食品分离新技术 一、膜分离技术 1、膜分离的基本概念 用天然或人工合成的高分子薄膜，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、提纯和浓缩的方法，统称为膜分离。 2、膜性能 （1）膜的抗氧化和抗水解性能 假如膜在水溶液中的氧化机理与膜材料在空气中的氧化相似，那么溶液中由氧化物质产生的初 级自由基（Xo）便能与高分子材料（R—H 键）进行如下反应：
食品分离新技术 一、膜分离技术 1、膜分离的基本概念 用天然或人工合成的高分子薄膜，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、提纯和浓缩的方法，统称为膜分离。 2、膜性能 （1）膜的抗氧化和抗水解性能 假如膜在水溶液中的氧化机理与膜材料在空气中的氧化相似，那么溶液中由氧化物质产生的初 级自由基（Xo）便能与高分子材料（R—H 键）进行如下反应：
R —H+Xo ——→Ro +H—X 然后高分子材料的自由基 R? 与 O2 作用进行链转移： R—H Ro+O2 ——> R—O—Oo ——> Ro+R—O—O—H 反应产物 ROOH 不稳定，经过一系列反应由醇变成醛，由醛转化为酸、CO2 和水等。膜的水解 与氧化是同时发生的，膜的水解，作用与高分子材料的化学结构密切相关，当高分子链中具有易 水解的化学基团—CONH —、—COOR —、—CN 、——CH2—O—等时，这些基团在酸或碱的 作用下会产生水解降解反应，于是膜性能受到破坏。 (2)膜的耐热性和机械强度 膜的耐热性取决于高分子材料的化学结构。由于水在膜中的渗透使高分子之间的作用力部分地 受到削弱，结果使膜的耐热性低于纯高分子材料的耐热性。为了提高膜的而热性，可能改变高分 子的链节结构和聚集态结构，提高分子链的刚性。 膜的机械度是高分子材料力学性质的表现。膜属于粘弹性体，在外力作用下，膜发生压缩或剪 切蠕变，并表现为膜的压密现象，导致膜透过速度的下降。外力消失后，若再给膜施加相同外力， 膜的透过速度也只能暂有所回升，随后很快又出现下降。这表明膜的蠕变使膜产生几乎不可逆的 变形。因此可以把膜压密系数 m 值，作为膜发生压缩蠕变的量度。 (3)膜的分离透过特性 a、分离效率 c 1 -c 2 R=——————— × 100% c1 式中 c1 、 c2 ——分别为原液和透过液中被分离物质的浓度 b、渗透通量 通常以单位时间内通过单位膜面积的透过物量表示，符号为 J，其单位为 kg/（平方米·s）。 c、通量衰减系数 因为过程的浓差极化、膜的压密以及膜堵塞等原因，膜的渗透通量将随时间而衰减
R —H+Xo ——→Ro +H—X 然后高分子材料的自由基 R? 与 O2 作用进行链转移： R—H Ro+O2 ——> R—O—Oo ——> Ro+R—O—O—H 反应产物 ROOH 不稳定，经过一系列反应由醇变成醛，由醛转化为酸、CO2 和水等。膜的水解 与氧化是同时发生的，膜的水解，作用与高分子材料的化学结构密切相关，当高分子链中具有易 水解的化学基团—CONH —、—COOR —、—CN 、——CH2—O—等时，这些基团在酸或碱的 作用下会产生水解降解反应，于是膜性能受到破坏。 (2)膜的耐热性和机械强度 膜的耐热性取决于高分子材料的化学结构。由于水在膜中的渗透使高分子之间的作用力部分地 受到削弱，结果使膜的耐热性低于纯高分子材料的耐热性。为了提高膜的而热性，可能改变高分 子的链节结构和聚集态结构，提高分子链的刚性。 膜的机械度是高分子材料力学性质的表现。膜属于粘弹性体，在外力作用下，膜发生压缩或剪 切蠕变，并表现为膜的压密现象，导致膜透过速度的下降。外力消失后，若再给膜施加相同外力， 膜的透过速度也只能暂有所回升，随后很快又出现下降。这表明膜的蠕变使膜产生几乎不可逆的 变形。因此可以把膜压密系数 m 值，作为膜发生压缩蠕变的量度。 (3)膜的分离透过特性 a、分离效率 c 1 -c 2 R=——————— × 100% c1 式中 c1 、 c2 ——分别为原液和透过液中被分离物质的浓度 b、渗透通量 通常以单位时间内通过单位膜面积的透过物量表示，符号为 J，其单位为 kg/（平方米·s）。 c、通量衰减系数 因为过程的浓差极化、膜的压密以及膜堵塞等原因，膜的渗透通量将随时间而衰减
