王桂華 羅小榮 曾一心 靳祖英 譚縣輝

摘 要：與傳統(tǒng)加熱濃縮相比，膜濃縮具有速度快、能耗低、操作清洗簡單、設(shè)備使用壽命長等優(yōu)勢。現(xiàn)主要介紹連續(xù)式膜濃縮設(shè)備的原理、特點、性能，并通過使用果蔬汁飲料作為試驗物料測算了連續(xù)式膜濃縮設(shè)備的運行成本。

關(guān)鍵詞：膜濃縮;物理分離;連續(xù)式膜濃縮設(shè)備

0? ? 引言

膜濃縮即采用膜孔的篩分原理有效截留大分子物質(zhì)而僅讓小分子物質(zhì)和溶劑（水）通過膜，從而達到濃縮大分子物質(zhì)的目的。與加熱濃縮相比，膜濃縮是一個純粹的物理過濾過程，沒有液相到氣相的相轉(zhuǎn)變過程，因此是最經(jīng)濟、最節(jié)能的濃縮方法，目前已廣泛應(yīng)用于生物制藥、食品飲料、化工、海水淡化等眾多領(lǐng)域[1]，成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要輔助工藝。膜濃縮設(shè)備根據(jù)不同的使用環(huán)境可以選用不同材質(zhì)的膜，以更好地適應(yīng)生產(chǎn)的需要。

1? ? 連續(xù)式膜濃縮設(shè)備原理

在一定的壓力下，當(dāng)原液流過膜表面時，膜表面密布的許多細小的微孔只允許水及小分子物質(zhì)通過而成為透過液，而原液中體積大于膜表面微孔徑的物質(zhì)則被截留在膜的進液側(cè)，成為濃縮液，從而實現(xiàn)對原液進行分離和濃縮的目的，工藝原理如圖1所示。

可采用不同截留分子量的超濾膜技術(shù)進行酶試劑、硫酸軟骨素、氨基酸、多肽、果汁、動植物提取液、多糖、生物發(fā)酵制劑、中藥、蛋白質(zhì)類等物料的分離與濃縮。

2? ? 膜濃縮分離設(shè)備特點

膜濃縮是一種改革傳統(tǒng)工藝實現(xiàn)高效純化濃縮的技術(shù)，膜濃縮設(shè)備利用有效成分與液體的分子量的不同實現(xiàn)定向分離，達到濃縮的效果。相較于傳統(tǒng)的加熱濃縮，其具有以下優(yōu)點：

（1）在常溫和低壓下進行分離與濃縮，能耗較低，且能降低設(shè)備的運行費用，對產(chǎn)品的影響較小。

（2）設(shè)備體積小，結(jié)構(gòu)簡單，投資費用低。

（3）膜分離過程只是簡單地加壓輸送液體，工藝流程簡單，易于操作管理。

（4）膜作為過濾介質(zhì)是由高分子材料制成的均勻連續(xù)體，屬于純物理方法過濾，物質(zhì)在分離過程中不發(fā)生質(zhì)的變化（即不影響物料的分子結(jié)構(gòu)）。

膜濃縮需要克服截留物質(zhì)所產(chǎn)生的滲透壓，所以一般適用于濃度不是很高、滲透壓不大（<6 MPa）的濃縮場合[1]。

3? ? 膜濃縮分離設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域

采用膜分離技術(shù)進行物料分離與濃縮，不但不會污染環(huán)境，還能節(jié)省大量人力、物力。系統(tǒng)可在常溫下運行，不會因為高溫破壞物質(zhì)結(jié)構(gòu)，能保證物料性質(zhì)不發(fā)生變化;可應(yīng)用于酶制劑及蛋白類制品，氨基酸、肽、抗生素，植物原料藥（黃酮、色素等），生物發(fā)酵制劑，大輸液除熱原，生物藻類制品，肝素鈉、硫酸軟骨素、生物多糖，寡糖、低聚糖、單糖，檸檬酸、蘋果酸等有機酸，果蔬汁，釀造產(chǎn)品（酒類、醋等），乳制品，醫(yī)用無菌無熱原水設(shè)備，工業(yè)分離、濃縮、提純，工業(yè)廢水處理、電泳漆、電鍍含油廢水處理等領(lǐng)域。

