第五章食品分离新技术ppt课件.ppt

第五章 食品分离新技术,第一节 超临界流体萃取技术第二节 超滤和反渗透技术第三节 电渗析技术第四节 工业色谱技术,第一节 超临界流体萃取技术,一、超临界流体的萃取原理二、超临界流体萃取的过程系统三、超临界流体萃取技术在食品工业中的应用,超临界流体萃取（Supercritical Fluid Extraction，缩写SCFE）是利用流体（溶剂）在临界点附近某一区域（超临界区）内所具有的高渗透能力和高溶解能力萃取分离混合物的过程。,近二十多年来，超临界流体萃取技术的研究取得了很大的进展，它在食品工业中的应用日益广泛。例如：从茶、咖啡豆中脱咖啡因，萃取啤酒花，从植物中萃取香精油等风味物质，从各种动植物油中萃取多种脂肪酸，从奶油和鸡蛋中去除胆固醇等。随着超临界流体萃取技术的不断完善以及和其它高新技术的结合使用，一定会改变目前超临界流体萃取投资费用高的问题，其应用前景也将更加广泛。,一、超临界流体的萃取原理,任何物质都具有气、液、固三态, 随着压力、温度的变化、物质的存在状态也会相应发生改变, 上图标出了各相存在的区域。在相图中, 当气一液两相共存线自三相点延伸到气液临界点后, 气相与液相混为一体,相间的界线消失, 物质成为既非液体也非气体的单一相态, 即超临界状态, 此时物质不能再被液化。,一、超临界流体的萃取原理,一、超临界流体的萃取原理,纯物质的临界温度（Tc）和压力该物质处在无论多高的压力下均不能被液化时的最高温度（临界温度），与该温度对应的压力为临界压力（pc）。物质以液态形式出现的最高温度；临界压强是液体在临界温度时的饱和蒸气压。,超临界流体指那些高于又接近流体临界点Pc、Tc，以特殊形式而存在的流体。其多种物理化学性质介于气体和液体之间，并兼具两者的优点。如具有液体一样的密度、溶解能力和传热系数，具有气体一样的低粘度和高扩散系数。考虑溶解度、选择性、临界点数据等因素，可选择超临界流体溶剂。食品工业中常用萃取剂为CO2。二氧化碳的临界温度和临界压力较低( Tc = 31.1, Pc = 7. 38Mpa c=460kg/m3)。,1、超临界流体的P-V-T性质,压力密度温度关系图,由CO2的P-T-相平衡图可以知道，在稍高于临界点的温度区域，压力稍有变化，将引起密度很大变化。超临界流体密度已接近该物质的液体密度。其对液体和固体的溶解性与常规液体相当，但此时状态仍为气态，具有高的扩散性。,二氧化碳的压力-密度等温线,CO2流体密度的变化规律如下：,密度变化范围？,压力、温度与密度？,（1）在超临界区域，流体密度可以在很宽的范围内变化（150g/l-900g/l)，因此，适当控制流体压力和温度可以使其密度变化达到3倍以上。（2）在临界点附近，压力和温度的微小变化，可以大幅度改变流体密度。流体溶解能力取决于流体密度。密度变化规律所呈现出的上述两个特点成为超临界流体萃取的理论基础和萃取过程参数选择的重要依据。,超临界区内, 如图阴影区所示, 1Tr1.4,1Pr5的的区域常作为超临界二氧化碳的工作区。在温度一定的场合下, 临界温度附近的等温线上, 密度对于压力的变化十分敏感。压力的增加或减小, 密度随之增加或减小, 对物质的溶解能力也随之增加或减小。前者有利于溶质的萃取, 后者有利于溶质的分离回收。,2、超临界流体的传递性质,超临界流体和其他流体传递性质比较 超临界流体密度接近液体的密度，而粘度接近普通气体，扩散能力比液体大约100倍。,超临界二氧化碳中溶质的扩散系数,（1）扩散系数与温度和压力的关系,如图所示中溶质的扩散系数为温度和压力的函数。溶质在超临界流体中的扩散系数与在通常液体中相比高出50100倍。因此, 对动物或植物组织中有效成分进行萃取时, 具有高度的质量传递速率。扩散系数与温度和压力的关系：与温度成正相关，与压力成负相关。,（1）扩散系数与温度和压力的关系,超临界流体二氧化碳的密度在超临界压力附近随压力的稍微增加而大幅度增加（可达3倍），而后随压力增大增幅渐趋缓慢。,（2）密度与压力的关系,如图5-5：,超临界流体二氧化碳的黏度在超临界压力附近随压力的稍微增加而大幅度降低，而后随压力增大增幅渐趋缓慢。纯角鲨烷在超临界流体二氧化碳、氮气、氩气内，黏度随压力升高二降低。