第二章 膜分离技术

食品分离技术——膜分离技术

第二章 膜分离技术

食品分离技术——膜分离技术

第一节 概

述

一、膜分离技术的发展简史 1784年，法国学者Abble Nelkee发现水能自然地 扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内，首次揭示了膜 分离现象。 1855年，Fick制成超滤半透膜。 1861年，Thomas Graham发现了透析现象。 20世纪60年代中期，膜分离技术的发展进入了新 时代。 Reid、Sourirajan等 。 20世纪80年代以来，膜技术进入高速发展阶段。 20世纪90年代以来，膜技术的发展相对较为平稳。

食品分离技术——膜分离技术

二、膜种类 1.按膜的性质分：天然膜和合成膜。 2.按膜的结构分：多孔膜、致密膜和液膜。 3.按膜的作用机理分：吸附性膜、扩散性膜、 离子交换膜、选择渗透膜和非选择性膜等。

食品分离技术——膜分离技术

几种常见的膜1.多孔膜(Porous Membranes)膜内的孔一般为0.05~20 μm。 2.致密膜(Dense Membranes) 又称均质膜。呈一层均匀 的薄膜，无多孔性结构，类似于一团纤维，物质仅从高分 子链段之间的自由空间通过。 3.不对称膜(Asymmetric Membranes)由一个很薄的，但 比较致密的分离层和多孔支撑层组成。支撑层孔径 (100~200 μm)比分离层(0.1~1 μm)大。 4.复合膜(Composite Membranes) 膜的选择性膜层(活性 膜层)沉积于具有微孔的支撑层表面上，就像非对称性膜 的连续性表皮，只是表层与底层是不同的材料，而非对称 膜是同一材料。 5.无机膜(Inorganic Membranes) 无机膜是一类较新的膜。

食品分离技术——膜分离技术

不对称膜结构组分的通量 与膜厚成反 比，所以要 得到高通量， 真正起选择 作用的膜层 应尽可能薄。

食品分离技术——膜分离技术

无机膜具有一些突出的优点： (1)化学稳定性好，能耐强酸、强碱、化学溶剂和 强氧化剂。 (2)热稳定性好，耐高温。 (3)通量较大，污染少。 (4)机械强度高，使用周期长。 (5)允许使用条件苛刻的清洗操作(如蒸汽灭菌和 高压反冲洗等)。 无机膜有致密膜、多孔膜和复合非对称修正膜三种。

无机多孔膜的三种结构

食品分离技术——膜分离技术

三、膜材料有机膜材料 1.纤维素衍生材料：醋酸纤维素、硝酸纤维 素等。 2. 聚砜:性能优于纤维素 3. 其它高分子材料：较高的机械强度，耐pH 范围宽及较耐高温 无机膜材料 金属、金属化合物、陶瓷、玻璃以及沸石等。

食品分离技术——膜分离技术

醋酸纤维素膜材料的特点

(1)同时兼有滤液流量高和截留性能好两大优点。 (2)原料来源丰富，价格低廉，可生物降解。 (3)不耐高温，耐游离氯低于1 mg/kg,耐pH 2~8。 (4)易被细菌和酶所降解。 (5)压力长时间作用下膜结构会变得紧密而使截留 量下降。

食品分离技术——膜分离技术

聚砜膜有如下特点(1)有较高的滤液流量和较好的截留性能。 (2)能耐75℃的高温；耐pH范围宽，达pH 1~13。 (3)耐氯性强，耐游离氯高达50 mg/kg。 (4)

耐压不高，一般低于0.17 MPa。

食品分离技术——膜分离技术

材料二醋酸纤维素 三醋酸纤维素 混合醋酸纤维素 硝酸纤维素 醋酸硝酸纤维素 醋酸丁酸纤维素 醋酸磷酸纤维素 氰乙基纤维素 聚丙烯晴 聚氯乙烯 芳香酰胺 芳香族聚酰胺酰肼 聚砜

膜类型MF、UF、RO MF、UF、RO MF、UF、RO MF MF RO RO UF、RO UF MF MF、UF、RO RO MF、UF

材料聚砜酰胺 聚醚砜 聚苯并咪唑 聚苯并咪唑酮 聚碳酸晴 聚酯 聚酰亚胺 聚丙烯 聚四氟乙烯 聚偏氟乙烯 异氰酸酯 尼龙66 聚乙烯醇聚醛

膜类型MF、UF、RO UF、RO RO RO MF MF UF、RO MF MF MF、UF RO UF、RO UF、RO

食品分离技术——膜分离技术

五、表征膜性能的参数 膜的物化稳定性：膜的强度、允许使用的压 力、温度、pH以及对有机溶剂和化学药品 的耐受力，是决定膜使用寿命的主要因素。 膜的分离性能 1 c 1.分离效率：表观截留率 Re c 100 % 2.渗透通量： Jw=V/St 3.通量衰减系数： Jt=J1tnp b

食品分离技术——膜分离技术

六、膜分离技术的原理 用天然的或人工合成的膜，以外加压力或 化学位差为推动力，对双组分或多组分的 溶质和溶剂进行分离、分级、提纯或富集 的方法，统称膜分离法。

食品分离技术——膜分离技术

食品分离技术——膜分离技术

膜分离方法

推动力

分离机理

透过物

截留物

膜的类型 多孔膜

微滤(MF) 压力差 0.01~0.2MPa 超滤(UF) 压力差 0.1~0.5MPa

颗粒大小、形 水、溶剂和溶 0.02~10μm粒 解物 子 状进行分离 (筛分) 根据分子特性、溶剂、离子和 大小、形状进 相对分子质量 行分离(筛分)低于1000的小 分子 优先吸附 毛细管流动 溶解-扩散 水、溶剂

生物制品、胶 非对称膜 体和相对分子 质量为 1k~300k 溶质或悬浮物 非对称膜 质 或复合膜

反渗透(RO)压力差 1.0~10MPa 纳滤(NF) 压力差 0.5~2.5MPa

根据离子大小、水、溶剂(相 溶质、二价盐 复合膜 电荷进行分离 对分子质量低 和糖 于200) (200~1000) 荷电、筛分 电解质离子 非电解质大分 离子交换 子 膜

电渗析(ED)电位差 膜蒸馏 (MD) 液膜分离 (LM)

膜两侧蒸汽压 组分的挥发性 挥发性大的组 挥发性小的组 疏水性膜 差 差异进行分离 分 分 化学反应和浓 根据反应促进 电解质离子 度差 传递和扩散传 递进行分离

非电解质离子 乳状液膜、 支撑液膜

食品分离技术——膜分离技术

七、膜分离的优点 在常温下进行

有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质，如抗生素等医药 、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩

无相态变化保持原有的风味，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩 的1/3-1/8

无化学变化典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染

选择性好可在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性 能

适应性强处理规模可大可小，可以连续也可以间隙进行，工艺简单，操

作方便，易于自动化

食品分离技术——膜分离技术

八、膜分离技术在食品加工领域中 的应用概况 (一)膜分离技术在饮料工业的应用 (二)膜分离技术在乳品工业中的应用 (三)膜技术在大豆蛋白分离中的应用 (四)膜分离技术在食品色素精制生产中的应用 (五)膜分离技术在酒类酿造工业中的应用 (六)膜分离技术在酱油、食醋生产中的应用 (七)膜分离技术在酶制剂工业中的应用