浓缩特性——膜过滤

过滤背景的介绍
技术研讨会 “过滤技术的成本降低——利润提高”
2005年3月10日，英国伯明翰考文垂中央研讨会
http://www.filtsoc.com
GEA过滤（尼鲁有限公司）销售董事David M Dubbin。

概要

错流膜过滤为产品生产商提供一些独特的好处。它提供了一种较为经济的方式并且该方法可以较易与现有设备配套达到脱水的功效。 但或许最值得一提的技术特点是能同时浓缩和纯化, 这不但可高产品质量而且有利于新产品开发。

在本文中介绍了两个如何利用滤技术的专题研究。

背景

不同于常规的直接过滤, 在一个错流过滤系统里，滞留物保持一个表面流速并与膜表面平行以防止或减少结“块”的现象, 在这种情况下浓缩极化层形成。

膜的类型具体由所需过滤液的成分及应用而定，其错流速度在2-6m/s范围之上。

膜分为两种基本结构，聚合膜和无机膜——陶瓷膜和不锈钢膜。

各种各样的膜结构被开发，每种都有它们自身特有的结构，包括管道式膜，中空纤维膜，扁平片膜和螺旋式膜。

依过滤原理，过滤条件及过滤常数分为四个区域。 典型的应用和参数被显示在表1。

个案研究 1 – 乳清处理

乳酪生产中90% 液体牛奶被转化成乳清. 一个液体乳酪制造副产物，在以前被认为不方便和难处理。这些副产物经常倾倒入海洋，排出小河，喷洒在牧场或喂养母牛，在以前被认为不方便和难处理。 今天, 有效地处理乳清是重要的判断乳酪制造是否经济的一个参数, 因为污水处理的费用是以每吨￡200的成本计算的。

任一个乳酪厂每天生产超出300m3的乳清可能有利润。 但是, 在许多乳酪厂是没有预浓缩的乳清加工也没有将加工的乳清用于下序工段。

让我们来看一个例子，乳酪厂每天生产750 吨的乳清, 并使用2 台TVR 蒸发器, 浓缩乳清从6% 固体到35% ，然后送去干燥。

可有5个解决方案

• 除现有的蒸发设备优化之外，其余没有任何改变
• 安装RO 设备在当中的一个蒸发器之前
• 安装一个 RO 设备和一个纳滤设备，与蒸发器同时使用。
• 安装一级节能 MVR 蒸发器。
• 不进行预浓缩直接拿含6% 固体物去其他地方干燥。

表2 列出结果，未含有浓缩干燥工艺

在选项3中，通过钠滤的固形物质里可以达到22%，并且使之从蒸发器中出来的物料为含固量52% 而不足35%，这极大地提高了干燥的效率。

但是, 由于纳滤膜的独特分离特征，乳清被40%去矿物质化，而影响乳清的品质。

这个案件首选的答案是选项2, 使用RO的设备最好的回报就是五年回报期。

如果按长期的回报考虑, 选择4, 一台新MVR 蒸发器也是一种有吸引力的解决方法。

在这个例子中辅助于膜过滤有许多明显的有利条件

• 最佳的转换为8-12% DS.
• 低投资成本
• 低能量消耗
• 减少必要空间
• 易于装配

该案例说明：使用浓缩和干燥可生产出用于食品或脱脂奶添加剂的乳清粉，使用膜过滤可以生产出各类高附加值的乳清。

为了解什么是可能的, 我们首先需要考虑全脂牛奶和乳清牛奶的相对成分。 表格 3 — 牛奶 / 乳清成分   牛奶 % 乳清% 脂肪 3.30 0.05 蛋白质 3.34 0.60 酪蛋白 2.70 0.003 乳清蛋白质 0.64 0.60 非蛋白氮 0.16 0.18 乳糖 4.60 4.60 灰粉 0.75 0.60 固体总量 12.15 6.03

乳清蛋白质提到有以下近似的成分 Table 4 Beta-乳球蛋白 50 % Alfa-乳白蛋白 25 % 蛋白酶-蛋白胨 20 % 血液蛋白质 25 % -免疫血球蛋白 15 %

图表1 有各类乳清加工图。

图 1

利用超滤浓缩乳清，可生产出含蛋白35%-50%固形物15%或较容易加工为固形物40%-45%，然后去多级干燥成乳清粉。

增加一个横向水分离工序在整个工艺中，可能使乳糖下降，而乳清蛋白可高达80%

该工艺见图表2。

图 2

为了精加工WPC 以使蛋白含量在90%以上，脂肪必须去除。通常加一组陶瓷膜过滤于两组超滤之间 可以解决此问题。

图 3

生产出来的产品为去蛋白乳清-WPI, WIP-90的这种情况下,被视作为一个几乎纯净的蛋白质来源, 其价值与乳酪相似，具有高回报的功能产品。

在表5中对比市场大小, 市场价格和生产成本。

最近，也就是案例尾声， 通过膜过滤与色谱分离结合起来，是可能分离各类的乳清蛋白质的， 并开发出新的纯度在80%-90%范围内的蛋白质。

我们已经知道人奶主要是含乳白蛋白和乳铁传递蛋白，主要的乳清蛋白质是β-乳球蛋白。

如果能被有选择地分离蛋白，那么可能使生产出的婴儿奶粉配方更接近母乳，这项产品在全球的工业中的盈利为80 -100亿美元。

其他的高速发展，高利润产品使用去蛋白乳清包括发酵的产品如新风味系列的饮料， 含有益菌酸牛奶和运动型饮料，这些新产品都称为有利于健康包括控制和减少胆固醇。 因此，特别是乳酪价格下降，令将来乳酪可能被视为蛋白质生产的副产品。

