膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的若干應(yīng)用實例.doc

1、膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的若干應(yīng)用實例 簡介: 膜分離技術(shù)在脫鹽、飲用水凈化及超純水等領(lǐng)域的應(yīng)用已取得很大進展13）。在食品、化學(xué)及制藥等領(lǐng)域雖已進行了許多成功的嘗試,但可廣泛通用的應(yīng)用實例還并不很多，這是因為與水處理行業(yè)相比，在食品行業(yè)中，不僅各種料液的性質(zhì)千差萬別，而且生產(chǎn)工藝各不相同，很難建立一套標(biāo)準的膜應(yīng)用工藝，只能是個別情況個別處理。膜分離技術(shù)在脫鹽、飲用水凈化及超純水等領(lǐng)域的應(yīng)用已取得很大進展13）。在食品、化學(xué)及制藥等領(lǐng)域雖已進行了許多成功的嘗試，但可廣泛通用的應(yīng)用實例還并不很多,這是因為與水處理行業(yè)相比，在食品行業(yè)中，不僅各種料液的性質(zhì)千差萬別，而且生產(chǎn)工藝各不相同，很難建立一套

2、標(biāo)準的膜應(yīng)用工藝，只能是個別情況個別處理。日東電工作為分離膜生產(chǎn)廠商，不僅在水處理膜應(yīng)用領(lǐng)域積累了豐富經(jīng)驗，也長期從事膜技術(shù)在其它工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)，經(jīng)過多年的技術(shù)蓄積，已在幾個領(lǐng)域取得了一些成功經(jīng)驗45）。本文介紹膜技術(shù)在食品工業(yè)中的幾個應(yīng)用實例.2. 食品工業(yè)的工藝特點在食品加工工業(yè)中，膜技術(shù)應(yīng)用的最大障礙是處理料液多種多樣，物理性質(zhì)千差萬別。同時食品工業(yè)要求膜技術(shù)的處理成本十分低廉,在日本通常要求每公斤料液的處理成本為幾塊美元以下，這就更增加了膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用難度。食品工業(yè)要求推廣使用膜分離技術(shù)的主要理由有以下三點： 1。 提高產(chǎn)品質(zhì)量； 2。 降低生產(chǎn)成本； 3. 導(dǎo)致新產(chǎn)

3、品開發(fā).目前已有不少報告6)報道了滿足以上要求的應(yīng)用實例。3. 微濾(MF)膜的應(yīng)用日東電工生產(chǎn)的板框式微濾(MF）膜組件(NFS-100,101，103)，目前主要用于代替硅藻土過濾和除菌用途。硅藻土過濾技術(shù)在食品,制藥行業(yè)中廣泛應(yīng)用，具有廉價，適于大量處理及過濾前后產(chǎn)品質(zhì)量變化小等優(yōu)點.硅藻土過濾技術(shù)的缺點在于產(chǎn)生硅藻土殘渣等廢棄物,難于生產(chǎn)自動化及生產(chǎn)環(huán)境惡劣，用戶普遍要求尋找替代技術(shù).同時，一般硅藻土過濾后,為了除菌,通常還需加一道濾芯過濾工序。使用橫流型微濾膜裝置后，不再需要硅藻土，可實現(xiàn)生產(chǎn)自動化并同時除菌,以上工藝效果已成為用戶選用膜技術(shù)的主要理由。3。1醬油生產(chǎn)工藝圖1為醬油生

4、產(chǎn)工藝流程。在此流程中有三個分離工序： 1。 從壓榨的生醬油中去除不純物； 2。 入火后去除一次濁液； 3. 從一次濁液中回收醬油。圖1 醬油制造工藝在這三道工序中,入火后經(jīng)靜置分離后的上層澄清液，可用硅藻土過濾，剩余的515%的濁液因粘性太高,不能用硅藻土過濾，一般返回前道壓榨工序。靜置分離工序必須要用沉降槽,除體積大，占地多外,還因需要一定的靜置時間，造成生產(chǎn)周期長。日東電工生產(chǎn)的板框式微濾膜分離裝置（PF裝置）可以改善上述工藝，使醬油生產(chǎn)實現(xiàn)小批量多品種，縮短生產(chǎn)周期，不產(chǎn)生殘渣廢棄物，生產(chǎn)自動化及改善操作環(huán)境58）.圖2是入火后醬油過濾PF裝置的工藝流程，圖3是膜透過通量隨膜使用時間的

