无机膜分离技术在食品发酵行业中的应用.docx
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无机膜分离技术在食品发酵行业中的应用
无机膜分离技术在食品发酵行业中的应用
邢卫红徐南平3时钧
南京南京化工大学膜科学技术研究所
摘要对国内外无机分离膜在饮用水生产!
果蔬加工!
酒类澄清!
发酵液的分离与纯化等领域的应用进行综述指出无机膜在食品!
发酵行业中的应用前景以希望无机膜这一高新技术在国内尽早实现工业化应用
关键词无机膜食品工业发酵行业应用
分类号×±
无机膜具有耐高温!
化学稳定性好!
孔径分布窄!
强度高等特点在食品!
发酵行业中有着广泛的应用前景≈早期的商品化无机膜是法国≥ƒ∞改进美国联合碳化物公司的技术而发展起来的管式/≤其外形尺寸为长外径壁厚该膜0氧化锆膜
从年开始应用于奶业!
饮料及生物化工中到年≥ƒ∞已在欧洲建立了套陶瓷膜分离系统≈∗目前陶瓷膜的工业应用主要为奶制业!
酒类!
果汁饮料的澄清!
浓缩!
除菌据
食品工业中应用的膜面积达其中无机膜为≈这些膜将年的统计
近有在乳制品业中应用剩余主要用于饮料过滤果汁!
啤酒!
葡萄酒等!
蛋白浓缩和发酵行业中本文将从以下几个方面对陶瓷膜在食品!
发酵工业中的应用作一介绍饮用水的净化
工农业的发展导致水质的恶化严重威胁着人类的健康饮用水的净化问题已刻不容缓世界各国都对这一问题予以充分重视并将其作为环境保护和社会发展的重要内容列入国家发展计划膜分离技术能与砂滤!
活性炭吸附!
离子交换!
臭氧等组合使其出水达到饮用标准故膜分离技术在饮用水处理中的位置越来越重要用无机膜生产低浊度∗×饮用水的装置始建于年目前已有十几套装置在欧洲运转产水量从∗#不等≈采用法国∏Λ的陶瓷膜可以将地表水和矿泉水处理成饮用水≈∗等人≈将无机膜与臭氧絮凝剂结合进行地表水的处理地表水中海藻!
细菌及微生物!
腐植酸!
无机盐含量很高用臭氧絮凝剂使其氧化分解絮凝然后用孔径为操作Λ的无机膜进行过滤处理条件为每反冲出水中有机物含量显著降低浊度由×降到出水×水质达到饮用水标准南京化工大学膜科学技术研究所将活性炭纤维与陶瓷微滤膜相结合用于除去水中低分子有机物该装置的膜面积为膜孔径为对低分子有机物如苯!
Λ苯酚!
氯仿等的去除率细菌的截留率可以解决化工类厂区和油田附近的居收稿日期修改稿收到日期
第一作者女岁硕士助理研究员3联系人
##膜科学与技术第卷民饮水问题用粉末活性炭与陶瓷膜技术相结合亦可获得同样的效果该流程的主要特点是
而陶瓷膜的主要作用是截留粉末活性炭!
细菌可以根据进水的水质添加不同量的粉末活性炭
等采用陶瓷膜生产饮用水膜通量可以由反冲得以部分恢复并且其通量随原水的浊度影响较大钟景等≈对经自来水污染后的陶瓷膜再生情况作了较为详细的研究采用酸碱交替清洗可基本恢复膜通量
在果蔬加工中的应用
21陶瓷膜提取栀子黄色素≈12∗16
天然色素是从天然原料主要是植物原料中提取出来的产品随着食品工业的发展以及
人们对安全无毒甚至有营养价值的天然色素倍加重视不断对合成色素的可能毒害性的认识
研究开发新的天然色素然而目前天然色素的提取多采用浸提!
蒸发浓缩!
溶剂提纯等传统工艺存在能耗高!
溶剂需回收!
过程复杂等问题而且往往还存在产品纯度不高!
质量差等不足之处赵宜江等≈将膜分离技术用于天然
色素的提取取代真空蒸发!
酒精提纯!
