第五章-食品分离新技术ppt课件.ppt

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1、第五第五章章 食品分离新技术食品分离新技术第一节第一节 超临界流体萃取技术超临界流体萃取技术第二节第二节 超滤和反渗透技术超滤和反渗透技术第三节第三节 电渗析技术电渗析技术第四节第四节 工业色谱技术工业色谱技术第一节第一节 超临界流体萃取技术超临界流体萃取技术一、超临界流体的萃取原理一、超临界流体的萃取原理二、超临界流体萃取的过程系统二、超临界流体萃取的过程系统三、超临界流体萃取技术在食品工业中的应用三、超临界流体萃取技术在食品工业中的应用超临界流体萃取超临界流体萃取（SupercriticalFluidExtraction，缩写，缩写SCFE）是利用）是利用流体流体（溶剂）在（溶剂）在临界点

2、临界点附近某一区域（超临附近某一区域（超临界区）内所具有的高渗透能力和高溶解界区）内所具有的高渗透能力和高溶解能力能力萃取分离萃取分离混合物的过程。混合物的过程。u近近二二十十多多年年来来，超超临临界界流流体体萃萃取取技技术术的的研研究究取取得得了了很很大大的的进进展展，它它在在食食品品工工业业中中的的应应用用日日益益广广泛泛。例例如如：从从茶茶、咖咖啡啡豆豆中中脱脱咖咖啡啡因因，萃萃取取啤啤酒酒花花，从从植植物物中中萃萃取取香香精精油油等等风风味味物物质质，从从各各种种动动植植物物油油中中萃萃取取多多种种脂脂肪肪酸酸，从从奶奶油油和和鸡鸡蛋蛋中中去去除除胆胆固固醇醇等。等。u随随着着超超临临

3、界界流流体体萃萃取取技技术术的的不不断断完完善善以以及及和和其其它它高高新新技技术术的的结结合合使使用用，一一定定会会改改变变目目前前超超临临界界流流体体萃萃取取投投资资费费用用高高的的问问题题，其其应应用用前前景景也也将将更更加加广泛。广泛。一、超临界流体的萃取原理一、超临界流体的萃取原理任何物质都具有任何物质都具有气、液、固气、液、固三态三态,随着压随着压力、温度的变化、物质的存在状态也会相力、温度的变化、物质的存在状态也会相应发生改变应发生改变,上图标出了各相存在的区域。上图标出了各相存在的区域。在相图中在相图中,当气一液两相共存线自三相点当气一液两相共存线自三相点延伸到延伸到气液临界点

4、后气液临界点后,气相与液相混为一气相与液相混为一体体,相间的界线消失相间的界线消失,物质成为既非液体物质成为既非液体也非气体的单一相态也非气体的单一相态,即即超临界状态超临界状态,此此时时物质不能再被液化物质不能再被液化。一、超临界流体的萃取原理一、超临界流体的萃取原理一、超临界流体的萃取原理一、超临界流体的萃取原理纯物质的临界温度（纯物质的临界温度（Tc）和压力）和压力该物质处在无论多高的压力下均不能被该物质处在无论多高的压力下均不能被液化时的最高温度（临界温度），与该液化时的最高温度（临界温度），与该温度对应的压力为临界压力（温度对应的压力为临界压力（pc）。）。物质以液态形式出现的最高温

5、度；临界物质以液态形式出现的最高温度；临界压强是液体在临界温度时的饱和蒸气压压强是液体在临界温度时的饱和蒸气压。超临界流体超临界流体指那些指那些高于又接近流体临界点高于又接近流体临界点Pc、Tc，以特殊，以特殊形式而存在的形式而存在的流体流体。其多种其多种物理化学性质介于气体和液体之间物理化学性质介于气体和液体之间，并，并兼具两者的优点。如兼具两者的优点。如具有液体一样的密度、溶具有液体一样的密度、溶解能力和传热系数，具有气体一样的低粘度和解能力和传热系数，具有气体一样的低粘度和高扩散系数。高扩散系数。考虑考虑溶解度、选择性、临界点溶解度、选择性、临界点数据等因素，可数据等因素，可选择超临界流

6、体溶剂。选择超临界流体溶剂。食品工业中常用萃取剂为食品工业中常用萃取剂为CO2。二氧化碳的临二氧化碳的临界温度和临界压界温度和临界压力力较低较低(Tc=31.1,Pc=7.38Mpa c=460kg/m3)。1 1、超临界流体的、超临界流体的P-V-TP-V-T性质性质 压力密度温度关系图压力密度温度关系图由由CO2的的P-T-相平衡相平衡图图可以知道，可以知道，在稍高于在稍高于临临界点的温度区域，界点的温度区域，压力力稍稍有有变化，将引起化，将引起密度密度很大很大变化。化。超超临界流体密度已接近界流体密度已接近该物物质的液体的液体密度。密度。其其对液体和固体的溶解性与常液体和固体的溶解性与常

7、规液体相当液体相当，但此，但此时状状态仍仍为气气态，具有高的具有高的扩散性。散性。二氧化碳的压力二氧化碳的压力-密度等温线密度等温线CO2流体密度流体密度的变化规律如下：的变化规律如下：密度变化密度变化范围？范围？压力、温压力、温度与密度度与密度？（1）在超临界区域，流体密度可以在很宽的范围）在超临界区域，流体密度可以在很宽的范围内变化（内变化（150g/l-900g/l)，因此，因此，适当控制流体适当控制流体压力和温度可以使其密度变化达到压力和温度可以使其密度变化达到3倍以上倍以上。（2）在临界点附近，）在临界点附近，压力和温度压力和温度的微小变化，可的微小变化，可以大幅度改变以大幅度改变流

