膜分離技術(shù)在醬油過濾中的應(yīng)用研究
技術(shù)支持
1 前言
膜分離是近年來發(fā)展迅速的新型分離技術(shù)，由于其分離過程多在常溫下操作，被分離的物質(zhì)能保持原來的性質(zhì)，保留原有的色、香、味、營養(yǎng)和口感，并能保持生物物質(zhì)的活性，且具有選擇性強(qiáng)，設(shè)備簡單，操作方便，容易控制，適用范圍廣等特點(diǎn)。且大多數(shù)的膜分離中，物質(zhì)不發(fā)生相變化，分離系數(shù)較大，有明顯的節(jié)能效果，是解決當(dāng)代人類面臨的能源、資源、環(huán)境等重大問題的重要新技術(shù)。在國際上現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)、三廢處理、水處理、醫(yī)藥工業(yè)、乳制品工業(yè)、濕法冶金和化工、生物產(chǎn)品分離等方面。雖然膜分離技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在國內(nèi)，在膜技術(shù)中無機(jī)陶瓷膜技術(shù)只是到了九·五期間才開始研發(fā)應(yīng)用。陶瓷濾膜和陶瓷超濾膜在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用是近幾年才開始的，無機(jī)陶瓷膜的巨大應(yīng)用潛力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能發(fā)揮出來。在國內(nèi)膜分離技術(shù)應(yīng)用于醬油的澄清技術(shù)仍然處于研究開發(fā)階段，本文利用膜過濾設(shè)備，對膜分離在醬油中的應(yīng)用進(jìn)行初步的探討。
1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
以高鹽稀態(tài)中的天然曬露法工藝，經(jīng)3個(gè)月發(fā)酵后，從發(fā)酵缸放出來，經(jīng)過7天的沉淀，再經(jīng)過板框初濾后的一級醬油。
1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
所用的膜過濾設(shè)備見表1。
表1：過濾實(shí)驗(yàn)使用的膜過濾機(jī)
膜類型 | 有機(jī)膜過濾機(jī) | 無機(jī)膜過濾機(jī) |
供應(yīng)商 | 某美國公司 | 某合資公司 |
型號(hào)和過濾面積 | P型（1.53m2），LMFS-1000型（1m2），MF-50型（0.04m2） | |
膜的生產(chǎn)商 | 某美國公司 | 某美國公司 |
膜材料 | 聚砜膜 | 無機(jī)陶瓷膜，載體材料為陶瓷膜層材料 |
2 實(shí)驗(yàn)方法
2.1 膜過濾裝置的組成
分離系統(tǒng)（膜和膜分離設(shè)備），排污系統(tǒng)，防堵系統(tǒng)（反沖系統(tǒng)或高頻震動(dòng)系統(tǒng)），控制系統(tǒng)。
2.2 膜分離（過濾）的操作方式
2.2.1 過濾流動(dòng)方式
本實(shí)驗(yàn)采用錯(cuò)流過濾方式。
2.2.2 防堵系統(tǒng)
為了防止或減少大分子或顆粒堵塞濾孔，保持原有的通量，許多過濾機(jī)配有防堵系統(tǒng)，例如高頻震動(dòng)抗阻系統(tǒng)或反沖系統(tǒng)等。反沖時(shí)，要求瞬時(shí)壓力P>PR，使透過液回流，沖擊阻塞顆粒。
2.3 檢測方法
過濾通量的測定：流量計(jì)直接讀數(shù)。
氨基酸態(tài)氮的測定：甲醛滴定法。
鹽含量的測定：硝酸銀滴定法。
細(xì)菌總數(shù)的測定：營養(yǎng)瓊脂平板計(jì)數(shù)法。
吸光度的測定：7230G分光光度計(jì)，于530nm波長下測定吸光度A530。
可溶性固形物的測定：ATAGO公司的N-50E手提式折光計(jì)直接讀數(shù)。
3 結(jié)果與討論
3.1 實(shí)驗(yàn)條件的選擇
選擇合適的地濾膜要考慮以下幾個(gè)因素：
（1）根據(jù)截留物分子量（MWCO）的大小，選擇對應(yīng)的膜孔徑：一般是根據(jù)對某種特定溶質(zhì)截留率達(dá)到90%以上時(shí)來確定膜的孔徑大小。
