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1、食品加工机械与设备 任课教师：张鸿雁 电话： 电子邮箱： 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 压榨机械与设备压榨机械与设备 第三节第三节 过滤设备过滤设备 第四节第四节 离心机离心机 第五节第五节 萃取机械萃取机械 第六节第六节 膜技术设备膜技术设备 第七节第七节 蒸馏设备蒸馏设备 一、膜分离基本概念一、膜分离基本概念 二、超滤与反渗透膜组件二、超滤与反渗透膜组件 三、电渗析器设备三、电渗析器设备 四、膜技术设备的系统配置四、膜技术设备的系统配置 五、膜分离技术在食品工业中的五、膜分离技术在食品工业中的 应用应用 用天然的或人工合成的高分子薄膜或 其他具有类似功能的材料，以外界能量 或化学位
2、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 和富集的方法，统称为膜分离法； 分类： 按膜的来源：天然膜和合成膜； 按膜的材料：树脂膜、陶瓷膜及金属膜； 按膜的化学组成：纤维素酯类膜、非纤维素酯类 膜； 按膜断面的物理形态或结构：对称膜、不对称膜 、复合膜； 按膜的形状：平板膜、管式膜和中空纤维膜等。 目前醋酸纤维素膜和聚酰胺膜应用较广泛。 l透水速率或透过速度：即单位时间内通过单位面积 膜的液体体积或质量；l可透度：在单位时间、单位膜面积与单位推动力作 用下通过膜的组分数量与膜厚度的乘积；l选择性：各种组分可透过度的比值；l截留率：某组分在截留液中浓度与在原液中浓度的 比值
3、；l分划相对分子量：截留率为100%的组分的最低相对 分子质量； 膜分离的技术特性l特点：l 风味和香味成分不易失散；l 易保持食品某些功效；l 不存在相变过程，节约能量；l 工艺适应性强，处理规模可大可小；l 操作维护方便；l 易实现自动化控制； 1有利于食品成分的保存 膜分离过程在常温下进行，特别适用于热敏性物质的处理，如果汁、酶等 的分离、分级、浓缩和富集。食品原料 经过膜处理后，色泽、香气和风味均无 变化，营养物质损失也极少。此外，膜 分离过程一般是在闭合的回路中运转， 减少了氧气对食品成分的氧化作用。 2、能耗少，费用低膜分离过程中，只需给泵提供一定的能量，在一定压力下，被分离的物质
4、只需移动不到 1m的距离就可以进行分离、提纯、浓缩，能 耗少。因此，膜分离技术又称为省能技术。采 用膜分离技术还可以大大节省操作费用。 3、工艺简单、产量高膜分离将物料加压输送和反复循环，容易控制。装置亦十分简单，操作容易，占地面积 小，易于维修。4、分离范围广与抽提法、吸附法等相比较，膜分离法在不发生相变化和不使用第三种化学成分的 情况 ，就可将相对分子质量不同的物质分 离开，适用于有机物和无机物，并从病毒、 细菌到微生物有着广泛的分离范围。膜分离 法还适用于许多特殊溶液体系的分离，如对 溶液中分子和无机盐的分离、一些共沸物或 近沸点物系的分离。在食品加工中，某些发酵液往往含有许多悬浮成分，
5、用离心分离或预涂层过滤器等 分离，难以得到澄清液，采用膜分离技术就 可以得到高澄清度的分离液。食品加工废液中微量成分的回收和低浓度食品溶液的浓缩等，只有采用膜分离技术 才能实现，其中最典型的就是乳品工业中乳 清蛋白的回收。 膜分离不同于一般的过滤。在膜分离过程中液体的流动方向垂直于过滤介 质；而被分离的溶质则与膜面平行流动 ，这种流动称为横向流动。横向流动的 优点就在于它可以减轻膜表面的浓差极 化和胶凝(即表面污染)。当溶质在膜面 的流速达到2ms时，就会产生湍流而 起到清洗膜面的作用，使分离过程中水 通量的衰减变得缓慢.膜过程的流动特征：切向流动。常规过滤 切向过滤 浓差极化 定义：是一种边
