2.3 超滤分离技术1.pptVIP

2.3 超滤分离技术 基本原理与操作特点 浓差极化与膜污染 超滤在食品工业中的应用 一、基本原理与操作特点 超滤是以压力差为推动力的筛孔分离过程。为截留分子量在500～500000分子的膜分离过程。 超滤的基本原理 超滤法的墓本原理可以用“筛分”理论来说明，膜的表面具有无数微孔，在压力的驱动下，这些不同孔径的孔眼像筛子一样，把溶液中的分子直径相应大于它们的微粒、悬浮物、胶体和高聚物等截留住，从而达到分离的目的： 超滤技术的特点 超滤可在常温下进行，那些对热敏感物质，如果汁、酶制剂、药品蛋白质制剂等的分离、浓缩、精制，都可在不影响质量下进行。 超滤过程不发生相变，因此与一般相变分离法或其他分离法相比，它的能耗低。 超滤过程仅以压力作驱动力，故装置结构简单，操作方便，维修容易。 应用范围广泛：用于从水中分离细菌、大肠杆菌、热原、病毒及胶体微粒、大分子、有机物质等。还可适用于许多特殊溶液体系的分离，如血液净化，蛋白质精制以及把溶液中的大分子有机物与无机盐分离开来。 二、浓差极化与膜污染 1. 浓差极化 由于膜的选择透过性，被截留组分在膜料液侧表面积累，其浓度往往比料液主体浓度高的多，即形成浓差极化形象。 浓差极化的危害 （1） 使膜表面溶质浓度增高，引起渗透压的增大，从而减小传质驱动力； （2） 当膜表面溶质浓度达到其饱和浓度时，便会在膜表面形成沉积层或凝胶层，增加透过阻力，改变膜的分离特性； （3） 当有机溶质在膜表面达到一定浓度有可能对膜发生溶胀或恶化膜的性能； （4） 严重的浓差极化导致结晶析出，阻塞流道，运行恶化。 概括地说，浓差极化使得膜分离效果降低，截留率改变，通量下降。 减少浓差极化的方法 （1）预先过滤除去料液中的大颗粒； （2）增加流速、减薄边界层厚度，提高传质系数； （3）选择适当的操作压力和料液粘度，避免增加沉淀层的厚度与密度； （4）采用具有抗污染性的修饰膜； （5）定期对膜进行清洗和反冲。 2. 膜污染 膜污染(fouling) ：指料液中某些组分在膜表面或膜孔中沉积导致渗流率下降的现象。 污染也可定义为由于被截留的颗粒、胶粒、乳浊液、悬浮液、大分子和盐等在膜表面或膜内的(不)可逆沉积，这种沉积包括吸附、堵孔、沉淀、形成滤饼等。 减少或防止膜污染的方法 料液预处理：热处理、pH调节、离子交换、加入离子隐蔽剂、预过滤、加入稳定剂等； 对膜表面进行改性：亲水性膜及膜材料电荷与溶质电荷相同的膜较耐污染； 通过实验选择最佳孔径的膜； 膜结构选择：不对称结构膜较耐污染。 溶质浓度，料液流速与压力的控制：选择合适压力与料液流速，避免“凝胶层”形成，可得到膜的最佳透水率。 三、超滤在食品工业中的应用 果蔬汁的灭菌与澄清：灭菌可以延长保质期，澄清可以出去单宁、果胶、酚类等易浑浊的化合物。 乳制品工业中的应用：乳清浓缩、奶酪的生产等。 在大豆分离蛋白中的应用：分离的大豆分离蛋白灰分较少，蛋白质含量较高，氮溶解指数高。 1. 果蔬汁的灭菌与澄清 2. 乳制品工业中的应用 牛乳清浓缩 3. 在大豆分离蛋白中的应用 作业 83页， 课堂作业：1，2, 3题； 课后作业：6, 7 题。 * 超滤与反渗透的不同之处在于分离溶质分子大小的不同，超滤截留的溶质一般为相对分子质量大于500的大分子溶质，而反渗透可以将所有的溶质截留，只允许水分子通过。 * 表1 反渗透、超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较 分离技术类型 反渗透 超滤 微孔过滤 膜的形式 表面致密的非对称膜、复合膜等 非对称膜，表面有微孔 微孔膜 膜材料 纤维素、聚酰胺等 聚丙烯腈、聚砜等 纤维素、PVC等 操作压力 /MPa 2～100 0.1～0.5 0.01～0.2 分离的物质 分子量小于500的小分子物质 分子量大于500的大分子和细小胶体微粒 0.1～10μm的粒子 分离机理 非简单筛分，膜的物化性能对分离起主要作用 筛分，膜的物化性能对分离起一定作用 筛分，膜的物理结构对分离起决定作用 水的渗透通量 /(m3.m-2.d-1) 0.1～2.5 0.5～5 20～200 浓差极化引起的稳态条件下的浓度分布 膜通量随时间变化的趋势。 可以从中区别浓差极化和污染 造成膜通量持续下降的原因是膜的污染 *