5、變化關(guān)系。從圖3中可以看出,使用初期，透過通量隨膜的使用次數(shù)的增加有所下降（每次處理12m3），但過濾次數(shù)超過100次以后，透過通量趨于穩(wěn)定。本裝置使用的平板式微濾膜片的材質(zhì)為氟樹脂，有很強的耐熱，耐化學(xué)腐蝕性,膜片的更換周期在2年以上。實用結(jié)果表明，由于不使用硅藻土，實現(xiàn)了生產(chǎn)自動化且提高了成品率，取得了相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟效果。與硅藻土過濾相比，由于不會產(chǎn)生二次濁物，過濾后的產(chǎn)品顏色不會產(chǎn)生褐變，使得產(chǎn)品質(zhì)量大為提高。 此裝置最早用于脫脂大豆醬油的生產(chǎn),實用結(jié)果表明，現(xiàn)在市場上流行的全成分大豆醬油的生產(chǎn)同樣適用于上述流程，從而促進了微濾膜分離裝置的應(yīng)用. 3.2食用色素精制工藝在天然色素的生產(chǎn)工藝中

6、，需要脫除萃取過程中產(chǎn)生的不純物和雜菌，在合成色素的生產(chǎn)工藝中，最后的除菌工序也是必不可少的.通常使用的硅藻土過濾,可在0。020。03Pa的低壓下產(chǎn)生300600l/m3·hr的透過量，故作為簡便的雜質(zhì)脫除方法沿用至今。但硅藻土過濾不可完全除菌，還需加一級除菌過濾。使用帶有微濾膜的板框式膜分離裝置，不僅可得到與硅藻土過濾相同的透過通量，而且具有硅藻土過濾所不具備的除菌功能。因此在食用色素的精制工藝中，PF膜分離裝置廣泛取代了硅藻土過濾。圖4給出了色素生產(chǎn)的基本流程。 圖4 色素制造工藝在色素生產(chǎn)工藝中PF膜裝置的過濾通量是100l/m2·hr，與硅藻土過濾相比亳不遜色，特

7、別是對固形物濃度較低的料液,與采用全過濾方式相比，采用橫流過濾方式的PF裝置由于料液橫流使得膜表面的堵塞大為減少,可提高過濾速率.同時PF裝置可同時進行除菌，不需另設(shè)除菌過濾工序，達到減化流程、降低成本的目的。此應(yīng)用例與染料脫鹽工藝中的納濾膜應(yīng)用一樣，是膜分離技術(shù)應(yīng)用的成功事例。在微濾膜的應(yīng)用實例中，絕大多數(shù)產(chǎn)品是利用膜的透過液，但在某些情況下，如生物發(fā)酵液中菌體再利用的場合，是利用膜的濃縮液.對利用濃縮液的生產(chǎn)工藝中，膜法更顯示獨特的優(yōu)越性。因為硅藻土過濾,不能分離菌體單體，而離心分離又容易損傷菌體?？梢灶A(yù)想，今后微濾膜的應(yīng)用方向?qū)⒁獜膫鹘y(tǒng)的全過濾方式向橫流過濾方式轉(zhuǎn)換。4. 超濾(UF)膜

8、的應(yīng)用超濾膜（如日東電工的NTU3250C3R）是以切割分子量的大小為標(biāo)準對料液進行分離精制的.在食品工業(yè)中，料液除菌是超濾膜的大應(yīng)用領(lǐng)域。成功的應(yīng)用實例有清澄果汁生產(chǎn)，蜂蜜精制，蔬菜提取液濃縮，調(diào)味料精制、酶精制、發(fā)酵液精制、菌體濃縮,高分子單體濃縮等多種9)。本文介紹調(diào)味料液精制。4。1調(diào)味液精制 前面提到的醬油的濁液處理使用微濾膜，而在微濾膜后再使用超濾處理的實例并不多見。但在調(diào)味料成分中的酸分解型HAP（動物性酸分解蛋白)、HVP(植物性酸分解蛋白）的處理工藝中，因需要完全脫除末分解的蛋白質(zhì)，故也有用超濾膜進行精制過濾的。僅通過超濾處理后的料液也可成為產(chǎn)品,但為提高附加值，也有再增加脫

9、色精制的10)。5. 納濾（NF)膜的應(yīng)用現(xiàn)在超濾膜的截留分子量最小也有數(shù)千，分子量再小就要使用反滲透膜.反滲透膜的NaCl脫除率大都為95以上,因而能使糖類、有機酸類透過，而僅阻止分子量1000左右物質(zhì)的分離膜并不很多。日東電工生產(chǎn)分離原理介于反滲透和超濾之間的納濾(NF)膜，過去稱為松散型反滲透，其產(chǎn)品型號有NTR7410，7430，7450，7250和729HGS4F等。這些膜已廣泛應(yīng)用于染料脫鹽工藝，用以取代離子交換樹脂或離子交換膜，在簡化工藝，降低成本方面取得了良好效果。本文介紹納濾膜在圖6所示的調(diào)味液脫色工藝中的應(yīng)用。5.1脫色圖6 調(diào)味料的脫色流程調(diào)味液的脫色，通常使用離子交換樹