8、体密度流体密度。流体溶解能力取决于流。流体溶解能力取决于流体密度。体密度。u密度变化规律密度变化规律所呈现出的上述两个特点成为超临所呈现出的上述两个特点成为超临界流体萃取的界流体萃取的理论基础理论基础和萃取过程参数选择的和萃取过程参数选择的重重要依据要依据。超临界区内超临界区内,如图阴影区所示如图阴影区所示,1Tr1.4,1Pr5的的区域常作为超临界二氧的的区域常作为超临界二氧化碳的化碳的工作区工作区。在温度一定的场合下在温度一定的场合下,临界温度附近的等临界温度附近的等温线上温线上,密度对于压力的变化十分敏感。密度对于压力的变化十分敏感。压力的增加或减小压力的增加或减小,密度随之增加或减小密

9、度随之增加或减小,对物质的溶解能力也随之增加或减小。对物质的溶解能力也随之增加或减小。前者有利于溶质的萃取前者有利于溶质的萃取,后者有利于溶质后者有利于溶质的分离回收。的分离回收。2 2、超临界流体的传递性质、超临界流体的传递性质超临界流体和其他流体传递性质比较超临界流体和其他流体传递性质比较 超临界流体密度接近液体的密度，而粘度接近超临界流体密度接近液体的密度，而粘度接近普通气体，扩散能力比液体大约普通气体，扩散能力比液体大约100倍。倍。超临界二氧化碳中溶质的扩散系数超临界二氧化碳中溶质的扩散系数（1）扩散系数与温度和压力的关系）扩散系数与温度和压力的关系如图所示中溶质的扩散系数为温度和压

10、力的函数。如图所示中溶质的扩散系数为温度和压力的函数。溶质在超临界流体中的扩散系数与在通常液体中溶质在超临界流体中的扩散系数与在通常液体中相比高出相比高出5050100100倍。因此倍。因此,对动物或植物组织对动物或植物组织中有效成分进行萃取时中有效成分进行萃取时,具有高度的具有高度的质量传递速质量传递速率率。扩散系数与温度和压力的关系：扩散系数与温度和压力的关系：与温度成正相关，与温度成正相关，与压力成负相关。与压力成负相关。（1）扩散系数与温度和压力的关系）扩散系数与温度和压力的关系超临界流体二氧化碳的密度在超临界压力超临界流体二氧化碳的密度在超临界压力附近随压力的稍微增加而大幅度增加（可

11、附近随压力的稍微增加而大幅度增加（可达达3 3倍），而后随压力增大增幅渐趋缓慢。倍），而后随压力增大增幅渐趋缓慢。（2）密度与压力的关系）密度与压力的关系如图如图5-5：超临界流体二氧化碳的黏度在超临界压力附近随超临界流体二氧化碳的黏度在超临界压力附近随压力的稍微增加而大幅度降低，而后随压力增大压力的稍微增加而大幅度降低，而后随压力增大增幅渐趋缓慢。增幅渐趋缓慢。纯角鲨烷在超临界流体二氧化碳、氮气、氩气内，纯角鲨烷在超临界流体二氧化碳、氮气、氩气内，黏度随压力升高二降低。黏度随压力升高二降低。扩散系数与黏度关系扩散系数与黏度关系（3）黏度与压力的关系）黏度与压力的关系如图如图5-5和图和图5-

12、7：反比。：反比。超临界流体的扩散系数大，黏度小，渗透性好，与液体超临界流体的扩散系数大，黏度小，渗透性好，与液体萃取相比，可以更好地完成传质，达到平衡，促进高效萃取相比，可以更好地完成传质，达到平衡，促进高效分离过程的实现。分离过程的实现。3 3、超临界流体的溶解能力、超临界流体的溶解能力u超临界流体的超临界流体的溶解能力与密度溶解能力与密度有关系，在临界有关系，在临界区附近，操作压力和温度的微小变化，引起流区附近，操作压力和温度的微小变化，引起流体密度的大幅度变化，从而影响其溶解能力。体密度的大幅度变化，从而影响其溶解能力。u图图510表示萘在超临界流体二氧化碳中的溶表示萘在超临界流体二氧

13、化碳中的溶解度随密度和温度变化。解度随密度和温度变化。u萘的萘的溶解度溶解度随二氧化碳密度增加而呈指数提高，随二氧化碳密度增加而呈指数提高，且在密度相同情况下，溶解度随温度的提高而且在密度相同情况下，溶解度随温度的提高而增加。增加。（1 1）超临界流体溶解能力与密度和温）超临界流体溶解能力与密度和温度的关系度的关系u部分物质在超临界流体二氧化碳中的部分物质在超临界流体二氧化碳中的溶溶解能力解能力随二氧化碳密度的升高而升高，随二氧化碳密度的升高而升高，不同物质溶解度不同。不同物质溶解度不同。u菲在菲在SCF乙烯中的溶解能力随乙烯中的溶解能力随SCF密度密度增加而呈指数增加。密度相同，温度越增加而