扩散系数与黏度关系,（3）黏度与压力的关系,如图5-5和图5-7：,：反比。,超临界流体的扩散系数大，黏度小，渗透性好，与液体萃取相比，可以更好地完成传质，达到平衡，促进高效分离过程的实现。,3、超临界流体的溶解能力,超临界流体的溶解能力与密度有关系，在临界区附近，操作压力和温度的微小变化，引起流体密度的大幅度变化，从而影响其溶解能力。图510表示萘在超临界流体二氧化碳中的溶解度随密度和温度变化。萘的溶解度随二氧化碳密度增加而呈指数提高，且在密度相同情况下，溶解度随温度的提高而增加。,（1）超临界流体溶解能力与密度和温度的关系,部分物质在超临界流体二氧化碳中的溶解能力随二氧化碳密度的升高而升高，不同物质溶解度不同。菲在SCF乙烯中的溶解能力随SCF密度增加而呈指数增加。密度相同，温度越高，溶解度越大。,如图5-12和图5-9：,（1）超临界流体溶解能力与密度和温度的关系,部分物质在超临界流体二氧化碳中的溶解能力随二氧化碳密度的升高而升高，不同物质溶解度不同。菲在SCF乙烯中的溶解能力随SCF密度增加而呈指数增加。密度相同，温度越高，溶解度越大。,如图5-12和图5-9：,（2）超临界流体溶解能力与压力和温度的关系,萘在超临界流体二氧化碳中的溶解能力随压力升高而升高。萘在稍高于临界温度时，中等程度的压力下溶解度随温度升高而降低；较高压力下，温度的上升导致溶解度增大。,如图5-10和图5-11 ：,以超临界流体作为萃取剂，要达到预期的分离效果，关键之一在于选择适当的操作压力和温度。,一般物质在超临界流体中的溶解度c与超临界流体密度之间的关系 lnc=mln+k m系数 k常数，与萃取剂、溶质化学物理性质有关。由上式可知，影响超临界流体溶解能力的因素包括：压力、温度、萃取剂和溶质性质。,1 密度类似液体，因而溶剂化能力很强 密度越大溶解性能越好2 粘度接近于气体，具有很好的传递性能和运动速度3 扩散系数比气体小，但比液体高一到两个数量级，具有很强的渗透能力,超临界流体的性质,总之，超临界流体具有液体的溶解能力又具有气体的扩散和传质能力。,1、CO2的临界温度接近于室温，适合于热敏性物质，完整保留生物活性，而且能把高沸点，低挥发度，易热解的物质分离出来。,4、CO2无毒、无味、不燃、不腐蚀、价廉，易于精制、易于回收，无污染,超临界CO2流体萃取的优点,2、CO2的临界压力适中，目前工业水平易达到；,3、CO2的临界密度是常用超临界溶剂中最高的（合成氟化物除外），即溶解能力较好；,4、超临界流体萃取的选择性,提高萃取剂选择性的基本原则：超临界流体的化学性质和待分离物质的化学性质相近；操作温度和超临界流体的临界温度相近。选择萃取剂的主要因素：本身为惰性，且对人体无害；具有适当的临界压力，以减少压缩费用；具有低的沸点，以便从溶质中分离。,(1) 易挥发，易与溶质分离；(2) 黏度低，扩散系数高，有很高的传质速率；(3) 只有相对分子质量低于500的化合物才易溶于二氧化碳；(4) 中、低相对分子质量的卤化碳、醛、酮、酯、醇、醚易溶于二氧化碳；(5) 极性有机物中只有低分子量者才溶于二氧化碳；(6) 脂肪酸和甘油三酯不易溶于二氧化碳，但单酯化作用可增加溶解度；(7) 同系物中溶解度随相对分子质量的增加而降低；(8) 生物碱、类胡萝卜素、氨基酸、水果酸、氯仿和大多数无机盐不溶于二氧化碳。,二氧化碳的主要特点:,超临界流体萃取的工艺流程一般是由萃取（CO2溶解组分）和分离（CO2和组分的分离）两步组成。 包括高压泵及流体系统、萃取系统和收集系统三个部分, 基本工艺流程,二、超临界流体萃取的过程系统,1、超临界流体萃取的过程系统,下图为典型的超临界流体萃取流程。首先将溶剂压缩，使其达到超临界态，然后在萃取器内进行萃取。可以采用常规的固液萃取或液液萃取设备，但在高压下进行。萃取相经膨胀阀减压，溶剂即汽化。在分离器内进行分离，剩余的物质就是溶质，汽化后的溶剂循环进入压缩机，必要时补充一些溶剂。,超临界流体萃取的流程,控制压力的方法,？, 解析方法,控制温度的方法,？, 解析方法,吸附法,？