膜分离技术及其在食品中工业的应用

前言

膜技术是一项新型的高新分离技术．自上世纪五十年代以来，微滤膜、离子交换膜、反渗透膜、超滤膜、气体膜分离等相继得到广泛应用．成为世界各国研究的热点．已被国际公认为本世纪最有发展前途的重大高新生产技术之一，有操作方便、设备紧凑、工作环境安全、节约能源和化学试剂等优点，目前已被广泛应用于食品、医药、化学、环保等各个领域。产生了显著经济和社会效益。

而利用膜分离技术生产的食品称为膜分离食品。膜分离食品技术以其优越性得到了食品工业依赖于广泛的应用；用以乳品加工领域的牛奶浓缩、乳清分离和软干酪制造；发酵工业领域的微滤除菌、酒及酒精饮料的超滤精制、提高葡萄糖的甜度；饮料生产领域的苹果汁、番茄汁等果汁和蔬菜汁的澄清和浓缩；还在茶叶、甜菊糖、大豆蛋白、酱油、醋的加工方面有很好的应用。

1、膜分离技术的发展简史[1]

1748年Abble

Nelkt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。人们发现动植物体的细胞膜是一种理想的半透膜，即对不同质点的通过具有选择性，生物体正是通过它进行新陈代谢的生命过程。直到1950年，W．Juda首次发表了合成高分子离子交换膜，膜现象的研究才由生物膜转入到工业应用领域，合成了各种类型的高分子离子交换膜。固态膜经历了50年代的阴阳离子交换膜，60年代初的一二价阳离子交换膜，以及60年代末的中空纤维膜以及70年代的无机陶瓷膜等四个发展阶段，形成了一个相对独立的学科。具有分离选择性的人造液膜是Martin在60年代初研究反渗透脱盐时发现的，他把百分之几的聚乙烯甲醚加入盐水进料中，结果在醋酸纤维膜和盐溶液之间的表面上形成了一张液膜。由于这张液膜的存在而使盐的渗透量稍有降低，但选择透过性却明显增大。此液膜是覆盖在固膜之上的，因此称之为支撑液膜。60年代中，美籍华人黎念之博士在用DuNuoy环法测定表面张力观察到皂草甙表面活性剂的水溶液和油作实验时能形成很强的能够挂住的界面膜，从而发现了不带固膜支撑的新型液膜。这种新型液膜可以制成乳状液，膜很薄且面积大，因此处理能力比固膜和支撑性液膜大得多，这一重大技术发现奠定了液膜技术发展的基础。

随着制膜技术的发展，膜分离技术不断进．212业应用领域。近二十年来，反渗透、超滤、微滤、电渗析、气体膜分离、无机膜分离、液膜分离等都取得很多新的进展，其应用范围也不断地扩大，遍及海水与苦咸水淡化、环保、化工、石油、生物医药、轻工食品等领域。膜分离技术正作为分离混合物的重要方法，将在生产实践中越来越显示其重要作用。

我国50年代开始研究电渗析，66年开始研究反渗透，80年代以来对各种新型膜分离过程和制膜技术展开了全面研究与开发，目前已有多种反渗透、超滤、微滤和电渗析膜与膜组件的定型产品，在各个工业、科研、医药部门广为应用。

2、膜分离技术的基本原理及分类

2．1 膜分离的概念

即是以天然或人工合成的高分子薄膜为介质，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分溶质和溶剂进行分离、提纯和浓缩的方法称之为膜分离法。膜分离可用于液相和气相。对于液相分离，可用于水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及含有其他微粒的水溶液体系。

2．2膜分离的性能

（1）膜的化学稳定性

膜的化学稳定性主要体现在抗氧化、抗水解性和耐酸碱性等。膜的抗氧化、抗水解性和耐酸碱性既取决于膜材料的化学结构，又取决于被分离溶液的性质。氧化、水解的最终结果使膜色泽变深，发硬变脆，使其化学结构与外观形态受到破坏。[2]

（2）膜的物理稳定性

主要体现在耐热性和机械强度等方面。膜的耐热性取决于膜材料的化学结构。故可以采取改变高分子的链节结构和聚集态结构，提高分子链的刚性等措施来提高膜的耐热性。而膜的机械强度是高分子材料力学性质的体现。在外力作用下，膜产生剪切蠕变，使膜透过速度下降。外力消失后，若再给膜施加相同外力，膜的透过速度暂时有所回升随后很快下降。

