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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：,第五章 物料分离机械,第一节 概述 第二节 压榨机械与设备 第三节 过滤设备 第四节 离心机 第五节 萃取机械 第六节 膜技术设备 第七节 蒸馏设备,第六节 膜技术设备,一、膜分离基本概念 二、超滤与反渗透膜组件 三、电渗析器设备 四、膜技术设备的系统配置 五、膜分离技术在食品工业中的应用,一、膜分离基本概念,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
2、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。,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； 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； 选择性：各种组分可透过度的比值； 截留率：某组分在截留液中浓度与在原液中浓度的比值； 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,特点：风味和香味成分不易失散；易保持食品某些功效；不存在相变过程，节约能量；工艺适应性强，
3、处理规模可大可小；操作维护方便；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，
4、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，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
5、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
6、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
7、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。,二、超滤与反渗透膜组件,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),微滤使用的滤膜孔径最大，适用于分离直径为2105500105nm的大分子物质。 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,
8、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 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,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。 反渗透需210MPa的压力,较微滤或超滤大得多。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 45um,Base Fabric,Non,-,100um,RO膜截面图 (UH
9、R-FE SEM),超薄脱盐层 交联芳香族聚酰胺 0.3um,Base Fabric,Non,-,100um,基层 无纺布 聚酯层 100um,0.5um,高压海水淡化反渗透RO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；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
10、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
11、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
12、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，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，便组成螺旋卷式反渗透装置。如图9-11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。,Brine Seal,Feed Water,Feed Water,Permeate,卷式RO膜元件的结构图,卷式膜组件的特点,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
13、含悬浮颗粒的料液，对料液的前处理要求高，再循环较困难。,毛细管式膜组件：高填充密度，但物质交换性能差；,中空纤维膜组件分类 （按进料液流动方式）：轴流式；放射流式；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在环氧树脂管板上，即可组成反渗透器。,中空纤维膜组件组成部分：壳体；高压室；渗透室；环氧树脂管板；中空纤维膜。,Romicon公司的中空纤维膜,中空纤维膜组件组装关键：设备组装的关键是中空
14、纤维的装填方式及其开口端的粘接方法； 装填方式决定膜面积的装填密度； 而粘接方法则保证高压室与渗透室之间的耐高压密封。,中空纤维膜组件特点：小型化； 透过水侧的压强损失大； 膜面污染去除困难，要求进料液经过严格预处理； 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。,管式膜组件：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
15、，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,原液流道大，可处理悬浮颗粒和溶解性的物料。 易清洗-化学机械 装填密度低-33-330m2/m3 防渗漏管外有覆盖与支撑，增加费用,管式膜反渗透装置,Le Carbonne Lorraine 公司管式膜 HTS管式膜,Romicon内压管式膜,管式膜组件的特点： （1）管内流动为湍流； （2）管直径较粗，料液一般不需预处理； （3）对堵塞不敏感，拆卸和清洗也容易； （4）如果某一根管子损坏，可以方便地更换之； （5）装填密度不高，流速高，能耗较高
16、； （6）设备的死体积较大，不利于提高浓缩比； （7）制造成本较高。,槽条式膜组件：由聚丙烯或其他塑料挤压而成的槽条直径为3mm左右，上有3-4条槽沟，槽条表面编织有涤纶长丝或其他材料，涂刮浇铸液形成膜层。将槽条的一端密封后，再把几十至几百根槽条组装成束装入耐压管中，形成一个槽条式膜组件。,三、电渗析器设备,电渗析,电渗析是利用离子交换膜和直流电场的作用，从水溶液和其他不带电组分中分离带电离子组分的一种电化学分离过程。用于海水淡化、纯水制备和废水处理。在分析上可用于无机盐溶液的浓缩或脱盐；溶解的电离物质和中性物质的分离。,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。,
