文档介绍：第二十五章功能性食品的加工技术
本章要点
膜分离技术的基本内容
微胶囊技术的基本内容
超临界流体萃取的原理和特点
超临界流体萃取剂的选择依据
超临界流体萃取技术在功能性食品中的应用
生物技术的研究内容及其在功能性食品中的应用
微粉碎和超微粉碎的方法和特点
分子蒸馏技术的基本内容
喷雾干燥及升华干燥的原理和特点
第一节膜分离技术
一、膜分离的基本概念
膜分离是一种使用半透膜的分离方法。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,统称为膜分离法。
如果用膜把一个容器隔成两个部分,膜的一侧是水溶液,另一侧是纯水,或者膜的两侧是浓度不同的溶液,则通常把小分子溶质透过膜向纯水侧移动、水分透过膜向溶液侧或浓溶液侧移动的分离称为渗析或透析。如果仅溶液中的水分(溶剂)透过膜向纯水侧或浓溶液侧移动,溶质不透过膜移动,这种分离称为渗透。
在制膜工业生产上有各种各样的膜以满足各种不同分离对象和分离方法的要求。根据膜的材质,从相态上可分为固态膜和液态膜。从来源上可分为天然膜和合成膜,后者又可分为无机膜和有机膜。根据膜断面的物理形态,可将膜分为对称膜、不对称膜和复合膜。依照固体膜的外形,可分为平板膜、管状膜、卷状膜和中空纤维膜。按膜的功能,又可分为超滤膜、反渗透膜、渗析膜、气体渗透膜和离子交换膜。
膜性能对膜分离的应用和效果有较大影响。通常所称的膜性能是指膜的物化稳定性和膜分离透过性。膜的物化稳定性主要是指膜的耐压性、耐热性、适用的pH范围、化学惰性、机械强度。膜的物化稳定性主要取决于构成膜的高分子材料。由于膜的多孔结构和水溶胀性使膜的物化稳定性低于纯高分子材料的物化稳定性。膜的物化稳定性主要从膜的抗氧化性、抗水解性、耐热性和机械强度等方面来评价。而膜的分离透过特性主要从分离效率、渗透通量和通量衰减系数三个方面来评价。
对任何一种分离过程,总希望分离效率高,渗透通量大,实际上,通常分离效率高的膜,渗透通量小,而渗透通量大的膜,分离效率低。故在实际应用中需要在这二者之间寻求平衡。
二、常用的膜分离过程
1. 微滤
微孔过滤是膜分离过程中最早产业化的。~10μm左右。但是在滤谱上可以看到,在微孔过滤和超过滤之间有一段是重叠的,没有绝对的界线。
微孔过滤膜的孔径十分均匀,微孔过滤膜的空隙率一般可高达80%左右。因此,过滤通量大,过滤所需的时间短。大部分微孔过滤膜的厚度在150μm左右,仅为深层过滤介质的1/10,甚至更小。所以,过滤时液体被过滤膜吸附而造成的损失很小。
微孔过滤的截留主要依靠机械筛分作用,吸附截留是次要的。
由醋酸纤维素与硝酸纤维素等混合组成的膜是微孔过滤的标准常用滤膜。此外,已商品化的主要滤膜有再生纤维素膜、聚氯乙烯膜、聚酰胺膜、聚四氟乙烯膜、聚丙烯膜、陶瓷膜等。
在实际应用中,褶叠型筒式装置和针头过滤器是微孔过滤的两种常用装置。
2. 电渗析
电渗析是以电位差为推动力,利用离子交换膜的选择透过性,从溶液中脱除或富集电解质。电渗析的选择性取决于所用的离子交换膜。离子交换膜以聚合物为基体,接上可电离的活性基团。阴离子交换膜简称阴膜,它的活性基团常用胺基。阳离子交换膜简称阳膜,它的活性基因通常是磺酸盐。离子交换膜的选择透过性,是由于膜上的固定离子基团吸引膜外溶液中的异电荷离子,使它能在电位差或浓度差的推动下透过膜体,同时排斥同种电荷的离子,阻拦它进入膜内。因此,阳离子能通过阳膜,阴离子能通过阴膜。
根据膜中活性基团分布的均一程度,离子交换膜大体上可以分为异相膜、均相膜及半均相膜。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等是离子交换膜最常用的膜材料。性能最好的是用全氟磺酸、全氟羧酸类型膜材料制备的离子交换膜。
电渗析用于水溶液中电解质的去除、电解质的浓缩、电解质与非电解质的分离和复分解反应等领域。
3. 反渗透
反渗透(又称高滤)过程是渗透过程的逆过程,即溶剂从浓溶液通过膜向稀溶液中流动。正常的渗透过程按照溶剂的浓度梯度,溶剂从稀溶液流向浓溶液。若在浓溶液侧加上压力,当膜两侧的压力差ΔP达到两溶液的渗透压差Δπ时,溶剂的流动就停止,即达到渗透平衡。当压力增加到ΔP>Δπ时,水就从浓溶液一侧流向稀的一侧,即为反渗透。
1960年具有极薄皮层的非对称醋酸纤维素膜问世,使反渗透过程迅速地从实验室走向工业应用。非对称分离膜的出现,也大大推动了其他膜过程的开发和工业应用。目前应用的反渗透膜可分为非对称膜和复合膜两大类。前者主要以醋酸纤维素和芳香聚酰胺为膜材料;后者支撑体都为聚砜多孔滤膜,超薄皮层的膜材料都为有机含氮芳香族聚合物。反渗透膜的膜材料必须是亲水性的。
20世纪90年代出现了