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膜分離技術在食品工業科技進步中正扮演著重要的角色

2019-09-03 14:50:10 203

        據中國機經網2012年12月6日訊 國外膜分離技術在食品工業中的應用始于20世紀60年代末,首先從乳品加工和啤酒無菌過濾開始,隨后逐漸用于果汁、飲料加工、酒類精制等方面。西歐是膜技術用于食品工業起步最早、應用最廣的地區,目前已擴展到發酵和生物工程的應用,各種動、植物蛋白的加工,各種食用膠的加工以及氨基酸、多糖和咖啡、茶的加工等各個方面。
  人們對膜進行科學研究則是近幾十年來的事。1950年朱達W.Juda試制出選擇透過性能的離子交換膜,奠定了電滲析的實用化基礎。1960年洛布(Loeb)和索里拉簡(Sourirajan)首次研制成世界上具有歷史意義的非對稱反滲透膜,這在膜分離技術發展中是一個重要的突破,使膜分離技術進入了大規模工業化應用的時代。其發展的歷史大致為:20世紀30年代微孔過濾;40年代透析;50年代電滲析;60年代反滲透;70年代超濾和液膜;80年代氣體分離;90年代滲透汽化。此外,以膜為基礎的其它新型分離過程,以及膜分離與其它分離過程結合的集成過程(Integrated Membrane Process)也日益得到重視和發展。


  膜分離技術在食品工業中的應用
  膜分離技術在食品工業科技進步中扮演著重要的角色,由于它的無相變、節能及在常溫下分離等特點,一經引入食品工業就受到關注并取得不凡業績。它簡化了傳統食品加工工藝;避免了食品加工中的熱過程,高度保持了食品中的色、香、味及各種營養成分;降低和解決了污染物的排放,并使有效成分得以綜合利用和回收;它既可脫鹽、脫除有害物質和細菌,又可防止沉淀物的產生,所有這些先進之處都是其他加工方式無法相比的。
  在發酵和生物工程領域應用膜分離技術較為廣泛的酶制劑,幾乎所有的微生物酶、動物酶、植物酶都用超濾來進行濃縮和精制,可將酶濃縮10倍,純度從20%左右提高到90%以上。另一項用得比較成功的是生物膠―黃原膠的提純濃縮,超濾可去除黃原膠中的色素和蛋白質,并將黃原膠濃度從3%濃縮到9%左右。
  在動、植物蛋白加工中最典型的是雞蛋清和全蛋的濃縮。用反滲透進行蛋清的濃縮,固含量可從12%提高到20%,而用超濾濃縮全蛋固含量可從24%提高到42%。這在生產蛋清粉和全蛋粉的工藝中是惟一可降低能耗、提高噴霧塔產量的濃縮方法。
  在各種食用膠的加工中主要有果膠、明膠和角叉菜膠等,超濾可將果膠和角叉菜膠濃縮至固含量3%以上,而明膠則可濃縮至15%左右。
  乳品工業中的膜技術是應用最早而且規模最大的領域。超濾和反滲透主要用于脫脂牛奶的濃縮和從干酪乳清中回收乳糖和乳清蛋白。近幾年來,又用微孔陶瓷膜與巴氏滅菌相結合,使屋型奶的保質期從2周延長至1個月。
  膜技術在果汁加工中的應用也較早,而且規模較大。它主要是用微濾和超濾進行果汁的澄清和用反滲透進行果汁的濃縮。加工時間從原來的12小時,縮短到2~4小時,果汁回收率從80~94%提高到95~99%。以日產500噸的蘋果汁加工廠為例,每年可增加產值35萬美元。反滲透濃縮果汁一般為預濃縮,其固形物濃度為20~25OBx。隨著納濾的出現,將反滲透與納濾組合進行濃縮,其固形物濃度可達到40~45OBx。
  啤酒從最初采用微濾進行無菌過濾,發展到用反滲透生產濃縮啤酒和無醇啤酒,濃縮啤酒的酒精度可提高到6~7%,而無醇啤酒的酒精度可從3~5%降至0.1%。此外,還用微濾來回收啤酒產量2~5%的罐底殘液。
  葡萄酒的最終澄清除用超濾外,也可用反滲透脫除酒精,生產1~2%酒精度的低醇葡萄酒。
  日本在80年代開始將膜分離技術用于食品加工,比較有代表性的應用項目有:把低糖度的葡萄汁經反滲透濃縮后再進行葡萄酒的發酵;用微濾來替代傳統的4道過濾,進行清酒的澄清。
  日本最早將納濾用于乳清和牛奶濃縮,前者可使乳清中乳糖和蛋白質有較高的濃縮比,而且納濾的脫鹽可減輕后序脫鹽的負荷。納濾對牛奶的濃縮,不但可脫除牛奶中的鹽分,而且可脫除一些小分子的雜味物質,使得這種濃縮奶制成的冰淇淋和奶粉有較好的口感。
  除此之外,用超濾和納濾進行大豆低聚糖的分離提純和濃縮脫鹽;用陶瓷微孔膜進行生啤酒的除菌保鮮;用納濾對水解植物蛋白液進行脫色;用微濾進行油脂脫蠟;用超濾進行油脂脫膠;用超濾酶反應器生產環糊精和調味品等;用超濾從大豆中提取β-淀粉酶;用納濾脫除生活飲用水中的小分子有機物,脫除率達到87~98%。
  10年來,膜分離技術在食品加工行業中應用發展十分迅速,美國、澳大利亞、加拿大等國也緊跟而上。比較有代表性的,如加拿大用納濾來濃縮楓樹糖漿,納濾可脫除楓樹糖漿中60%的水分,這比用熱法濃縮節省33%的費用。


