膜分離技術(shù)是一門新興的高科技技術(shù)。它具有分離效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。膜分離按照膜孔徑的不同可以分為反滲透（RO<1nm）、納濾（NF，1nm左右）、超濾（UF，lnm~100nm）及微濾（MF，0.1um~10um）[1]。最早的膜都是有機(jī)膜類，因?yàn)橛袡C(jī)膜便于生產(chǎn)加工，其材料主要有醋酸纖維素類、硝酸纖維素類、聚酰胺類、聚砜類、聚酯類及含氮雜環(huán)高聚物類等，故有機(jī)膜又稱為聚合物分離膜。有機(jī)膜的弱點(diǎn)是不耐高溫、酸堿、有機(jī)溶劑，機(jī)械強(qiáng)度不夠，易堵塞，不易清理，限制了其在各個(gè)領(lǐng)域中的使用，因此無(wú)機(jī)膜得以迅速發(fā)展。
無(wú)機(jī)膜是固態(tài)膜的一種，它是由無(wú)機(jī)材料，如金屬、金屬氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石及無(wú)機(jī)高分子材料等制成的半透膜。常用無(wú)機(jī)膜的主要材料是性能穩(wěn)定的Al2O3、TiO2及SiO2等，這些材料通常通過(guò)溶膠-凝膠法（Sol-Gol）鍍?cè)谔沾傻妮d體上，所以，一般的無(wú)機(jī)膜也稱為陶瓷膜。與有機(jī)膜相比，無(wú)機(jī)陶瓷膜在實(shí)際應(yīng)用中具有化學(xué)穩(wěn)定性好，能耐酸、耐堿、耐有機(jī)溶劑，機(jī)械強(qiáng)度大，抗微生物能力強(qiáng)，耐高溫，孔徑分布窄，分離效率高等優(yōu)勢(shì)。無(wú)機(jī)膜的不足之處在于造價(jià)較高，不耐強(qiáng)堿，并且無(wú)機(jī)材料脆性大，彈性小，給膜的成型加工及組件裝備帶來(lái)很大困難。
膜過(guò)濾在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，無(wú)機(jī)膜在食品領(lǐng)域的應(yīng)用始于1980-1989年，大約有10"104m2的膜在食品、飲料中應(yīng)用，其中12%為無(wú)機(jī)膜。無(wú)機(jī)膜在食品工業(yè)中的應(yīng)用主要包括牛乳的加工、果汁澄清、調(diào)味品除菌除雜以及飲用水的凈化等，采用的多是無(wú)機(jī)微濾膜和超濾膜。微濾主要用于除菌、澄清等過(guò)濾。孔徑小于0.1!m的用于超精密過(guò)濾，孔徑0.2um~0.45um的用于除菌過(guò)濾，孔徑大于0.65um的用于澄清過(guò)濾。超濾主要用于蛋白質(zhì)的分離精制、脫鹽與濃縮以及細(xì)菌等的去除。
1實(shí)驗(yàn)材料
陶瓷膜裝置：由藍(lán)德膜分離技術(shù)工程有限公司提供；生啤酒：由江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院啤酒實(shí)訓(xùn)車間生產(chǎn)；精制木瓜蛋白酶：廣東江門食用生化廠，酶活力為250萬(wàn)U/g。
2實(shí)驗(yàn)方法
采用錯(cuò)流過(guò)濾技術(shù)陶瓷膜無(wú)菌過(guò)濾的工藝流程：發(fā)酵-離心-預(yù)處理-錯(cuò)流過(guò)濾-產(chǎn)品
2.1生啤酒的澄清實(shí)驗(yàn)
2.1.1陶瓷膜孔徑的選擇
用陶瓷膜微濾生啤酒，要能濾去生啤酒中的酵母菌及可能存在的細(xì)菌等微生物和一些在冷卻時(shí)絮凝的膠體沉積物（主要是由蛋白質(zhì)和多酚反應(yīng)的生成物，還有重金屬、糊精、b-葡聚糖等），同時(shí)保證生啤酒中的蛋白質(zhì)、糖類、風(fēng)味及色素物質(zhì)通過(guò)，以保證啤酒的質(zhì)量。因?yàn)槠【浦械慕湍妇任⑸锛半s質(zhì)的直徑大多在0.5um-5um的范圍內(nèi)，因此，我們分別選定3種不同孔徑的陶瓷膜，對(duì)生啤酒進(jìn)行過(guò)濾，結(jié)果見(jiàn)表1。
從表1可見(jiàn)，0.5um孔徑的陶瓷膜，對(duì)生啤酒中蛋白質(zhì)和色素的截留率均很低，啤酒中的微生物數(shù)量亦符合要求，能達(dá)到除菌的目的。另外，0.5um孔徑的膜在過(guò)濾連續(xù)運(yùn)行1h后，其過(guò)濾通量與1.6um孔徑的膜幾乎相同。經(jīng)0.5um孔徑的膜過(guò)濾后的生啤酒，其理化指標(biāo)見(jiàn)表2。
由表2可以看出，膜濾后生啤酒的色度、濁度稍有下降，雙乙酰下降幅度較大。啤酒中雙乙酰含量高時(shí)，有令人不愉快的餿飯味，2003年1月執(zhí)行的國(guó)家優(yōu)級(jí)淡色啤酒標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定雙乙酰含量0.1mg/L。雙乙酰含量的降低，使生啤酒的口味更能滿足大眾的要求。
