膜分離原理-奶制品

1、膜分離技術(shù)的發(fā)展簡史膜分離技術(shù)的發(fā)展簡史: 人類對于膜現(xiàn)象的研究源于1748年，然而認識到膜的功能并用于為人類服務，卻經(jīng)歷了200多年的漫長過程。人們對膜進行科學研究則是近幾十年來的事。1950年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(chǔ)。1960年洛布 (Loeb)和索里拉簡 (Souriringan)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(shù)發(fā)展中是一個重要的突破，使膜分離技術(shù)進入了大規(guī)模工業(yè)化應用的時代。其發(fā)展的歷史大致為：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

2、外以膜為基礎(chǔ)的其它新型分離過程，以及膜分離與其它分離過程結(jié)合的集成過程(Integrated Membrane Process)也日益得到重視和發(fā)展。 膜分離技術(shù)在分離物質(zhì)過程中不涉及相變，對能量要求低，其費用約為蒸發(fā)濃縮或冷凍濃縮的1/31/8，因此和蒸餾、結(jié)晶、蒸發(fā)等需要輸入能量的過程有很大差異； 膜分離的條件一般都較溫和，對于熱敏性物質(zhì)復雜的分離過程很重要，這兩個因素使得膜分離成為生化物質(zhì)分離的合適方式： 無化學變化 ：典型的物理分離過程，不用化學試劑和添加劑，產(chǎn)品不受污染；選擇性好 可在分子級內(nèi)進行物質(zhì)分離，具有普遍濾材無法可在分子級內(nèi)進行物質(zhì)分離，具有普遍濾材無法取代的卓越性能；取代

3、的卓越性能；適應性強 處理規(guī)?？纱罂尚?，可以連續(xù)也可以間歇進行，處理規(guī)模可大可小，可以連續(xù)也可以間歇進行，工藝簡單，操作方便，工藝簡單，操作方便，結(jié)構(gòu)緊湊、維修費用低，易于自動易于自動化化。膜分離是借助于膜而實現(xiàn)各種分離的過程稱之為膜分離。膜膜分離是利用天然或人工合成的，具有選擇透過性的薄膜，分離是利用天然或人工合成的，具有選擇透過性的薄膜，以外界能量或化學位差為推動力，對雙組分或多組分體系以外界能量或化學位差為推動力，對雙組分或多組分體系進行分離、分級、提純和濃縮的方法。分離用的膜具有進行分離、分級、提純和濃縮的方法。分離用的膜具有選擇滲透性，也就是說，膜只能使某些分子通過，這對乳品，也就是

4、說，膜只能使某些分子通過，這對乳品工業(yè)具有重要的意義，膜可以有效地把牛乳中的水分與其工業(yè)具有重要的意義，膜可以有效地把牛乳中的水分與其他成分分開。他成分分開。所謂的膜，是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之間有一層薄的凝聚相，它把流體相分隔為互不相通的兩部分，并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。 一一.膜分離的基本原理膜分離的基本原理 在一個容器中在一個容器中,用膜把它隔成兩部分用膜把它隔成兩部分,膜的兩膜的兩側(cè)是濃度不同的溶液側(cè)是濃度不同的溶液,通常小分子的溶劑透過膜通常小分子的溶劑透過膜向稀溶液側(cè)移動向稀溶液側(cè)移動. 滲析(水分、小分子溶質(zhì)）水分、小分子溶質(zhì)）滲透（僅水分）（僅水分）在乳品工業(yè)中

5、，膜技術(shù)主要涉及到：在乳品工業(yè)中，膜技術(shù)主要涉及到：反滲透（反滲透（RO）除去水，使溶液濃縮。）除去水，使溶液濃縮。毫微過濾毫微過濾(NF)通過除去單價的成分如鈉、氯（部分通過除去單價的成分如鈉、氯（部分脫鹽），實現(xiàn)有機成分的濃縮。脫鹽），實現(xiàn)有機成分的濃縮。超濾（超濾（UF）大分子的濃縮。）大分子的濃縮。微濾（微濾（MF）除去細菌，大分子分離。）除去細菌，大分子分離。Reverse Osmosis (RO)Nanofiltration (NF)Ultrafiltration (UF)Microfiltration (MF)Membrane Filtrationhttp:/www.gea- 2

6、、膜分離的條件一般都較溫和，對于熱敏性物質(zhì)復雜的分離過程很重要，這兩個因素使得膜分離成為生化物質(zhì)分離的合適方式；3、無化學變化。典型的物理分離過程，不用化學試劑和添加劑，產(chǎn)品不受污染；4、選擇性好?？稍诜肿蛹墐?nèi)進行物質(zhì)分離，具有普遍濾材無法取代的卓越性能；5、適應性強。處理規(guī)?？纱罂尚?，可以連續(xù)也可以間隙進行，工藝簡單，操作方便，結(jié)構(gòu)緊湊、維修費用低易于自動化 。1、在操作中膜面會發(fā)生污染，使膜性能降低，故有必、在操作中膜面會發(fā)生污染，使膜性能降低，故有必要采用與工藝相適應的膜面清洗方法要采用與工藝相適應的膜面清洗方法;2、從目前獲得的膜性能來看，其耐藥性、耐熱性、耐、從目前獲得的膜性能來看，