酒精
回收等操作过程其方法是用陶瓷微滤ƒ
膜对浸提液进行过滤再用反渗透浓缩
过滤液其实验工艺流程如右图
∀图工艺流程图
膜材料为三氧化二铝膜管内径外径膜所用的陶瓷微滤膜孔径为Λ
的水通量为采用聚酰胺卷式反渗透装置对微滤渗透液进行浓缩实验#°
在常温下进行以利于保持天然产物的风味主要研究了膜面流速和过滤压差对过滤通量的影响实验结果表明通量随膜表面流速的增加而增大这是由于高的剪切速度带走了膜面的悬浮颗粒等组分同时减轻了浓差极化的影响故表面流速以∗为宜温度为ε在膜面流速测定了不同过滤压差下膜通量的变化的条件下∗°范围内膜通量随压力的增大而增大当操作压力超过增大幅度逐渐减小因此操作压力以°∗
其过滤通量基本能保持在由于栀子浸提液中含果胶!
植物#°较为合适
蛋白!
油脂等杂质因此在微滤中膜的清洗先采用水冲洗至无色测水通量后再以
清洗用清水冲净清洗效果良好赵宜江等还研究了将陶瓷后溶液循环清洗
微滤渗透液用聚酰胺卷式膜进行循环反渗透浓缩单根膜组件的纯水通量为操作压力料液浓缩时水通量在较长时间内维持在渗透水略带黄色浓缩∗°
液呈黄棕色
22天然果汁的澄清净化
在果汁澄清方面的应用是无机膜最为成功的例子之一由于无机膜所具有的特点可以采用蒸气对设备消毒进行高压反向冲洗且其抗微生物能力强比高分子膜更适于用于果汁澄清∀年代初期多孔陶瓷膜成功地在法国果汁业推广应用≈∗得到的果汁品质优良比传统的过滤加巴氏灭菌生产的果汁更具芳香味陶瓷膜用于果汁澄清主要是除掉其中很容易引起果汁变质的细菌!
果胶及粗蛋白质≈∗传统果汁制取一般采用的是离心分离!
硅藻土过滤及巴氏杀菌尤其是巴氏杀菌损失了果汁的芳香味鉴于陶瓷膜所具备的特点将陶瓷微滤膜引入果汁生产替代传统的果汁生产技术其意义是十分明显的邢卫红≈等人基于开发成功的陶瓷微滤膜工业化生产技术尝试将陶瓷微滤膜应用于甘蔗汁和草莓汁及南瓜汁澄清
第期邢卫红等无机膜分离技术在食品!
发酵行业中的应用##过滤探索出比较合适的工艺操作参数及膜的再生方法研究认为对于南瓜汁及草莓汁的过
膜的表面流速对通量的影响不大在过滤通量与操作压力呈线性滤°操作压力以内
关系采用管式Α微滤膜其孔径为Λ草莓汁的膜通量稳定在
甘蔗汁的膜通量为∗南瓜汁的膜通量为∗#°#°
反冲时间为左右反冲压力间隔∗#°时进行反冲°
左右反冲可以使通量上升到研究表明陶瓷微滤膜用于果汁过滤时#°
配以合适的反冲可以维持较高的过滤通量对于果汁过滤过程中膜的再生问题邢卫红等用
再用用清水漂溶液清洗次氯酸钠溶液清洗
洗至中性清洗后膜平均孔径为比新膜平均孔径ΛΛ略有下降等≈人的研究认为碳氧化锆膜在苹果汁的过滤澄清中具有很大的优势工业生产中用平均孔径为
连续操作过滤通量保持在用氧Λ的膜澄清固含量为的苹果汁#
过滤通量为另外×化铝和氧化铝氧化锆膜可以将苹果汁浓缩至¬#
等≈用≥≥先用酶将果汁粘度降低然后用两级膜进行中试规模的苹果汁过滤
膜过滤第一级的操作压力为∗第二级的操作压力为操作温度为°∗°
过滤通量可达到表中给出了几种果汁过滤的典型操作条件对于苹果汁ε#
澄清过滤的工业装置运转超过年≈¬!
≤及≤膜均有成功应用的经验采用的膜有Α膜!
