《高等分離過程》課程中工程案例分析

李雪琴，張海洋，白蘭莉

（石河子大學，化學化工學院 新疆 石河子 832003）

1 引言

案例教學法作為一種新型的教學方法已受到了越來越多的教師關注[1-5]。《高等分離過程》是化工類學生一門重要的專業課程。其課程的主要內容是研究工業過程中物質分離與純化的工程技術學科。當物質以混合物的形式存在，需要從中獲取有價值的一種或幾種產品時，就需要對此混合物進行分離。分離技術已廣泛的應用與化工、醫藥、食品、材料等領域。常見的分離技術有膜分離、精餾、吸收、吸附、萃取、薄層色譜等。其中膜分離作為一種新型的分離技術，已引起了越來越多的研究者關注[6-8]。本文選用膜分離技術中的超濾膜工藝作為典型工程案例進行分析，為案例教學法的實施提供相關參考，并幫助學生建立化工工程的系統觀念。

2 工程案例概述

膜分離技術最核心的部分是膜。膜是具有選擇性分離功能的材料，利用膜的選擇性分離可實現不同組分的分離、純化、濃縮的過程稱作膜分離。根據其過程可分為：微濾、超濾、納濾、反滲透等。其中超濾是介于微濾和納濾之間的一種膜過程，膜孔徑在0.05微米至1納米之間。超濾是一種能夠將溶液進行純化、分離、濃縮的膜分離技術，其分離機理通常為篩分機理。

為方便學生理解，選擇蘋果酒超濾工藝作為典型的工程案例進行分析[9]，讓學生結合實際的工程案例，鍛煉學生的分析能力和實踐能力。

案例背景：我國是世界上最大的蘋果生產國和消費國，目前，對于蘋果的深加工問題一直是關注的熱點。將蘋果加工成蘋果酒具有比較成熟的工藝，但是在加工工程中需要保證其具有良好的澄清度。但是，在蘋果酒釀造和貯存過程中易產生沉淀，導致蘋果酒渾濁，其渾濁的原因一方面是由于微生物對蘋果酒中組分的代謝作用破壞了蘋果酒中的膠體平衡狀態導致產生了渾濁或沉淀；另一方面是由于蘋果酒發酵后產生的多糖類、果膠、鞣質、蛋白質等不同分子大小的差異性導致這些分子以膠體狀態存在，當環境溫度降低時，這些成分的溶解度下降會使蘋果酒變得渾濁。因此，開發高效的澄清工藝對蘋果酒品質的提高具有重要的意義。超濾技術作為一種新型的澄清方法具有分離效率高、能耗低、綠色、環保等優點。

案例簡介：蘋果酒的生產工藝為：新鮮蘋果→篩選→清洗→破碎榨汁→果汁澄清→低溫發酵→原酒→離心→澄清處理→調配→檢驗→灌裝→殺菌→成品。其中，蘋果酒澄清的工藝的澄清方法主要包括自然澄清法、澄清劑澄清法、超濾技術、多種方法聯用技術等。自然澄清法需長時間將蘋果酒保持靜止狀態，使懸浮物沉淀，本方法的缺點是耗時廠、酒穩定性差，目前此方法使用較少。澄清劑澄清法主要是選用合適的澄清劑，如硅藻土、交聯聚乙烯吡咯烷酮、殼聚糖、皂土、明膠溶液等，本方法目前應用較多，但需篩選出合適的澄清劑。最近，超濾膜分離技術，該技術以壓力差為推動力，應用超濾膜作為過濾介質，已廣泛的應用到果汁澄清的工藝中，超濾膜分離技術可去除果蔬汁中的果膠、淀粉、蛋白質、微生物和色素等雜質，此方法具有效率高、能耗低、操作條件溫和、環保、綠色、操作簡便、有效成分損失少等優點，在果蔬汁澄清應用領域顯示出較好的應用前景。綜上分析可知，本工藝澄清方法選擇超濾膜分離技術，采用該方法將除去大分子物質和微生物，能有效澄清蘋果酒，并可以截留大量有效成分。此外，在超濾澄清蘋果酒的過程中，考察了不同操作條件對膜分離性能的影響。

案例問題分析：超濾膜分離技術應用在蘋果酒澄清工藝過程中，面臨的主要問題是膜滲透通量的大幅降低，因此，如何優化操作條件保證膜具有較高的通量是超濾膜分離技術應用的關鍵。

案例問題討論：超濾工藝用于蘋果酒澄清過程中，影響其滲透通量的因素有：料液濃度、料液流速、料液比、操作時間、操作壓力、操作溫度等，要確定出哪些參數是影響超濾膜通量的關鍵因素，且還要注意各個因素之間的關聯性。

案例問題解決方法：采用通徑分析可研究超濾膜分離技術用于蘋果酒澄清工藝過程中各個操作條件對膜通量的影響，通過方差和決定性分析可獲得各操作參數對膜通量影響程度的大小，通過此法可確定最佳實驗操作條件。

案例結論：運用通徑分析法，考察了各操作參數對超濾膜通量的影響，確定了影響膜通量的關鍵因素主要為操作壓力、操作溫度和進料流速，且各操作條件對膜通量影響程度大小順序為：操作壓力＞進料流速＞操作溫度。通過對超濾膜分離工藝進行優化，經超濾膜處理的蘋果酒，蘋果酒透光率達98.7%，蘋果酒產品呈現澄清樣。對于影響蘋果酒澄清的雜質如蛋白、多酚含量明顯降低，另外，對于蘋果酒內的有效成分大部分都截留了下來，蘋果酒的糖度、酒精度和酸度經過超濾工藝處理后變化不大。

3 結語

利用案例教學法進行《高等分離過程》課程講解，將會激發學生的學習興趣，使學生對這門課程的相關知識掌握的更加全面和透徹。本文選用超濾膜工藝作為典型工程案例進行分析，為案例教學法的實施提供相關參考。此外，案例教學方法的實施將有利于培養學生們的自學能力、處理問題的能力、分析問題的能力、解決問題的能力和創新能力。

[1] 宗國平.發展化學學科核心素養構建合作式的化學課堂—《化學能轉化為電能》案例研究[J].課程教育研究，2017，1：142-143.

[2] 朱清貞，劉冰靈，汪建敏.《財務管理》課程案例教學及教學方法研究與實踐[J].金融教育研究，2016，29（2）：73-79.

[3] 李雪琴，張海洋，賈鑫，郭瑞麗.微課在化工類課程教學中的運用構想[J]，化工高等教育，2016，33（6）：68-70.

[4] 李雪琴，張海洋，張建樹，郭瑞麗.淺析教學與科研相融合的原則[J]，廣東化工，2016，43（10）：231.

[5] 廖鷹，賀筱媛，吳善明，等.系統工程案例庫建設與實踐[J].中國管理信息化，2016，19（5）：235-237.

[6] 李雪琴，張海洋，賈鑫，郭瑞麗.《高等分離過程》課程案例庫建設探討[J]，教育教學論壇，2016，9（39）：185-186.

[7] 張海洋，李雪琴，賈鑫，郭瑞麗.基于《化工原理》課程案例庫建設的初步探索[J]，2016， 11（46）：123-124.

[8] 吳參，陳穎，李慧穎.工程案例式的《機械控制工程》課程探索[J].計算機教育，2017，22：238-239.

[9] 張海濤，王燕，楊平平.蘋果酒澄清工藝研究進展[J].山東食品發酵，2015，3（178）：42-45.