分離等。

(五)由于只是用壓力作為膜分離的推動(dòng)力,因此分離裝置無(wú)運動(dòng)部件,結構簡(jiǎn)單,操作容易,易自控和維修。

(六)膜分離技術(shù)有冷殺菌的作用,且能耗低、速度快、費用省、不污染環(huán)境,因此是一種綠色技術(shù) 。

3、膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應用

  膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應用不僅改革了傳統加工工藝, 簡(jiǎn)化操作, 降低成本, 而且提高  了產(chǎn)品的質(zhì)量, 增加了產(chǎn)品的品種。目前, 膜分離技術(shù)已廣泛應用于乳制品、豆制品的加工、酶制劑的提純濃縮、果蔬汁的澄清及濃縮、卵蛋白的濃縮以及食糖工業(yè)、淀粉加工業(yè)、動(dòng)物屠宰加工業(yè)等多方面。據美國統計, 膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應用占各工業(yè)應用總數的68% , 其中乳品業(yè)占37% ,果汁加工業(yè)占18% , 鹽水淡化占8%。

3.1 在乳制品工業(yè)中的應用

采用膜分離技術(shù)可以獲得多種乳制品,同時(shí)提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。反滲透、超濾技術(shù)在乳品工業(yè)中的應用的最主要方面是乳清蛋白的回收、脫鹽和牛乳的濃縮。乳清中含有高營(yíng)養價(jià)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,其工藝流程如下:

↑→濃縮液→干燥→強化乳清粉

乳清→預處理→超濾→ 透過(guò)液→ 反滲透→透過(guò)液→至下水道

↓→ 濃縮液→作動(dòng)物飼料

3.2 在豆制品工業(yè)中應用

  主要是用于蛋白質(zhì)的分離回收,乳大豆蒸煮也和制豆腐的大豆乳清中蛋白質(zhì)的,可減少對環(huán)境的污染。如:(一)從大豆煮汁中回收蛋白質(zhì),大豆煮汁通過(guò)膜分離法濃縮回收煮汁中的蛋白質(zhì)。(二)從大豆乳清中回蛋白質(zhì),豆乳中的豆膻味還醛、酮化合物,可以通過(guò)超濾出去。制作豆腐是產(chǎn)生的大豆乳清如果用超濾法進(jìn)行濃縮,豆腐收率可增加20%~30%。

3.3 在釀酒工業(yè)中的應用

 隨著(zhù)人們對酒的質(zhì)量要求越來(lái)越高, 膜分離技術(shù)開(kāi)始用于造酒行業(yè), 特別是低度酒的除濁澄清。采用超過(guò)濾技術(shù)對傳統工藝的重要變革,不僅能明顯提高酒的澄清度, 保持酒的色、香、味, 而且可以無(wú)熱除菌, 提高酒的保存期。用無(wú)機微濾膜可去除啤酒中的渾濁漂浮物(酒花樹(shù)脂、單寧、蛋白質(zhì)等) , 除去酵母、乳酸菌等微生物, 改善啤酒的風(fēng)味和提高透明度;用反滲透制造低度啤酒或濃縮啤酒, 也可用反滲透復合膜濃縮啤酒; 微濾技術(shù)用于回收啤酒釜底的發(fā)酵殘液, 使啤酒產(chǎn)量增加。用超濾進(jìn)行葡萄酒提純, 在無(wú)化學(xué)試劑下制得透明的葡萄酒, 還可降低葡萄酒中的酒精含量;用聚丙烯腈中空纖維超濾膜組件將黃酒中的細菌和渾濁物除去; 用超濾對低度白酒除濁, 酒久置后仍保持清澈透明。

3.4 膜分離技術(shù)在果膠提取中的應用

由于膜分離過(guò)程不需要加熱,可防止熱敏物質(zhì)失活、雜菌污染,無(wú)相變,集分離、濃縮、提純、殺菌為一體,分離效果高,操作簡(jiǎn)單,費用低,特別適合食品工業(yè)的應用.周仲實(shí)采用超濾膜裝置對果膠提取液進(jìn)行處理,初步濃縮除去大部分對膠凝度無(wú)貢獻的雜質(zhì)后,再經(jīng)電滲析脫去大部分鹽酸和無(wú)機離子,所得提取液可直接干燥獲得高品質(zhì)的果膠,且降低了生產(chǎn)成本.