原则上讲无机膜可以膜以及多孔不锈钢膜等≈
在各类果汁澄清和浓缩中取代传统技术其商业市场正在发展中通过国内膜科技工作者和果汁生产厂家的共同努力有希望将无机膜这一高新技术用于果汁生产之中使国内果汁品质跃上新台阶
23在糖汁制备中的应用
对于蔗糖的提纯许多学者采用不同的方法进行了较为广泛的研究≈其中有一种方法是采用离心洗糖和错流微滤法相结合此法已有工业化应用的实例但是由于微滤渗透能量
≈较小不能满足制糖工业的需要而使其应用受到限制为了提高过滤通量德国⁄
研究了制糖原液微滤的操作条件认为微滤的初始工作条件对膜的污染影响很大他们选用法国≥≤×公司生产的膜平均孔径为Λ通道内径为使用膜面积为通道操作温度为ε操作压力为表面流速为按两种初始方式进行操作一为°
迅速启动使表面流速!
操作压力达到设定值另一种为缓慢启动调节压力来改变流速最后使其达到设定值他们的实验认为缓慢启动的渗透通量比迅速启动的渗透通量大∗而澄清效果没有改变通过的研究选定了每天清洗一次的流程过滤通量为间#隔操作压力达到然后进行膜的清洗⁄°∏¬等≈也研究了制糖原液微滤的操作条件并用计算机控制微滤操作及考察瞬时反冲压力!
反冲时间及反冲量的影响他们得到的过滤通量为邢卫红等人≈也用#Λ的陶瓷微滤膜对甘蔗原汁进行澄清过滤过滤通量为如果辅以适当的反冲措施可以将渗透通量进一步提#左右
高见表1通过这些研究有希望将微滤过程引入到制糖工业中另外在蔗糖生产中常用活性炭进行脱色脱色后的蔗糖溶液中含有少量粉末活性炭用无机膜脱除将可显著改善蔗糖溶液的品质
##
膜科学与技术第卷
表几种果汁澄清过滤的操作参数≈
果汁名称苹果浓汁∗¬
苹果汁固含量∗果胶苹果汁¬不溶物
果胶橙汁¬酸果曼汁固含量红果汁∗¬菠萝汁可溶物
葡萄柚汁红玫瑰汁南瓜汁
草莓汁Β体积分数
甘蔗汁
∗∗∗
1
通量
##
膜孔径
Λ
操作温度
ε∗
操作压力
°
表面流速
盲端过滤
∗∗
在酿酒业中的应用
在酿酒业的酒类澄清过程中无机膜的市场很大在清酒!
黄酒!
啤酒!
醋的过滤等方面已有多年的历史一般而言无机膜对白酒过滤通量可达∗对红酒则通量#
较低为∗这与酒的成分有关在酒的过滤中主要目标是除去酵母和菌体尤#其希望不经过预处理即可用膜进行错流过滤这样传统工艺中的压榨!
离心!
硅藻土过滤等过这将为酿酒业带来巨大的变革程部分或全部取消
31无机微滤膜在啤酒业中的应用≈35∗37
尽管在传统的啤酒巴氏杀菌过程中能完全除去酵母和微生物但不能保证无菌而较高温度的巴氏杀菌会损失啤酒中的有机芳香物质影响啤酒的质量和口味用错流微滤澄清啤酒除去细菌无需热源可以提高澄清啤酒的质量其过滤流程见图×等≈用平均孔径为在恒操作压力下Λ和Λ的¬氧化铝陶瓷膜进行啤酒除菌研究孔径为色素的截留率为左右蛋白质的截留率为这对啤酒澄清是不Λ的膜能接收的而孔径为无显著的蛋白截留澄清液中未发现细Λ的膜色素截留率为菌用在∗Λ氧化铝膜澄清过滤啤酒釜底发酵液°下可以将其由∗经过的过滤其通量为若用反冲降低污染层其通量可达到#浓缩到
≈#
第期邢卫红等无机膜分离技术在食品!
发酵行业中的应用##传统技术
发酵)ψ离心预处理)ψ硅藻土过滤)ψ板式过滤)ψ终端过滤)ψ产品错流过滤技术
发酵)ψ离心预处理)ψ错流过滤)ψ产品
图啤酒过滤流程
另外无机膜在扎啤的生产中的应用前景也是非常显著的目前国内市场上的扎啤其品质
据报道上海一次扎啤质量检查发现种扎啤仅有家合格我国扎啤的生产往往难以保证
工艺主要有两种一种是经硅藻土或纸板过滤其缺点是除菌不彻底保质期短容易出现卫生
另一种是经高温瞬间灭菌这虽然延长了保质期但实际上是一种熟啤酒而且由于灭菌问题
啤酒风味改变更大无机膜过滤是一种新型的分离技术一般接在硅藻土过滤之后由温度高
于无机膜具有耐高温!