14、呈指数增加。密度相同，温度越高，溶解度越大。高，溶解度越大。如图如图5-12和图和图5-9：（1 1）超临界流体溶解能力与密度和温）超临界流体溶解能力与密度和温度的关系度的关系u部分物质在超临界流体二氧化碳中的部分物质在超临界流体二氧化碳中的溶溶解能力解能力随二氧化碳密度的升高而升高，随二氧化碳密度的升高而升高，不同物质溶解度不同。不同物质溶解度不同。u菲在菲在SCF乙烯中的溶解能力随乙烯中的溶解能力随SCF密度密度增加而呈指数增加。密度相同，温度越增加而呈指数增加。密度相同，温度越高，溶解度越大。高，溶解度越大。如图如图5-12和图和图5-9：（2 2）超临界流体溶解能力与压力和温）超临界流

15、体溶解能力与压力和温度的关系度的关系u萘在超临界流体二氧化碳中的萘在超临界流体二氧化碳中的溶解能力溶解能力随压力升高而升高。随压力升高而升高。u萘在稍高于临界温度时，中等程度的压萘在稍高于临界温度时，中等程度的压力下溶解度随温度升高而降低；较高压力下溶解度随温度升高而降低；较高压力下，温度的上升导致溶解度增大。力下，温度的上升导致溶解度增大。如图如图5-10和图和图5-11：以超临界流体作为萃取剂，要达到预期的分离效果，以超临界流体作为萃取剂，要达到预期的分离效果，关键之一关键之一在于选择适当的操作压力和温度。在于选择适当的操作压力和温度。一般物质在超临界流体中的溶解度一般物质在超临界流体中的

16、溶解度c与超临界与超临界流体密度流体密度之间的关系之间的关系 lnc=mln+k m系数系数 k常数，与萃取常数，与萃取剂剂、溶、溶质质化学物理性化学物理性质质有关。有关。由上式可知，由上式可知，影响超影响超临界流体溶解能力的因素界流体溶解能力的因素包括：包括：压力、温度、萃取力、温度、萃取剂和溶和溶质性性质。1密度密度类似液体，因而溶剂化能力很强类似液体，因而溶剂化能力很强密度越大溶解性能越好密度越大溶解性能越好2粘度粘度接近于气体，具有很好的传递性能接近于气体，具有很好的传递性能和运动速度和运动速度3扩散系数扩散系数比气体小，但比液体高一到两比气体小，但比液体高一到两个数量级，具有很强的渗

17、透能力个数量级，具有很强的渗透能力超临界流体的性质超临界流体的性质 总之，超临界流体具有液体的溶解总之，超临界流体具有液体的溶解能力又具有气体的扩散和传质能力。能力又具有气体的扩散和传质能力。1、CO2的临界温度接近于室温，适合于热敏的临界温度接近于室温，适合于热敏性物质，完整保留生物活性，而且能把高沸点，性物质，完整保留生物活性，而且能把高沸点，低挥发度，易热解的物质分离出来。低挥发度，易热解的物质分离出来。4、CO2无毒、无味、不燃、不腐蚀、价廉，无毒、无味、不燃、不腐蚀、价廉，易于精制、易于回收，无污染易于精制、易于回收，无污染超临界超临界CO2流体萃取的优点流体萃取的优点2、CO2的临

18、界压力适中，目前工业水平易达到；的临界压力适中，目前工业水平易达到；3、CO2的临界密度是常用超临界溶剂中最高的临界密度是常用超临界溶剂中最高的（合成氟化物除外），即溶解能力较好；的（合成氟化物除外），即溶解能力较好；4 4、超临界流体萃取的选择性、超临界流体萃取的选择性提高萃取剂选择性的基本原则：提高萃取剂选择性的基本原则：u超临界流体的化学性质和待分离物质的化学性超临界流体的化学性质和待分离物质的化学性质相近；质相近；u操作温度和超临界流体的临界温度相近。操作温度和超临界流体的临界温度相近。选择萃取剂的主要因素：选择萃取剂的主要因素：u本身为惰性，且对人体无害；本身为惰性，且对人体无害；u

19、具有适当的临界压力，以减少压缩费用；具有适当的临界压力，以减少压缩费用；u具有低的沸点，以便从溶质中分离。具有低的沸点，以便从溶质中分离。(1)易挥发，易与溶质分离；易挥发，易与溶质分离；(2)黏度低，扩散系数高，有很高的传质速率；黏度低，扩散系数高，有很高的传质速率；(3)只有相对分子质量低于只有相对分子质量低于500500的化合物才易溶于二氧化碳；的化合物才易溶于二氧化碳；(4)中中、低低相相对对分分子子质质量量的的卤卤化化碳碳、醛醛、酮酮、酯酯、醇醇、醚醚易易溶于二氧化碳；溶于二氧化碳；(5)极性有机物中只有低分子量者才溶于二氧化碳；极性有机物中只有低分子量者才溶于二氧化碳；(6)脂脂肪

20、肪酸酸和和甘甘油油三三酯酯不不易易溶溶于于二二氧氧化化碳碳，但但单单酯酯化化作作用用可可增加溶解度；增加溶解度；(7)同系物中溶解度随相对分子质量的增加而降低；同系物中溶解度随相对分子质量的增加而降低；(8)生生物物碱碱、类类胡胡萝萝卜卜素素、氨氨基基酸酸、水水果果酸酸、氯氯仿仿和和大大多多数数无机盐不溶于二氧化碳。无机盐不溶于二氧化碳。二氧化碳的主要特点二氧化碳的主要特点:超临界流体萃取的工艺流程一般是由超临界流体萃取的工艺流程一般是由萃取（萃取（CO2溶解组分）和分离（溶解组分）和分离（CO2和组分的分离）两步组成。和组分的分离）两步组成。包括高压泵及流体系统、萃取系统和包括高压泵及流体系

