微濾處理啤酒發(fā)酵液的膜污染機(jī)理及清洗研究.pdf

1、采用膜分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)食品發(fā)酵行業(yè)的清潔生產(chǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。本論文以微濾處理啤酒發(fā)酵液為研究體系，以微濾過(guò)程中的膜的污染機(jī)理為研究中心，建立膜過(guò)程的污染模型，并在此基礎(chǔ)上提出了超聲波輔助清洗污染膜的方案。 首先，本論文考察了有機(jī)微濾膜處理啤酒發(fā)酵液的過(guò)程中膜材質(zhì)、孔徑、操作壓力、溫度和攪拌速度變化對(duì)膜通量和滲透液(成品啤酒)的品質(zhì)影響。0.45μm的微濾膜的穩(wěn)態(tài)通量與0.22μm膜的穩(wěn)態(tài)通量無(wú)明顯的差別；而0.22μm微濾膜的

2、通量下降趨勢(shì)要比0.45μm微濾膜的緩慢；但從滲透液的品質(zhì)來(lái)講，0.22μm的微濾膜截留較多的糖、蛋白質(zhì)、多酚和苦味質(zhì)等啤酒的有效成分，以至于啤酒的風(fēng)味受到影響。因而微濾處理啤酒發(fā)酵液時(shí)，其膜孔徑應(yīng)選擇在0.45μm以上。 其次，通過(guò)啤酒發(fā)酵液污染PVDF膜的SEM照片和ATR-FTIR圖譜的分析表明：在本實(shí)驗(yàn)條件下，過(guò)濾的初期啤酒發(fā)酵液中的成分會(huì)在膜的表面吸附，吸附的成分有酵母菌、大分子的絮凝物(多糖、蛋白質(zhì)分子或蛋白質(zhì)與多酚

3、的結(jié)合物)。酵母菌比膜的孔徑大得多，因此只是在膜的表面吸附；而大分子的絮凝物不但會(huì)在膜的表面吸附，還有可能在膜孔道內(nèi)吸附。隨著處理過(guò)程的繼續(xù)，污染物在膜表面的吸附量逐漸增加，最后阻塞了膜孔入口或者造成膜孔徑變小，從而影響了膜的滲透性和選擇性。此外，利用正交試驗(yàn)分析的方法分析各成分對(duì)膜污染貢獻(xiàn)的結(jié)果表明：蛋白質(zhì)無(wú)論是對(duì)膜通量的降低還是膜阻力的增加都有顯著影響。 第三，以啤酒發(fā)酵液中的蛋白質(zhì)污染物為指示參數(shù)，建立了微濾處理啤酒發(fā)酵液

4、過(guò)程中的膜污染模型。膜通量降低的最初階段，主要是由污染物在膜面吸附造成了膜孔堵塞，膜孔堵塞的污染模式轉(zhuǎn)變?yōu)槟z層的污染模式之前，還存在著膜孔收縮模型，即在膜孔完全堵塞之前，膜孔由于污染物在膜孔道吸附而造成膜孔徑縮小。 第四，評(píng)價(jià)超聲波處理對(duì)有機(jī)微濾膜分離特性影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：PVDF微濾膜對(duì)超聲處理的耐受力最高，其次PES微濾膜，N6微濾膜對(duì)超聲波的耐受力最差。在超聲波頻率為40kHz時(shí)，將PVDF微濾膜放置在塑料器皿內(nèi)，超聲

5、波的強(qiáng)度控制在1.43-2.85W·cm-2之間，超聲波處理時(shí)間100分鐘時(shí)對(duì)此膜的分離特性無(wú)任何影響。 第五，超聲波輔助水沈?qū)τ谀z層污染(即酵母菌污染)的清洗是非常有效的，而且隨著超聲波強(qiáng)度的增加，達(dá)到相同穩(wěn)態(tài)水通量恢復(fù)率FRstat的清洗時(shí)間tc越短。對(duì)于大豆分離蛋白質(zhì)(ISP)污染的微濾膜，單純的超聲波輔助水洗的效果并不理想。對(duì)于ISP溶液污染膜的清洗，超聲波輔助化學(xué)清洗效果較好，而且可以大大降低清洗的時(shí)間。在所選用的清

6、洗劑中，NaOH+H2O2+SDS的混合清沈劑的效果最好，其FRstat可以達(dá)到95％，清洗時(shí)間為10分鐘。 第六，超聲波輔助水沈啤酒發(fā)酵液污染的PVDF膜時(shí)，只能部分恢復(fù)膜的水通量，提高超聲波處理強(qiáng)度和延長(zhǎng)清沈時(shí)間，其穩(wěn)態(tài)FRstat并無(wú)明顯的提高。由于該污染膜的污染成分比較復(fù)雜，單一化學(xué)清洗劑的超聲波輔助清洗的效果低于混合沈液的清洗效果。超聲波輔助NaOH+SDS+H2O2混合洗液10分鐘FRstat可以達(dá)到93％。