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微滤和超滤在制糖业中的应用
点击次数:1133 发布时间:2015-03-11

   微滤和超滤截留的微粒子不形成滤饼,仍以溶质的形式保留在滤余液中。分离的性能决定于膜上微孔的尺寸和形状。

  微滤膜常为均匀的多孔膜,孔道曲折,通常直接用测得的平均孔径来表示其截留特性。它的孔径分布较广,由0.02~10μm,膜厚50~250μm。

超滤膜由表面活性层和支撑层两层组成,表面活性层很薄,厚度0.1~1.5μm,有孔径为1~20nm的微孔,孔径较均匀,排列有序。支撑层厚度200~250μm,支撑着表面活性层,使膜有足够的强度,能承受压力。支撑层疏松、孔径大、流通阻力小。

  超滤膜的孔径通常用它截留物质的分子量大小来定义,将能截留90%的物质的分子量为膜的截留分子量。用典型的已知分子量的球形分子如葡萄糖、蔗糖、杆菌肽、肌红蛋白、胃蛋白酶、球蛋白等作基准物进行此种测定。商品超滤膜的截留分子量从300到50万,划分为若干级。截留分子量与平均孔径的关系如下表。

 

截留分子量

500

1000

10000

30000

50000

100000

孔径 nm

2.1

2.4

3.8

4.7

6.6

11.0

上述的截留分子量是对球形分子即尺寸对称的分子而言的。不少有机物的高分子是长形,直径较小,能通过较小的微孔。

  微滤和超滤膜设备的制造材料和产品型式都有多种。zui常用的是高分子有机聚合物如醋酸纤维素、硝酸纤维素、混合纤维素酯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯,以及后期开发的聚砜和聚砜酰胺等。国外生产滤膜的型号主要如MF-Milipore, Fluoropore,Mitex, Polyvic,CelotateSelectron等,每类型号都有多种不同孔径的产品(制造单位如Dupond、Dow、Rhone-Pouleng和Schleicher等)。国内的产品也在发展,上海、北京、大连、苏州、无锡等地都有多个单位有各种不同孔径的滤膜产品。有机聚合膜通常是平面形(或板框式),或制成螺旋板形或中空纤维结构(内径0.5~1.5mm的长管束)。亦有用高分子聚乙烯为原料,用烧结工艺成型制成微孔管。

  近年来用无机材料制造膜有很大发展,常用金属、金属氧化物、陶瓷和玻璃等材料。例如在多孔陶瓷的表面上由Al2O3、TiO2、ZrO3等成份形成微孔膜,通常用管状的多管道(7~19管道)形式。或用不锈钢粉末等材料烧结制成,它们有耐热、化学稳定性好、机械强度高等优点。

  微滤和超滤现已在多个领域中广泛应用,特别是水的精制、酒类的精制、除去液体中的细菌和各种微粒、从工厂排出水中回收有用物质或收集有害物质等。在制糖工业中应用微滤和超滤的可能性早就受到注意和研究,近年来的研究工作相当多。

  膜过滤通常采用横向(切向)流动的工作方式,所处理的液体在过滤面之上流过,流向与过滤面平行。大部分液体通过滤膜成为提纯液,少部分液体不透过,与被截留的溶质(通常是杂质)一起成为浓缩液向后排出。这种工作方式不同于常规的过滤方法,后者亦称“一端不通"的过滤方法,不能通过滤层的物质积存在过滤面上成为滤饼。和它相比,横向流方式不通过过滤介质的残余物量较大,但可以连续工作,过滤速度较高(因截留物的积存较少)。但用微滤膜隔除悬浮微粒时,亦可用常规的过滤方法。

  入料体积对浓缩液体积的比例以符号VCF表示,它是膜过滤的很重要参数,VCF值大意味着杂质浓缩程度较高,残余液体积较小,但膜的过滤性能会降低(因杂质积聚较多)。

  美国Saska进行了多项研究。先用陶瓷膜过滤器(Rhone-Poulene公司产品,截留分子量30万,有19个通道)处理糖厂的澄清汁,温度90℃,运行20小时。透过流率初时为250~300L/m2.h,以后逐渐降低到200~150L/m2.h之间,所用压力初期较低,2小时后稳定在0.4MPa。液体流速为6.5cm/min。透过流率还受到VCF值的很大影响,多次实验结果,当VCF为2~3时,透过流率为200~300L/m2.h,当VCF为8~10时,透过流率降至100~200L/m2.h。此外,所处理的糖汁的浊度也有很大影响,浊度高时膜受污染较快,即使用时的过滤速度下降得较快。过滤后糖汁锤度不变,色值降低很少(11600降至11400IU),但浊度由240NTU下降至1.0,混浊物除去99.6%,此外,淀粉除去46%,葡聚糖除去77%。