4? ? 膜濃縮分離設(shè)備

4.1? ? 陶瓷膜

陶瓷膜是由氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯等材料經(jīng)特殊工藝制備而成的多孔非對稱膜。過濾孔徑一般為0.01～10 μm，涵蓋微濾、超濾和納濾?？筛鶕?jù)物料的粘度、懸浮物含量等性質(zhì)選擇不同孔徑的膜，以達到澄清分離的目的。主要特點如下：

（1）與同類膜芯相比，陶瓷膜芯的運行通量高15%～

30%，過濾阻力小;

（2）能耗較低，易清洗;

（3）陶瓷膜系統(tǒng)能夠連續(xù)進料，連續(xù)出濾渣和濾液，實現(xiàn)全自動控制，具有精確濃縮和加水洗滌、定期反洗等功能;

（4）耐高溫，適用于高溫過程過濾;

（5）耐酸堿、耐有機溶劑及抗氧化性好;

（6）濃縮倍數(shù)高，能降低用水量，減少廢水排放;

（7）膜芯使用壽命長。

4.2? ? 卷膜設(shè)備

卷膜設(shè)備包括卷式微濾膜、卷式超濾膜、卷式納濾膜和反滲透膜系統(tǒng)。卷式超濾膜截留分子量1 000～200 000 Da，將大分子雜質(zhì)截留，透過目標(biāo)產(chǎn)物;也可截留目標(biāo)產(chǎn)物，透過水和小分子雜質(zhì)，達到脫色、除雜及產(chǎn)品分級的目的。卷式納濾膜截留分子量200～1 000 Da，能使90%以上的NaCl透析，適用于脫鹽、脫單糖、濃縮等多種工藝。反滲透膜最普遍的應(yīng)用便是在水處理工藝中，將原水中的無機離子、細菌、病毒、有機物及膠體等雜質(zhì)去除，以獲得高質(zhì)量的純凈水。

按濾膜孔徑可分為微孔濾膜（MF）、超濾膜（UF）、納濾膜（NF）、反滲透膜（RO）等，各類濾膜孔徑如圖2所示。

4.3? ? 連續(xù)離子交換設(shè)備

連續(xù)離子交換是一種完全革新的分離工藝，不同于傳統(tǒng)的固定床、脈沖床、模擬移動床等工藝。連續(xù)離子交換系統(tǒng)由樹脂柱系列和多孔分配旋轉(zhuǎn)閥構(gòu)成，根據(jù)工藝設(shè)計可把樹脂柱系列分為幾個功能區(qū)，物料進入系統(tǒng)后，通過旋轉(zhuǎn)閥切換使每根樹脂柱依次經(jīng)過各個功能區(qū)實現(xiàn)同時吸附、水洗、解析、再生等全部工藝過程，從而把傳統(tǒng)固定的間歇過程變成連續(xù)的過程。

連續(xù)離子交換系統(tǒng)采用了先進的設(shè)計理念和精湛的制作工藝，用途廣泛，操作方便，可以根據(jù)不同產(chǎn)品分離要求靈活調(diào)整工藝。主要特點如下：

（1）保持料液中產(chǎn)品的成分和濃度穩(wěn)定;

（2）樹脂用量減少50%～90%，洗滌水用量最高節(jié)約50%～70%;

（3）再生劑和洗脫劑等化學(xué)品消耗也可降低30%～60%，大幅度降低了運行成本和污水排放量;

（4）設(shè)備緊湊，易于安裝在任何位置，與舊的生產(chǎn)過程和設(shè)備匹配;

（5）全自動化運行，保證了連續(xù)穩(wěn)定的生產(chǎn)。

4.4? ? 板式膜設(shè)備

板式膜分離技術(shù)徹底突破了發(fā)酵行業(yè)傳統(tǒng)過濾分離技術(shù)的瓶頸，解決了濾液質(zhì)量差、處理成本高等難題。主要特點如下：

（1）截留分子量10 000～200 000 Da，過濾精度高，濾液質(zhì)量好;

（2）能減輕濃差極化，抗污染能力強，易清洗;

（3）適合處理高粘度、高含固量料液;