2.1.2主流體流動(dòng)方式的比較
目前商品陶瓷膜的主要形式之一是管式膜。因?yàn)楣苁侥ぞ哂心と菀浊逑春透鼡Q、原水流動(dòng)狀態(tài)好、壓力損失較小、耐較高壓力，能處理含有懸浮物的、粘度高的或者能析出固體等易堵塞流水通道的溶液體系等優(yōu)點(diǎn)。它適用于中小容量規(guī)模。缺點(diǎn)是裝置成本高；管口密封較困難；膜的堆積密度較小等。主流體流動(dòng)方式主要有管外旋流、管外軸向流、管內(nèi)旋流及管內(nèi)軸向流4種。褚良銀等人，選擇孔徑為0.5"m陶瓷膜，在生啤酒膜濾過(guò)程壓力差為0.1MPa的條件下，進(jìn)行了管式膜濾過(guò)程主流體流動(dòng)方式的比較試驗(yàn)，認(rèn)為管外旋流在幾種主流體流動(dòng)方式中效果，其對(duì)應(yīng)過(guò)濾通量自始至終都，主要是因?yàn)樵谕庑髯饔孟拢粌H膜面附近的剪切作用較強(qiáng)，而且顆粒所受離心力阻止顆粒向膜面遷移，于是降低了膜濾過(guò)程中的濃差極化和膜污染。因此，為了獲得最理想的效果，膜器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將主流體設(shè)計(jì)為外旋流方式。
2.2酵母回收和罐底沉積物中啤酒的回收
酵母回收通常通過(guò)離心分離完成，但采用無(wú)機(jī)膜過(guò)濾技術(shù)更具有潛力。
罐底沉積物中回收啤酒是無(wú)機(jī)膜在啤酒行業(yè)中應(yīng)用的潛在領(lǐng)域，該沉積物是指啤酒中被絮凝的液體提取物，含有懸浮固體、膠原微粒、酵母等。傳統(tǒng)的處理方法包括真空過(guò)濾、壓濾及離心分離法。膜過(guò)濾罐底沉積物回收啤酒通常是在酵母菌發(fā)酵工序之后，回收的澄清啤酒可達(dá)整個(gè)啤酒產(chǎn)量的5%，截留物中含有濃縮了的酵母油脂。采用膜過(guò)濾技術(shù)可以節(jié)省大量的硅藻土，減少?gòu)U物排放，有利于環(huán)境保護(hù)。
2.2.1溫度對(duì)膜濾的影響
選擇0.5um孔徑的陶瓷膜，在平均壓差恒為0.3MPa的條件下，對(duì)無(wú)機(jī)陶瓷膜在不同溫度下過(guò)濾生啤酒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。
從表3可以看出，選擇0℃~4℃進(jìn)行無(wú)機(jī)膜過(guò)濾，對(duì)生啤酒的顏色、透明度、泡沫、香氣、口味均無(wú)影響，效果較好，截留物濃度可達(dá)24%。
2.2.2無(wú)機(jī)陶瓷膜處理酵母和罐底沉積物的通量變化
當(dāng)溫度0℃~5℃，孔經(jīng)0.5um，流速3m/s，過(guò)濾壓力0.3MPa時(shí)，陶瓷膜處理酵母和罐底沉淀物的通量變化見(jiàn)附圖。
從附圖可以看出，過(guò)濾10h后，通量基本上穩(wěn)定在20L/（m2·h）左右，但通量偏低，主要是由于膜的堵塞及污染造成。
2.2.3生啤酒膜濾時(shí)澄清劑的影響
木瓜蛋白酶可以分解蛋白質(zhì)，從而提高啤酒的穩(wěn)定性。木瓜蛋白酶在后酵之后添加。取2份啤酒在0℃~4℃進(jìn)行膜濾試驗(yàn)，其中1份加了木瓜蛋白酶，添加量為：每kL啤酒中加精制木瓜蛋白酶2g~5g，另1份不加，結(jié)果見(jiàn)表4。
低溫下，陶瓷膜微濾罐底沉積物的一個(gè)主要問(wèn)題是澄清劑在膜表面的吸附，從而導(dǎo)致膜污染，由于澄清劑的存在使截留液中固體含量不能達(dá)到較高濃度，因此，微濾通常是在一些不含澄清劑的體系中進(jìn)行，這樣可以獲得較高的固體含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%），能從罐底萃取物中回收較多的啤酒。
3結(jié)論
選擇0.5um孔徑的陶瓷膜對(duì)生啤酒進(jìn)行過(guò)濾，對(duì)啤酒中蛋白質(zhì)和色素的截留率均很低，啤酒中的微生物數(shù)量亦符合要求，能達(dá)到除菌的目的，理化指標(biāo)較為理想，尤其是雙乙酰含量的降低，使得生啤酒的口味更能滿足大眾的要求。采用管式膜作為膜組件的形式，主流體流動(dòng)方式以管外旋流較為理想。采用無(wú)機(jī)陶瓷膜處理酵母和罐底沉積物，溫度以0℃~4℃為佳。對(duì)罐底沉積物中的啤酒進(jìn)行膜濾回收時(shí)，在不含澄清劑體系中的效果明顯優(yōu)于含有澄清劑的體系。
4討論
將Bactocatch過(guò)程應(yīng)用于生啤酒膜濾中，進(jìn)一步提高膜的過(guò)濾通量。該過(guò)程特點(diǎn)是：沿膜元件長(zhǎng)度方向操作，壓差恒定，濃差極化減少，膜的清洗周期明顯延長(zhǎng)，總滲透通量提高。這一技術(shù)首先用于牛奶和乳制品的過(guò)濾。啤酒澄清或從罐底沉積物中回收啤酒可以采用單