6、界层现象，它由被膜阻留的溶 质积聚在膜表面而引起。 在膜分离过程中，溶剂和溶质都向膜表面转移 。当溶剂与可渗透的溶质透过膜时，膜表面被阻 留的溶质浓度逐渐增大，至临界浓度时就在膜面 周围建立了一种相对稳定的状态。 在这种情况下，溶质对流转移至膜表面的速率 等于溶质从边界层扩散返回溶液的速率。 如果膜完全阻留了溶质，则在 水分不断透过膜的同时靠近膜 表面的溶质浓度不断增大。这 样在边界层附近形成一种浓度 梯度，紧靠于膜表面的溶质浓 度最大。这种浓度梯度就称为 浓差极化，它在反渗透过程中 经常出现。 浓差极化边界层不利影响 降低了透水速率和膜系统的分离能力。边界层阻力要比膜阻力大得多， 而且还会逐
7、渐成为阻止渗透的主要阻力 ，因此会严重影响流体的透过速率。随 着膜表面被阻留溶质浓度的不断增大， 所需的渗透推动力也要不断增大;同时由于边界层的存在也增加了 对溶剂及小分子溶质渗透的阻力，因此 整个膜系统的分离能力受到很大的影响 。 常用于食品工业中的膜分离技术主要是微 滤、超滤和反渗透3种。它们都是以静压差 作推动力进行溶质分离的。 在实际应用中可根据食品成分的相对分子 质量的大小来选择适宜方式的膜分离。 材料:纤维素类聚合物、芳香聚酰胺、聚 砜。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。1) 微滤2) 超滤3) 纳滤4）反渗透微孔过滤膜（MF)l微滤使用
8、的滤膜孔径最大，适用于分离直径为 2105500105nm的大分子物质。l一般微滤的操作压力为0.15-0.2MPa,反渗透分 离的溶质一般是一些小分子和离子，溶液的渗透 压较大，而且随着浓度的增加，渗透压会逐渐加 大，它的实际操作压力需克服溶液的渗透压超滤膜l超滤使用的滤膜孔径较小，适用于分离直 径为2102一15102nm的大分子和胶体l超滤需0.11.0MPa的压力,但超滤有时会 用于分离和浓缩一些高粘度的物质(粘度可高 达18000MPas)，此时的操作压力可相应增 大些。反渗透膜l反渗透使用的滤膜孔径最小，适用于分离直 径为2nm以下的低分子和离子。l反渗透需210MPa的压力,较微
9、滤或超滤大得 多。这是因为微滤和超滤所分离的大分子物质 的浓度(物质的量浓度) 小，溶液的渗透压可以忽略不计，实际操作压力只需克服膜表面对溶 质的阻力和系统内的阻力。海 水产品水支撑层 聚砜 45umBase Fabric Non- 100umRO膜截面图 (UHR-FE SEM)超薄脱盐层 交联芳香族聚酰胺 0.3umBase Fabric Non- 100um基层 无纺布 聚酯层 100um0.5um高压海水淡化反渗透高压海水淡化反渗透RORO膜的结构膜的结构反渗透法淡 化所用的膜 对膜组件的要求： 装填密度高； 膜表面的溶液分布均匀，流速快； 膜的清洗，更换方便； 造价低； 截留率高；
10、渗透速率大； 板式膜组件平板式膜分离设备 板式膜原理 板式膜组件主要是由膜、原液流道和 透过液流道相互交替重叠压紧而成的， 体积比较紧凑。当处理量增大时，可以 只简单地增加膜的层数。另外在同一设 备里可视装不同数量的膜，即可作为生 产的装置，也可在同一设备上进行实验 。原液流道截面积较大，原液中即使含有一些杂质和异物也不易堵塞流道，所以 适用广，对预处理的要求较低。也可将原 液流道隔板设计成各种凹凸波纹的形状以 利于液体湍流，这对于超滤组件是极为重 要的。同时，板式组件的压力损失小，原 液的流速也可达15ms。板式膜组件对膜的机械强度要求比较高。因为膜的面积比较大(可大到0.4m2)以 没有足