（3）膜的分离透过性

虽然膜具对被分离物具有选择透过性，但它也不可能将某一组分百分之百完全阻挡，而对另一组分完全透过。膜材料的化学特性、形态结构和分离过程中的一些操作条件等都会影响膜的分离能力。膜的分离透过性是其处理能力的重要指标。当膜达到所需的分离率后，其透量愈大愈好。故膜的分离性能和透过性能是相互依赖的，当膜的分离性能高时其透量就会受到损失，反之其透过率高则分离率就会降低。

（4）膜的经济实用性

主要是要求分离所用的膜材料和制造工艺等方面的价格合理，成本不高，便于制造，方便使用，否则就会严重制约膜分离技术在食品工业中的广泛使用。 膜的种类很多，很难用一种方法进行分类。根据膜的材质，从形态上可分为固态膜和液态膜；从来源上分天然膜和合成膜，后者下分无机膜和有机膜；根据膜的断面形态，可将膜分为对称膜、不对称膜和复合膜。目前在工业上应用最广的是高分子材料制成的聚合物膜。

2．3 膜分离的基本原理

膜是具有选择性分离功能的材料，利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。它与传统过滤的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。膜的孔径一般为微米级，依据其孔径的不同（或称为截留分子量），可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，根据材料的不同，可分为无机膜和有机膜，无机膜主要是陶瓷膜和金属膜，其过滤精度较低，选择性较小。有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。错流膜工艺中各种膜的分离与截留性能以膜的孔径和截留分子量来加以区别。

2．4 膜分离的分类[1]

按膜的不同可分为固膜及液膜两大类。固膜包括气体渗透、反渗透、超滤、渗析、电渗析。液膜包括液膜、固定液膜。

（1）气体渗透的推动力为分压差，常应用与空气中氧气的分离、富集。

（2）　反渗透的推动力为压力差（1～10MPa），应用于海水淡化，番茄汁、西番莲汁、蔬菜汁、鸡蛋白、糖浆等浓缩，从酒中出去酒精，生产去离子无菌水，食品厂废水处理等。

（3）超滤的推动力也是压力差，压力为0.1～1MPa，应用于高分子化合物、胶体溶液或气溶胶的分离以及液体的提纯、澄清和浓缩。其有效分离范围是0.0015～0.2um，　截留相对分子质量为500～3000000，在这个范围内，几乎包括了食品的全部有效组分和营养物质在内。用超滤法浓缩果胶可以减少沉淀剂酒精的用量，果胶纯度高，成本也较低。超滤法澄清的果汁质量好，成本低。超滤得到的米酒、黄酒、清酒，透明度好，可延长贮藏期。

（4）　渗析的推动力为浓度差，应用与造纸工业碱的回收。人工肾也似基于渗析的原理制成的。

（5）电渗析的推动力为电位差，应用与海水淡化、高纯水的制备等。乳用于软饮料和啤酒厂生产软化水，乳清脱盐，回收乳糖、蛋白质脂肪、乳酸和维生素等物质，并能出葡萄糖中的部分酒石酸，以防止结晶析出。

2．5 膜技术应用于食品工业的特点

（一）由于膜具有选择性，它能选择性地透过某些物质，而阻挡另外一些物质的透过。选择合适的膜，可以有效地进行物质的分离、提纯和浓缩。其分离颗粒小至纳米级，分离系数高达三位数。因此是一个高效的分离过程。

（二）分离过程不发生相变化，与有相变化的分离法和其它分离法相比，能耗较低。因此膜分离技术又称省能技术。

（三）膜分离技术整个分离过程在密闭系统中进行，无需加热，无化学变化，避免和减轻了热和氧对食品和营养成分的影响，因而特别适用于对热敏感的物质，如果汁、酶、药品等的分离、分级、浓缩与富集。

（四）膜分离技术不仅适用于有机物和无机物，从病毒、细菌到微粒的广泛分离的范围，而且还适用于许多特殊溶液体系的分离，如溶液中大分子与无机盐的分离、一些共沸物或近沸点　物系的分离等。

(五)由于只是用压力作为膜分离的推动力，因此分离装置无运动部件，结构简单，操作容易，易自控和维修。

（六）膜分离技术有冷杀菌的作用，且能耗低、速度快、费用省、不污染环境，因此是一种绿色技术　。

3、膜分离技术在食品工业中的应用

膜分离技术在食品工业中的应用不仅改革了传统加工工艺， 简化操作， 降低成本， 而且提高