无机膜在食品和生化方面的应用

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无机膜在食品和生化方面的应用


在食品和日用工业领域，无机膜的应用很广，特别是超滤和微滤。得益于高质量的膜产品以及膜技术的不断进步，膜的应用越来越广。
   
    七十年代初，膜技术应用在乳酪的生产过程中，用来浓缩蛋白质，之后其应用领域扩展到应用超滤进行牛奶蛋白质的分离、乳胶和新鲜干乳酪的的制作，以及蛋白质与缩氨酸的分离。而且在除菌、生产脱脂牛奶以及牛奶的加热预浓缩方面，具有很高的商业潜力。
   
    膜技术在食品和生化领域的应用主要集中在三个方面：
    1、 分离效果、选择性和产品产量的显著提高;
    2、 耐酸碱、耐温、耐溶剂以及膜的有效清洗；
    3、 在处理设备上领先
   
    由分离和截留的性质区分，可以将错流过滤的应用主要分为两大类（1）不可溶性分子以及悬浮固体颗粒的浓缩；（2）溶液的澄清，主要是牛奶、饮料、水和代谢物中悬浮物的去除。随着有关膜及膜技术的的最新进展为人所知晓，膜的市场不断扩大，。以日用工业为例，1971年到1989年间，世界范围内的膜的装填面积由仅仅300m2上升至180000 m2，其中无机膜占有整个膜市场的10%的市场份额。
   
    除菌用超滤
    原奶的浓缩
    工业上原奶的浓缩，使用的是0.1µm和0.2µm的无机陶瓷膜，采用的是错流过滤的形式。过滤得到的产品被用作软酪和半硬干酪的生产。用无机膜生产乳酪原料的一个突出的优点是蛋白质的浓度可以提高到21%，甚至更高。
   
    使用无机膜处理牛奶，与有机膜相比，截留蛋白质的效果是很好的。这就说明从经济性和技术上来说，无机膜的使用是完全可行的，其营养成分也是毫不逊色于使用其它膜材料和工艺技术得到的产品。
   
    超滤浓缩乳蛋白
    膜技术为基础的超滤在食品工业总的应用已经由四十多年了。超滤可以轻而易举的得到乳蛋白粉末。纯度35到95 不等。孔径为20-100nm的氧化铝膜和氧化锆膜以及在碳撑体上的氧化锆膜十分适合于乳清蛋白的浓缩。
   
    浓缩酸奶生产干乳酪
    酸化脱脂奶或消毒奶生产干乳酪的工艺已经投入工业生产。整个工艺过程的其中一步是含有乳糖和矿物质的水相从原液中分离，几乎所有的蛋白质和脂肪作为产品保留下来，通常这一步是由离心分离机来完成的。现在，无机膜开始涉足这个领域。
    使用无机膜超滤系统相对于有机膜系统而言，它不需要连接一个蒸发系统，所以无机膜替代有机膜是完全可行的，而且能耗也低的多。酸化的目的是是钙盐溶解，以使生产出的乳酪在成份上与传统方法做出的相同。用0.2µm的氧化铝膜浓缩乳酸，能得到95%左右的截留率.另外，制作干酪的原料要求蛋白质的浓度达到20-22%。有机超滤膜达不到要求，其结构的紧凑性和显著的压降制约了它的应用。，而且，有机膜的清洗再生也有一定的难度。
   
    无机膜澄清酒类发酵液
    酒类饮料的生产过程极其复杂，，前后超过十道工序，其中由一些工艺要求物料在进入下一道工序之前必须澄清。主要需要澄清的工艺列举如下：
    1、 发酵液的澄清和生物稳定;
    2、 原酒离心分离；
    3、 原酒的硅藻土过滤；
    4、 深度过滤前的预处理你；
    5、 未处理的酒，在传统工艺前的终端处理，澄清与生物稳定；
    6、 运用错流膜过滤澄清和稳定。
   
    在白酒生产过程中运用错流过滤，2-4步可以省去，在最初的澄清和稳定后直接进入错流过滤；另一方面，对于红酒，在第一步后，直接进入错流过滤得到产品。
    无机膜在发酵生产的酒精类饮料的澄清应用已经有5-10年了，像葡萄酒、啤酒以及醋的生产。酒的组成对于装置的高通量以及最终产品的品质有很大的影响。
   
