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超滤膜分离技术的应用(一)
中国超滤膜技术网2012-06-23

   由于膜分离过程不需要加热,可防止热敏物质失活、杂茵污染,无相变,集分离、浓缩、提纯、杀菌为一体,分离效果高,操作简单、费用低,特别适合食品工业的应用。

一、 膜分离原理

  膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质,当膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差、温度差等)时,原料侧组分选择性地透过膜,以达到分离、提纯的目的。不同的膜过程使用不同的膜,推动力也不同。目前已经工业化应用的膜分离过程有微滤(MF)、超滤(UF)、反渗透(RO)、渗析(D)、电渗析(ED)、气体分离(GS)、渗透汽化(PV)、乳化液膜(ELM)等。

二、膜分离技术特点
    与传统的蒸馏、吸附、吸收、萃取、深冷分离等分离技术相比,膜分离具有以下特点:
     ■膜分离通常是一个高效的分离过程
     ■膜分离过程的能耗(功耗)通常比较低
     ■多数膜分离过程的工作温度在室温附近,特别适用于对热敏物质的处理
     ■膜分离设备本身没有运动的部件,工作温度又在室温附近,所以很少需要维护,可靠度很高。它的操作十分简单,而且从开动到得到产品的时间很短,可以在频繁的启、停下工作。
     ■膜分离过程的规模合处理能力可在很大范围内变化,而它的效率、设备单价、运行费用等都变化不大。
     ■膜分离由于分离效率高,通常设备的体积比较小,占地较少。

三、膜分离技术

  反渗透、超滤、微滤、电渗析这四大过程在技术上已经相当成熟,已有大规模的工业应用,形成了相当规模的产业,有许多商品化的产品可供不同用途使用。这里主要以反渗透膜和超滤膜为代表介绍一下。

3.1 反渗透膜(RO)

  反渗透膜使用的材料,最初是醋酸纤维素(CA),1966年开发出聚酰胺膜,后来又开发出各种各样的合成复合膜。CA 膜耐氯性强,但抗菌性较差。合成复合膜具有较高的透水性和有机物截留性能,但对次氯酸等酸性物质抗性较弱。这两种材料耐热性较差,最高温度大约是60℃左右,这使其在食品加工领域的应用中受到限制。

 3.2 超滤膜(UF)

  超滤膜最初也是使用CA做材料,后来各种合成高分子材料得以广泛应用。其材料多种多样,共同特点是具有耐热、耐酸碱、耐生物腐蚀等优点。

  目前使用最多的UF膜材料是聚芳砜和异丙基聚芳砜。这两种材料的最大优点是耐热性非常强。聚芳砜的机械性能好,有优良的耐氧化性能,通常使用时耐热温度可达8O℃,热杀菌时耐热温度可达90℃,异丙基聚芳砜耐氧化性能更好,较高温度下能够保持良好的机械性能,耐热温度可达90℃ ,热杀菌时可达98℃。进行热杀菌时,高温水急速通过膜装置,因膜装置材料的热膨胀系数不同,有时膜会发生泄漏。现在,通过对环氧系粘合剂的组成、硬化条件的研究,已能够制造耐50℃温差的急速加热冷却的膜装置。

四、分离膜的优缺点

  分离膜共同的优点是:①节约能源;②在常温下进行,特别适用于热敏性物质的处理,能够防止食品品质的恶化和营养成分及香味物质的损失;③ 食品的色泽变化小,能保持食品的自然状态;④设备体积小且构造简单,费用较低,效率较高;⑤适用范围广,有机物和无机物都可浓缩,可用于分离、浓缩、纯化、澄清等工艺。

  分离膜的缺点是:①产品被浓缩的程度有限;②有时其适用范围受到限制,因加工温度、食品成分、pH、膜的耐药性、膜的耐溶剂性等的不同,有时不能使用分离膜;③ 规模经济的优势较低,一般需与其他工艺相结合。

五、超滤膜技术在食品工业中的澄清应用
  澄清工序是澄清汁生产的关键。传统的澄清方法如明胶单宁法、加热凝聚澄清法、冷冻法、板框过滤法、酶处理法等,都存在各自的弱点。将膜超滤技术用于食醋、酱油、果蔬汁、茶汁、啤酒等生产中,在分离致浊组分的同时达到澄清的目的。由于操作不受温度的影响,不发生相变,可以较好地保存原有风味,同时具有快速、经济的特点。

  以水果压榨出汁,制成的果汁饮料中含有许多悬浮的固形物以及引起果汁变质的细菌、果胶和粗蛋白。应用膜超滤技术处理甘蔗汁、苹果汁、草莓汁、南瓜汁等汁液,分离澄清效果良好。在南瓜澄清汁加工中运用超滤膜进行超滤澄清处理,对南瓜汁均有明显的澄清效果。其透光率(λ=420nm)由原汁的78.9%分别上升到99.4%、98.9%,除果胶和蛋白质外,膜截留分子量(MWCO)对可溶性固形物、还原糖、pH、矿质元素和总酸等含量均无影响。澄清汁无沉淀现象,稳定性好。

  传统的酱油澄清技术是采用巴氏消毒法,板框过滤澄清产品。产品有沉淀,细菌数偏高,生产强度大,废弃物多,易造成环境污染。李书申等人用超滤膜技术替代传统的酱油生产中蒸发、浓缩、澄清、净化等装置,对酱油澄清、除茵、脱色处理,大幅降低能耗,提高了产品品质。

  饮料业中的水处理。饮料的主要成分是水,水的质量决定了饮料的质量,水处理设备与最终水质有密切关系。只用传统的沙滤棒或硅藻土过滤手段,不可能达到精细的过滤等级和绝对地去除微生物。而应用膜分离手段则可能达到极好的分离效果。在膜技术发达国家,饮料生产领域95%以上采用微孔滤膜为分离途径之一,在我国,微滤、超滤技术在饮料生产中都已得到较广泛应用。在饮料行业中要达到净化、澄清的目的,用0.45 µm的微孔膜过滤元件进行流程过滤即可满足要求。由于微孔膜过滤后除去的是饮料中的杂质、悬浮物及生物菌体等,而水中的微量元素和营养物质却毫无损失,所以特别适用于某些需保持特殊成分或风味的饮料的净化过滤,如天然饮用矿泉水。应用膜分离过程制备饮用水和超纯水已实现工业化。

   茶饮料是目前饮料市场上非常受欢迎的饮品。然而茶提取液中含有蛋白质、果胶、淀粉等大分子物质,其中的茶多酚类及其氧化产物易于咖啡碱等物质形成络合物,使茶汁产生混浊及沉淀,消除混浊及沉淀是茶饮料生产的关键。传统的方法易使茶汁中许多有效成分去除,造成风味严重损失。在2009年云南唐人生物有限公司和杭州新越膜技术有限公司合作,采用超滤法处理绿茶汁和红茶汁可有效去除茶汁中的大部分蛋白质、果胶、淀粉等大分子物质,而茶多酚、氨基酸、儿茶素、咖啡碱等含量损失很少,醇不溶性物质[AIS]可去除38%—7O% ,使透明度提高92%—95%。茶汁外观清澈透明,口感好,茶汁不易二次浑浊和变质。

 





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