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摘要：食物中糖分的含量远超过其他成分的含量，除了水分以外水果蔬菜中糖分的含量位居榜首，那么如何将蔗糖进行分离成为工业上研究的重点，也将对人们的生活带来大的影响。本文主要介绍了膜分离技术在蔗糖工业上面的一些应用，在分子里面，每个分子的大小是可以衡量的，一旦某个膜间隙小于这个体积的时候，这样的分子就会被隔离开来，在工业上膜分离技术受到很多因素的影响，为了使得蔗糖可以更加顺利的通过膜分离得到提纯，本文对膜过滤进行详细介绍，并指出膜分离技术在今后的发展中有着不可或缺的地位。
关键词： 膜分离；提纯；工业应用；过滤
1.引言
膜分离技术[1]是20世纪末才兴起的一项技术，在近30年来发展迅速，成为一项高兴技术产业不可或缺的技能，在各行各业都取得了令人瞩目的成绩。膜分离技术主要就是利用膜的选择通过性，让大小不同的粒子进行分离，这样就可以得到不同的粒子，随着时代的发展膜分离技术也在不断地提高，想阶段已经成熟的技术像微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，这些新技术主要取决于膜孔径的大小与溶质分子的直径。
膜得透过性有多种根据透过的多少来划分为微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)。具体的划分就是根据粒子孔径的大小，具体的为微滤膜的孔径范围一般在0.02～10之间,它可以截留流体中尺寸在0.05以上的微粒悬浮物;超滤膜的孔径范围一般在0.001～0.02之间。膜得孔径大小与相关的压力呈现反比，最早的膜分离技术是1971年丹麦的一间制糖企业，最早的膜分离技术还是相对不太成熟，制造出来糖有很多处理的不是特别干净，直到80年代之后膜分离技术出现了许多新膜，这才是使得膜分离技术得到大的反向，直至现在持续热潮不断。
2.膜分离技术的应用
糖分离[2]的前提就是利用膜分离技术进行实现，随着时代的发展，膜分离技术的逐渐成熟应用也相对比较多，主要考虑微滤和超滤两种类型,还包含一些组合模型，但是现阶段主要还是考虑微滤和超滤。糖分离过程相对比较复杂，初步分离的糖汁主要是粗汁也叫做混合汁，需要进一步细化，糖分离过程中主要出现的问题有以下三类。
2.1精度对比
膜分离技术相对来说在糖分离中的应用时间比较长，对于大多数研究者来说利用膜分离技术来处理糖分离是最合适不过的了，Ghosh等人提出了利用磷酸亚硫酸法进行粗汁的细化处理，国家报到上面称在进行混合糖汁的分离的时候要保留足够多的唐分子最低需要保留一万以上，为了得到更加细化的唐分析，我们需要对唐分离进行不断的提纯处理，浑浊度[3]需要不断的降低，从83.4%一直降到28.3%，提纯度也需要增加至少增加1.69%。我们在进行膜分离处理之前需要进行原材料的处理包括清洗和消毒，为了利用多种膜进行糖分离，需要先对其他膜预先处理，首先进行糖处理得是甘蔗，众所周知甘蔗里面糖分的含量非常高，但是提纯也是非常复杂的一个流程，为了让糖分离可以更好的提纯[4]，国外很多优秀的研究者进行相关实验，vem等人首先做了一个实验，主要是通过吸附对甘蔗进行脱色处理，然后加上碳酸进行饱和。而Lancrenon等人在吸附的基础上进行了进一步研究，除了利用传统的碳酸进行饱和外，对设备也进行了较大的改进，除了利用原有的吸附对天才进行糖分提纯外，还对脱色的原汁进行了过滤[5]，采用多种过滤手段。甘蔗的糖分离只是众多膜分离技术应用的很小一部分。本文对于甘蔗的糖分力也做了一定的对比分析，这里面对唐分离的精度要求也是越来越高。
2.2糖分处理