21、统、萃取系统和收集系统三个部分收集系统三个部分 基本工艺流程基本工艺流程 二、超临界流体萃取的过程系统二、超临界流体萃取的过程系统1 1、超临界流体萃取的过程系统、超临界流体萃取的过程系统 下下图图为为典典型型的的超超临临界界流流体体萃萃取取流流程程。首首先先将将溶溶剂剂压压缩缩，使使其其达达到到超超临临界界态态，然然后后在在萃萃取取器器内内进进行行萃萃取取。可可以以采采用用常常规规的的固固液液萃萃取取或或液液液液萃萃取取设设备备，但但在在高高压压下下进进行行。萃萃取取相相经经膨膨胀胀阀阀减减压压，溶溶剂剂即即汽汽化化。在在分分离离器器内内进进行行分分离离，剩剩余余的的物物质质就就是是溶溶质质

22、，汽汽化化后后的的溶溶剂剂循循环环进进入入压压缩缩机机，必必要要时补充一些溶剂。时补充一些溶剂。超临界流体萃取的流程超临界流体萃取的流程控制压力的方法控制压力的方法？解析方法解析方法 控制温度的方法控制温度的方法？解析方法解析方法 吸附法吸附法？压缩机压缩机 萃取釜萃取釜 热交换器热交换器二氧化碳循环泵二氧化碳循环泵 南通市华安超临界萃取有限公司南通市华安超临界萃取有限公司萃取釜萃取釜容积容积500ml北京天安嘉华超临界科技发展有限公司北京天安嘉华超临界科技发展有限公司云南亚太致兴生物工程研究所云南亚太致兴生物工程研究所德国德国UHDE公司公司萃取釜萃取釜容积容积500L美国美国Supercr

23、iticalProcessingIncu为达到理想萃取分离效果，应根据被萃为达到理想萃取分离效果，应根据被萃取物料的特性，选择合适溶剂和萃取操取物料的特性，选择合适溶剂和萃取操作条件。作条件。u实际上在临界温度和临界压力以上，操实际上在临界温度和临界压力以上，操作条件（温度和压力）不同，被萃取物作条件（温度和压力）不同，被萃取物料组分存在较大差异。食品工业超临界料组分存在较大差异。食品工业超临界流体萃取应用的典型操作温度、压力范流体萃取应用的典型操作温度、压力范围较广（见图围较广（见图514）。）。2 2、超临界流体萃取的操作特性、超临界流体萃取的操作特性一般根据操作特性不同划分成三个区域：全

24、萃取区、分一般根据操作特性不同划分成三个区域：全萃取区、分馏区和脱臭区。馏区和脱臭区。全萃取区：全萃取区：目标组分基本可全部溶出的操作区，操作目标组分基本可全部溶出的操作区，操作压力和温度高，萃取率高，考虑到成本、安全、物料压力和温度高，萃取率高，考虑到成本、安全、物料特性等因素，应寻找最佳操作条件。特性等因素，应寻找最佳操作条件。脱臭区：脱臭区：靠近临界温度和压力的操作区。主要萃取挥靠近临界温度和压力的操作区。主要萃取挥发度较高的组分。主要应用于脱出物料中具有不良气发度较高的组分。主要应用于脱出物料中具有不良气味的芳香类化合物以及提取有用芳香物（香精香料）。味的芳香类化合物以及提取有用芳香物

25、（香精香料）。分馏区：分馏区：属中压操作区，当多组分物系超临界萃取时，属中压操作区，当多组分物系超临界萃取时，利用溶剂对各组分选择性差异而产生分馏。利用溶剂对各组分选择性差异而产生分馏。三、超临界流体萃取技术在食品三、超临界流体萃取技术在食品工业中的应用工业中的应用超临界流体萃取技术迅速发展的原因：超临界流体萃取技术迅速发展的原因：u各国尤其发达国家对食品、药物等溶剂各国尤其发达国家对食品、药物等溶剂残留、污染制定的严格的控制法规；残留、污染制定的严格的控制法规；u消费者日益担心食品生产中化学物质的消费者日益担心食品生产中化学物质的过多使用；过多使用；u传统加工技术不能满足高纯优质产品的传统加

26、工技术不能满足高纯优质产品的要求；要求；u传统加工技术能耗大。传统加工技术能耗大。三、超临界流体萃取技术在食品三、超临界流体萃取技术在食品工业中的应用工业中的应用超临界流体萃取技术的优点：超临界流体萃取技术的优点：具有较高的扩散性，减小了传质阻力，有利具有较高的扩散性，减小了传质阻力，有利于多孔疏松的固态物质及细胞材料中化合物于多孔疏松的固态物质及细胞材料中化合物的萃取；的萃取；操作上具有灵活性和可调性；操作上具有灵活性和可调性；可在低温下进行，有利于热敏性物料分离；可在低温下进行，有利于热敏性物料分离；具有低的化学活泼性和毒性。具有低的化学活泼性和毒性。应用范围应用范围品品 种种功能性油脂功