3、分离用膜 （1）纤维素酯系膜 纤维素酯系膜主要是纤维素醋酸酯，又称醋酸纤维素或乙酰纤维素。醋酸纤维素是纤维素中的 — OH 基被醋酸酯化成—OOCCH 的产物，简写 CA。若有二个和三个—OH 基被醋酸酯化，则分 别写成 CA2，CA3。 醋酸纤维素的取代度和取代的化学基团的种类将对纤维膜的制作、膜性能及应用条件产生影 响。这些影响主要有如下几个方面： a、对醋酸纤维素溶解性能的影响 图 b、对醋酸纤维素膜性能的影响 表 c、对膜应用特性的影响 膜的抗压密性取决于高分子材料的刚性。对醋酸纤维素采用化学交联、辐射接枝或提高取代基 支化度可提高大分子链的刚性，改善膜的抗压密性。 （2）聚酰亚胺膜 聚酰亚胺是指含有酰亚胺基团的聚合物，是由二元酸酐和二元胺缩聚而成的。聚酰亚胺是一种 耐热性、耐化学稳定性极佳的高分子材料，所以聚酰亚胺膜有良好的热稳定性特别是耐有机溶剂 性。同时它有较好的透水速度和分离率。 （3）聚砜系膜 有代表性的芳香族聚砜包括：
3、分离用膜 （1）纤维素酯系膜 纤维素酯系膜主要是纤维素醋酸酯，又称醋酸纤维素或乙酰纤维素。醋酸纤维素是纤维素中的 — OH 基被醋酸酯化成—OOCCH 的产物，简写 CA。若有二个和三个—OH 基被醋酸酯化，则分 别写成 CA2，CA3。 醋酸纤维素的取代度和取代的化学基团的种类将对纤维膜的制作、膜性能及应用条件产生影 响。这些影响主要有如下几个方面： a、对醋酸纤维素溶解性能的影响 图 b、对醋酸纤维素膜性能的影响 表 c、对膜应用特性的影响 膜的抗压密性取决于高分子材料的刚性。对醋酸纤维素采用化学交联、辐射接枝或提高取代基 支化度可提高大分子链的刚性，改善膜的抗压密性。 （2）聚酰亚胺膜 聚酰亚胺是指含有酰亚胺基团的聚合物，是由二元酸酐和二元胺缩聚而成的。聚酰亚胺是一种 耐热性、耐化学稳定性极佳的高分子材料，所以聚酰亚胺膜有良好的热稳定性特别是耐有机溶剂 性。同时它有较好的透水速度和分离率。 （3）聚砜系膜 有代表性的芳香族聚砜包括：
目前在膜的研制上大体朝以下几方面发展： a、研制耐氯性、耐高温、高脱盐率、高透水率的低压（<1.7Mpa）脱盐膜。以用于海水，苦咸 水等脱盐。 b、研制耐高酸碱度、耐高温、抗污染、耐细菌侵蚀、耐有机溶剂的分离膜。以用于工业溶液和 废水处理。 c、研制特种分离膜。如食品发酵工业上所需的蛋白质分离膜、固定酶用膜等等。 4、膜分离的基本方法及其原理 （1）反渗透 图 a、反渗透的基本原理 反渗透是利用反渗透膜选择性的只能透过溶剂（通常是水）的性质，对溶液施加压力以克服溶 液的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而从溶液中分离出来的过程。其原理如图所示
目前在膜的研制上大体朝以下几方面发展： a、研制耐氯性、耐高温、高脱盐率、高透水率的低压（<1.7Mpa）脱盐膜。以用于海水，苦咸 水等脱盐。 b、研制耐高酸碱度、耐高温、抗污染、耐细菌侵蚀、耐有机溶剂的分离膜。以用于工业溶液和 废水处理。 c、研制特种分离膜。如食品发酵工业上所需的蛋白质分离膜、固定酶用膜等等。 4、膜分离的基本方法及其原理 （1）反渗透 图 a、反渗透的基本原理 反渗透是利用反渗透膜选择性的只能透过溶剂（通常是水）的性质，对溶液施加压力以克服溶 液的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而从溶液中分离出来的过程。其原理如图所示
b、反渗透的特性参数 在反渗透中，单位时间内通过半透膜的透过液体积（或质量）称为透水速率，以 Q 或 dV/dt 表示之；而单位时间膜面积上通过的透过液体积或质量，称为透水速度，以 JW 表示之，即 J W =Q/A =1/A ·dV/dt （2）超滤 图 应用孔径为 1.0-20.0nm(或更大)的超滤膜来过滤含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微 细粒子从溶液中分离的过程称之为超滤。与反渗透类似，越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。与反渗透不同的是，在超滤过程中，小分子溶质将随同溶剂一起透过 超滤膜。在超滤中，其分离的物理因素较物化因素更为重要。 （3）电渗析 图:电渗析设备
b、反渗透的特性参数 在反渗透中，单位时间内通过半透膜的透过液体积（或质量）称为透水速率，以 Q 或 dV/dt 表示之；而单位时间膜面积上通过的透过液体积或质量，称为透水速度，以 JW 表示之，即 J W =Q/A =1/A ·dV/dt （2）超滤 图 应用孔径为 1.0-20.0nm(或更大)的超滤膜来过滤含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微 细粒子从溶液中分离的过程称之为超滤。与反渗透类似，越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。与反渗透不同的是，在超滤过程中，小分子溶质将随同溶剂一起透过 超滤膜。在超滤中，其分离的物理因素较物化因素更为重要。 （3）电渗析 图:电渗析设备