,压缩机,萃取釜,热交换器,二氧化碳循环泵,南通市华安超临界萃取有限公司萃取釜 容积500ml,北京天安嘉华超临界科技发展有限公司,云南亚太致兴生物工程研究所,德国UHDE公司萃取釜 容积500L,美国Supercritical Processing Inc,为达到理想萃取分离效果，应根据被萃取物料的特性，选择合适溶剂和萃取操作条件。实际上在临界温度和临界压力以上，操作条件（温度和压力）不同，被萃取物料组分存在较大差异。食品工业超临界流体萃取应用的典型操作温度、压力范围较广（见图514）。,2、超临界流体萃取的操作特性,一般根据操作特性不同划分成三个区域：全萃取区、分馏区和脱臭区。全萃取区：目标组分基本可全部溶出的操作区，操作压力和温度高，萃取率高，考虑到成本、安全、物料特性等因素，应寻找最佳操作条件。脱臭区：靠近临界温度和压力的操作区。主要萃取挥发度较高的组分。主要应用于脱出物料中具有不良气味的芳香类化合物以及提取有用芳香物（香精香料）。分馏区：属中压操作区，当多组分物系超临界萃取时，利用溶剂对各组分选择性差异而产生分馏。,三、超临界流体萃取技术在食品工业中的应用,超临界流体萃取技术迅速发展的原因：各国尤其发达国家对食品、药物等溶剂残留、污染制定的严格的控制法规；消费者日益担心食品生产中化学物质的过多使用；传统加工技术不能满足高纯优质产品的要求；传统加工技术能耗大。,三、超临界流体萃取技术在食品工业中的应用,超临界流体萃取技术的优点：具有较高的扩散性，减小了传质阻力，有利于多孔疏松的固态物质及细胞材料中化合物的萃取；操作上具有灵活性和可调性；可在低温下进行，有利于热敏性物料分离；具有低的化学活泼性和毒性。,超临界流体萃取技术最早应用于食品领域是从咖啡中脱除咖啡因。由于健康理念的改变，西方国家对脱咖啡因的咖啡需求增加。,1、超临界流体萃取技术用于脱除咖啡因,传统方法：溶剂萃取（乙酸乙酯、二氯甲烷的、一氧化二氮等）；缺点：产品纯度低、工艺复杂、提取率低，溶剂残留等。工业上超临界二氧化碳萃取法脱除咖啡豆中咖啡因的流程： 用水回收咖啡因 咖啡豆清洗去杂 预泡（含水3050） 装填 萃取器萃取 分离器分离（装水） 蒸馏回收咖啡因,用水回收咖啡因流程,活性碳回收咖啡因流程,活性炭回收法（吸附法）：,活性炭和咖啡豆混床萃取流程筛分炭粒和咖啡豆,含咖啡因的超临界二氧化碳用70一90 水洗净, 含有咖啡因的水脱气后, 蒸馏回收咖啡因。经90 10h运转, 原料咖啡豆中咖啡因含量由0.7-3%降至0.02%以下。,有机溶剂萃取的酒花萃取液为暗绿色膏状, 含有很多不纯物,而且残留有机溶剂(二氯甲烷）。超临界二氧化碳萃取的酒花萃取物颜色为橄榄绿, 一酸提取率近99, 硬树脂萃取率仅为5.2, 而且不萃取农药, 芳香成分不氧化。生产装置流程示意图见图516 操作条件：温度3538 ，压力830MPa,2、超临界流体萃取技术用于啤酒花萃取,（1）萃取和精制小麦胚芽油 胚芽占麦粒23，是生产面粉过程中的副产物，含812的脂肪，其中含亚油酸等不饱和脂肪酸，每100克胚芽中约含300毫克天然复合维生素E，还含30的蛋白质，其中包括八种必需氨基酸，营养和保健价值极高。,3、超临界流体萃取技术用于动植物油的萃取分离,传统制备方法：压榨法和溶剂萃取法压榨法：出油率5，溶剂法：810，出油率提高，但存在溶剂残存问题，此外破坏胚芽中蛋白质，且需要经过脱胶、脱色、脱酸、脱臭等精制工艺得到精制小麦胚芽油。通过超临界二氧化碳流体萃取工艺，即萃取后，在一系列分离器中分步降低压力并调节温度，使不同性质组分分别在不同分离器中析出，达到脱胶、脱色、脱酸、脱臭过程同时完成，一步制得精制小麦胚芽油。解决游离脂肪酸氧化和脱脂胚芽蛋白品质低等问题。,（2）萃取油脂和胆固醇冷冻碎牛肉（19）脂肪：萃取条件： 103310 bar，3050 分离条件： 34.5 bar，40 流量：1.72.1 kg/h处理时间：48h油脂萃取率71.2%，胆固醇萃取率37.9%,干燥猪肉：油脂萃取率71.9%，胆固醇萃取率78%脱水鸡肉：油脂萃取率95%，胆固醇萃取率84%高脂肪猪肉： 萃取条件： 100310 bar，3050 油脂萃取率10%,随着对SCF性质认识的深入,超临界微粒化、超临界条件下的化学反应、超临界色谱等超临界流体新技术也得到了迅速发展,所涉及的应用范围也在迅速扩大。