（2）膜的選擇性：指將混合物中的組分分離開來的能力。無機(jī)膜與有機(jī)膜因其材料的親水性的不同，對醬油的分離能力亦有較大的差異。
（3）膜的效率（生產(chǎn)能力）：在一定的操作條件下可達(dá)到的滲透量（通量），它是生產(chǎn)效率高低的關(guān)鍵所在。
（4）孔徑小于0.5μm的膜可以截流所有細(xì)菌，而孔徑小于1μm的膜可以截流所有酵母菌和霉菌。
（5）產(chǎn)品澄清度的要求：醬油澄清的主要目的是為了除去一些大分子蛋白聚合物和其它不可溶性物質(zhì)，而不溶性蛋白聚合物分子量一般在1×105以上，因此可選擇切割分子量在1×105以上的膜。若膜切割分子量太少，則單位時(shí)間內(nèi)單位膜面積透過的通量變小。
綜上所述，我們采用孔徑為0.1μm至2μm的膜來進(jìn)行下一步的醬油過濾試驗(yàn)，比較哪一種膜更適合醬油的過濾。
3.2 不同孔徑的有機(jī)膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果
此試驗(yàn)使用的是某美國公司所提供p型有機(jī)膜過濾機(jī)（1.53m2），過濾機(jī)件由單片的膜組成，目的是進(jìn)行薄膜選擇測試，確定不同材質(zhì)及孔徑的膜在通量上的表現(xiàn)及過濾后醬油的變化。
3.2.1 有機(jī)膜各種孔徑的膜的通量
由于考慮到醬油的實(shí)際過濾要求，本研究使用孔徑分別為1.0μm，0.45μm，0.1μm的聚楓膜濾芯進(jìn)行試驗(yàn)。
3.2.2 實(shí)驗(yàn)小結(jié)
對有機(jī)膜，0.1μ孔徑的膜通量最大，穩(wěn)定通量在41.77L/m2·h。0.1μ與0.45μ的膜過濾有很好的除菌效果。
3.3 不同孔徑的無機(jī)膜試驗(yàn)結(jié)果
3.3.1 各種孔徑無機(jī)膜的通量
考慮到醬油的實(shí)際過濾的需要，本試驗(yàn)采用孔徑分別為2.0μm，1.2μm，0.6μm，0.2μm孔徑的陶瓷無機(jī)膜濾芯作過濾試驗(yàn)。
3.3.2 實(shí)驗(yàn)小結(jié)
無機(jī)陶瓷膜的通量在較低壓力下都有較高的通量。無機(jī)膜過濾機(jī)2μ和1.2μ孔徑的膜通量較大。0.2μm的膜過濾除菌效果最佳。綜合考慮，1.2μm的無機(jī)膜最適用于過濾醬油，因其微生物過濾除去率可達(dá)96.43%，而過濾的通量達(dá)到150L/m2·h。
3.4 實(shí)際生產(chǎn)中幾種常用過濾機(jī)過濾醬油的生產(chǎn)能力和運(yùn)行費(fèi)用比較
從幾種常用過濾的實(shí)際情況比較可知，膜過濾機(jī)用于過濾含雜質(zhì)較多的豉水速度較慢，不能取代板框過濾機(jī)和葉濾機(jī)，膜過濾機(jī)是一個(gè)相對較精密設(shè)備，應(yīng)用于過濾含粗粒雜質(zhì)較少的醬油或是過濾成品醬油較合理。從過濾成本上看，膜過濾機(jī)的能耗最大。燭式硅藻土過濾機(jī)的過濾運(yùn)作費(fèi)用較膜過濾成本稍低。
4 結(jié)論
（1）從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知膜過濾機(jī)用于過濾醬油生產(chǎn)中是可行的，與傳統(tǒng)的過濾設(shè)備相比，具有明顯優(yōu)勢。
（2）孔徑為1.2μm無機(jī)陶瓷的膜過濾機(jī)較適合過濾醬油。其過濾通量較大，醬油質(zhì)量較穩(wěn)定，澄清度高。
（3）雖然使用膜過濾的過濾成本比硅藻土過濾機(jī)稍高，但它在過濾過程中不需添加助濾劑，減少了因使用助濾劑而引人外來雜物或微生物等污染危險(xiǎn);同時(shí)減少了傳統(tǒng)過濾工藝過程中醬油在設(shè)備中殘留及硅藻土等助濾劑的吸附損失，提高了產(chǎn)品的得率;減少了由于使用硅藻土等助濾劑而帶來的廢棄物的排放量，有利于環(huán)境保護(hù)。
（4）膜過濾機(jī)設(shè)備占地面積小，自動(dòng)化程度高，符合連續(xù)化生產(chǎn)要求，同時(shí)減少了人工費(fèi)用，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
（5）膜技術(shù)用于醬油過濾，在國內(nèi)仍未普及，其原因是設(shè)備及運(yùn)行成本高，如能進(jìn)一步提高膜的過濾能力和降低運(yùn)行成本，則膜設(shè)備在醬油過濾生產(chǎn)中將會(huì)飛躍發(fā)展。