3.5在生產(chǎn)果蔬汁及飲料方面的應用

膜分離技術(shù)在此方面的應用主要用于果蔬汁的濃縮、果蔬汁和飲料的澄清過(guò)濾和無(wú)菌化。果汁和蔬菜汁的澄清濃縮可采用反滲透和超濾膜分離新技術(shù);生產(chǎn)汽水用水可采用電滲析技術(shù); 用板式超濾器, 聚砜和聚芳砜膜在飲料生產(chǎn)工藝中, 分離去除懸浮顆粒、殘存酵母菌雜菌微生物、膠體和色素等雜質(zhì), 可在不加防腐劑下延長(cháng)貯存期, 提高和保證產(chǎn)品質(zhì)量。其中,超濾技術(shù)在果蔬汁上的應用尤其引入注目。自從1977 年Heatherbell 等人成功運用超濾技術(shù)制得了穩定的蘋(píng)果澄清汁之后, 超濾技術(shù)在果蔬汁澄清中的研究與應用發(fā)展很快。國外蘋(píng)果汁、梨汁、橙汁、獼猴桃汁、葡萄汁等超濾法澄清在70 年代陸續獲得成功。我國則在進(jìn)入80年代以后有了較大的發(fā)展。

3.6 在酶制劑工業(yè)中的應用

酶是具有特殊催化功能的蛋白質(zhì)。其中α-淀粉酶、蛋白酶、果膠酶、糖化酶和葡萄糖氧化酶已得到廣泛應用。采用酶法生產(chǎn)葡萄糖、果葡糖漿后,更促進(jìn)了酶制劑工業(yè)的發(fā)展。濃縮提取酶的方法有鹽析沉淀、溶劑萃取、真空蒸發(fā)、低壓冷凍、色層分離、超速離心等技術(shù)。60年代中期開(kāi)始采用膜分離技術(shù)對酶進(jìn)行濃縮提純。1965 年B lat t 等提出用膜分離技術(shù)進(jìn)行微生物的濃縮, 并進(jìn)行了試驗。1968 年W ang 等又成功地運用超濾技術(shù)濃縮幾種酶制劑。

3.7 在純水制造業(yè)中的應用

采用膜技術(shù)制造純水在日常生活中應用最廣。用醋酸纖維素微孔膜和纖維素超濾膜組成家用凈水器, 可得直接飲用的凈水;日常飲用的自來(lái)水、純凈水等均采用該技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)是延長(cháng)離子交換樹(shù)酯的壽命,縮短樹(shù)酯再生周期;使終端過(guò)濾器壽命延長(cháng),減少管理費,污染少,產(chǎn)出水質(zhì)穩定。但采用膜技術(shù)生產(chǎn)純水時(shí),前處理須加強,要求水濁度小于l一3,水溫5—4O℃,余氯小于0.2 mg/Kg,且要經(jīng)常殺菌以防微生物生長(cháng),殺菌劑為甲醛、雙氧水等,濃度為3 ,處理時(shí)間為3O分鐘。該法在純水制造業(yè)中已得到廣泛應用。

4  膜分離技術(shù)存在的問(wèn)題及解決方法

4.1膜的污染問(wèn)題

由于食品中大都含有蛋白質(zhì)、脂肪、纖維、鞣質(zhì)及膠體物質(zhì),膜在操作時(shí)極易被污染和阻塞,造成膜通量銳減。而現有的清洗方法難以達到恢復通量的目的。所以料液的預處理及清洗成了膜技術(shù)應用的關(guān)鍵;另外,開(kāi)發(fā)新型的不易被污染的膜材料及進(jìn)行膜面改良也是控制膜污染的有效措施。4.2 膜的選擇問(wèn)題膜分離在生產(chǎn)中的應用日益廣泛,但由于影響其因素眾多,諸如膜材料的選擇、膜分離時(shí)的壓力、溫度、濃度、流速等,需要對其工藝條件作更深入的研究和考察。4.3 濃度極化現象由于濾膜上篩孔極小,沉積在膜面的物質(zhì)易形成一層等高濃度的凝膠層,使膜的通過(guò)速度和截流性能受到很大影響,稱(chēng)為濃度極化現象。應采取相應措施,如降低料液黏度;在超各階段合理的調節壓力,分別采用恒速和恒壓濾過(guò);或與其他分離方法如澄清法、離心法聯(lián)用等。4.4 膜的性能有待提高膜材料的品種少,膜孔徑分布寬,性能欠穩定,如常用的親水性膜材料對溶質(zhì)吸附少,截留分子量較小,但熱穩定性差,機械強度、抗化學(xué)性、抗細菌侵蝕能力通常不高,疏水性膜材料機械強度高、耐高溫、耐溶劑、耐生物降解,但膜透水速度低、抗污染能力較低。另外,由于濾膜本身的孔徑不可能完全均勻一致,濾過(guò)時(shí)部分微粒、熱原從較大的濾孔濾出,從而導致初濾液不合要求。故應用時(shí)應采用多級超濾法來(lái)提高食品質(zhì)量,并應研究開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良的濾膜,克服其自身的缺點(diǎn)。

5 展望

  綜上所述,膜分離技術(shù)作為一種新型的高新制造技術(shù), 在食品工業(yè)中的應用發(fā)展極快, 成績(jì)卓著(zhù), 日益受到各界的關(guān)注, 展現了廣闊前景, 尤其一些新的膜分離技術(shù)具有更大的潛力和更強的生命力, 相信不久的將來(lái)定會(huì )出現劃時(shí)代的突破, 迎來(lái)食品工業(yè)嶄新的未來(lái)。

 

來(lái)源:食品科技

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