,4、超临界流体萃取技术发展,第二节 超滤和反渗透技术,一、反渗透与超滤原理二、反渗透、超滤膜的性质三、反渗透与超滤膜组件四、反渗透与超滤系统的工艺流程五、超滤和反渗透技术在食品工业中的应用,早在1748年，Abble Nelkt就发现水能自然地扩散到装有酒精的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象。但膜分离技术的大量研究和应用则是20世纪50年代以后的事，并且很快发展到工业化应用阶段。目前，膜分离已成为分离混合物的重要方法，广泛应用于食品、生物、化工、制药、电子、纺织和环保等行业。 膜分离(Membrane Separation)是利用具有一定选择透过性的过滤介质，依靠其两侧存在的能量差作为推动力，利用混合物中各组分在过滤介质中迁移速率的不同来实现物质的分离与纯化的单元操作。,食品膜分离技术,（1）微滤（MF）：截留颗粒直径0.22m，可除去淀粉、细菌、霉菌、乳化油等。（2）超滤（UF）：截留颗粒直径0.020.22m，相当于分子量10005105道尔顿。可滤出蛋白质、脂肪、病毒、树脂和色素物质。（3）反渗透：被截留物质分子量小于1000道尔顿，只允许溶解质或水通过，被形容为脱水浓缩技术。（4）电渗析：应用海水淡化、溶液脱盐等。可提高发酵液中谷氨酸收得率。（5）透析：应用生物大分子分离纯化，除去小分子、脱盐等。,食品工业中几种主要膜分离,几种主要分离膜的分离过程,利用半透膜的微孔过滤以截留溶液中大溶质分子的操作称为超滤，而这样的半透膜称为超滤膜。 超滤的驱动力是压力，通常高达1.0MPa。,如果在膜的两侧施加一个逆向的压强差，使其大于渗透平衡时的压强差，就会出现溶剂倒流现象，使黏度较高的溶液进一步得到浓缩，这种现象称为反渗透。,透水速率（透过速度）：单位时间内通过单位面积膜的液体体积或质量m3/(m2.h)或kg/(m2.d)。可透度：某一种组分或某一体积溶液透膜传质的能力。,一、反渗透与超滤原理,1、基本概念,进料液,提浓液,透过液,透水速率,脱除率,选择性：各种组分可透度的比值，是一个用来描述膜材料的特征参数。脱除率（截留率）：被膜阻留溶质占总溶质的百分数。脱除比：组分在进料液中浓度与透过液中浓度之比。,一、反渗透与超滤原理,1、基本概念,2、反渗透与超滤的基本原理,反渗透的基本原理：如上图所示，出现一系列现象：平衡：膜两侧压力相等；渗透：以浓度差为推动力的渗透现象；渗透平衡：膜两侧静压力等于两溶液间的渗透压；反渗透：膜两侧静压力大于两溶液间的渗透压。,反渗透必须满足两个条件：有一种高选择性与高透水率的选择膜；操作压强必须大于溶液的渗透压。,超滤的基本原理（如图5-20所示）：筛孔分离过程在静压差的推动下，原料液中的溶剂及小分子溶质从高压进料液侧透过膜进入低压侧，而大分子组分则被膜所阻留而增浓。,渗透实验表明，溶质不能透过膜，至少相对于溶剂的可透度来说是这样的。在达到动态平衡之前，纯溶剂将通过膜进入溶液侧并稀释该溶液，该过程一直要进行到膜两侧的压强差与稀溶液的渗透压相等为止。,3、渗透压,浓差极化是一种边界层现象，由被膜阻留的溶质积聚在膜表面而引起。膜完全阻留了溶质，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。在反渗透过程中经常出现。,4、膜的浓差极化及其控制,浓差极化边界层的形成带来两个不利影响：降低了透水速率和膜系统的分离能力。影响浓差极化的主要因素：透水速率；溶液黏度；溶质在溶液中的扩散系数；表面溶液的流动情况。,4、膜的浓差极化及其控制,浓差极化实际上是不可避免的，但可以采用适当的方法减缓其影响。通常采取下列措施：(1)预处理 在进入膜处理以前，对溶液进行预过滤，去除微粒状物质，降低待阻留溶质的浓度；(2)温度 在物料性质与膜性质允许的范围内，尽可能提高待处理液的温度；(3)溶液的流动形式 以减少膜表面处层流内层的厚度为目的。因此，常采取错流、制造湍流(如采用搅拌、超声波振动、脉冲等)等措施；(4)操作方式 间歇地对膜进行逆向冲洗，避免浓差极化严重后造成膜污染而致使膜报废。