膜分离技术应用于糖制造工业也就是针对糖分离进行，传统的分离技术很难达到日益进步的社会，必须找到一种方法来替代传统的制造技术[6]，如何得到精纯的糖分也是未来研究的重要课题，首先原汁的提纯，传统方法智能筛选出40%左右的非糖成分，得到的糖精度远远不能达到要求，即使利用其它方式像吸附，加入碳酸等等都是无法满足精度要求的，基于此需要设计出一种提纯方法，膜分离为了使得糖液的晶体，他的纯度必须达到99%才能满足我们提纯的目的，很多情况下必须达到99.9%才能满足，所以在膜分离提纯中对膜分离技术的要求也越来越高，必须采用新的方法对唐提纯做出合理的分配，保证原糖的精度，受到环境，酸碱度，以及色素的影响都有可能造成纯度降低，所以糖分离里面精度提纯才是重点所在。
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2.3过滤处理
过滤处理是重要的一个环节，在糖分离生产过程中，很容易会出现化合物以及众多的混合物，大部分时候会出现絮凝物，这样得到的糖是不纯的，也可以说絮凝物的形成是由于糖分离过程在过滤不够彻底导致的，我们需要进行。超滤把转化糖浆中的聚合糖化物的含量从562mg/kg而减少到0。加入酒精之后,产品没有检测到絮凝物的形成。超滤操作温度为70℃ ,操作压力为8×105Pa,超滤6小时后,通量从初始的8.6l/m2·h下降到6.8l/m2·h。也就是说我们在过滤掉这些不透明物质的时候需要采用其他手段，但是主要的还是利用过滤来处理，现阶段使用最成熟的方法也是过滤。在实际考察中我们得到糖分分离有最佳的温度和酸碱度以及相关压力，在这种环境下唐分离是非常容易的，而且这种情况下是没有絮凝物的形成。膜分离技术的关键在于分子有穿透力，膜具有让分子透过的能力，正常情况下一个分子透过膜是跟膜本身的透过性相关，在糖分分离的时候就需要考虑这批糖的纯度，糖分离之前是液态混合物，为了提高精度必须不断的提纯，通过6 000吨脱水汁被循环使用,它会将大约90吨糖和30吨杂质送回到渗出器中去。在进行提纯过程中需要不断地进行处理直至纯度达到预期的目标。
3.影响膜分离的因素
膜分离技术的应用领域非常广泛，在糖制造行业更是不可或缺的技术手段，我们在膜过滤的时候，通透量就显得格外重要了，影响莫得通透性主要有压力、供液的流速、过滤的温度和PH值。
3.1压力的影响
在膜分离的技术中，首先要考虑的就是在进行膜分离的时候，压力的影响，这里压力是指分子在通过膜的时候的压力，也可以认为是分子作用在膜上面的力，在这期间做了很多的实验，Ghost等人做了一个实验使用不同的卷式膜组件对粗汁进行超滤处理，实验结果可以主要考虑的是不同的压力，在不同压力条件下我们观察分子透过同一个膜的透过率，结果显示，在低的透膜压力下,超滤通量随透膜压力的上升而增加,在透膜压力[7]达2×105Pa附近,通量达到最大值,随压力的继续增加,通量反而下降。也就是说压力并不是越大越好而是有一个关键值，在这个值的附近分子的透过是最好的，为了得到更多的有用数据Kishilhara等人也对膜分离进行了类似的实验观察的是压力对分子透过膜的能力，是否与前面的研究保持一致，他们首先设计的孔径需要一致这里面我们首先选择0.05，在给定的孔径条件下，不断的调整压力我们从3×105Pa一致增加到5.5×105Pa观察分子的透过能力，其余的因素我们均不考虑，这里面针对甘蔗和蔗糖产生的原汁进行的压力测试。在此基础上Balakrishnan等人进行膜压力的测试，观察得出压力的提高只会导致通透性降低。
3.2粒子速度影响