（4）系統(tǒng)內(nèi)各組件可獨立運行或待機，也可逐級拓展，易實現(xiàn)全自動控制;

（5）檢查和更換的最小單位面積為0.1 m2，意外損壞的更換成本最低。

5? ? 連續(xù)式膜濃縮設(shè)備工作流程

連續(xù)式膜濃縮生產(chǎn)系統(tǒng)：料液進入緩沖罐，由輸料泵、保安過濾器、加壓泵、循環(huán)泵進入膜濃縮組件，所得濃縮液進入濃縮液罐，所得透析液進入透析液罐貯存，如圖3所示。

系統(tǒng)設(shè)計采用連續(xù)式運行方式。用戶采用泵將物料輸送到設(shè)備緩沖罐中，當(dāng)緩沖罐中有一定體積的料液后，膜系統(tǒng)開機。輸料泵將物料輸送到保安過濾器中，攔截大顆粒的異物，以保護膜元件。物料由加壓泵加壓后，進入到膜堆公共管路，在組件內(nèi)循環(huán)泵的輸送下，物料進入第一臺卷式膜組件中進行分離，水在壓力的作用下穿透過膜表面，被分離開來形成透析液;而料液中的大分子物質(zhì)如產(chǎn)品等則被膜截留，無法穿透過膜表面，從而形成濃縮液。濃縮液又進入第二級膜組件中，繼續(xù)進行分離。依此類推，當(dāng)物料被各級組件濃縮到一定的倍數(shù)后，達到處理要求，濃縮液直接從最后一級組件排出，進入到濃縮液罐中，而透析液則進入到透析液罐中。濃縮液不用返回進料罐中，由此連續(xù)式運行。

5.1? ? CIP清洗和消毒

當(dāng)一批物料處理完成之后，設(shè)備轉(zhuǎn)成CIP清洗消毒狀態(tài)。設(shè)備配備了衛(wèi)生轉(zhuǎn)換板，通過轉(zhuǎn)換板切換，用戶的CIP清洗液可對外圍用戶管線進行CIP消毒。與此同時，設(shè)備內(nèi)部可以進行自身清洗和消毒。在清洗時，在設(shè)備緩沖罐中配制清洗液，由設(shè)備泵輸送到膜組件中進行清洗，將膜表面的污染清洗干凈，恢復(fù)其處理能力。

5.2? ? 膜濃縮設(shè)備性能

從膜濃縮設(shè)備的能耗、生產(chǎn)方式、濃縮方式、占地面積等方面概述膜濃縮設(shè)備的特點性能，如表1所示。

6? ? 運行成本分析

使用某種果蔬汁作為試驗物料，測算設(shè)備的運行成本，如表2所示。

以用天然氣生產(chǎn)蒸汽為例進行測算，每噸天然氣成本為400元，則每噸蒸汽的成本需要480元。采用傳統(tǒng)用雙效蒸發(fā)器來濃縮料液，處理1 t料液需要花0.6 t的蒸汽，即需要花費成本288元。而用膜來濃縮處理1 t料液只需要15元。這樣每年用膜來濃縮可節(jié)省成本為：（288-15）×92×330≈829萬元。

7? ? 結(jié)語

連續(xù)式膜濃縮設(shè)備具有通量高、速度快、能耗低、操作清洗簡單、使用壽命長等特點，膜濃縮設(shè)備可在低溫下濃縮，能很好地保留住物料中的風(fēng)味物質(zhì)和有效成分，避免傳統(tǒng)加熱濃縮會出現(xiàn)焦味及蒸發(fā)器結(jié)垢問題。投資一套膜濃縮設(shè)備需100萬～200萬元，則不到3個月的時間節(jié)省下來的成本就可把設(shè)備投資收回來，以后每年可凈節(jié)省成本829萬元。

[參考文獻]

[1] 周友華，王谷洪，冷胡峰.多種濃縮設(shè)備的技術(shù)特點及選型淺析[J].機電信息，2016（2）：35-37.

收稿日期：2021-07-02

作者簡介：王桂華（1978—），女，江西九江人，高級工程師，從事制藥技術(shù)與質(zhì)量管理研究工作。

通信作者：羅小榮（1976—），男，江西南昌人，高級工程師，從事中藥生產(chǎn)工作。