,反渗透与超滤中影响膜使用寿命的因素：水解作用：碱性或强酸性液体造成醋酸纤维素膜的水解；膜的压实：膜在较高压强下的永久变形，使透水率随时间的延长而下降；膜的污染：浓差极化及其他污染现象。,5、膜的污染与控制,膜选择的指标：分离能力（选择性和脱除率）；分离速度（透水速率）；膜抵抗化学，细菌和机械力的稳定性（对操作环境的适应性）；膜材料成本。,二、反渗透、超滤膜的性质,有机聚合物膜制膜材料：改性突然产物合成产物,各向同性膜（均相膜）：浇铸方式制得，膜两面的结构特点一样。各向异性膜（非均相膜）：不对称膜，一面称紧密的细孔状，另一面呈较厚的海绵状。复合膜：各向异性膜，由一种以上膜材料制成。动态膜：特殊形式的复合膜，透水量大，致密层可定期洗涤并再形成，但脱盐率相对较低。,1、有机聚合物膜的种类与性质,时至今日，80%的反渗透膜为醋酸纤维素膜（非均相膜），其仍然存在一些缺陷:该膜生物可降解，对微生物侵染很敏感；在较高温度和（或）压强下出现漂移和压实现象，使透水速率下降很快；对化学侵蚀抵抗性差；对水解敏感，易缩短使用寿命，清洗剂的使用会缩短其使用时间。,复合膜的优点：膜每一亚层的操作特性得以优化；可使用生物不可降解的非纤维质材料制膜；膜可在高温，高压下操作。,平板膜：乳品工业上，常用于乳清的清洗管状膜螺旋平板膜中空纤维膜：主要材料有三醋酸纤维素、芳香聚胺和聚酰肼等。 制备方法：挤压法或纺丝法 其中纺丝法3种：湿法纺丝、干法纺丝和融熔纺丝。,2、反渗透膜与超滤膜的构型,膜分离装置主要包括膜组件与泵，膜组件是核心。膜组件是膜以某种形式组装在一个单元设备内，它是料液在外界压力作用下实现对溶质与溶剂的分离。工业上常用的膜组件有板框式、管式、螺旋卷式、中空纤维式、毛细管式和槽条式6种。,三、反渗透与超滤膜组件,这是最早使用的一种膜组件。从结构形式上分为螺栓紧固式与耐压容器式2种。螺栓紧固式：结构简单紧凑，安装拆卸及更换膜较方便。缺点：对承压板的强度要求较高；需用加厚板，导致膜填充密度减小。耐压容器式：对板强度要求较低，膜的填充密度大，但安装、检修和换膜不方便。,1、板框式膜组件,最大特点：制造、组装比较简单，膜的更换、清洗与维护比较容易。可根据实际情况增加膜的层数；膜组件进料液流道截面积较大，压力损失较小。对膜的机械强度要求比较高；单程回收率较低，循环量及循环次数比较多，泵的容量要大，且能耗增加。,板框式膜组件的特点,最早应用于1961年。按连接方式有单管式和管束式；按作用方式有内压型管式和外压型管式。,2、管状膜组件,3、螺旋卷式膜组件,突出优点是填充密度高，约是板框式的1.5倍，但也带来一个缺点，就是无法进行机械清洗。,特点：能做到非常的小型化；透过水侧的压强损失大，通过膜的水是由极细的中空纤维膜组件的中心部位引出，压强损失高达数个大气压；膜面污垢的去除较困难；中空纤维膜组件一旦损坏便无法更换。,5、中空纤维膜组件,中空纤维膜组件开发的关键技术：要有能制作长期耐压的中空纤维，并实现它工业化生产的高技术；要有使液体在中空纤维间均匀流动，且可将湿态中空纤维完全黏接密封的技术。根据进料液的流动方式，中空纤维膜组件可分为：轴流式放射流式纤维卷筒,单向流程再循环流程 开式回路 闭式回路,四、反渗透与超滤系统的工艺流程,由上述2种基本流程，再通过组件的不同配置，即可组合成各式各样的反渗透或超滤系统。具体的分离流程，通常可分成若干级若干段。一级是指进料液经过一次加压反渗透（或超滤）分离；二级是指进料液必须经过二次加压反渗透（或超滤）分离。在同一级中，排列方式相同的组件称为一段。,一级一段系统：操作简单，能耗最少。一级多段系统：适合于大处理量的场合，水的回收率高，浓缩液的数量减少，但溶质浓度提高。多级多段系统：适用于工业操作中要求达到的分离程度很高时的场所。,膜分离在食品工业中应用广泛的原因：在分离浓缩时不需加热，同时在闭合回路中运转减少了空气中氧的影响；在操作时只需简单的加压输送，反复循环，古工艺比较简单，操作方便；没有相的变化，能耗较低；装置小，结构简单，设备费用低；对稀溶液中微量成分的回收、低浓度溶液的浓缩等目前尚有许多困难，但膜分离法却有可能应用于此目的；物料在通过膜的迁移中不含发生性质的改变。