乳蛋白濃縮物制備中膜污染模型建立及清洗方法的研究.pdf

1、超濾是膜分離技術(shù)的一種，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于乳品工業(yè)中，特別是乳蛋白濃縮物(MPC)的制備。超濾在應(yīng)用的過程中，存在一個(gè)關(guān)鍵問題——膜污染，這一現(xiàn)象會(huì)使得阻力增加，導(dǎo)致滲透通量衰減，從而限制了超濾技術(shù)在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用。因此，膜污染問題得到了廣泛關(guān)注，膜污染成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)之一，探討與膜污染有關(guān)的基礎(chǔ)理論以及清洗方面的研究具有重要意義。目前，我國還沒有MPC的規(guī)?；a(chǎn)，因此關(guān)于膜污染的理論和清洗方法的研究也鮮有報(bào)道。本研究中，利用不同

2、的傳統(tǒng)污染模型的概念，針對(duì)MPC生產(chǎn)中膜污染的具體情況，對(duì)超濾過程中由于蛋白質(zhì)污染導(dǎo)致的通量衰減問題進(jìn)一步進(jìn)行了研究，在已有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和結(jié)合，推導(dǎo)出更有效的數(shù)學(xué)模型，將理論得到的模型同在多種試驗(yàn)條件下進(jìn)行的超濾的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該模型的有效性;同時(shí)選取多種清洗劑對(duì)污染膜進(jìn)行清洗，通過對(duì)比通量恢復(fù)率(WFR)，獲得各清洗劑的最佳濃度、最佳時(shí)間以及最佳溫度。具體研究內(nèi)容與結(jié)果如下:
　　 1.對(duì)原料乳進(jìn)行離心脫脂，研

3、究原料乳中脂肪含量對(duì)超濾的影響，試驗(yàn)結(jié)果為:原料乳脂肪含量對(duì)膜通量、膜污染程度以及蛋白（干基）含量均有顯著影響(P＜0.05);經(jīng)脫脂后，原料乳的脂肪含量為0.0365％，超濾過程中膜通量為9.39L/m2·h～23.96L/m2·h，工作2h后純水通量為67.28 L/m2·h，為超濾前的42.48％。
　　 2.在經(jīng)典污染模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合推導(dǎo)模型的理論研究。具體模型為:
　　 (1)膜孔堵塞模型第一階段，孔徑堵塞是

4、控制過濾阻力的主要因素。推導(dǎo)得到滲透通量的表達(dá)公式:q=dV/dt=Pmf/ηRm exp(-∫0αρRmf/ηRmφmdt)+Pmf/η(Rm+Rp0)（1-exp(-∫0αρRmf/ηRmφmdt))在該方程式中，由于濾餅層的存在，Pmf不等于ΔP，且隨著時(shí)間變化。因此，需要確定濾餅層中的壓力分布，加入濾餅層模型。
　　 (2)可壓縮濾餅層模型在膜孔堵塞之后，濾餅層開始在膜表面形成，且濾餅層引起的壓力開始在滲透過程中占據(jù)主導(dǎo)

5、，我們將這一階段定義為模型的第二階段。通過運(yùn)算得到體積分?jǐn)?shù)分布，滲透通量和可壓縮餅層高度都形成關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)。如下:∫0φdz+φ0/1-φ0ΔV0-vΔti=∫i+10φdzΔVi=ΔtidV/dt|i=qiΔti滲透時(shí)間t和濾液體積V之間的關(guān)系可以用Δti和ΔVi求和法計(jì)算。膜的通量(J0=ΔP/ηRm)受不同的膜阻力影響:tJ0/V=(βcη/2ΔP)VJ0+13.不同操作條件下的超濾試驗(yàn)結(jié)果及其與模型預(yù)測的對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果為:t

6、J0/V值在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)逐漸增加，顯示為膜孔堵塞主導(dǎo)的時(shí)期。之后，tJ0/V值明顯增加，這是濾餅層開始形成，并成為主導(dǎo)因素的標(biāo)志。最后，tJ0/V逐漸平緩。可看出結(jié)果與預(yù)測重疊明顯，特別是滲透過程后期。且兩次重復(fù)試驗(yàn)誤差在初期小于20％，后期小于10％。參數(shù)擬合中，兩次重復(fù)試驗(yàn)間α的誤差小于20％，Rp0和v小于10％，滲透通量預(yù)測結(jié)果的誤差在最初小于20％，之后小于10％。且該模型在20％的變化范圍內(nèi)足夠穩(wěn)定。
　　 4.計(jì)算試

7、驗(yàn)中相同水平上的擬合參數(shù)的平均值用以研究跨膜壓力及料液流速對(duì)超濾過程的影響。試驗(yàn)結(jié)果為:當(dāng)跨膜壓力增加時(shí)，膜孔堵塞因數(shù)α隨之有小幅增加，濾餅層移動(dòng)速率v有輕微的減小趨勢，而Rp0有小幅增加，因此跨膜壓力并非越大越好，濾餅層形成后，跨膜壓力的增大對(duì)滲透通量增加并沒有作用;流速加快時(shí)，膜孔堵塞因數(shù)α略微增加，濾餅層移動(dòng)速率v隨料液流速的加快有所增加，而初始污染阻力Rp0有小幅下降，因此，增加料液流速可減小膜污染。
　　 5.根據(jù)污染

8、物的成分及PES膜的特性，選擇以下五種清洗劑:氫氧化鈉、鹽酸、次氯酸鈉、十二烷基磺酸鈉(SDS)和堿性蛋白酶。試驗(yàn)結(jié)果為:
　　 (1)清洗效果最好的清洗劑是氫氧化鈉，WFR最高可達(dá)79.2％，其次是堿性蛋白酶、次氯酸鈉和SDS，最高WFR分別為69.1％、62.6％、46.1％，鹽酸溶液的清洗效果是最差的，最高WFR僅有39.1％;
　　 (2)氫氧化鈉、鹽酸、次氯酸鈉、SDS、堿性蛋白酶的最佳清洗濃度分別為:0.5-