乳品生产膜分离的基本原理和方法

膜分离的基本原理和方法第一节膜分离的概述膜分离技术的发展简史:人类对于膜现象的研究源于1748年，然而认识到膜的功能并用于为人类服务，却经历了200多年的漫长过程。人们对膜进行科学研究则是近几十年来的事。1950年W.Juda试制出选择透过性能的离子交换膜，奠定了电渗析的实用化基础。1960年洛布(Loeb)和索里拉简(Souriringan)首次研制成世界上具有历史意义的非对称反渗透膜，这在膜分离技术发展中是一个重要的突破，使膜分离技术进入了大规模工业化应用的时代。其发展的历史大致为：30年代微孔过滤，40年代透析；50年代电渗析；60年代反渗透；70年代超滤和液膜；80年代气体分离；90年代渗透汽化。此外以膜为基础的其它新型分离过程，以及膜分离与其它分离过程结合的集成过程(IntegratedMembraneProcess)也日益得到重视和发展。膜分离技术在分离物质过程中不涉及相变，对能量要求低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3～1/8，因此和蒸馏、结晶、蒸发等需要输入能量的过程有很大差异；膜分离的条件一般都较温和，对于热敏性物质复杂的分离过程很重要，这两个因素使得膜分离成为生化物质分离的合适方式：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；膜分离技术在分离工程中的重要作用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，可以连续也可以间歇进行，工艺简单，操作方便，结构紧凑、维修费用低，易于自动化。膜分离是借助于膜而实现各种分离的过程称之为膜分离。膜分离是利用天然或人工合成的，具有选择透过性的薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分体系进行分离、分级、提纯和浓缩的方法。分离用的膜具有选择渗透性，也就是说，膜只能使某些分子通过，这对乳品工业具有重要的意义，膜可以有效地把牛乳中的水分与其他成分分开。所谓的膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。一.膜分离的基本原理在一个容器中,用膜把它隔成两部分,膜的两侧是浓度不同的溶液,通常小分子的溶剂透过膜向稀溶液侧移动.渗析(水分、小分子溶质）渗透（仅水分）在乳品工业中，膜技术主要涉及到：反渗透（RO）除去水，使溶液浓缩。毫微过滤(NF)通过除去单价的成分如钠、氯（部分脱盐），实现有机成分的浓缩。超滤（UF）大分子的浓缩。微滤（MF）除去细菌，大分子分离。ReverseOsmosis(RO)Nanofiltration(NF)Ultrafiltration(UF)Microfiltration(MF)MembraneFiltration膜分离技术的特点：1、膜分离技术在分离物质过程中不涉及相变，对能量要求低其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3～1/8，因此和蒸馏、结晶、蒸发等需要输入能量的过程有很大差异；2、膜分离的条件一般都较温和，对于热敏性物质复杂的分离过程很重要，这两个因素使得膜分离成为生化物质分离的合适方式；3、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；4、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；5、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，结构紧凑、维修费用低易于自动化。存在的问题：1、在操作中膜面会发生污染，使膜性能降低，故有必要采用与工艺相适应的膜面清洗方法;2、从目前获得的膜性能来看，其耐药性、耐热性、耐溶剂能力都是有限的，故使用范围受限;3、单独采用膜分离技术效果有限，因此往往都将膜分离工艺与其他分离工艺组合起来使用。在乳品工业中，膜技术主要涉及到：反渗透（RO）－除去水，使溶液浓缩。毫微过滤(NF)－通过除去单价的成分如钠、氯（部分脱盐），实现有机成分的浓缩。超滤（UF）－大分子的浓缩。微滤（MF）－除去细菌，大分子分离。以上所有技术的特点是液流横向流过滤膜，在这些技术中，供料液均是在压力作用下穿过膜。溶液流过膜、在清液被分离的同时，固体（浓缩液）在膜上留下来。微滤、超滤、纳滤和反渗透分离类似于过滤，用以分离含溶解的溶质或悬浮微粒的液体。一、反渗透反渗透是一种高压、高性能的技术。适用于液体脱水、低分子量化合物浓缩、废污清洁等过程。通常应用在蒸发前乳制品的预浓缩。二、超滤超滤是一项选择性分离步骤，可以将溶液浓缩并净化为高分子量聚合物，适用于乳蛋白、碳水化合物和酶。超滤是使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程。与反渗透类似，超滤的推动力也是压差，在溶液侧加压，使溶剂透过膜而得到分离，不同的是小分子溶质将随同溶剂一起透过超滤膜。超滤（UF）典型地应用于牛乳蛋白的浓缩，乳清蛋白的浓缩和用于生产干酪，酸奶以及其它乳制品的牛乳的蛋白标准化。