,五、超滤和反渗透技术在食品工业中的应用,1、乳品加工2、甜菜糖业3、食品组分的浓缩4、发酵工业5、食品组分的分离6、副产物的回收,利用超滤的乳清粉生产工艺,1、乳品加工,牛乳,乳糖浓缩物,滤液,奶酪,反渗透,粉末,干燥,蒸发,超滤,陈化,净化,提取奶酪,过程水,不产生乳清的软奶酪工艺流程图,1、乳品加工,原料乳,调解脂肪含量,滤液,稀奶油,加热,包装,熟化,铸型成模,超滤,陈化,离心,巴氏杀菌,添加其他成分,脱模,脱脂牛乳,黄油,浓缩奶酪,软奶酪,利用超滤法澄清甜菜渗出汁时：截留相对分子质量在10000-30000之间的超滤膜最适用于糖汁清净；操作温度由30上升到60可使透液速率提高1倍，古操作温度高些为佳；操作时的平均压强宜在0.4-0.6MPa；渗出汁的预处理对提高超滤时非糖分的去除效果很大，因此十分必要；在一定条件下，加入适量的石灰或絮凝剂，可使超滤速度及清净效果大为改观。,2、甜菜糖业,番茄汁的浓缩橘汁的浓缩鱼汁的浓缩蛋白质的浓缩,3、食品组分的浓缩,发酵液的分离酶的精制,4、发酵工业,5、食品组分的分离,酒与啤酒中酒精的去除葡萄酒中酒石的沉淀果汁澄清与清酒生产,水果鸡尾酒冲洗水的膜处理桃加工副产物的回收化学物质的回收废水处理与水的再循环利用,6、副产物的回收,第三节 电渗析技术,一、电渗析原理二、离子交换膜三、电渗析系统四、电渗析技术在食品工业中的应用,电渗析：在直流电场作用下，溶液中的离子选择性地通过离子交换膜的过程。主要用于溶液中电解质的分离。,电渗析与反渗透,电渗析与反渗透,不同点：反渗透过程，水是在低压下透过膜，必要能耗是水分子透过膜在通道中摩擦引起的，表明与原水浓度无关；电渗析过程，是离子透过膜，从淡水侧迁移到浓水侧，必要能耗是离子透过膜通道中摩擦引起的，与原水浓度成正比。,一、电渗析原理,在淡化室中通入含盐水，接上电源，溶液中带正电荷的阳离子，在电场的作用下，向阴极方向移动到阳膜，受到膜上带负电荷的基团的异性相吸引的作用而穿过膜，进入右侧的浓缩室。带负电荷的阴离子，向阳极方向移动到阴膜，受到膜上带正电荷的基团的异性相吸引的作用而穿过膜，进入左侧的浓缩室。淡化室盐水中的氯化钠被除去，得到淡水，氯化钠在浓缩室中浓集。,电渗析脱除溶液中的离子必须依据的条件：直流电场的作用使溶液中阴、阳离子做定向运动，阳离子向阴极方向移动，阴离子向阳极方向移动；离子交换膜的选择性透过，使溶液中的离子作反离子迁移。,离子交换膜是一种具有离子交换性能的高分子材料制成的薄膜。它对阴、阳离子具有选择性透过性，其根本原因在于膜中能解离的离子基团不同。对离子交换膜的要求：具有较好的离子选择透过性；膜电阻应小于溶液的电阻；具有足够的化学稳定性；具有较好的机械强度和适当的厚度；具有适当的孔隙度。,二、离子交换膜,1、离子交换膜的分类,无机离子交换膜耐酸、碱型离子交换膜,按膜机能的分类,1、离子交换膜的分类,按膜结构的分类,均相离子交换膜：主体组分中各成分以分子状态均匀分布，不存在相界面。非均相离子交换膜：通过黏合剂把粉状树脂制成片状膜，树脂与粘结剂等组分间存在相界面。半均相离子交换膜,膜电阻常用面电阻表示，其单位为cm2 。也可用电阻率(cm)或电导率(lcm1)来表示。膜电阻影响电渗析器工作时，所需要的电压和电能消耗。一般在不影响其他性能的情况下电阻越小越好。通常以25，于0.1molL KCl溶液或0.1molLNaCI溶液中测定的膜电导作为比较标准。,2、离子交换膜的特征参数,交换容量 每克干膜所含活性基团的毫克当量数；一般交换容量，选择透过性，导电能力(但是由于活性基团一般具有亲水性)； 当活性基团含量时，膜内水分 溶胀度，膜强度；膜结构疏松，选择性。一般膜的交换容量约为23meqg。,含水量每克干膜所含水的克数 ()；(膜的含水量与其交换容量和交联度有关)；一般膜的含水量约为2040左右。,反离子迁移数与选择透过度离子迁移数：一种离子在膜内的迁移量与全部离子在膜内迁移量的比值，可用离子迁移所携带电量之比来表示。一般要求选择透过度大于85, 反离子迁移数大于0.9,水的电渗透量：水通过离子交换膜的渗透:浓度差与渗透压的存在造成水由稀侧向浓侧渗透；呈水合状态的电解质离子透过膜时伴随发生的水迁移；水电渗析引起的水迁移。水的电渗透量是膜的一项重要综合指标，主要决定于膜体结构和操作条件。,电渗析器主要由离子交换膜、隔板、电极和夹紧装置等组成。