11、够的机械强度就很难安装和更换。装 置越大，对零部件的加工精度要求越高，成 本也越大。平板式膜组件特点：（1）可以分别观察各板上渗透物的流动情况；（2）剪切速率高，流动边界层薄，一般为层流；（3）膜的更换和清洗均较容易，对堵塞不很敏感；（4）装填密度高于管式膜组件，但不很高；（5）流体流动的转折较多，压力损失较大。 制造、组装简单； 膜的更换，清洗，维护容易； 在同一设备中可按要求改变膜面积； 适应性强，预处理要求较低； 装置大，加工精度要求高； 液流流程较短，截面积较大； 单程回收率较低，因此循环次数较多，泵容量大。 间歇操作时容易造成温度上升。 可通过多段操作以增大回收率。螺旋卷式膜组件螺旋
12、式膜分离设备螺旋式膜组件的特点：（1）由于离心力的作用，Re数不太大（约100）时已呈湍流；（2）装填密度高；（3）能耗较低；（4）结构简单，造价低廉；（5）清洗较难，也不能部分更换膜；（6）膜制造的要求较高，必须是可焊接或可粘合的。螺旋卷式装置的膜组件是在两层膜中间夹一层多孔的柔性格网螺旋卷式装置的膜组件是在两层膜中间夹一层多孔的柔性格网 ，并将它们的三边粘合密封起来、再在下面铺一层供废水通过的多，并将它们的三边粘合密封起来、再在下面铺一层供废水通过的多 孔透水格网，然后将另一开放边与一根多孔集水管密封联接，使进孔透水格网，然后将另一开放边与一根多孔集水管密封联接，使进 水与净化水完全隔开，
13、最后以集水管为轴，将膜叶螺旋卷紧而成。水与净化水完全隔开，最后以集水管为轴，将膜叶螺旋卷紧而成。 把几个膜组件串联起来，装入圆筒形耐压容器中，便组成螺旋卷式把几个膜组件串联起来，装入圆筒形耐压容器中，便组成螺旋卷式 反渗透装置。如图反渗透装置。如图9-119-11所示。这种装置的膜堆密度大，结构紧凑，所示。这种装置的膜堆密度大，结构紧凑， 但密封较困难，易堵塞，清洗不使。但密封较困难，易堵塞，清洗不使。Brine SealFeed WaterFeed WaterPermeate卷式卷式RORO膜元件的结构图膜元件的结构图中心管 盐水密封进水进水产品水透过层反渗透膜进水隔网浓水产品水卷式膜组件的
14、特点 1)单位体积中膜的表面积比率大。 2)压力导管的设计简单，安装和更换容 易，结构紧密，投资和运行费用较低。 3)料液的流动线路短，不适宜用以处理 含悬浮颗粒的料液，对料液的前处理要求 高，再循环较困难。l毛细管式膜组件：l l高填充密度，但物质交换性能差；l中空纤维膜组件分类l（按进料液流动方式）：l 轴流式；l 放射流式；l 纤维卷筒式。放射流式中空纤维膜 中空纤维式膜分离设备 中空纤维式装置中空纤维式装置中空纤维膜是一种细如头发的空心管，由制膜液空心纺丝而成。纤维外经为50100m，内径为2542m。将数十万根中空纤 维膜捆成膜束，弯成U字形装入耐压圆筒容器中，并将纤维膜开口 端固定
15、在环氧树脂管板上，即可组成反渗透器。l中空纤维膜组件组成部分：l 壳体；l 高压室；l 渗透室；l 环氧树脂管板；l 中空纤维膜。Romicon公司的中空纤维膜l中空纤维膜组件组装关键：l 设备组装的关键是中空纤维的装填方式及其开口端的粘接方法；l装填方式决定膜面积的装填密度；l而粘接方法则保证高压室与渗透室 之间的耐高压密封。l中空纤维膜组件特点：l小型化；l透过水侧的压强损失大；l膜面污染去除困难，要求进料液经过严 格预处理；l一旦损坏便无法修复；结构紧凑，死体积小，装填密度高；单位膜面积的制造费用低；剪切速率高，边界层薄；料液的流动一般为层流；料液一般要先经预处理；对堵塞较敏感；不能单独更换单根管子，只能更换整个膜组件。l管式膜组件：l基本特征是管子较粗、进料液的流道较大，即使 不进行十分严格的预处理也不易造成堵塞。膜面的 清洗可用化学方法，也可用泡沫海绵球之类的机械 清洗。如果某一根管子坏了，可将其抽掉而不影响 整个系统的其他部位，直至生产能力下降很大时再 给予更换。与螺旋卷式及中空纤维式相比管式膜组 件的缺点是膜的装填密度较低。管式膜组件 原液流道
