連續式膜濃縮設備研究與應用

王桂華 羅小榮 曾一心 靳祖英 譚縣輝

摘 要：與傳統加熱濃縮相比，膜濃縮具有速度快、能耗低、操作清洗簡單、設備使用壽命長等優勢。現主要介紹連續式膜濃縮設備的原理、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式膜濃縮設備的運行成本。

關鍵詞：膜濃縮;物理分離;連續式膜濃縮設備

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而僅讓小分子物質和溶劑（水）通過膜，從而達到濃縮大分子物質的目的。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變過程，因此是最經濟、最節能的濃縮方法，目前已廣泛應用于生物制藥、食品飲料、化工、海水淡化等眾多領域[1]，成為現代工業生產的重要輔助工藝。膜濃縮設備根據不同的使用環境可以選用不同材質的膜，以更好地適應生產的需要。

1? ? 連續式膜濃縮設備原理

在一定的壓力下，當原液流過膜表面時，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則被截留在膜的進液側，成為濃縮液，從而實現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、生物發酵制劑、中藥、蛋白質類等物料的分離與濃縮。

2? ? 膜濃縮分離設備特點

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

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

（2）設備體積小，結構簡單，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）膜作為過濾介質是由高分子材料制成的均勻連續體，屬于純物理方法過濾，物質在分離過程中不發生質的變化（即不影響物料的分子結構）。

膜濃縮需要克服截留物質所產生的滲透壓，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? ? 膜濃縮分離設備應用領域

采用膜分離技術進行物料分離與濃縮，不但不會污染環境，還能節省大量人力、物力。系統可在常溫下運行，不會因為高溫破壞物質結構，能保證物料性質不發生變化;可應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，釀造產品（酒類、醋等），乳制品，醫用無菌無熱原水設備，工業分離、濃縮、提純，工業廢水處理、電泳漆、電鍍含油廢水處理等領域。

4? ? 膜濃縮分離設備

4.1? ? 陶瓷膜

陶瓷膜是由氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯等材料經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。可根據物料的粘度、懸浮物含量等性質選擇不同孔徑的膜，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）陶瓷膜系統能夠連續進料，連續出濾渣和濾液，實現全自動控制，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? ? 卷膜設備

卷膜設備包括卷式微濾膜、卷式超濾膜、卷式納濾膜和反滲透膜系統。卷式超濾膜截留分子量1 000～200 000 Da，將大分子雜質截留，透過目標產物;也可截留目標產物，透過水和小分子雜質，達到脫色、除雜及產品分級的目的。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去除，以獲得高質量的純凈水。

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? ? 連續離子交換設備

連續離子交換是一種完全革新的分離工藝，不同于傳統的固定床、脈沖床、模擬移動床等工藝。連續離子交換系統由樹脂柱系列和多孔分配旋轉閥構成，根據工藝設計可把樹脂柱系列分為幾個功能區，物料進入系統后，通過旋轉閥切換使每根樹脂柱依次經過各個功能區實現同時吸附、水洗、解析、再生等全部工藝過程，從而把傳統固定的間歇過程變成連續的過程。

連續離子交換系統采用了先進的設計理念和精湛的制作工藝，用途廣泛，操作方便，可以根據不同產品分離要求靈活調整工藝。主要特點如下：

（1）保持料液中產品的成分和濃度穩定;

（2）樹脂用量減少50%～90%，洗滌水用量最高節約50%～70%;

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

（4）設備緊湊，易于安裝在任何位置，與舊的生產過程和設備匹配;

（5）全自動化運行，保證了連續穩定的生產。

4.4? ? 板式膜設備

板式膜分離技術徹底突破了發酵行業傳統過濾分離技術的瓶頸，解決了濾液質量差、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）系統內各組件可獨立運行或待機，也可逐級拓展，易實現全自動控制;

（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? ? 連續式膜濃縮設備工作流程

連續式膜濃縮生產系統：料液進入緩沖罐，由輸料泵、保安過濾器、加壓泵、循環泵進入膜濃縮組件，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。

系統設計采用連續式運行方式。用戶采用泵將物料輸送到設備緩沖罐中，當緩沖罐中有一定體積的料液后，膜系統開機。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，在組件內循環泵的輸送下，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如產品等則被膜截留，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，繼續進行分離。依此類推，當物料被各級組件濃縮到一定的倍數后，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，由此連續式運行。

5.1? ? CIP清洗和消毒

當一批物料處理完成之后，設備轉成CIP清洗消毒狀態。設備配備了衛生轉換板，通過轉換板切換，用戶的CIP清洗液可對外圍用戶管線進行CIP消毒。與此同時，設備內部可以進行自身清洗和消毒。在清洗時，在設備緩沖罐中配制清洗液，由設備泵輸送到膜組件中進行清洗，將膜表面的污染清洗干凈，恢復其處理能力。

5.2? ? 膜濃縮設備性能

從膜濃縮設備的能耗、生產方式、濃縮方式、占地面積等方面概述膜濃縮設備的特點性能，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，測算設備的運行成本，如表2所示。

以用天然氣生產蒸汽為例進行測算，每噸天然氣成本為400元，則每噸蒸汽的成本需要480元。采用傳統用雙效蒸發器來濃縮料液，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省成本為：（288-15）×92×330≈829萬元。

7? ? 結語

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

[參考文獻]

[1] 周友華，王谷洪，冷胡峰.多種濃縮設備的技術特點及選型淺析[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，從事制藥技術與質量管理研究工作。

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