其结构主要是使一列阳、阴离子交换膜固定于电极之间，保证被处理的液流能绝对隔开。,三、电渗析系统,1、电渗析器的结构,离子交换膜：是电渗析器的心脏部件，使用前需经充分浸泡后剪裁并打孔；电渗析停止运行时，必须充满溶液以防止变质变形。隔板：电渗析器的支承骨架与水流通道形成的构件，是不可缺少的组成部分。对隔板的要求：隔板材料应具有化学稳定性，价格较便宜；隔板厚度应尽量小，以减少水层厚度、降低水层电阻；在隔板中间流槽内流动时要求能形成良好的湍流；在隔板设计上尽量加大有效膜面积。,电极，其选择原则为：导电性能好；机械强度高；不易破裂；对所处理的溶液具有化学稳定性；特别要防止电极反应产物对电极的腐蚀。,膜对与膜堆：由一张阳膜与一个浓（淡）水室隔板、一张阴膜与一个淡（浓）水小隔板而组成的一个淡水室与一个浓水室，是电渗析器的最基本单元，称为一个膜对。一系列的这样单元组装在一起即称为膜堆；级：一对电极之间的膜堆称为一级，一台电渗析器内的电极对数称为级数；段：一台电渗析器中浓、淡水隔板水流方向一致的膜堆称为一段，水流方向每改变一次则段数就增加；台：用夹紧装置将膜堆、电极等部件锁紧组成一个完整的电渗析器，称为一台；系列：把多台电渗析器串联起来成为一个整体，称为系列；串联脱盐：用以提高脱盐率，有段与段串联、级与级串联、台与台串联三种类型。,2、电渗析的操作流程,1、电渗析用于生物制品的脱盐精制氨基酸生产中用电渗析法进行分离与精制；水解淀粉生产葡萄糖时，可用电渗析法去除水解液中的无机盐。2、食品组分的分离葡萄酒冷稳定处理大豆蛋白质的分离,四、电渗析技术在食品工业中的应用,沉淀结垢是影响电渗析器运行的一个主要问题。膜面的浓差极化，是产生结垢的主要原因。当采用过大的操作电流(或隔室内水流状态不佳)时，会在膜表面造成缺乏离子的“真空”情况，水就会解离产生H+和OH-，由H+和OH-的迁移来补充传递电流。此即极化现象。 极化现象的产生会给电渗析器的运行带来很大的危害，诸如电渗析器无法正常工作，耗电量增加，膜的使用寿命缩短等。因此，在电渗析器的运行中，应采取以下措施：(1)严格控制操作电流，使之在低于极限电流密度下运行；(2)强化电渗析隔室内的流动状态；(3)定期清洗，加入防垢剂；(4)定期倒换电极等。,电渗析器运行中的主要问题,第四节 工业色谱技术,一、工业色谱分离原理二、工业色谱分离系统三、工业色谱技术在食品工业中的应用,色谱都包含一个流动相（气相或液相）和一个固定相，分离的基础是组分向前差速迁移。色谱分类：根据流动相，分为气相色谱和液相色谱；根据固定相，分为吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱、亲和色谱和排阻色谱。,一、工业色谱分离原理,1、工业色谱分离的特点,色谱/层析/色层机理：利用多组分混合物中各组分物理、化学性质的差别，使各组分以不同程度分布在固定相和流动相中。 当多组分混合物随流动相流动时，由于各组分物理、化学性质的差别，而以不同的速率移动，使之分离、纯化。,色谱的操作方法有3种：洗脱法、排代法和迎头法。色谱分离是质量分离过程，比精馏热过程分离效率要低。色谱分离规模较小，机理较复杂。使用范围：相对挥发性小或选择性系数非常接近于1的组分，如同分异构体的分离。在较高的温度下易分解的不宜用精馏分离的热敏性物质，或相对分子质量较大的，不易气化又易受热分解而难以进行精馏分离操作的精细化工和生化产品的分离。当高纯度的产物或高分子化合物需要按相对分子质量大小分级，而其他分离方法难以完成时。回收或脱除电解质溶液中的金属或非金属离子，其他分离过程难以奏效时，离子色谱可有效地加以分离和提纯。,大型色谱的特点：进料浓度大；色谱柱径大；色谱柱的装填要求高；进料的波型。,要使色谱柱的利用率和经济程度高，在达到产品质量指标的要求下，应减少柱的容积和降低流动相的流率，使单位容积和单位流动相用量达到最佳分离效果和最高生产能力。,2、原料处理能力,处理能力Qf：以进料量多少表示，Qf=mf/tRmf：每次注入的原料量；tR：该组分色谱峰的保留时间。回收量Q：由进料处理能力算得，Q=Qf：回收率，是经切割后，纯产物量与进料物料的比值。