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食品加工业:膜分离技术具明显优势
浏览次数:2232发布时间:2017-06-21 08:38:26 文章来源:泓润科技膜分离技术部


 人们对膜进行科学研究则是近几十年来的事。1950年朱达W.Juda试制出选择透过性能的离子交换膜,奠定了电渗析的实用化基础。1960年洛布(Loeb)和索里拉简(Sourirajan)首次研制成世界上具有历史意义的非对称反渗透膜,这在膜分离技术发展中是一个重要的突破,使膜分离技术进入了大规模工业化应用的时代。其发展的历史大致为:20世纪30年代微孔过滤;40年代透析;50年代电渗析;60年代反渗透;70年代超滤和液膜;80年代气体分离;90年代渗透汽化。此外,以膜为基础的其它新型分离过程,以及膜分离与其它分离过程结合的集成过程(IntegratedMembraneProcess)也日益得到重视和发展。

  膜分离技术在食品工业中的应用:

  膜分离技术在食品工业科技进步中扮演着重要的角色,由于它的无相变、节能及在常温下分离等特点,一经引入食品工业就受到关注并取得不凡业绩。它简化了传统食品加工工艺;避免了食品加工中的热过程,高度保持了食品中的色、香、味及各种营养成分;降低和解决了污染物的排放,并使有效成分得以综合利用和回收;它既可脱盐、脱除有害物质和细菌,又可防止沉淀物的产生,所有这些先进之处都是其他加工方式无法相比的。

  在发酵和生物工程领域应用膜分离技术较为广泛的酶制剂,几乎所有的微生物酶、动物酶、植物酶都用超滤来进行浓缩和精制,可将酶浓缩10倍,纯度从20%左右提高到90%以上。另一项用得比较成功的是生物胶—黄原胶的提纯浓缩,超滤可去除黄原胶中的色素和蛋白质,并将黄原胶浓度从3%浓缩到9%左右。

  在动、植物蛋白加工中最典型的是鸡蛋清和全蛋的浓缩。用反渗透进行蛋清的膜浓缩,固含量可从12%提高到20%,而用超滤膜浓缩全蛋固含量可从24%提高到42%。这在生产蛋清粉和全蛋粉的工艺中是惟一可降低能耗、提高喷雾塔产量的浓缩方法。

  在各种食用胶的加工中主要有果胶、明胶和角叉菜胶等,超滤可将果胶和角叉菜胶浓缩至固含量3%以上,而明胶则可浓缩至15%左右。

  乳品工业中的膜分离技术是应用最早而且规模最大的领域。超滤和反渗透主要用于脱脂牛奶的浓缩和从干酪乳清中回收乳糖乳清蛋白。近几年来,又用微孔陶瓷膜与巴氏灭菌相结合,使屋型奶的保质期从2周延长至1个月。

  膜分离技术在果汁加工中的应用也较早,而且规模较大。它主要是用微滤和超滤进行果汁的澄清和用反渗透进行果汁的膜浓缩。加工时间从原来的12小时,缩短到2~4小时,果汁回收率从80%~94%提高到95%~99%。以日产500吨的苹果汁加工厂为例,每年可增加产值35万美元。反渗透浓缩果汁一般为预浓缩,其固形物浓度为20~25OBx。随着纳滤的出现,将反渗透与纳滤组合进行浓缩,其固形物浓度可达到40~45OBx。

  啤酒从最初采用微滤进行无菌过滤,发展到用反渗透生产浓缩啤酒和无醇啤酒,浓缩啤酒的酒精度可提高到6%~7%,而无醇啤酒的酒精度可从3%~5%降至0.1%。此外,还用微滤来回收啤酒产量2%~5%的罐底残液。

  葡萄酒的最终澄清除用超滤外,也可用反渗透脱除酒精,生产1%~2%酒精度的低醇葡萄酒。

  日本在80年代开始将膜分离技术用于食品加工,比较有代表性的应用项目有:把低糖度的葡萄汁经反渗透浓缩后再进行葡萄酒的发酵;用微滤来替代传统的4道过滤,进行清酒的澄清。

