酱油膜澄清过滤关键技术及膜污染机理研究

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酱油是中国传统大宗调味品,目前其澄清工艺主要采用硅藻土板框过滤。但现有板框过滤工艺存在过滤精度不足、间歇操作生产效率较低等问题,使酱油产品品质难以保证且会造成严重的环境污染。膜分离作为一种绿色、高效的过滤技术,可以应用于酱油的澄清过程。但由于酱油原液成分复杂,含有不溶性蛋白、淀粉颗粒、微生物菌体等多种杂质,极易导致严重的膜污染问题,且会导致酱油的风味和品质劣化,使得膜分离技术在酱油澄清工艺的应用受到限制。本文旨在研究高盐稀态发酵酱油的膜澄清过滤关键技术,并进一步探究过滤过程中膜污染机理和再生策略,为膜技术用于酱油澄清过滤提供依据。  首先,针对高盐稀态发酵酱油原液的物料特性和产品质量要求,选择了2种材质4种型号的滤膜进行澄清过滤,综合考察膜通量、浓缩倍数、膜再生能力及滤液质量等指标。结果表明,无机膜经高强度清洗程序后通量恢复至77%,不适合工业化应用;有机膜经常规清洗后通量恢复率达100%。在不同孔径滤膜的处理效果中,0.3μm膜处理效果最优,滤液在室温条件下储藏6个月,外观保持澄清,滤液中的主要营养和风味物质含量与酱油原液无显著差异,符合产品质量标准,且膜平均过滤通量为14.5 LMH。  其次,针对所选0.3μm的聚偏氟乙烯膜对跨膜压差、膜面流速、操作温度等操作条件进行优化。结果表明,酱油澄清过滤临界跨膜压差为0.12 MPa;当膜面流速从0.06m/s上升至0.30 m/s,流体流动状态从层流变为湍流,稳态膜通量从10.3 LMH上升至27.1 LMH;操作温度从40℃上升至60℃稳态膜通量从17.8 LMH提高至37.7 LMH。综合考虑,选择跨膜压差(TMP)0.12 MPa,膜面流速(CFV)0.30 m/s,操作温度(T)50℃为最优条件并进行连续浓缩实验,浓缩倍数达12倍时,平均通量可达19.6 LMH;产品中有效成分氨基态氮保留率为100%,还原糖、食盐等物质的保留率均高于99%;过膜前后特征风味物质如4-乙基愈创木酚,愈创木酚,乙酸乙酯,乳酸乙酯含量基本不发生变化,醇类物质相对含量减少10%。  最后,系统探究了酱油膜澄清过程中的膜污染机理。利用Hermia模型为工具,推导出在过滤初期膜的污染是由多种机制(完全堵塞、中间堵塞)联合控制,此后滤饼层污染占主导作用。通过阻力分析探究了操作条件对膜污染的影响,结果表明:浓差极化阻力(Rcp)和滤饼层阻力(Rc)分别为不同条件下的主导污染阻力,且受膜面流速的显著影响。当膜面流速0.06 m/s上升至0.21 m/s(TMP0.12 MPa,T50℃)时,Rcp为主要污染阻力,且该过程中Rcp从58.08%下降至14.57%,Rc从19.73%上升至43.12%,而其他条件下Rc均为主导阻力。进一步建立了通量衰减模型反应跨膜压差、操作温度、膜面流速等因素对膜通量影响。模型预测值与实验值误差小于10%,证明该模型可以用于该体系中不同操作条件下膜运行状态的预测。本研究为酱油膜澄清过滤工业化应用提供了技术支撑和理论指导。
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