27、能性油脂 沙棘油、小麦胚芽油、鱼油、葡萄籽油、耐鹊油沙棘油、小麦胚芽油、鱼油、葡萄籽油、耐鹊油中药提取物中药提取物鸦胆子油、穿心莲提取物、当归油、丹参提取物、鸦胆子油、穿心莲提取物、当归油、丹参提取物、厚朴提取物、薄荷油、五味子油、车前子油、柴厚朴提取物、薄荷油、五味子油、车前子油、柴胡油、川穹油、姜黄色素、菟丝子油、枸杞子油、胡油、川穹油、姜黄色素、菟丝子油、枸杞子油、天然咖啡因、紫草素、丹皮酚、乳香提取物、野天然咖啡因、紫草素、丹皮酚、乳香提取物、野菊花油、苍术油、莪术油、香附油、青蒿素、霍菊花油、苍术油、莪术油、香附油、青蒿素、霍香油、紫苏叶油、熊果酸香油、紫苏叶油、熊果酸调味品调味品姜

28、油、辣素、辣椒色素、花椒油、胡椒油姜油、辣素、辣椒色素、花椒油、胡椒油香料、香精香料、香精 辛夷花精油、烟叶精油辛夷花精油、烟叶精油 超临界流体萃取技术最早应用于食品领超临界流体萃取技术最早应用于食品领域是从咖啡中脱域是从咖啡中脱除咖啡因除咖啡因。由于健康理。由于健康理念的改变，西方国家对脱咖啡因的咖啡念的改变，西方国家对脱咖啡因的咖啡需求增加。需求增加。1 1、超临界流体萃取技术用于脱除咖啡因、超临界流体萃取技术用于脱除咖啡因u传统方法传统方法：溶剂萃取（乙酸乙酯、二氯甲烷的、：溶剂萃取（乙酸乙酯、二氯甲烷的、一氧化二氮等）；一氧化二氮等）；u缺点：缺点：产品纯度低、工艺复杂、提取率低，溶产

29、品纯度低、工艺复杂、提取率低，溶剂残留等。剂残留等。u工业上工业上超临界二氧化碳萃取法超临界二氧化碳萃取法脱除咖啡豆中咖脱除咖啡豆中咖啡因的流程：啡因的流程：用水回收咖啡因用水回收咖啡因 咖啡豆清洗去杂咖啡豆清洗去杂 预泡（含水预泡（含水3050）装填装填 萃取器萃取萃取器萃取 分离器分离（装水）分离器分离（装水）蒸馏回收咖啡因蒸馏回收咖啡因用水回收咖啡因流程用水回收咖啡因流程活性碳回收咖啡因流程活性碳回收咖啡因流程活性炭回收法（吸附法）：活性炭回收法（吸附法）：活性炭和咖啡豆混床萃取流程活性炭和咖啡豆混床萃取流程筛分炭粒和咖啡豆筛分炭粒和咖啡豆含咖啡因的超临界二氧化碳用含咖啡因的超临界二氧化

30、碳用70一一90 水洗净水洗净,含有咖啡因的水脱气含有咖啡因的水脱气后后,蒸馏回收咖啡因。经蒸馏回收咖啡因。经90 10h运转运转,原料咖啡豆中咖啡因含量由原料咖啡豆中咖啡因含量由0.7-3%降至降至0.02%以下。以下。有机溶剂萃取有机溶剂萃取的酒花萃取液为暗绿色膏状的酒花萃取液为暗绿色膏状,含含有很多不纯物有很多不纯物,而且残留有机溶剂而且残留有机溶剂(二氯甲烷）。二氯甲烷）。超临界二氧化碳萃取超临界二氧化碳萃取的酒花萃取物颜色为橄榄的酒花萃取物颜色为橄榄绿绿,一酸提取率近一酸提取率近9999,硬树脂萃取率仅为硬树脂萃取率仅为5.25.2,而且不萃取农药而且不萃取农药,芳香成分不氧化。芳香

31、成分不氧化。生产装置流程示意图见图生产装置流程示意图见图516 操作条件：温度操作条件：温度3538，压力，压力830MPa2 2、超临界流体萃取技术用于啤酒花萃取、超临界流体萃取技术用于啤酒花萃取（1）萃取和精制小麦胚芽油）萃取和精制小麦胚芽油 胚芽占麦粒胚芽占麦粒23，是生产面粉过程中，是生产面粉过程中的副产物，含的副产物，含812的脂肪，其中含亚的脂肪，其中含亚油酸等不饱和脂肪酸，每油酸等不饱和脂肪酸，每100克胚芽中约克胚芽中约含含300毫克天然复合维生素毫克天然复合维生素E，还含，还含30的蛋白质，其中包括八种必需氨基酸，的蛋白质，其中包括八种必需氨基酸，营养和保健价值极高。营养和保

32、健价值极高。3 3、超临界流体萃取技术用于动植物油的、超临界流体萃取技术用于动植物油的萃取分离萃取分离传统制备方法传统制备方法：压榨法和溶剂萃取法：压榨法和溶剂萃取法压榨法：压榨法：出油率出油率5，溶剂法：，溶剂法：810，出油，出油率提高，但存在溶剂残存问题，此外破坏胚芽率提高，但存在溶剂残存问题，此外破坏胚芽中蛋白质，且需要经过脱胶、脱色、脱酸、脱中蛋白质，且需要经过脱胶、脱色、脱酸、脱臭等精制工艺得到精制小麦胚芽油。臭等精制工艺得到精制小麦胚芽油。通过通过超临界二氧化碳流体萃取超临界二氧化碳流体萃取工艺，即萃取后，工艺，即萃取后，在一系列分离器中分步降低压力并调节温度，在一系列分离器中分