10、脂，離子交換膜和活性炭處理.但影響調(diào)味液質(zhì)量的香氣成分和低分子量香味成分會隨著色素一起被樹脂或活性炭所吸附。同時樹脂及活性炭的用量會隨處理量的增大而成正比例增加，壓迫產(chǎn)品成本.使用納濾膜脫色時，由于納濾膜可以允許透過調(diào)味料主成分的氨基酸（分子量為數(shù)百)，而只截留分子量更大的色素，故而可在保留調(diào)味料主成分的前提下實現(xiàn)脫色功能。除調(diào)味料外，納濾膜可用于各種提取液的脫色、脫鹽處理.除食品工業(yè)以外，納濾膜可用于各種有價物與酸、無機鹽類、糖類及未反應(yīng)的單體及醇類的分離精制或濃縮，納濾膜的最大特點是它允許某些低分子的不純物透過，從而可大大降低料液物系的滲透壓,而物系的滲透壓過高是反滲透膜在這些物系應(yīng)用的最

11、大障礙.6。反滲透膜的應(yīng)用反滲透膜（如日東電工用于食品用途的NTR-759HG，70HG-S4F等）比納濾膜的脫除率更高,可實現(xiàn)水與其它成分的分離.因此反滲透在食品工業(yè)中多用于料液的脫水濃縮。在此用途的競爭技術(shù)是蒸發(fā)脫水。用反滲透膜時，隨著濃縮倍率的增加，未透過料液的濃度上升,將引起料液物系的滲透壓上升.當(dāng)物系滲透壓等于系統(tǒng)加壓壓力時，反滲透過程將會停止。因此，在用反滲透膜處理高濃度濃縮系時，由于所需壓力過高，在成本方面會高于蒸發(fā)法。但是對于處理料液單價較高或是極稀水溶液濃縮時,膜法則具有很強的技術(shù)競爭力。6.1牛奶濃縮 圖7 牛奶濃縮流程 圖8牛奶連續(xù)濃縮RO裝置流程脫脂奶粉的生產(chǎn)現(xiàn)在使用蒸

12、發(fā)法。在生產(chǎn)冰淇淋,雪糕、酸奶等時，為調(diào)整固形物濃度，常添加脫脂奶粉。但在脫脂奶粉的生產(chǎn)過程中，蛋白質(zhì)的變質(zhì)是不可避免的。近年來，隨著消費者對奶制品質(zhì)量、味覺要求的提高，生產(chǎn)廠家開始追求無蛋白質(zhì)變質(zhì)的牛奶濃縮法。膜分離的特征就是在低溫下操作，無相變，因而可在不使蛋白質(zhì)變質(zhì)的條件下實現(xiàn)牛奶濃縮。此外，牛奶極易腐敗，對處理過程的衛(wèi)生要求很高,如必須設(shè)有加熱殺菌，設(shè)備易于清洗，極力減少設(shè)備中料液的殘留死角等等。日東電工開發(fā)的HG系列反滲透膜(商品名: Thermoplus)具有90熱殺菌時的耐熱性能、專用的膜壓力容器可使膜組件內(nèi)不殘留料液,從而已經(jīng)成功地用于牛奶濃縮生產(chǎn)中11）.除原奶濃縮外，反滲透

13、膜還用于相關(guān)的奶制品工業(yè)，如脫脂奶濃縮，乳清預(yù)備濃縮,稀薄奶回收，還原奶精制等工藝。圖7是牛奶濃縮流程。圖8是反滲透膜牛奶濃縮的示意流程。6.2糖溶液回收發(fā)酵生產(chǎn)液，柱分離液等稀薄溶液的濃縮如采用蒸發(fā)法，則因加熱時能耗過大而顯得不經(jīng)濟，特別是在產(chǎn)品單價較低時此問題更為突出。如能采用圖9所示流程，將膜法與減壓蒸餾法組合起來，就可從過去作為廢液處理的稀溶液中回收糖類等有用成分。圖9 糖液連續(xù)濃縮RO裝置流程 6。3香氣成分回收用蒸發(fā)法濃縮果汁、咖啡等時，還原時低揮發(fā)性的香氣成分都蒸發(fā)掉了,使得產(chǎn)品質(zhì)量大為下降。用蒸發(fā)法時香氣成分幾乎都溶存于凝結(jié)水中，因含量極低難于回收。而反滲透膜對此類香氣成分即使在高濃度領(lǐng)域內(nèi)仍具有很高的脫除率，因而可用來回收微量的香氣成分.圖12給出了香氣成分回收的示意流程。日東電工的NTR-70HG反滲透膜除可用于回收食品香氣成分外，還可用于附加值更高的其它香氣成分類的濃縮回收。7。 結(jié)言膜分離技術(shù)在食品工業(yè)中的實際應(yīng)用才剛剛開始,為