膜分离技术及其在乳品工业中的应用
膜技术是一项新兴的高新分离技术．自上世纪五十年代以来．微滤膜、离子交换膜、反渗透膜、超滤膜、气体膜分离等相继得到广泛应用．成为世界各国研究的热点．已被国际公认为本世纪最有发展前途的重大高新生产技术之一，有操作方便、设备紧凑、工作环境安全、节约能源和化学试剂等优点，目前已被广泛应用于食品、医药、化学、环保等各个领域，产生了显著的经济和社会效益。其中用于乳品工业的膜技术包括微滤、超滤、纳滤和反渗透。膜技术在乳清蛋白回收、乳糖的分离、乳清脱盐、牛乳浓缩等方面都取得了很大的成果和巨大的经济效益。用膜分离技术不仅可以最大程度截流活性蛋白质．还能保留奶中原有的风味物质．以及降低生产成本。实现无污染排放等环保要求。
1 膜技术概述
1.1 膜技术介绍
用天然或人工合成的高分子薄膜．以界能量或化学位差为推动力．对双组分或多组分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方法。膜分离技术是基于流体混合物中的各组成成分利用高分子膜间的选择透过性．不必发生相的转换。以浓度差梯度、压力梯度或电势梯度作为推动力，在膜相际之间进行传质。以达到不同组分的分离、纯化的目的。常见的膜分离技术有微滤(microfiltration．MF)、超滤(ultrafiltration，UF)、纳滤(nanofiltration，NF)、反渗透(reverse osmosis，RO)、电渗析(electrodialysis，ED)等。目前工业上广泛应用的膜组件结构有管式膜、卷式膜、板式膜及中空纤维膜几种。按其物理形态可分为固膜、液膜和气膜三类大规模应用的多为固膜，液膜已有中试规模的工业应用。而气膜尚处于试验研究阶段。其中，固膜以高分子合成膜为主．其材料主要有醋酸纤维素类、硝酸纤维素类、聚酰胺类、聚砜类、聚酯类及含氮杂环高聚物类等。近年来，无机膜材料特别是陶瓷膜。以其化学稳定性、耐高温和机械强度高等优点。已广泛应用于工业领域。无机膜的材质通常有两种．一种是以不锈钢为支撑层。表面二氧化钛涂层为过滤层：另一种是以陶瓷为支撑层．表面涂铝或钛的氧化物涂层．
1．2 几种膜分离过程
微滤：利用筛分原理，分离、截留直径为0．05µm到10µm大小粒子的膜分离技术。膜的孔径大约0．1～10µm，其操作压力在O．01~O．2 MPa左右。微滤操作过程分死端过滤和错流过滤两种方式。在死端过滤时。溶剂和小于膜孔的溶质粒子在压力的推动下透过膜．大于膜孔的溶质粒子被截留，通常堆积在膜面上。随着时间的增加。膜面上堆积的颗粒越来越多。膜的渗透性将下降，这时必须停下来清洗膜表面或更换膜。错流过滤是在压力推动下料液平行于膜面流动．把膜面上的滞留物带走．从而使膜污染保持一个较低的水平。在处理牛奶时。它可以过滤蛋白质而截留脂肪球、
微生物和体细胞。
超滤：超滤的分离原理可基本理解为筛分原理。但有些情况下受到粒子荷电性与荷电膜相互作用影响。截留分子量范围为50---500 000 u。相应膜孔径大小的近似值为2-50 nm(0．002~0．05µm)。主要用于全奶及脱脂奶浓缩、乳蛋白质的分级分离(Fractionation)，或使乳蛋白质与乳清(含乳糖和盐类)分离，其他较大颗粒如微生物或脂肪球也同样被截留。另外对酶的回收及乳糖水解等也都可利用超滤。
纳滤：纳滤膜即超低压反渗透膜。又称疏松型反渗透膜。纳滤是介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术．其截留分子量200--1000 u的范围内．膜孔径小于2 nm，为纳米级。它的分离机理相似于反渗透，是溶解扩散原理。从结构上来看纳滤膜大多是复合型膜．即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同．在纳滤膜表面有一层均匀的超薄脱盐层．比反渗透膜疏松得多，操作压力比反渗透低．因而纳滤也可认为是低压反渗滤技术。乳品工业中主要用于乳清的部分脱盐。纳滤膜的紧密性高于超滤，截留乳糖效果大。
反渗透：在高于溶液渗透压的压力作用下．只有溶液中的水透过膜，而所有溶液中大分子、小分子有机物及无机盐全被截留住。分离的基本原理是溶解扩散(也有毛细孔流学说)。“膜孔径”为0．1-1 nm。乳品工业中主要用于牛奶浓缩及乳清的浓缩分离。