,要提高物料中组分的分离度，先要考虑进料谱带的图形和进料谱带引起的色谱峰的变化。色谱峰的宽度表示间歇进料引起色谱柱理论板数的变化，峰的高度表示组分在柱内移动时，组分在流动相相对固定相中的浓度分配，因而组分的分离程度取决于两个方面:Nf(进料谱峰的理论板数)和N（色谱柱具有的理论板数）。色谱柱长度一定，进料峰的宽度增加，色谱柱分离效率下降。组分的分离效果与理论板数N成正比，但峰宽与N的平方根成反比，故N增加，可减少各组分色谱峰之间的重叠，改进分离效果。,3、进料谱峰的宽度,取得较好分离效果的原则：增加进料谱带的宽度时，同时要加长色谱柱的柱长；当增加色谱柱柱长，并维持柱进口端进料谱带宽度，需在初期按一定的模式进行超负荷洗脱（冲洗）；在同一操作条件下，原由的色谱柱长保持一定，加大进料谱带的宽度，会造成各色谱峰在相当大的范围内重叠。,3、进料谱峰的宽度,高浓度的进料，除使谱带增宽外，还产生倾斜拖尾（图5-72）；进料浓度较低，在宽谱带下进料可减少谱峰拖尾现象。二元组分体系溶液在较高浓度下进料，使出口谱峰增宽和歪斜，保留体积增大，进料浓度的高低对窄冲洗谱带的影响更显著。色谱柱的温度对分离的效果也有一定的影响。,4、进料谱带的浓度,色谱分离工艺分类：按操作方式，可分为间歇操作、半连续和连续操作色谱分离过程；按固定相的状态，可分为固定床、移动床和模拟移动床色谱分离过程。,二、工业色谱分离系统,固定床在进行分离操作时，固定相处于静止状态。分离器：气象色谱的气相产物，可采用冷凝器冷凝组分；液相色谱的液体产品，可采用蒸馏、萃取、结晶等设备从流动相中分出。对固定床色谱柱的基本要求：尽可能使流动相在床层中保持均匀的活塞流，为此要求固定相颗粒均匀的紧密堆积，没有空穴与沟流。,1、固定床式工业色谱分离,固定相与溶剂体系的选择要多方面综合考虑。首先要求固定相与溶剂对组分的选择性高。其次，固定相还要坚硬、不脆、化学稳定性好、价格低廉。再次，溶剂还要对溶质的溶解性能耗，易于与溶质分离、黏度小，无毒、无害、腐蚀性小、价格便宜。 固定床色谱柱缺点：在同一时间只有一部分床层在进行分离工作。,逆流移动床：采用固定相与流动相逆流的移动床，可克服固定床色谱柱在同一时间只有一部分床层在进行分离工作的缺点。 缺点：固定相颗粒的移动易造成其自身的磨损破碎，甚至变成粉末，从而导致管道堵塞，溶液流速下降，甚至表情不能操作。固定相颗粒的移动造成床层膨胀，甚至流态化，影响床层内液体的流速分布，出现沟流现象，产生轴向返混，影响正常操作。,2、逆流移动床,在移动床中，固定相做连续移动，而液体的进入与流动由固定的物质。如果使固定相不移动，而液体的进入与流出沿着一个密闭循环的途径作周期性的移动，这就构成了模拟移动床。多阀控制式模拟移动床多孔旋转阀式模拟移动床,3、模拟移动床,色谱分离：分离能力强，能够分离很难分离的化合物，但，单位设备的处理量相对较小，技术比较复杂。 目前只用于常规分离方法（精馏、萃取、吸收、结晶等）不能分离或费用很高的场合。液相色谱的应用：果糖与葡萄糖、二甲苯与乙苯的分离；春花蔗糖浆。气象色谱的应用：高纯溶剂、噻吩和氮茚的生产；香料的纯化。离子交换色谱的应用：水法冶金溶液的提纯；蛋白质和肽的纯化；功能性短肽的纯化分离。亲和色谱的应用：生物物质的分离。排阻色谱的应用：大分子物质（蛋白质）的脱盐。,三、工业色谱技术在食品工业中的应用,果糖的制作,1、工业色谱技术在果糖、葡萄糖分离上的应用,玉米淀粉,第一代果葡糖浆(70%),葡萄糖浆,第二代果葡糖浆(77%),第三代果葡糖浆(80%),42%果糖、53%葡萄糖、5%低聚糖,55%果糖、40%葡萄糖、5%低聚糖,90%果糖、7%葡萄糖、3%低聚糖,采用酶法水解制得的含麦芽糖20%-50%的麦芽糖浆；采用色谱分离系统分离上述麦芽糖浆，可制得含麦芽糖90%-95%的高纯度麦芽糖浆。,2、工业色谱技术在高纯度麦芽糖生产上的应用,模拟移动床分离技术进行多组分的分离，已有的技术可以将混合物同时连续地分成三个馏分。,3、工业色谱技术在蔗糖、葡萄糖和果糖连续分离上的应用,凝胶过滤色谱法分离蛋白质：蛋白质脱盐进行胰岛素的纯化、人血清蛋白脱盐离子交换色谱法分离蛋白质：人血浆和激素纯化亲和色谱：-半乳糖苷酶、外源凝聚素,4、工业色谱技术在蛋白质分离上的应用,