  日本最早将纳滤用于乳清和牛奶膜浓缩,前者可使乳清中乳糖和蛋白质有较高的浓缩比,而且纳滤的脱盐可减轻后序脱盐的负荷。纳滤对牛奶的浓缩,不但可脱除牛奶中的盐分,而且可脱除一些小分子的杂味物质,使得这种浓缩奶制成的冰淇淋和奶粉有较好的口感。

  除此之外,用超滤和纳滤进行大豆低聚糖的分离提纯和浓缩脱盐;用陶瓷微孔膜进行生啤酒的除菌保鲜;用纳滤对水解植物蛋白液进行脱色;用微滤进行油脂脱蜡;用超滤进行油脂脱胶;用超滤酶反应器生产环糊精和调味品等;用超滤从大豆中提取β-淀粉酶;用纳滤脱除生活饮用水中的小分子有机物,脱除率达到87%~98%。

  10年来,膜分离技术在食品加工行业中应用发展十分迅速,美国、澳大利亚、加拿大等国也紧跟而上。比较有代表性的,如加拿大用纳滤来浓缩枫树糖浆,纳滤可脱除枫树糖浆中60%的水分,这比用热法浓缩节省33%的费用。

  其他方面的应用

  膜分离技术在食品工业中还广泛用于制取纯净水和生产废水的处理。如近年来绝大多数矿泉水生产厂家均采用超滤或微滤技术除菌、除胶体、除絮凝物质和颗粒等。广东太阳神集团、海南杏仁露饮料公司、天津武清饮料厂、及各啤酒厂等都应用反渗透或电渗析制备纯水配兑饮料,大大改善了产品质量。I.K1oyuncu等人分别采用低压纳滤及二级反渗透系统对牛奶工业废水进行处理。纳滤的COD去除率达98%,电导率可削减98%以上,Cr、Pb、Ni、Cd等有毒重金属离子的去除率均达100%;而二级反渗透系统对COD、电导率和悬浮固体的去除率均在99%以上,成功实现了废水的再生与回用。另外膜技术在原料液中除气、弃液中产品回收方面均有应用价值。

  同时,膜分离技术的一种——全蒸发(通过膜的扩散蒸发)技术也被用于化学、食品材料、工业制药等方面。它是一种液体混合物的分离的过程,在液体中伴随着水蒸汽的分压,初始溶解物从膜的外表面渗入膜分子的内表面与之接触。膜的选择层调整分离液系统的平衡常数。因此,全蒸发被认为是一种膜扮演着第三成分的提纯蒸馏过程。然面,在全蒸发过程中,混合液的分离不仅基于蒸发液系统的平衡常数,在蒸馏中,也取决于溶解系数的差异和混合物成分的扩散率。虽然这一技术目前还没完全弄清楚,但是它与膜蒸馏、透析和电渗析都有着重要的地位。

  由于膜技术的广泛应用,所以分离所用的膜的清洗显的格外重要。在实践中,有效的膜清洗主要涉及到以下几个方面:去垢剂的种类和组成,清洗的持续时间、清洗的顺序以及物理操作参数。

  膜分离技术的前景

  综上所述,膜分离技术在食品加工领域中的应用日益广泛,利用膜技术生产的食品有其明显的优势。但需要改进的地方还很多,其中最主要的是膜性能和膜装置的改进。膜性能的改善包括以下四个方面:①开发透过率高、选择性强的膜;②开发不易发生污染的膜;③开发用简单的清洗方法即可清除污染的膜和膜装置以及具有全自动反冲洗装置的膜分离系统;④开发用简单的热蒸汽杀菌即可杀菌的膜和膜装置;⑤膜清洗和保护技术;⑥开发新的超薄膜,甚至是单分子膜,以实现低压下的高透过率。新型的膜分离技术目前大部分处于实验室规模,各国对膜技术的研究和开发投入了大量的人力物力,研究开发所用经费高达产值的6%~9%,1990年全世界制膜工业销售总额已达到40亿美元。膜技术是当代国际上公认的最具有经济效益和社会效益的高新技术之一,虽然分离膜存在一些缺点,但其优势非常明显。为了提高产品附加值及开发新产品而采用膜分离技术是食品加工的发展方向之一,膜分离技术一旦实现大规模的工业应用,将会引起工业生产的重大革新。