耐低温!
耐高压反冲和孔径分布窄等特点既可在低温下过滤设备也可
十分适合无菌扎啤的生产它不仅可以充分保留鲜啤酒的风味和营养还可用蒸汽进行消毒
国外≈已有专门用于扎啤生产的无机膜过滤设备销售经过无机膜过滤后提高啤酒澄清度
酒花香味!
苦味和保持性能基本无影响而浊度明显下降一的扎啤基本保持了鲜啤酒的风味
细菌截留率接近保质期可延长至以上过滤通量一般可达个浊度单位以下
般在∗#
32在葡萄酒生产中的应用≈41∗43
每年大约有亿升葡萄酒是用膜进行过滤的主要是除去酵母和细菌微生物的去除可以有效地降低葡萄酒中≥的含量°等研究了!
!
Λ三种孔径的氧化铝膜过滤红葡萄酒的效果表面流速为操作压力为操作温度为ε°Λ的
他们还研究了不同操作条件膜不论在过滤通量上还是微生物!
细菌等截留效果上均是最佳的
过滤通量随温度的升高而增大操作压力下Λ膜的过滤性能°时已形成稳定
的凝胶层压力对通量已无影响通量随表面流速的增大而增大其实验结果选定操作压力为
操作温度为ε表面流速为过滤红葡萄酒的通量为过滤液°#
中未检出微生物
33在其它酒类过滤中的应用
操作压力为我校膜科学技术研究所用Λ的陶瓷膜进行黄酒的澄清过滤°
表面流速为操作其过滤通量基本维持在渗透液澄清度显著提#左右
保质期显著延长药酒的传统制备工艺是以浸渍法和渗透法为主澄清度是药酒的一项主高
也是较难解决的问题之一采用陶瓷膜过滤既可以纯化药酒又可以提高药酒质要考核指标
且过滤前后药酒的有效成分不会改变陶瓷膜过滤整个系统为不锈钢可以直接用蒸汽消量
毒因此过滤的药酒除菌率可达
在乳品工业中的应用
无机膜在牛奶工业中的应用始于年代首先应用的是乳酪然后扩展至乳清蛋白的增
而且在脱脂牛奶的除菌和牛奶的浓缩方浓!
牛奶粉和凝乳的制造以及蛋白和肽的分离等领域
面有着很好的应用前景≈∗
采用错流过滤技术膜孔径为∗除去低脂ωΛ和中脂牛奶ω中的
##膜科学与技术第卷细菌过滤通量达除菌率对于低脂牛奶可达浓缩倍数##
一般间隔∗再生一次用这种工艺生产的牛奶保质期由原来的∗延长至为倍
但膜的污染很严重表中给出的是牛奶中主要成分的相对直径≈∗
表牛奶中的主要成分及其尺寸
成分
尺寸水≤≤乳糖乳清蛋白∗酪蛋白胶束∗脂肪∗细菌
微滤可以将牛奶中细菌和大部分脂肪除去≈膜污染产生的主要原因从表中可以看出
还可以通过尽可能提高膜表面流速来减少污染是脂肪
等人于年首次将无机膜用于全脂牛奶的过滤除菌所用陶瓷膜的内径为°
膜孔径为可以截留的脂肪基本没有蛋白质的截留牛奶微滤的中试是采Λ
用将部分渗透液回流以保证沿过滤管的操作压力稳定其过滤通量Λ的氧化铝陶瓷膜
操作压力增加其细菌截留率达用达#°Λ的碳
微滤膜制脱脂乳在ε下巴氏杀菌微滤的表面流速液中含有磷酪蛋白可进一步分离
用陶瓷膜从干酪乳清中回收乳清蛋白其中含有约的固形物纯化的蛋白质的乳糖及少量的灰分!
乳酸等再用无机超滤膜浓缩乳清蛋白制得蛋白粉的技术研究也在进行之中用的陶瓷膜浓缩其浓缩倍数可达倍蛋白可浓缩至
将巴氏杀菌过程和无机膜过程相结合可以生成出浓缩的巴氏杀菌牛奶这个过程已经实现工业化孔径为年已有多套装置在运转Λ的¬膜在°下可能获得#左右的通量
在发酵液的分离与纯化中的应用
对醋的发酵液直接用陶瓷膜进行过滤除去酵母!