7、其耐藥性、耐熱性、耐溶劑能力都是有限的，故使用范圍受限溶劑能力都是有限的，故使用范圍受限;3、單獨采用膜分離技術(shù)效果有限，因此往往都將膜分、單獨采用膜分離技術(shù)效果有限，因此往往都將膜分離工藝與其他分離工藝組合起來使用。離工藝與其他分離工藝組合起來使用。反滲透（RO）除去水，使溶液濃縮。毫微過濾(NF)通過除去單價的成分如鈉、氯（部分脫鹽），實現(xiàn)有機成分的濃縮。超濾（UF）大分子的濃縮。微濾（MF）除去細菌，大分子分離。以上所有技術(shù)的特點是液流橫向流過濾膜，在這些技術(shù)中，供料液均是在壓力作用下穿過膜。溶液流過膜、在清液被分離的同時，固體（濃縮液）在膜上留下來。微濾、超濾、納濾和反滲透分離類似于過

8、濾，用以分離含溶解的溶質(zhì)或懸浮微粒的液體。反滲透是一種高壓、高性能的技術(shù)。適用于液反滲透是一種高壓、高性能的技術(shù)。適用于液體脫水、低分子量化合物濃縮、廢污清潔等過體脫水、低分子量化合物濃縮、廢污清潔等過程。通常應用在蒸發(fā)前乳制品的預濃縮。程。通常應用在蒸發(fā)前乳制品的預濃縮。超濾是一項選擇性分離步驟，可以將溶液濃縮并凈化超濾是一項選擇性分離步驟，可以將溶液濃縮并凈化為高分子量聚合物，適用于乳蛋白、碳水化合物和酶。為高分子量聚合物，適用于乳蛋白、碳水化合物和酶。超濾是使大分子或微細粒子從溶液中分離的過程。與超濾是使大分子或微細粒子從溶液中分離的過程。與反滲透類似，超濾的推動力也是壓差，在溶液側(cè)加壓

9、，反滲透類似，超濾的推動力也是壓差，在溶液側(cè)加壓，使溶劑透過膜而得到分離，不同的是小分子溶質(zhì)將隨使溶劑透過膜而得到分離，不同的是小分子溶質(zhì)將隨同溶劑一起透過超濾膜。超濾（同溶劑一起透過超濾膜。超濾（UF）典型地應用于牛）典型地應用于牛乳蛋白的濃縮，乳清蛋白的濃縮和用于生產(chǎn)干酪，酸乳蛋白的濃縮，乳清蛋白的濃縮和用于生產(chǎn)干酪，酸奶以及其它乳制品的牛乳的蛋白標準化。奶以及其它乳制品的牛乳的蛋白標準化。在直流電場的作用下， 溶液中的離子透過膜的遷移稱為電滲析。電滲析使用的膜通常是具有選擇透過性能的離子交換膜。用電滲析可使溶液中的離子有選擇地分離或富集。為什么離子交換膜具有選擇性呢？離子交換膜是一種由功

10、能高分子物質(zhì)構(gòu)成的薄膜狀的離子交換樹脂。它分為陽離子交換膜和陰離子交換膜兩種。離子交換膜之所以具有選擇透過性，主要是由于膜上孔隙和離子基團的作用二二.分離用的膜分離用的膜 主要是由高分子材料制成的聚合物膜主要是由高分子材料制成的聚合物膜99表皮層，孔徑表皮層，孔徑（810）1010m過渡層，孔徑過渡層，孔徑2001010m多孔層，孔徑多孔層，孔徑（10004000）1010m1%膜膜 分分 離離 法法傳質(zhì)推動傳質(zhì)推動力力分分 離離 原原 理理應應 用用 舉舉 例例微微 濾濾 （MFMF）壓差壓差0.050.5篩篩 分分除菌，回收菌，分離病毒除菌，回收菌，分離病毒超超 濾濾壓差壓差0.11.0篩