案例研究2 - 酶的生产

生物工艺方面的发展已经延生了许多新的生物化学的产品，特别是工业酶。酶产业令商品和专业酶产品增长速度极快，因此如何更有效地提高收得率和更经济地提纯酶成为首要问题。

通常生产中使用发酵生产组织成分，然后用传统的发酵回收法借助离心和预涂过滤进行纯化。 错流膜过滤，特别是微滤， 越来越多被用在替换这两个分离措施中，这是由于膜过滤具有更低的投资和生产费用的优势，较高收得率和简单的后工段处理。

工业酶能改进生物化学反应的速度和效率，而没有改变本来工艺的有效化合物。 传统上， 工业酶的使用已经被限制，他需要一定 (pH值，温度，湿度，污染)的条件和贮存限制，这些不利条件已被合成酶和DNA克隆产品所克服，并被用于提高酶的特性。 蛋白质工程，分子演化和其他新蛋白质设计技术日益成熟。

酶，有时称为生物催化剂，具有通过增加效力，来替换传统反应试剂的巨大潜能。 酶比传统化学制品更经济，和对环境无污染。 所以公司在研究开发细胞生产非常集中的酶过程中投入巨大。最普通的用途今天是为洗涤剂(去污)， 纺织品(皱纹还原)，酒精和皮革，及数以万计的应用。

虽然在生物工艺学中允许应用许多工程酶，目前只有不到30种酶占工业酶的90%。酶的数量增加，这种情况会改变，例如在动物饲料内可使用植酸酶。 市场正以健康的速度增长，特别是新品种酶的应用。2003年中工业酶在全世界的销售超过20亿美元。

分离技术

新酶的发展带来了新的回收和分离技术的机会。 关键是优化和发展酶的生产，使酶生产更节约以使更多的酶应用更广泛。

科学家移植或修改生物细胞中的DNA结构，借用三种组织来进行：细菌（大肠杆菌是最常用的），酵母菌或霉菌（这与哺乳细胞用于医药制品正相反），所有的组织均需发酵技术。酶通常存在于细胞外，由于酶在细胞外的表现为使细胞完整，使用物理分离方法从发酵液中收集酶，这比直接收集破壁细胞体的方法更加合理，也同时纯化了酶分子量。

陶瓷膜的微滤广泛地被用于这种酶分离技术， 该技术可以允许酶通过并在渗透液里回收酶。 与离心分离物和旋转的真空过滤相比这是一种更加经济的分离技术。

通常离心机或叶式离心机被用来收集细胞，然后用预涂助滤剂的方式或叶式压滤方式纯化酶，这之后，酶再被提纯和浓缩后送去干燥或抛光等处理。事实上，在70年代这是最初的超滤应用案例。

离心分离具有使物料加热，蛋白质变异等缺点，但最主要的是离心分离是依赖于密度而不是粒子的大小。转鼓真空过滤和其他直接过滤都具有这种不足之处。

现代方法是使用错流微滤。 它具有几个超越传统的技术的优点：

使酶纯化更高效，并可获得较高生物活性的提取率。

它免除了预涂过滤中需要的过滤介质，如DE和珍珠岩，同时也免除了对环境的污染。它并且减少了购买和处理滤材的费用和困难。

错流膜过滤运用流体错流, 而不是直接过滤。 无论任何时候，它都能使用CIP技术和蒸汽杀菌进行容易地清洗。

由于可获得的产品纯度更高，这使得过程控制及下游的纯化工序得以优化。

或许对现代工艺来讲，膜过滤的最初投资和生产中的维修费都比用传统的离心分离 / 直接过滤系统低。

图4 用微滤说明一个传统分离过程的替换。

图 4

微滤的实施可能在一条全新的生产流水线采用，或者转变/ 升级一个现有的过程中。在一个新系统中，使用微滤替换离心分离物和预涂过滤是更经济的。升级一个现有的系统，替换过滤器并且在适当的位置使用离心机更合理.， 这样可使物料在MF段产生更浓物料并优化了提取率，从而减少了对超滤段的设备压力，节约了投资。

图5。 一个典型的商业微滤系统。

不同于乳制品成熟的工艺，酶处理工艺过程的设计及试验全都将围绕着一个如何更有效，更经济地提高收得率。采用最大的微滤设备能力以减少总投资，提高酶渗透性以获取较高的产率。

基于设计经验和成熟的试验数据可提供可靠的酶的膜渗透性。控制膜表层流量以使酶有个较好渗透流是关键。要以最小膜表层流量达到最大分离效果。

膜分离酶技术常出现如下问题：越高膜压降，使膜表层流很难保持一个平稳的层流，更多时间在膜通道进口会出现湍流。为了克服该缺点，有的公司发明了第三代恒压降陶瓷膜，它使液体在膜通道随着膜厚度保持一个恒定的压力差，从而在整个膜通道内形成一个恒定的滤过滤层流。采用该种膜材料使用“最小膜表层流达到最大渗透流，即最大分离效果”成为可能。

故采用合理的膜设计系统加以利用新型膜材料，可使微滤成为酶生产中细胞收集中一个较为经济优化的生产工段

用过滤技术降低成本——增加利润（PDF）