    冰啤生产中的无机膜除菌
    在冰啤的消毒工艺中，虽然传统的处理工艺能有效的除去酵母和微生物，但是并不是百分之百的保险。另一个问题是，巴氏杀菌法的热负荷会影响产品中的有机物成份。错流过滤可以替代巴氏杀菌工艺，确保灌装的要求。啤酒总产量的85%是用过滤生产的。
    除了除菌的作用以外，无机膜的错流过滤还能提高产品的品质，但是会影响到产品的颜色和口味，所以这点不是十分的有利。0.2µm的膜过滤得到的产品损失了颜色和蛋白质，不符合生产的要求；但是0.5µm得膜过滤产品只损失了3%的颜色，没有蛋白质的损失，细菌等也全部去除了。初步的结果表明运用膜过滤生产啤酒十分经济和可行的。
   
    澄清罐底沉淀物以部分回收啤酒
    啤酒生产过程中有以下四个主要步骤
    1、 用水提取麦芽和其他物质
    2、 将提取物煮沸
    3、 冷却提取物
    4、 发酵
   
    发酵物要经过离心分离以回收酵母。之后用陶瓷膜在1-4℃以下过滤，产物在0℃下储存在罐内。低温过滤可以保证产品的稳定性，尽量减少有效成份的损失，以保证外观和口感。罐底物通常是一些液态凝聚物，包括悬浮固体、凝聚的澄清剂、溶解物以及酵母。用错流过滤处理这部分物料的可行性是因为在酒业广泛使用的硅藻土可能残留有大量的蛋白质。用无机膜处理可以减少10%的损失。
    在有澄清剂存在的条件下，低温过滤使用的膜可能受到吸附污染，这样，县充分回收就难了；不含有澄清剂的情况下，能达到较高的回收比，也就是说可以尽可能多的回收啤酒。在陶瓷膜过滤中，孔径的选择十分的重要，不仅要保证所有的重要成份透过（酒精占总体积的5%），而且要保证得到的产品的浊度颜色也要满足要求。过滤后得到的渣子含有较高的蛋白质，可用作动物饲料。
   
    无机膜在生化方面的应用
    膜过滤在生活方面的应用很广，从发酵液中分离细胞，以及提取蛋白质或者是抗生素。在另一方面，微孔膜也可以用于生化反应，作为酶和微生物的载体，使反应与分离过程合二为一。关于这方面的文献是很少的，因为其在生化领域内的专用性。在生化应用领域，产品的纯度以及系统处理高粘度液体的能力是至关重要的。无机膜由于其特有的耐热、耐化学物质以及它良好的机械强度，在生化领域内引起广泛的重视，这些优点使得无机膜的清洗比较的容易。无机膜在某些方面的应用是十分成功的。在一种新式的发酵反应器的生产工艺中，有害的代谢物可以由0.2µm的氧化铝膜过滤除去。整个处理过程无损失可以达到很高的富集率，远胜于传统的间歇工艺。在生化上的另一方面的应用是去除热原，或者去除低分子量的有机物。
   
    无机膜处理含油废水
   
    这个领域的应用早在70年代初就开展了，虽然取得了一定的成功，但是在与传统处理方法和有机膜的竞争中，由于其经济性较差，逐渐失去了其市场份额，近年来，应用无机膜进行了一些实验。
    错流过滤处理含油生产废水
    近年来，应用陶瓷膜去除水中的油性物质以及悬浮固体引起了广泛关注。生产废水必须经过一定的处理才能达到某些机构的要求，比如说美国环境保护机构，排放的水必须达到有关油、油脂和悬浮颗粒的要求，可以被视为完全安全的排放。无机膜已经在陆地以及海上等很多场合使用过。。0.2µm和0.8µm的膜应用在此方面。生产废水经过预处理，是悬浮固体产生离散型絮状沉淀，以减少对膜的污染。在没有化学预处理的情况下，膜的污染比较的快，这说明，在没有条件进行化学预处理的前提下，需要采用更小孔径的膜进行预处理，但是超滤膜的通量比微滤膜要低。油性物质在透过液中的浓度是很低的，只有2-5ppm。原液中油性物质含量大约是100-575ppm，悬浮固体总量从100-390ppm降到1ppm。浓缩液中油性物质的含量最后不过1%左右。因而，处理的主要目的是要是排放达标，而浓缩或者回收是次要的。因为浓缩液的体积相对于原液的体积来说已经是相当小了。孔径的选择依然是十分的重要，不仅要保证通量，还要保证油性物质和悬浮固体的达标排放。考虑到错流过滤的经济性，污染必须尽可能的小，而且污染的膜再生要尽可能的完全，以保证稳定操作的时间，换膜周期要尽可能的长。反冲的效果取决于污染的类型。如果污染主要乃至于膜表面污染颗粒的聚集，反冲比较有效；但是如果是化学物质引起的污染，或是胶体物质深入到了膜的内部，那么引起的污染是不可逆的，反冲效果不佳。对于经过化学预处理的料液，那么凝聚效果直接影响反冲的效果。