33、步降低压力并调节温度，使不同性质组分分别在不同分离器中析出，达使不同性质组分分别在不同分离器中析出，达到脱胶、脱色、脱酸、脱臭过程同时完成，一到脱胶、脱色、脱酸、脱臭过程同时完成，一步制得精制小麦胚芽油。解决游离脂肪酸氧化步制得精制小麦胚芽油。解决游离脂肪酸氧化和脱脂胚芽蛋白品质低等问题。和脱脂胚芽蛋白品质低等问题。（2）萃取油脂和胆固醇）萃取油脂和胆固醇冷冻碎牛肉（冷冻碎牛肉（19）脂肪：）脂肪：萃取条件：萃取条件：103310 bar，3050 分离条件：分离条件：34.5 bar，40 流量流量：1.72.1 kg/h处理处理时间：时间：48h油脂萃取率油脂萃取率71.2%，胆固醇萃取率

34、，胆固醇萃取率37.9%干燥猪肉：油脂萃取率干燥猪肉：油脂萃取率71.9%，胆固醇萃，胆固醇萃取率取率78%脱水鸡肉：油脂萃取率脱水鸡肉：油脂萃取率95%，胆固醇萃，胆固醇萃取率取率84%高脂肪猪肉：高脂肪猪肉：萃取条件：萃取条件：100310 bar，3050 油脂萃取率油脂萃取率10%随着对随着对SCFSCF性质认识的深入性质认识的深入,超临界微粒超临界微粒化、超临界条件下的化学反应、超临界化、超临界条件下的化学反应、超临界色谱等超临界流体新技术也得到了迅速色谱等超临界流体新技术也得到了迅速发展发展,所涉及的应用范围也在迅速扩大所涉及的应用范围也在迅速扩大。4 4、超临界流体萃取技术发展、

35、超临界流体萃取技术发展第二节第二节 超滤和反渗透技术超滤和反渗透技术一、反渗透与超滤原理一、反渗透与超滤原理二、反渗透、超滤膜的性质二、反渗透、超滤膜的性质三、反渗透与超滤膜组件三、反渗透与超滤膜组件四、反渗透与超滤系统的工艺流程四、反渗透与超滤系统的工艺流程五、超滤和反渗透技术在食品工业中的应五、超滤和反渗透技术在食品工业中的应用用 早在早在1748年，年，AbbleNelkt就发现水能自然地扩散到装有酒精就发现水能自然地扩散到装有酒精的的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象。但膜分离技术的大量研猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象。但膜分离技术的大量研究和应用则是究和应用则是20世纪世纪50年代以后的

36、事，并且很快发展到工业化年代以后的事，并且很快发展到工业化应用阶段。目前，膜分离已成为分离混合物的重要方法，广泛应用阶段。目前，膜分离已成为分离混合物的重要方法，广泛应用于食品、生物、化工、制药、电子、纺织和环保等行业。应用于食品、生物、化工、制药、电子、纺织和环保等行业。膜膜分分离离(MembraneSeparation)是是利利用用具具有有一一定定选选择择透透过过性性的的过过滤滤介介质质，依依靠靠其其两两侧侧存存在在的的能能量量差差作作为为推推动动力力，利利用用混混合合物物中中各各组组分分在在过过滤滤介介质质中中迁迁移移速速率率的的不不同同来来实实现现物物质质的的分分离离与与纯化的单元操作

37、。纯化的单元操作。食品膜分离技术食品膜分离技术（1）微微滤滤（MF）：截截留留颗颗粒粒直直径径0.22m，可可除除去去淀淀粉粉、细菌、霉菌、乳化油等。细菌、霉菌、乳化油等。（2）超超滤滤（UF）：截截留留颗颗粒粒直直径径0.020.22m，相相当当于于分分子子量量10005105道道尔尔顿顿。可可滤滤出出蛋蛋白白质质、脂脂肪肪、病病毒毒、树脂和色素物质。树脂和色素物质。（3）反反渗渗透透：被被截截留留物物质质分分子子量量小小于于1000道道尔尔顿顿，只只允允许许溶解质或水通过，被形容为脱水浓缩技术。溶解质或水通过，被形容为脱水浓缩技术。（4）电电渗渗析析：应应用用海海水水淡淡化化、溶溶液液脱脱

38、盐盐等等。可可提提高高发发酵酵液液中谷氨酸收得率。中谷氨酸收得率。（5）透透析析：应应用用生生物物大大分分子子分分离离纯纯化化，除除去去小小分分子子、脱脱盐盐等。等。食品工食品工业业中几种主要膜分离中几种主要膜分离几种主要分离膜的分离几种主要分离膜的分离过过程程膜过程膜过程推动力推动力传递机理传递机理透过物透过物截留物截留物膜类型膜类型微滤微滤压力差压力差颗粒大小形状颗粒大小形状水、溶剂溶解物水、溶剂溶解物悬浮物颗粒悬浮物颗粒纤维多孔膜纤维多孔膜超滤超滤压力差压力差分子特性大小形分子特性大小形状状水、溶剂小分子水、溶剂小分子胶体和超过胶体和超过截留分子量截留分子量的分子的分子非对称性膜非对称性