11、篩 分分蛋白質(zhì)、多肽和多糖的回蛋白質(zhì)、多肽和多糖的回收和濃縮收和濃縮反反 滲滲 透透壓差壓差1.010篩篩 分分鹽、氨基酸、糖的濃縮、鹽、氨基酸、糖的濃縮、淡水制造淡水制造滲滲 析析濃濃 差差篩篩 分分脫鹽，除變性劑脫鹽，除變性劑電電 滲滲 析析電電 位位 差差電荷、篩分電荷、篩分脫鹽，氨基酸和有機酸分脫鹽，氨基酸和有機酸分離離滲透氣滲透氣 化化壓差、溫壓差、溫差差溶質(zhì)與膜的親和溶質(zhì)與膜的親和作用作用有機溶劑與水的分離，共有機溶劑與水的分離，共沸物的分離沸物的分離膜分離法包含著非常豐富的內(nèi)容，在生物分離領(lǐng)域應用膜分離法包含著非常豐富的內(nèi)容，在生物分離領(lǐng)域應用的膜分離法包括微濾的膜分離法包括微濾

12、(Microfiltration,MF)、超濾超濾(Ultrafiltration，UF)、反滲透反滲透(Reverse osmosis，RO)、透析透析(Dialysis，DS)、電滲析電滲析(Electrodialysis，ED)和和滲透氣化滲透氣化(Pervaporation，PV)等，各種膜分離法的原理等，各種膜分離法的原理和應用范圍列于上表和應用范圍列于上表。如圖所示，一個容器中間用一張可透過溶劑(水)，但不能透過溶質(zhì)的半透膜隔開，兩側(cè)分別加入純水和含溶質(zhì)的水溶液。若膜兩側(cè)壓力相等，在濃差的作用下作為溶劑的水分子從溶質(zhì)濃度低(水濃度高)的一側(cè)(純水)向濃度高的一側(cè)(水溶液)透過，這種

13、現(xiàn)象稱為滲透。促使水分子透過的推動力稱為滲透壓。當B側(cè)與A側(cè)之間的壓差等于滲透壓時，兩側(cè)的化學位相等達到平衡狀態(tài)。 超濾超濾:使大分子或微細粒子從溶液中分離的過程。與反滲透類似，超濾的推動力也是壓差，在溶液側(cè)加壓，使溶劑透過膜而得到分離，不同的是小分子溶質(zhì)將隨同溶劑一起透過超濾膜 電滲析是在直流電場的作用下，以電位差為推動力，利用陰、陽離子交換膜對溶液中陰、陽離子的選擇透過性(即陽膜只允許陽離子通過，陰膜只允許陰離子通過），而使溶液中的溶質(zhì)與水分離的一種物理化學過程。從而實現(xiàn)溶液的濃縮、淡化、精制和提純的一種膜過程。+陽極陽極陰極陰極Cl-Na陽膜陽極室陽極室Cl-Cl-Cl-NaNaCl-N

14、aNaCl-Cl-NaNa濃縮室淡化室淡化室濃縮室陰極室陰極室陰膜陽膜陰膜 離子交換膜是一種由高分子材料制成的具有離子交換基團的薄離子交換膜是一種由高分子材料制成的具有離子交換基團的薄膜，其所以具有選擇透過性主要是由于膜，其所以具有選擇透過性主要是由于膜上孔隙膜上孔隙和和膜上離子基團膜上離子基團的的作用。作用。 膜上孔隙的作用是，在膜的高分子鍵之間有一足夠大的孔隙，膜上孔隙的作用是，在膜的高分子鍵之間有一足夠大的孔隙，以容納離子的進出和通過。是離子通過膜的大門和通道。以容納離子的進出和通過。是離子通過膜的大門和通道。 膜上離子基團的作用是，在膜的高分子鏈上，連接著一些可以膜上離子基團的作用是，

15、在膜的高分子鏈上，連接著一些可以發(fā)生解離作用的活性基團。在水溶液中，膜上的活性基因會發(fā)生解發(fā)生解離作用的活性基團。在水溶液中，膜上的活性基因會發(fā)生解離作用，解離所產(chǎn)生的離子離作用，解離所產(chǎn)生的離子(或稱反離子）進入溶液。于是，在膜或稱反離子）進入溶液。于是，在膜上就留下了帶有一定電荷的固定基團。存在于膜微孔中的帶一定電上就留下了帶有一定電荷的固定基團。存在于膜微孔中的帶一定電荷的固定基團，好比在一條狹長的通道中設(shè)立的一個個關(guān)卡或荷的固定基團，好比在一條狹長的通道中設(shè)立的一個個關(guān)卡或“警警衛(wèi)衛(wèi)”，以鑒別和選擇通過的離子。，以鑒別和選擇通過的離子。注意：注意：離子交換膜的作用離子交換膜的作用并不是起離子交換并不是起離子交換的作用，而是起離子的作用，而是起離子選選擇透過性擇透過性作用。作用。離子交換膜功能示意圖離子交換膜功能示意圖實際應用的電實際應用的電滲析器滲析器Electrodialysis stacks for nitrate removal in drinking water (3320 m3/day).http:/ 水力條件好，安水力條件好，安裝、清洗、維修比裝、清洗、維修比較方便。較方便。v 能耐高壓，可以能耐高壓，可以處理高粘度的原水。處理高粘度的原水。v 缺