粒子在穿过膜的时候自身带有一定的速度，我们需要调整离子的速度才能让粒子顺利通过膜，在甘蔗或者蔗糖进行原汁分离的时候，提供的原材料与膜分离的方向保持平行，这样离子也就是平行的进入。超滤过程中,部分液体会透过滤膜而成为提纯液,无法通过薄膜而被截留的溶质会在膜的高压侧积累,造成了膜表面到主体流溶液之间的浓度梯度,即所谓的“浓差极化”。这里面需要使得液面进行分层，由于上下层液体的浓度不同这样就会使得分子在通过膜的时候速度不同主要的原因在于，分子的浓度不同，通过膜的分子数不同，分子数越多膜的过滤能力越差。为了可以得到一个最佳的浓度也就是粒子通行速度Ghosh等人比较了两种不同尺寸的卷式膜超滤组件对粗汁处理的情况,其中,窄通道的组件有较高的切流速度(0.2m/s),通道宽的组件的切流速度较慢(0.1m/s),在整个近30个小时的超滤实验过程中,具有高切流速度的超滤组件一直具有较高的通量,这是因为高的切流速度能较有效地控制和减少浓差极化[8]的影响。在此基础上得到的数据依据不能满足要求，Balakrishnan等人在对混合汁的超滤实验中得到的是相反的结论,他们在实验中的供料速度分别为0.57(相应的透膜压力0.38×105Pa)、0.80及1.04m/s(相应的透膜压力0.74×105Pa),6小时实验数据与期望的结果相反,增加流速反而导致通量的下降。通过多次的实验总结得出最佳的通行速度，以及通行的方式，对于不同的分子而言通行的方式有很大的差别，离子的大小将直接通行的方式。用管式膜对甘蔗糖厂的粗汁进行超滤,运行中维持切流速度为4m/s,结果可以将膜的使用周期延长到8～20个小时:Hatissens等人通过粗汁超滤的实验认为,如果保持供料的切线速度达到4m/s,则没有出现污染的问题。
3.3 PH值影响
通常情况下膜分离中分子的通透性跟温度和PH值关系密切，过酸和过碱都会造成分子失活，温度的高低跟酸碱度影响基本保持一致，我们在进行膜分离之前通常需要将环境调到PH为7.5左右，这样在进行个过滤的时候才能得到完好的分子根据PH值的不同分子的通透性也差别很大。Balakrishnan考察了pH值为7.5和8.5的混合汁的超滤特性,结果是:在pH值为7.5时,超滤的通量稍微高于pH值为8.5时的通量。不断地改变PH值我们可以获得一个最佳活性PH，正常情况下我们只要在一定范围内分子的活性基本都是稳定的。我们知道分子的活性跟分子的透过性有直接的关系。而温度也是影响分子透过的一大重要原因。我们做相关实验可以得出相应的得结论，我们使用两种不同温度的相同物料进行膜分离处理，出温度不同以外其他因素均一致，设计的温度我们用梯度进行，从从30℃提高到70℃时每5℃设置一个梯度，不断进行对比并进行图形绘制，从实验结果可以清晰的看出相同条件下，温度在30℃到50℃的时候分子透过性较好，等到温度逐渐升高的时候分子逐渐失活，内部的色素分离也变得逐渐不明显，在进行膜分离的实验，需要一个合适的温度和合适的PH值，必须要保证分子的活性这样才是提高糖分离精度的关键所在。
4.结论
本文主要介绍了膜分离技术，以及影响膜分离的一些因素，随着时代的进步人们对糖的精度要求越来越高，制糖业也在飞速的发展，膜分离技术是制糖业的核心技术，应用前景广阔。现阶段膜分离技术的快速发展为制糖业带来了新的曙光，一些研究成果得到了工业上的极大认证，毫无疑问膜分离技术在今后的制糖业将起到支撑作用。
参考文献
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[7]蔡欧晨.膜技术用于中国船舶油水分离的可行性研究[J].中国人口·资源与环境,2015,25(S1):489-493.
[8]中国科学院生态环境研究中心膜技术研究与应用研究组[J].环境工程学报,2018,12(04):982.
论文作者:张健
论文发表刊物:《科技新时代》2018年5期
论文发表时间:2018/7/25
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