39、膜纳滤纳滤压力差压力差离子大小及电荷离子大小及电荷水、一价离子、多水、一价离子、多价离子价离子有机物有机物复合膜复合膜反渗透反渗透压力差压力差溶剂的扩散传递溶剂的扩散传递水、溶剂水、溶剂溶质、盐溶质、盐非对称性膜非对称性膜复合膜复合膜渗析渗析浓度差浓度差溶质的扩散传递溶质的扩散传递低分子量物、离子低分子量物、离子溶剂溶剂非对称性膜非对称性膜电渗析电渗析电位差电位差电解质离子的电解质离子的选择传递选择传递电解质离子电解质离子非电解质，非电解质，大分子物质大分子物质离子交换膜离子交换膜气体分离气体分离压力差压力差气体和蒸汽的气体和蒸汽的扩散渗透扩散渗透气体或蒸汽气体或蒸汽难渗透性气难渗透性气体或蒸

40、汽体或蒸汽均相膜、复合均相膜、复合膜，非对称膜膜，非对称膜渗透蒸发渗透蒸发压力差压力差选择传递选择传递易渗溶质或溶剂易渗溶质或溶剂难渗透性溶难渗透性溶质或溶剂质或溶剂均相膜、复合均相膜、复合膜，非对称膜膜，非对称膜液膜分离液膜分离浓度差浓度差反应促进和反应促进和扩散传递扩散传递杂质杂质溶剂溶剂乳状液膜、支乳状液膜、支撑液膜撑液膜利用半透膜的微孔过滤以截留溶液中大溶质利用半透膜的微孔过滤以截留溶液中大溶质分子的操作称为分子的操作称为超滤超滤，而这样的半透膜称为，而这样的半透膜称为超滤膜超滤膜。超滤的驱动力是压力，通常高达超滤的驱动力是压力，通常高达1.0MPa1.0MPa。如果在膜的两侧施加一个

41、逆向的压强差，使如果在膜的两侧施加一个逆向的压强差，使其大于渗透平衡时的压强差，就会出现溶剂其大于渗透平衡时的压强差，就会出现溶剂倒流现象，使黏度较高的溶液进一步得到浓倒流现象，使黏度较高的溶液进一步得到浓缩，这种现象称为缩，这种现象称为反渗透反渗透。透水速率（透过速度）：透水速率（透过速度）：单位时间内通过单单位时间内通过单位面积膜的液体体积或质量位面积膜的液体体积或质量m3/(m2.h)m3/(m2.h)或或kg/(m2.d)kg/(m2.d)。可透度：可透度：某一种组分或某一体积溶液透膜传某一种组分或某一体积溶液透膜传质的能力。质的能力。一、反渗透与超滤原理一、反渗透与超滤原理1 1、基

42、本概念、基本概念进料液进料液提浓液提浓液透过液透过液透水速率透水速率脱除率脱除率选择性：选择性：各种组分可透度的比值，是一个用各种组分可透度的比值，是一个用来描述膜材料的特征参数。来描述膜材料的特征参数。脱除率（截留率）：脱除率（截留率）：被膜阻留溶质占总溶质被膜阻留溶质占总溶质的百分数。的百分数。脱除比脱除比：组分在进料液中浓度与透过液中浓：组分在进料液中浓度与透过液中浓度之比。度之比。一、反渗透与超滤原理一、反渗透与超滤原理1 1、基本概念、基本概念2 2、反渗透与超滤的基本原理、反渗透与超滤的基本原理反渗透的基本原理：如上图所示，出现一系列反渗透的基本原理：如上图所示，出现一系列现象：现

43、象：平衡：平衡：膜两侧压力相等；膜两侧压力相等；渗透：渗透：以浓度差为推动力的渗透现象；以浓度差为推动力的渗透现象；渗透平衡：渗透平衡：膜两侧静压力等于两溶液间的渗透压；膜两侧静压力等于两溶液间的渗透压；反渗透：反渗透：膜两侧静压力大于两溶液间的渗透压。膜两侧静压力大于两溶液间的渗透压。反渗透必须满足两个条件：反渗透必须满足两个条件：有一种高选择性与高透水率的选择膜；有一种高选择性与高透水率的选择膜；操作压强必须大于溶液的渗透压。操作压强必须大于溶液的渗透压。超滤的基本原理（如图超滤的基本原理（如图5-205-20所示）：所示）：筛孔分离过程筛孔分离过程在静压差的推动下，原料液中的溶剂及小分在

44、静压差的推动下，原料液中的溶剂及小分子溶质从高压进料液侧透过膜进入低压侧，子溶质从高压进料液侧透过膜进入低压侧，而大分子组分则被膜所阻留而增浓。而大分子组分则被膜所阻留而增浓。渗透实验表明，溶质不能透过膜，至少相对渗透实验表明，溶质不能透过膜，至少相对于溶剂的于溶剂的可透度可透度来说是这样的。来说是这样的。在达到动态平衡之前，纯溶剂将通过膜进入在达到动态平衡之前，纯溶剂将通过膜进入溶液侧并稀释该溶液，该过程一直要进行到溶液侧并稀释该溶液，该过程一直要进行到膜两侧的膜两侧的压强差压强差与稀溶液的与稀溶液的渗透压渗透压相等为止。相等为止。3 3、渗透压、渗透压浓差极化浓差极化是一种边界层现象，由被

