现代食品加工新技术

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1、第九章现代食品加工新技术内江职业技术学院课件主讲教师郑显义第一节膜分离技术法国人于1748年首先用天然膜猪膀胱，将酒与水分开。即水可自然地从猪膀胱内渗透出来，从而首次揭示了膜分离现象。20世纪60年代膜技术才进入了工程领域。各国都对膜技术非常重视，美国官方文件曾说：“18世纪电器改变了整个工业过程，而20世纪膜技术将改变整个面貌”。1987年东京国际膜技术会议上明确指出“在21世纪的多数工业中，膜过程将扮演战略角色”。20世纪80年代以来，膜技术在我国得到迅速发展。一、膜分离的基本概念膜分离就是采用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分溶质和溶剂进行分离

2、、分级、提纯和富集操作等分离方法的总称。膜分离是利用一种半透膜将流体中的某种成分分离出来，从而将液料澄清或浓缩。所谓半透膜是这种膜只允许某种成分通过，而不允许另一些成分通过。如在果汁的澄清中，只允许果汁中的水、糖、酸等小分子物质通过，而将淀粉、蛋白质等物质阻留下来。膜分离既可用于液相（包括水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体系等）的分离，也可用于气相的分离。二、膜分离的特点与其他分离方法相比较，膜分离具有以下4个显著特点：（1）膜分离过程不发生相变化，与有相变化的分离方法或其他方法相比较能耗要低。（2）膜分离过程是在常温下进行，物料不需要加热特别适用于热敏性物质，如果汁、酶或药品等的分离、分

3、级、浓缩与富集。（3）膜分离不仅适用于有机物和无机物，包括从病毒、细菌到微粒的广泛范围，而且还用于许多特殊溶液体系的分离，如溶液中大分子与无机盐的分离、一些共沸物或近沸点体系的分离等。（4）由于只是用压力作为膜分离的推动力，因此具有装置简单、操作容易、易于控制、运转费用低和维修等优点。但膜的成本高。用于浓缩时，液料中的可溶性固形物最高只可浓缩至30％。膜容易结垢和形成浓度极化现象，以至渗透率大大下降，必须常清洗、再生。三、常用膜分离方法与原理（一）渗透与反渗透将纯水与盐水分别置于允许水分子自由通过的半透膜两侧，由于盐溶液中水溶剂的活度和化学位均低于纯水溶剂的活度和化学位，所以水分子自发地从

4、纯水向盐水一侧渗透，最终双方的化学位达到一致而出现渗透平衡，此时左右两侧的压力差叫做渗透压。如果在盐水一侧施以比渗透压高的外力，则盐水中的水分子通过半透膜逆向渗透扩散到纯水一侧，就形成反渗透。（二）超滤在反渗透情况下，如果膜只阻留大分子物质，而且大分子的渗透压不明显，这种情况就称为“超滤”。因此，超滤和反渗透之间没有明显的严格界限，通常是将比超滤更精密的过滤过程视为反渗透。超滤膜可用于溶液中大分子、胶体、蛋白质和微粒等的分离，与反渗透相比、超微分离的物理因素要比物理化学因素更为重要。超滤膜的孔径范围大体在0.005~10微米。超滤所用的膜为非对称膜，表面活性层有孔径10-9~2×10-8米

5、的微孔，能够切留相对分子质量为500以上的大分子和胶体微粒，所用压差为0.1~0.5兆帕。超滤对大分子的分离过程在膜表面及微孔内吸附——一次吸附；在孔内停留而被去除——阻塞；在膜表面的机械截留——筛分。其中筛分是主要过程。在外力作用下原料溶液中的溶剂和小的溶质粒子从高压侧透过膜到低压侧，而大分子和粗粒组分被阻留。这种分离过程中，要求超滤膜的选择层具有大量的一定大小和形状的空隙，其分离机理主要是物理筛分作用，而膜的化学性质对分离特性影响不大。超滤膜的透过机理1.微孔模型超滤膜渗透机理基本上属于筛分，膜的性能可用微孔模型来评价。纯水的渗透系数是膜的固定值，而膜的渗透系数及反射系数是有溶质本身决

6、定。2.渗透压模型超滤所分离的溶质一般为大分子。在低浓度时，渗透压可以忽略不计。随着溶液浓度的升高，渗透压呈指数上升，因此采用超滤浓缩时，必须考虑渗透压的影响。用纯水测定透过膜的通量时，测定值与操作压力成正比地增高。用大分子溶液进行超滤时，膜的透过通量则与压力无正比关系；当压力达到某一定值时，透过通量保持恒定不变，此外，也与膜的渗透阻力(纯水系数倒数)无关，此时膜的透过通量称为极限通量。极限通量随料液浓度增高而变小，随膜表面的传质条件变动而改变。（三）微孔过滤微孔过滤膜通常是用特种纤维素酯或高分子聚合物制成的，它具有材质薄、滤速快、吸附少和无杂质脱落等优点，主要用于从气相和液相中截留微粒、

7、细菌和污染物等，以达到净水、分离和浓缩的目的。超滤和微滤都是在静压差的推动力作用下进行的液相分离过程，从原理上说没有本质的差别，同为筛孔分离过程。如图3所示，在一定的压力作用下、当含有高分子溶质和低分子溶质的混合液流过膜表面时，溶质和小于膜孔的低分子溶质透过膜，成为渗透液校搜集；大于膜孔的高分子镕质则被膜截留而作为浓缩液校回收。通常，能截留分子量500以上、1d以下分子的膜分离过程称为超滤，只能截留更大分子的膜过程称为微