膜分离技术在食品发酵工业中的应用

膜分离技术在食品发酵工业中的应用【摘要】：膜分离技术广泛用于食品发酵、化工和医药工业,本文介绍了膜分离技术的原理和特点,就膜分离技术在食品发酵工业中的应用作一综述。并对新发展的膜件作了简介。【关键词】：膜分离技术应用膜分离技术是一门以分离膜作组件,分离、浓缩和提纯物质的新兴技术。自从j1784年法国科学家AbbleNollet首次揭示膜分离现象之后,膜分离技术经历了漫长的发展过程,近几十年来,膜分离技术工业化应用发展迅速,除微滤、超滤等方法外,新发展了纳滤、膜蒸馏、渗透蒸馏、气体渗透、液膜分离等膜分离方法。并在食品、医药和化工工业得到广泛应用。1、膜分离的一般原理膜分离的机理主要是筛分过程，但有很多因素起作用，如溶质、溶剂分子与膜的吸引和排斥，水和溶液对膜的优先吸附，以及一些特殊的负分离等作用。已提出的膜传质机理与传递模型有吸附孔流模型、微孔扩散模型‘优先吸附毛细孔流模型、溶解扩散模型、不完全溶解扩散过程及以不可逆热力学为基础的传递模型等。膜分离种类多，具体机理各不相同，适用范围也不一样，各自各有不同的优缺点。膜分离技术的应用越来越广，是因为该技术在常温下进行，操作方便、适用范围广‘且有许多优点、而且不加入化学物质，消除了环境污染。2、膜和膜组件膜分离技术的发展和膜材质的选择、制模技术、组件结构及设备研制的发展分不开。膜是膜分离技术的关键。1960年Loeb和Sourirajan制备出了第一张具有高透水性和高透盐率的不对称反渗透膜。近年来，膜的材质和制造技术都得到很大的发展，新型耐高温陶瓷膜的产生，拓宽了膜分离技术的应用范围。膜种类多，特性各异，可根据具体需要进行选择。膜组件是膜分离的核心，目前工业上常用的膜组件有板框式、管式、螺旋管式、中空纤维式、毛细管式和槽条式几种。其中，中空纤维和螺旋卷式膜组件多用于水处理及低粘度、低污染物料的分离，而管式和板框式膜组件多用于中高粘度和中高污染物料的分离。工业上使用的膜分离工程要求膜对被分离体系具有适当的选择性和足够高的透水率，能有效地控制浓度差极化和膜污染，膜具有较长的使用寿命，膜组件的清洗、消毒与灭菌方便而有效。3、膜分离技术在食品发酵工业中的应用1918年已有利用微孔滤膜分离和富集微生物、微粒等的报道，此后，也用于澄清苹果汁、浓缩提纯发酵产品（如酶、氨基酸、黄原胶等）、开发产品等。3.1富集空气除菌无菌空气是为生产菌的繁殖和代谢提供足够的溶解氧，利用气体分离膜除菌效果好，同时可以提高空气中的氧浓度，得到富集氧气，这可以大大提高生化反应器中的溶氧系数。3.2培养基灭菌由于动物细胞培养基含有对热不稳定的血清、激素等物质，常用的蒸汽灭菌方法不适用，使用膜分离法可以达到除菌的目的。同样，在连续发酵工艺中，采用膜分离技术除去流加培养基中的杂菌具有快速、方便、节能等优点。3.3对原料预处理在干酪生产中，用超滤和反渗透技术浓缩原料奶可以降低运输成本并增加干酪的产量；在利用乳清发酵生产乳酸时，用反渗透进行预处理或用超滤澄清以改变原来的品质使适合发酵的要求。食品工业用水可通过超滤除菌，也可以用反渗透一次性完成水的软化和除菌；利用新兴烦人纳滤技术进行水处理时，离子的脱除率很高3.4发酵过程的控制在食品发酵中，菌体和产物浓度对产品都有影响，使用膜生物反应器发酵能够提高生产率，通过膜分离技术富集菌体和除去产物（胞外产物），减少菌体和产物对发酵的影响，从而提高产量。超滤技术已广泛应用于乙醇、氨基酸、酶类及乳酸、柠檬酸等有机酸的发酵生产中。目前存在的最大问题是膜的寿命和污染问题，随着新型膜的出现其应用会推广，日本用陶瓷膜反应器发酵生产氨基酸已达到中试和生产规模。3.5下游处理食品发酵工业的下游处理包括产品的分离、浓缩和纯化。大多数发酵产品可通过超滤膜、细胞碎片等悬浮物以及某些蛋白质、多糖类大分子物质则被截留。氨基酸和有机酸的分离可用液膜技术来实现。黄原胶、味精和酶制剂的提纯浓缩处理也广泛的利用膜分离技术来简化工艺，制品纯度和回收率高，减少了杂菌污染与酶失活的机会，改善了产品的质量，提高产品质量。除此之外，在产品精制中也得到使用。3.6改变传统工艺、开发新产品、提高产品的质量采用微滤除去啤酒中的酵母菌可以生产生啤，用反渗透法降低普通啤酒、葡萄酒的乙醇含量，并用渗透蒸发的方法回收芳香成分使在降低酒精含量时不影响风味，从而生产无醇啤酒和低度葡萄酒。在白酒、黄酒、葡萄酒和酱油等生产中使用可以提高产品的稳定。3.7检测产品传统的微生物分析方法繁琐，时间明显滞后，不适合工业大生产的要求，用疏水膜技术可以快速检测产品中的细菌总数和大肠杆菌数，具有简便快捷的优点。3.8回收副产物和废水处理利用超滤和电渗析技术可以回收乙醇、乳酸、微生物多糖和蛋白质水解产物，用反渗透回收味精生产漂洗水中的谷氨酸钠，渗透蒸发对废水中的挥发性有机物组分有高去除能力，在去除废水中的异味物质的同时能回收有价值的物质，利用超滤再循环利用水，在经济上很合算，除了回收水之外，还能从热沸水中回收能量，降低待处理废水的体积等。4、工业化使用面临的问题随着膜分离技术在工业中的应用，其固有的一些局限性也暴露出来了，主要表现在膜通量随着分离时间的推移大幅度降低，使用寿命不长等。其工业化应用面临的主要问题是膜通量小，寿命短，耐高温、耐酸碱和耐化学物质的能力不强。其中，膜通量小最受关注。4.1影响膜通量的因素膜通量是膜分离技术中的重要指标，影响膜通量的因素是多方面的，主要有物料性质、过滤膜的性能特征和技术操作条件等。物质粘度、浓度、颗粒物性质均影响膜通量，分离膜本身的性质如孔径大小、孔的分布情况，膜的带电性质以及膜对物料的亲和性等对膜通量的影响也是很明显的。而物料温度、操作压力、物料流速和剪切力等操作条件对膜通量的影响更为重要。膜通量减少变现为浓度极化的形成和膜污染的产生。浓度极化是可逆的，可以通过改变操作条件来消除，膜污染是不可逆的，必须通过清洗的方法才能清除。4.2提高膜通量的措施影响膜通量的因素有物料、操作条件和膜的性质等方面。可以通过改变物料的性质、膜的特性和操作条件来提高膜通量。对物料和膜进行处理可以改变二者之间的相互作用，减少物料在膜表面的沉积，如调节物料pH值、温度、粘度等，过滤、沉降、吸附除去固态颗粒以及大分子物质，用酸溶解或分散污染物，用超声波、电厂驱散污染物等。另外，改变膜的特性也能提高膜通量。