  将经过陶瓷膜过滤的清汁再用G30除盐膜(截留分子量2500)过滤,反复进行3次。原来的清汁色值为18000IU,膜过滤后降到2000IU。原来糖汁煮出的A糖的色值为3000IU,即膜过滤的脱色效果超过了结晶一次的作用。这意味着采用膜过滤可能取代传统的先煮制原糖再回溶精炼的重结晶工艺路线。用膜过滤的清汁煮出的A糖的色值为250IU,洗涤后降至100IU。这种膜过滤的VCF值为1~7之间,使用压力1.4MPa,透过流率约为40L/m2.h,比陶瓷膜低相当多。

  他试验将精炼糖厂的中间糖蜜稀释后用陶瓷膜(截留分子量300000)过滤。入料浓度31Bx,滤液28.5Bx,入料混浊度330NTU,滤液30NTU,降低91%,入料色值21000IU,滤液18000IU,降低14%。这种处理除去了绝大部分高分子物质和悬浮微粒,以后再用树脂就很少受污染,是离子交换法和离子排斥法的一种极好的前处理方法。

将上述的膜滤前和膜滤后的糖液分别浓缩到高浓度再测定其粘度,在80oBx下,已滤糖液的粘度为500cp,而未滤者为1000cP,前者降低约一半;在84oBx下,两者的粘度分别为1700和2700cP,已滤者低约37%。经过膜滤的糖液的粘度降低约相当于糖液浓度降低2oBx,因此可使煮糖结晶率提高3~5%。

  这种处理的过滤速度同样受到物料原来的清浊度的影响。例如在VCF为5.0时,初始浊度为11NTU的糖液的透过流率约为64L/m2,而浊度为80NTU的糖液只约为45L/m2.h。

  膜过滤的余留液含有大量的糖份和浓集的杂质,要加水稀释后再用膜过滤,将糖份收回(类似一般过滤用水洗涤泥层)。

  麦Madsen试验将甜菜渗出汁加少量石灰中和并过滤除去不溶物后,用截留分子量为20000的聚砜超滤膜GR61在60~80℃和0.4~0.6MPa下过滤,滤汁纯度91.5~94.5%,色值1000~2500IU,脱色率95%。透过流率为45L/m2.h 。另用GR61P超滤膜处理糖浆,80℃,0.42MPa ,糖浆为65oBx,过滤流率为9L/m2.h,可除去色素30~50%,糖浆纯度提高1~1.5%。超滤膜的截留分子量较小者,脱色效果较高。

  陈山详细研究了用超滤膜处理甘蔗糖厂不同蔗汁的效果。超滤膜的材质为聚醚砜(PEK),截留分子量分别为1万、2万和7万。处理的蔗汁分别为亚硫酸法糖厂的混合汁、中和汁和混合清汁(澄清汁和滤汁的混合物)。每种均进行9次试验,结果很接近。混合清汁用超滤膜处理后,色值降低30~38%,浊度降低40~57%,纯度上升0.5~0.8;混合汁用超滤膜处理后,色值降低81~84%,浊度降低96~97%,纯度上升1.6~1.9。不同截留分子量的超滤膜对比,分子量为10000的效果略优于70000者,滤汁质量稍高。混合汁处理后的滤汁的色值和浊度都低于处理清汁者。超滤除去色素和浑浊物的作用相当好,但蔗汁纯度的上升值不很大。这是因为它除去的无机物不多,大部分无机物是低分子量的,它们是影响蔗汁纯度的主要因素。

  用超滤膜处理清汁的过滤速度高于处理混合汁及中和汁,每平方米膜每小时得到的滤液量约30公升。这样的过滤速度很难满足生产的需要。如要达到20t/h的过滤量,则要约600m2的超滤膜。这在投资和管理上都相当困难。

超滤膜在使用时易受污染,性能下降较快;过滤余留物的量较大,将它的糖份回收要增加流程和设备;这些问题都要研究解决。

  广东和广西的糖业界曾研究应用国产的PA微孔管过滤器,它是一个圆筒形容器,内装多条微孔过滤管,液体从外面通过它的微孔进入管内集中流出。过滤管是聚乙烯烧结微孔管,直径25mm,有不同型号,截留微粒的直径为0.1~10μm。曾试验过滤亚硫酸法糖厂的清汁(澄清汁与滤清汁的混合物),蒸发罐糖浆和炼糖厂的回溶糖浆(已加活性炭),都能将糖液中的不溶物除去大部分,色值略有降低,纯度略有提高。用于过滤清汁的过滤速度较高,连续使用8小时的过滤速度为13kg/min.m2。过滤后用热水和压缩空气反洗可将沉淀物清除。用于过滤糖浆时的过滤速度较低,且较易被阻塞。

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