细菌和杂质以简化生产工艺提高醋的透明度延长醋的保质期本研究所对南京某醋厂发酵液和除菌前的醋用陶瓷微滤膜过滤在
主要考察了过滤通量与时间的关系以及清洗后膜通量的恢复ε!
°的操作压力下
情况用其Λ的陶瓷膜过滤发酵液之内过滤通量由#°降至
然后采用清洗压力为温#°溶液清洗°
然后用清水漂洗干净至中性过滤通量基本得以恢复陶瓷微滤膜过滤经预处度为∗ε
理后的醋操作其渗透通量由再经#°降至#°
过滤通量恢复效果也比较满意如果辅以的氢氧化钠溶液清洗后°的瞬间反
其通量可以维持在本所还对某香醋厂变质醋进行陶瓷膜过滤冲#°左右
处理变质醋中细菌含量每毫升超过个而处理后的澄清液中未检测出细菌ƒ等≈用Λ和Λ的氧化铝膜过滤醋可有效地降低醋的浊度∗×在操作压力为表面流速为其过滤通量达到∗°!
#
陶瓷膜亦可对酱油进行脱色以制造白酱油来满足人们的不同需要经脱色后的酱油对热和氧的稳定性有显著提高在酱油发酵液过滤中用ƒ!
!
等的含量则有所降低Λ陶瓷膜过滤操作压力为表面流速为酱油过滤通量可达∗°#
在的波长下发酵液经稀释倍后吸光度为澄清液未稀释吸光度为°
第期邢卫红等无机膜分离技术在食品!
发酵行业中的应用##
宁宝钢≈等研究用Α陶瓷微滤膜进行玉米发酵液的澄清处理另外陶瓷膜用于
回收土豆加工废水中的果胶!
蛋白!
淀粉等研究味精生产废水中谷氨酸的回收研究也有报道
也在进行之中≈就发酵液行业而言≈用陶瓷膜进行酱油!
醋!
谷氨酸结晶母液的澄清等将有着比较广泛的应用前景
对于食品与发酵行业而言膜技术作为重要的高效节能设备而广为采用已无可置疑但根据行业特点其产品的提纯与净化过程要求是低温或常温操作设备能够用蒸汽进行消毒处
膜设备必须具有优异的抗污染能力无机膜恰恰具有这些优势是一个值得大力发展的新理
兴领域但是由于陶瓷膜的装填密度小价格贵一次性的设备投资大这也制约着陶瓷膜进一步应用故作为无机膜研究者要与食品工业等工作者紧密联系最大限度地发挥无机膜的优势尽快实现其工业应用
参考文献
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徐南平时钧经自来水污染的陶瓷微滤膜再生研究膜科学与技术∗钟景
国外膜技术在食品工业中的应用现状和发展动向水处理技术∗郑领英
韩式荆我国膜分离技术在食品工业中的应用研究和开发概况见北京膜学会成立三周年论文刘福谅
北京报告会论文集∗
°≤∞≥∏≥∗
°√ƒ∏∏≥∗
庞业珍天然食用色素化学及生产工艺学北京中国林业出版社∗马自超
姚建民徐南平等无机膜用于栀子黄色素提取工艺研究南京化工大学学报∗赵宜江
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##膜科学与技术第卷∗
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孟广耀彭定坤等无机陶瓷膜膜科学与技术∗周明
果蔬汁饮料工艺学北京农业出版社杜明
饮料分析与实验北京中国轻工业出版社罗平
高孔荣膜技术在果蔬加工中的应用进展膜科学与技术∗杨斌!
谭字榴
余靖徐南平等陶瓷微滤膜用于果汁澄清过滤研究见第二届全国膜和膜过程学术讨论会邢卫红
杭州∗
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扬维慎刘世和等多孔氧铝膜在玉米蛋白料液分离中的应用膜科学与技术∗宁宝钢
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高孔荣膜分离技术应用于谷氨酸提取研究发酵科技通讯∗郑宗坤
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- 无机 分离 技术 食品 发酵 行业 中的 应用