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膜分离技术在黄酒中的应用研究
2007-05-11 17:27:48   来源: 佚名   作者:【文/汪建国 汪琦】   评论:0

     膜分离技术起步于20世纪60年代到至今不过40多年,但由于它具有过程无相态变化,基本在常温下进行,特别适用对热敏感物质的分离过程,分离范围可以从小分子到大分子;从细菌到病毒;从蛋白质、胶体到糊精、多糖、多酚、灰分、焦糖色等;分离过程仅仅是简单的加压输送、易自控、操作简便,分离性能稳定、占地面积小等特点,特别是与其它如蒸馏、冷冻、萃取等分离方法比较,节能效果显著,因此已逐步受到我国食品行业的高度重视和兴趣。膜分离技术是建立在高分子材料基础上的新兴边缘学科的高新技术、涉及到材料,化工、生物工程、环境工程、医药工程、食品工程、机械工程和系统工程等多种学科。
     1.膜分离原理
     1.1 反渗透膜(revrse osmosis membra me)
     当两项不同浓度的溶液被半透膜间隔时,依照自然现象浓度较低的溶液就会往浓度较高的一侧渗透。纯水往盐水方面渗透、就会产生盐水往纯水方面的渗透的反常现象,称为反渗透(RO)。此技术特点是:
     是液体对液体的分离技术,过程中无相的变化。属物理分离,超过99%的盐类及微生物都能安全去除。
     1.2 超过滤膜(altra filtration nanofiltrativn mem ramc)
     一项利用低压10ps-150ps半透膜来分离高分子物质(分子量1000-3000)薄膜技术就是超过滤(VF/NF)。薄膜对两价离子与分子量大于300有高去除率,单价离子在高浓度时仅有0%-20%的去除率。二者的结构虽略有不同,功能的重点对象也略有差异,但都有下列的共同特点:
     它是一项液体对液体的分离技术、能源消耗低。利用具不同分子量阻挡能力的不同,VF/NF可做不同分子量的筛选。
     1.3 微孔过滤膜(microfiltrat ionmembrane)
     微孔过滤(MF)也是一种低压(通常为10PSL-50PSL)的薄膜分离技术,它的过滤能力仅介于一般滤器和超过滤间,通常只被用来分离从0.05-10nm的悬浮物质,其它水的溶液物质都能透过MF膜起筛选作用来滤掉式液体中的微粒细菌。
     2.膜分离技术的特点
     膜可以看作是把两相分开的一薄层物质,可以是固态,也可以是液态或气态,具有渗透式半渗透性。用天然或人工合成膜、以外界能量或化学位差作推动力,对双组分或多组分溶液和溶质进行分离、分级、提纯和富集方法,统称为膜分离法。膜过滤与其它分离过程相比具有许多优点:一是一般不发生相变,能耗低;二是分离效率高、效果好;三是通常在室温下工作,操作维护简便,可靠性高;四是设备体积较小,占地面积少。
     按成膜材料不同,膜可以分为有机膜和无机膜。有机膜制备工艺简单、方便,膜产品易变形,膜组件的装填密度高,受热不稳定,不耐高温,在液体中易溶胀,强度低,再生复杂,使用寿命短;无机膜制备工艺较复杂,因其具有膜不易变形,耐高温,耐有机溶剂,抗微生物腐蚀,刚性及机械强度好,再生性能好,不老化等特点,因而有更大的发展潜力。膜过滤技术将成为提高品质质量,改善产品风味,缩短生产周期和提高工效的重要手段,因此已得到迅速发展。近年来,微滤、超滤、反渗透已经出现了相互重叠的现象,其中纳膜过滤,(简称NF)技术就是介于传统分离范围的超滤和反渗透之间的一种新型分子级膜分离技术。
     3.纳膜过滤的分类和比较
     3.1 微孔过滤膜,微孔过滤膜的孔径0.1Mm-1.0Mm,多为对称性多孔膜,可分离大的胶体粒子和悬浮微粒,适用在低压(<0.3Mpa)条件下过滤,如应用于制备饮料和酒类过滤。
     3.2 超滤膜:超滤膜孔径为0.001Mm-0.1Mm,一般为非对称性膜,可分离淀粉、果胶及悬浮固形物等大的合成分子,截留分子量范围一般为500到50万道尔顿,纯水工作压力为0.3Mpa,一般在常温下进行操作,特别适用于热敏性物质的浓缩与分离。如应用超滤装置对乳制品,生物制品、果酒,果汁的分离和提纯,蛋白质浓缩,饮用纯净水等。