45、膜阻留的是一种边界层现象，由被膜阻留的溶质积聚在膜表面而引起。溶质积聚在膜表面而引起。膜完全阻留了溶质，在水分不断透过膜的同膜完全阻留了溶质，在水分不断透过膜的同时靠近膜表面的溶质浓度不断增大，这样在时靠近膜表面的溶质浓度不断增大，这样在边界层附近形成一种浓度梯度，紧靠于膜表边界层附近形成一种浓度梯度，紧靠于膜表面的溶质浓度最大。这种浓度梯度就称为面的溶质浓度最大。这种浓度梯度就称为浓浓差极化差极化。在反渗透过程中经常出现。在反渗透过程中经常出现。4 4、膜的浓差极化及其控制、膜的浓差极化及其控制浓差极化边界层的形成带来两个不利影响：降低了浓差极化边界层的形成带来两个不利影响：降低了透水速率和

46、膜系统的分离能力。透水速率和膜系统的分离能力。影响浓差极化的主要因素：影响浓差极化的主要因素：透水速率；透水速率；溶液黏度；溶液黏度；溶质在溶液中的扩散系数；溶质在溶液中的扩散系数；表面溶液的流动情况。表面溶液的流动情况。4 4、膜的浓差极化及其控制、膜的浓差极化及其控制 浓浓差差极极化化实实际际上上是是不不可可避避免免的的，但但可可以以采采用用适适当当的的方方法法减减缓缓其其影影响。通常采取下列响。通常采取下列措施措施：(1)预预处处理理 在在进进入入膜膜处处理理以以前前，对对溶溶液液进进行行预预过过滤滤，去去除除微微粒粒状状物物质，降低待阻留溶质的浓度；质，降低待阻留溶质的浓度；(2)温温

47、度度 在在物物料料性性质质与与膜膜性性质质允允许许的的范范围围内内，尽尽可可能能提提高高待待处处理理液液的温度；的温度；(3)溶溶液液的的流流动动形形式式 以以减减少少膜膜表表面面处处层层流流内内层层的的厚厚度度为为目目的的。因因此此，常采取错流、制造湍流常采取错流、制造湍流(如采用搅拌、超声波振动、脉冲等如采用搅拌、超声波振动、脉冲等)等措施；等措施；(4)操操作作方方式式 间间歇歇地地对对膜膜进进行行逆逆向向冲冲洗洗，避避免免浓浓差差极极化化严严重重后后造造成成膜污染而致使膜报废。膜污染而致使膜报废。反渗透与超滤中影响膜使用寿命的因素：反渗透与超滤中影响膜使用寿命的因素：水解作用：水解作用

48、：碱性或强酸性液体造成醋酸纤维碱性或强酸性液体造成醋酸纤维素膜的水解；素膜的水解；膜的压实：膜的压实：膜在较高压强下的永久变形，使膜在较高压强下的永久变形，使透水率随时间的延长而下降；透水率随时间的延长而下降；膜的污染：膜的污染：浓差极化及其他污染现象。浓差极化及其他污染现象。5 5、膜的污染与控制、膜的污染与控制膜选择的指标：膜选择的指标：分离能力（选择性和脱除率）；分离能力（选择性和脱除率）；分离速度（透水速率）；分离速度（透水速率）；膜抵抗化学，细菌和机械力的稳定性（对操膜抵抗化学，细菌和机械力的稳定性（对操作环境的适应性）；作环境的适应性）；膜材料成本。膜材料成本。二、反渗透、超滤膜的

49、性质二、反渗透、超滤膜的性质有机聚合物膜制膜材料：有机聚合物膜制膜材料：改性突然产物改性突然产物合成产物合成产物各向同性膜（均相膜）：各向同性膜（均相膜）：浇铸方式制得，膜两面浇铸方式制得，膜两面的结构特点一样。的结构特点一样。各向异性膜（非均相膜）：各向异性膜（非均相膜）：不对称膜，一面称紧不对称膜，一面称紧密的细孔状，另一面呈较厚的海绵状。密的细孔状，另一面呈较厚的海绵状。复合膜：复合膜：各向异性膜，由一种以上膜材料制成。各向异性膜，由一种以上膜材料制成。动态膜：动态膜：特殊形式的复合膜，透水量大，致密层特殊形式的复合膜，透水量大，致密层可定期洗涤并再形成，但脱盐率相对较低。可定期洗涤并再

50、形成，但脱盐率相对较低。1 1、有机聚合物膜的种类与性质、有机聚合物膜的种类与性质时至今日，时至今日，80%80%的反渗透膜为的反渗透膜为醋酸纤维素膜醋酸纤维素膜（非均相膜），其仍然存在一些（非均相膜），其仍然存在一些缺陷缺陷:该膜生物可降解，对微生物侵染很敏感；该膜生物可降解，对微生物侵染很敏感；在较高温度和（或）压强下出现漂移和压实在较高温度和（或）压强下出现漂移和压实现象，使透水速率下降很快；现象，使透水速率下降很快；对化学侵蚀抵抗性差；对化学侵蚀抵抗性差；对水解敏感，易缩短使用寿命，清洗剂的使对水解敏感，易缩短使用寿命，清洗剂的使用会缩短其使用时间。用会缩短其使用时间。复合膜的优点：复