  在食品工業領域其它的應用
  膜分離技術在食品工業中還廣泛用于制取純凈水和生產廢水的處理。如近年來絕大多數礦泉水生產廠家均采用超濾或微濾技術除菌、除膠體、除絮凝物質和顆粒等。廣東太陽神集團、海南杏仁露飲料公司、天津武清飲料廠、及各啤酒廠等都應用反滲透或電滲析制備純水配兌飲料,大大改善了產品質量。I.K1oyuncu等人分別采用低壓納濾及二級反滲透系統對牛奶工業廢水進行處理。納濾的COD去除率達98%,電導率可削減98%以上,Cr、Pb、Ni、Cd等有毒重金屬離子的去除率均達100%;而二級反滲透系統對COD、電導率和懸浮固體的去除率均在99%以上,成功實現了廢水的再生與回用。另外膜技術在原料液中除氣、棄液中產品回收方面均有應用價值。
  同時,膜分離技術的一種――全蒸發(通過膜的擴散蒸發)技術也被用于化學、食品材料、工業制藥等方面。它是一種液體混合物的分離的過程,在液體中伴隨著水蒸汽的分壓,初始溶解物從膜的外表面滲入膜分子的內表面與之接觸。膜的選擇層調整分離液系統的平衡常數。因此,全蒸發被認為是一種膜扮演著第三成分的提純蒸餾過程。然面,在全蒸發過程中,混合液的分離不僅基于蒸發液系統的平衡常數,在蒸餾中,也取決于溶解系數的差異和混合物成分的擴散率。雖然這一技術目前還沒完全弄清楚,但是它與膜蒸餾、透析和電滲析都有著重要的地位。
  由于膜分離技術的廣泛應用,所以分離所用的膜的清洗顯的格外重要。在實踐中,有效的膜清洗主要涉及到以下幾個方面:去垢劑的種類和組成,清洗的持續時間、清洗的順序以及物理操作參數。


  膜分離技術的前景
  綜上所述,膜分離技術在食品加工領域中的應用日益廣泛,利用膜技術生產的食品有其明顯的優勢。但需要改進的地方還很多,其中最主要的是膜性能和膜裝置的改進。膜性能的改善包括以下四個方面:①開發透過率高、選擇性強的膜;②開發不易發生污染的膜;③開發用簡單的清洗方法即可清除污染的膜和膜裝置以及具有全自動反沖洗裝置的膜分離系統;④開發用簡單的熱蒸汽殺菌即可殺菌的膜和膜裝置;⑤膜清洗和保護技術;⑥開發新的超薄膜,甚至是單分子膜,以實現低壓下的高透過率。新型的膜分離技術目前大部分處于實驗室規模,各國對膜技術的研究和開發投入了大量的人力物力,研究開發所用經費高達產值的6~9%,1990年全世界制膜工業銷售總額已達到40億美元。膜技術是當代國際上公認的最具有經濟效益和社會效益的高新技術之一,雖然分離膜存在一些缺點,但其優勢非常明顯。為了提高產品附加值及開發新產品而采用膜分離技術是食品加工的發展方向之一,膜分離技術一旦實現大規模的工業應用,將會引起工業生產的重大革新

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