三、电渗析在直流电场的作用下，溶液中的离子透过膜的迁移称为电渗析。电渗析使用的膜通常是具有选择透过性能的离子交换膜。用电渗析可使溶液中的离子有选择地分离或富集。为什么离子交换膜具有选择性呢？离子交换膜是一种由功能高分子物质构成的薄膜状的离子交换树脂。它分为阳离子交换膜和阴离子交换膜两种。离子交换膜之所以具有选择透过性，主要是由于膜上孔隙和离子基团的作用电渗析的过程二.分离用的膜主要是由高分子材料制成的聚合物膜醋酸纤维素膜的结构示意图99％表皮层，孔径（8－10）×10－10m过渡层，孔径200×10－10m多孔层，孔径（1000－4000）×10－10m1%膜分离法传质推动力分离原理应用举例微滤（MF）压差0.05～0.5筛分除菌，回收菌，分离病毒超滤压差0.1～1.0筛分蛋白质、多肽和多糖的回收和浓缩反渗透压差1.0～10筛分盐、氨基酸、糖的浓缩、淡水制造渗析浓差筛分脱盐，除变性剂电渗析电位差电荷、筛分脱盐，氨基酸和有机酸分离渗透气化压差、温差溶质与膜的亲和作用有机溶剂与水的分离，共沸物的分离各种膜分离法的原理和应用范围膜分离法包含着非常丰富的内容，在生物分离领域应用的膜分离法包括微滤(Microfiltration,MF)、超滤(Ultrafiltration，UF)、反渗透(Reverseosmosis，RO)、透析(Dialysis，DS)、电渗析(Electrodialysis，ED)和渗透气化(Pervaporation，PV)等，各种膜分离法的原理和应用范围列于上表。三.反渗透如图所示，一个容器中间用一张可透过溶剂(水)，但不能透过溶质的半透膜隔开，两侧分别加入纯水和含溶质的水溶液。若膜两侧压力相等，在浓差的作用下作为溶剂的水分子从溶质浓度低(水浓度高)的一侧(纯水)向浓度高的一侧(水溶液)透过，这种现象称为渗透。促使水分子透过的推动力称为渗透压。当B侧与A侧之间的压差等于渗透压时，两侧的化学位相等达到平衡状态。四.超滤超滤:使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程。与反渗透类似，超滤的推动力也是压差，在溶液侧加压，使溶剂透过膜而得到分离，不同的是小分子溶质将随同溶剂一起透过超滤膜五.电渗析（electrodialysis，简称ED）1．电渗析的基本原理电渗析是在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的一种膜过程。++++++阳极－－－－－－阴极Cl-Na＋阳膜阳极室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋浓缩室淡化室浓缩室阴极室阴膜阳膜阴膜电渗析过程原理图离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄膜，其所以具有选择透过性主要是由于膜上孔隙和膜上离子基团的作用。膜上孔隙的作用是，在膜的高分子键之间有一足够大的孔隙，以容纳离子的进出和通过。是离子通过膜的大门和通道。膜上离子基团的作用是，在膜的高分子链上，连接着一些可以发生解离作用的活性基团。在水溶液中，膜上的活性基因会发生解离作用，解离所产生的离子(或称反离子）进入溶液。于是，在膜上就留下了带有一定电荷的固定基团。存在于膜微孔中的带一定电荷的固定基团，好比在一条狭长的通道中设立的一个个关卡或“警卫”，以鉴别和选择通过的离子。离子交换膜为什么具有选择透过性呢？注意：离子交换膜的作用并不是起离子交换的作用，而是起离子选择透过性作用。离子交换膜功能示意图实际应用的电渗析器Electrodialysisstacksfornitrateremovalindrinkingwater(3320m3/day).膜分离装置一.平板式组件（板框式反渗透膜组件装配图进水透过水浓缩水耐压容器透水板半透膜板框式膜组件工作过程示意图特点：结构简单，体积比管式的小。缺点：装卸复杂，单位体积膜表面积小。1×20㎡板式超滤膜装置二.管式反渗透膜组件管式膜组件又分为内压式和外压式内压式管式膜组件的内部结构示意图特点:水力条件好，安装、清洗、维修比较方便。能耐高压，可以处理高粘度的原水。缺点是膜的有效面积小，装置体积大，而且两端要较多的联结装置。淡水淡水膜表皮层玻璃纤维管进水MItsubishiRayonHydrophilicHollowFiberMembrane三.螺旋卷式反渗透膜组件密封密封密封螺旋卷式膜组件一个膜叶结构示意图多孔透水材料膜，上下两层膜叶透水网状材料透过水浓水进水螺旋卷式膜组件组合示意图膜组件的组装示意图进水口耐压容器连接器膜组件密封圈端盖透过液浓缩液工业应用的反渗透装置四.中空纤维式反渗透膜组件中空纤维膜组件是由中空纤维膜制成的。中空纤维外径50―200m，内径2542m。将数万至数十万根中空纤维制成膜束，膜束外侧覆以保护性格网，内部中间放置供分配原水用的多孔管，膜束两端用环氧树脂加固。将其一端切断，使纤维膜呈开口状，并在这一侧放置多孔支撑板。将整个膜束装在耐压筒内。进水浓水透过水多孔进水管浓水出口淡水出口密封中空纤维膜外径50－200μ内径25－42μ密封耐压容器中空纤维反渗透组件简图膜断面图中空纤维超滤膜设备乳清的大致成分%