聚砜膜的制备及过滤发酵液时的污染研究

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膜分离技术作为一项新型的分离技术,由于其的低能耗,操作简便,可以在常温下进行的优点,越来越受到人们的重视。本文从制备聚砜(PSF)平板膜开始,从对于所制膜的性能评价来选取高性能的平板膜。然后选取指状结构和海绵状结构两种不同结构的平板膜,分别过滤牛血清蛋白(BSA)溶液,分析膜结构对于膜污染的影响。研究了蔗糖、麦芽糊精、BSA、L-谷胱甘肽、三乙酸甘油酯五种典型的污染物过滤时的污染效果以及使用水洗,酸洗,碱洗三种不同清洗方式所造成的不同。最后分析了使用PSF膜过滤啤酒后啤酒菌落总数、营养物含量和风味物质的变化情况。
  通过非溶剂致相分离法(NIPS)制备PSF平板膜,使用实验室自制的泡点-流速法孔径分布测定仪测定所制的膜的孔径分布范围和气通量。在100kPa的氮气压力下测定膜的水通量,使用动态水接触角测定仪测定膜的动态水接触角,最后通过扫描电子显微镜(SEM)对所制的PSF膜的上表面,下表面以及截面进行形态结构观察。实验结果表明:实验室所制备的PSF平板膜的孔径分布范围在(0.25±0.5)μm,水通量范围为(4400±800)L·h-1·m-2,气通量范围为(14500±5600)mL/min,水接触角在在40s内迅速从70°变为0°,说明所制的PSF膜有着良好的亲水性。通过SEM对膜的形态结构进行观察,发现所制造的膜是有着微孔海绵状结构,具有良好的贯通性。
  在1mL/min的恒定流量下,用聚砜海绵状孔膜,聚砜指状孔膜,聚醚砜海绵状孔膜和聚醚砜指状孔膜对1mg/mL的牛血清蛋白溶液进行过滤,对过滤过程中的跨膜压差和滤液中牛血清蛋白的浓度进行实时监测,分析过滤过程中累积吸附截留量与跨膜压差的变化情况,提出膜污染类型属于滤饼污染。实验结果表明:滤饼比阻与膜单位厚度承压层上承受的压力相关,指状结构的膜在过滤时,由于单位厚度承压层上所受到的压力大,产生高比阻滤饼,导致初期过滤阶段滤饼阻力快速增加,并在随后快速增加的压差作用下使得滤饼层被冲破,使污染物进入膜内形成难清洗污染,在随后的过滤过程中滤饼层反复的冲破-形成使跨膜压差剧烈波动,缓慢上升;而海绵状结构膜单位厚度承压层上受到的压力小,过滤时在表面形成低比阻易清洗滤饼污染。
  选取五种物质:蔗糖、麦芽糊精、牛血清蛋白、L-谷胱甘肽、三乙酸甘油酯,代表在食品工业生产中常见的污染物中的糖类,蛋白质,脂类。使用PSF膜进行过滤,探讨PSF膜过滤这五种物质时的污染规律。用阻力分布模型来探讨在过滤这五种物质时的阻力分布情况。对过滤后的膜进行水洗,酸洗,碱洗等不同的清洗方式,探究过滤物质时的最佳清洗方式。从而得出过滤牛血清蛋白时,PSF膜受到的污染最难以除去,而过滤L-谷胱甘肽时候受到的污染相较而言容易去除。在PSF膜过滤蔗糖,麦芽糊精,牛血清蛋白,L-谷胱甘肽,三乙酸甘油酯时,膜的阻力分布情况根据过滤物质的不同以及膜是否经过水洗,酸洗,碱洗而略有不同。但是,总的来说,在过滤这五种物质的时候,浓差极化阻力以及膜的自身阻力的阻力贡献率最高,膜的静态吸附阻力和膜的堵孔阻力的阻力贡献率最低。
  通过PSF膜对啤酒进行死端过滤除菌实验,研究啤酒过滤前后菌落总数,营养成分以及风味物质的变化情况,发现PSF膜对于啤酒有着良好的除菌效果,除菌率达到99.92%,菌落总数含量符合GB2758国家标准,并且能够极大程度上保留啤酒中的营养物质和风味物质。啤酒在过滤除菌时,膜受到的污染情况较为严重,此时若采用水对被污染的膜进行清洗,可以使得通量有着较大幅度的恢复。在啤酒过滤过程中,浓差极化阻力的贡献最大,其次为堵孔阻力,为了减少其影响,在对啤酒的过滤过程中,应该采用错流过滤的方式,有效减少阻力的增加。
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