     3.3 反渗透膜:其孔径0.001-0.0001Mm,工作压力比超滤膜的高,通常反渗透适行的切割分子量小于500,能截留盐式小分子量有机物,使水选择性通过或气体通过。国外为满足各种不同用途的需要,增加薄膜强度及使用寿命,已开发薄膜与金属网的复合物,薄膜与优选织物的复合物,双层、3层、强化薄膜及带电荷薄膜等新品种。
     3.4 纳滤膜:过滤精变孔0.005μm-0.0005μm,切割分子量为200-10万;持留通过纳滤膜的溶质介于传统分离范围的超滤和反渗透之间,如盐内。适用范围为海水淡化、超纯水、多糖,乳酸,酪素和抗菌素浓缩等。
     3.5 膜分离技术的比较(见表1)
     4.格不入膜装置主要部件
     膜分离装置主要包括两部分:一是膜分离单元部件,即膜组件;二是对流体提供压力和流速的装置,即泵等外部件。
     4.1 膜材料,最重要的是纤维素酯系膜,如醋酸纤维素,三醋酸纤维素、醋酸丁酸纤维素、醋酸苯二甲酸纤维素、醋酸二甲氨基磺酸纤维素和聚丙烯,聚醚枫、尼龙膜以及聚酰亚胺膜和聚砜系膜。
     4.2 膜组件,主要有平板式组件、管式组件和中空纤维式组件。平板式组件原液通截面积大、不易堵塞、对原液预处理要求相对较低,压力损失较小,流速大。管式组件流动状态好、流速易控制、安装、拆卸、换膜较方便,能处理含微粒较多的溶液,不易堵塞。但单位体积内有效膜面积较少。中空纤维组件能小型化,具有较高的膜装填密度、但膜面不易除垢,无法更换膜,只能用化学方法处理去垢。
     5.膜分离技术在黄酒生产中的应用研究
     黄酒是我国的民族酒,历史悠久,产品优良,但是传统的黄酒生产方法十分古老、原始、陈旧、新中国成立后,随着科技的提高和进步,人们逐渐了解到酿酒的科学原理、开始对黄酒生产和工艺进行科学研究和总结。其中对于黄酒的非生物稳定性的工艺研究以前普遍采用澄清一下胶、棉饼过滤到至今采用硅藻土过滤的方法,固而长期来对黄酒对非生物稳定性,一直难以得到满意的效果。
     由于近几年膜分离技术在啤酒、葡萄酒行业对纯生啤酒,葡萄酒的应用收到较好的效果。因此也逐步受到国内大中型黄酒生产企业的重视研究和应用。经过膜分离技术在黄酒过滤中的应用试验比较证实,以国产错流膜过滤系统设备分离黄酒、光泽透明高,酒质明亮,黄酒非生物稳定性明显提高,货架保质期延长,而且保持原有风味特征,同时错过滤膜过滤黄酒操作方便,不易堵塞。效果稳定,生产成本低,具有较高的实用价值。现将国产错流膜设备过滤提高黄酒产品质量,技术性能和经济分析介绍如下。
     5.1 国产错流膜过滤黄酒的特点,液体错流膜除菌微滤系统,其核心分离膜具有高强度、长寿命、耐酸碱、耐腐蚀等优异特性并针对液体要求可作适当的孔径调整。系统通过自动化控制能在适行过程中实现间歇变频反冲负压脉动,汽、水清洗等目前国际先进的膜应用技术。并具有应急保护停机功能和选配在线浊度检测,生产结束后自动停机等功能。该机系统具有以下特点:
     5.1.1 过滤产品质量优异,出液澄清透明度高,同时除菌效果达到99.9%以上。
     5.1.2 可适应高浊度、高粘稠度液体过滤,精滤一次完成,不需传统的棉饼,硅藻土过滤做预过滤。
     5.1.3 独特的错流过程设计及运行过程中的自动化自体清洗,保证分离的连续性和规模性,与传统膜分离设备相比,提高分离效果在40%以上,防堵塞性能极佳。
     5.1.4 具有自动化程度高,操作简便,分离性能稳定,使用费用成本低。
     5.2 膜分离技术应用黄酒中的优势
     黄酒产生混浊沉淀的原因主要是黄酒中细菌等颗粒物和大分子蛋白质、糊精、糖分、焦糖色、多酚、灰分在酒体内部温度发生变化时、分子缔合、吸附、凝集、形成比较大的胶团、从而打破黄酒胶体溶液的稳定性、产生沉淀的现象。所以现在引起黄酒沉淀的因素中,环境、条件、温度的变化是外因,而细菌等颗粒物和大分子的蛋白质、糊精、焦糖色等在其中起凝集核的内因作用,因此采用错滤分级膜过滤黄酒可解决黄酒混浊沉淀,并可取代于冷冻过滤。
     5.2.1 现代膜分离技术的发展,使膜孔径的控制变得相当容易,因此该错滤膜分离工艺可选择不同分子量的膜组合,直接滤去黄酒中影响非生物稳定性的部分大分子蛋白质、糊精、焦糖色,也就是滤去产生沉淀胶团的凝集核,使黄酒成为比较均匀而稳定的溶胶体系,不易产生沉淀,采用该工艺滤后的酒样在冰箱中冷藏、其冷稳定性能显著提升,同时产品在货架期中沉淀产生时间得到明显延缓,沉淀物产生量也极轻微。
     5.2.2 生黄酒中存在一定量酵母、细菌,霉菌及其孢子、它们可引起黄酒发酵和酸败,经过膜分离技术,可以去除99%以上的微生物菌体,使得黄酒经膜分离后,微生物数量控制在10-50个/容升以下,因此可以适当降低瓶装黄酒的杀菌温度和时间,从而提高黄酒整体风味价值。
     5.2.3 对消费者而言,黄酒是一种天然,营养、绿色、低度的原汁原味的产品、它来自自然界、经生物酿造。因此不同的原料、配料、工艺造成生产过程中质量控制和保持产品一致性和稳定性的困难,而应用膜分离技术,黄酒的成分一性质和特征都可以保持高度稳定性,有利于质量稳定性和标准化生产,由于其本身天然营养,再加上稳定的标准质量和产品典型风格,黄酒产品价值可以提升。
     5.2.4 因为采用膜分离技术过滤黄酒,它的成分并不全是碳水化合物,并还含有多肽,氨基酸、低聚糖、多酚、灰分和一些小分子物质。颜色和风味虽然略有改变,但是仍能保留黄酒的基本特性,而且香味纯正幽雅,口味更加柔和、细腻、协调、清爽。
     5.2.5 现今各黄酒企业对黄酒混浊都采用冷冻加过滤的工艺来解决黄酒的沉淀问题。这不仅需要双重的设备投资,并且还需增加冷冻沉降罐和保温设施,因此投资较大,该工艺不仅需要过滤的运行费用,并且每处理一吨黄酒需要支出10-20元的电费。而膜分离技术由于分离过程简单,并且膜的价格近年已降低到一个合理的水平,因此采用错滤分级膜分离技术,能解决黄酒的沉淀问题,在经济性上具有一定的优势。
     5.3 应用错滤膜分离黄酒对膜的选定要求:
     首先确定过程为对黄酒沉淀物的分析——黄酒中蛋白质总量及不同分子量蛋白质数量分布检测——不同孔径(分子量)膜的不同温度下过滤黄酒正反试验——过滤酒样的理化指标及感官评价——过滤酒样的冷热稳定性试验及货架存放期试验——最后确定膜分离工艺。例目前为:
     A、黄酒的温度在15℃以下时,采取截留孔径为0.18μm的液体错流膜除菌微滤系统过滤一次完成。这是因为黄酒中的大分子蛋白质在20℃以下能与多酚的质吸附,凝集形成比较大的基团,因此用微滤级别的膜就能实现目的。
     B、当黄酒温度高于15℃ 以上时,由于黄酒中蛋白质胶团形成较困难以及温度提高物质的溶解度相应提高等因素,使得0.18μm微滤膜过滤效果相对会有所降低。因此为求得质量稳定,在0.18μm的微滤膜过滤后,再采用特定截留分子量的超滤膜、滤去存有部分大分子蛋白质、糊精、灰分和焦糖色分子、进一步提高黄酒的非生物稳定性和光泽透明度。
     C、黄酒采用膜分离对理化感官指标的影响
     黄酒经膜过滤一般酒精度、糖分、氨基酸、态氮、总酸、挥发酯基本不会变、色率降低在10%-30%(百分比例)之间,除糖固形物的降低在0.5g/L-2g/L之间。因此膜分离对黄酒的理化指标影响不大,在黄酒的风味变化上,只是变得柔和,纯正,清爽,香气醇和幽雅。(见表2)
     由于膜分离技术有上述的优势,所以它的市场近年来有较大的扩展。在日本早在1981年就应用于清酒生产,用膜分离技术可滤除分子量1万至5万以下的小分子物质。膜分离不但可用于清酒出库前的终端过滤,也可作灭菌前二次过滤式滤除清酒贮存中产生白浊成分。还可用来浓缩含沉淀物的酒脚,浓缩率可高达20-30倍。我国在酿造行业目前应用液体错流膜除菌微滤系统设备已涉及到黄酒、酱油、米醋、饮料、水处理等,因此随着膜过滤技术在各个领域研究的逐步深入,新型膜材料和工艺将不断出现,性能优良,价格低廉的过滤膜及膜组件将随时产生。膜过滤技术必将在食品、酿造和各个领域得到更加广泛的应用和发展。

编辑:张怡

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