现代食品分离技术

第2节 食品分离过程的特点及选择原则1、 食品分离技术的分类食品分离技术按其分离规模可分为：实验室规模和工业生产规模。实验室规模的分离技术主要是用来进行食品成分及食品中限量指标的定量、定性分析和研发新产品是制备小量样品用。工业生产规模的应用是把实验室研发产品的技术进行工业放大和设计后，进行商业化生产。食品分离技术按分离方法可分为：物理法。例如，离心，过滤，沉降等。化学法。例如，离子交换，沉淀反应等。物理化学法。例如，凝胶色谱分离，基于目标物理化学性质差异的各种萃取分离等。食品分离技术按分离性质可分为非传质分离和传质分离两大类。2、 食品分离过程的特点食品分离过程因为分离对象的原因，与其他工业分离过程相比，有其自身鲜明的特点。分离对象种类多，性质复杂。食品分离的对象是农、林、渔、牧、副食品等，要分离的物质比化学反应产物的分离复杂得多，要分离的物质有有机物、无机物；原料的相态有固态、液态和气体；要分离的物质可能是有生命的细胞、微生物；可能是具有生理活性；可能是热敏性及对碱、酸敏感的物质等。产品质量与分离过程密切相关。在食品生产过程中，采取的分离方法要注意防止高温、过酸、过碱、氧化、高压、重金属离子污染、原料自身酶解等问题。例如，在分离酶时，利用不同的分离过程，分离得到的酶活力单位可不同。在速溶茶的生产过程中，分离工艺的不同，可生产不同风味、色泽不同的产品。产品要求食品安全。这就要求采用的分离技术必须要符合卫生标准，对生产工艺要求严，生产过程中微生物、重金属等指标要符合标准。方法要效率高、选择好，以便有效地分离除去有害有毒物质。另外，生产中。所采用的分离技术对原料不要产生新的污染。分离对象在分离过程的易腐败。食品分离的对象是食品，而腐败是食品原料的特点，这就要求在分离过程之中必须控制分离条件，防止食品物料的氧化。污染微生物等，并尽量缩缩分离周期。3、 食品分离技术的选择原则随着科学技术的发展，分离方法越来越多，每种分离方法都有它的长处和不足。在开发过程中如果需要分离工序，首先应选择合适的方法，使之在技术上先进、经济上合理。选择一种食品分离技术，总的原则是先要确定分离的目标成分。对目标成分，要了解目标成分的性质，它的相对分子质量、化学结构、理化性质、电荷性、热敏性以及生物活性等基础性资料对确定分离方法的选择起决定作用。（1） 在知道目标成分的性质后可按下列步骤进行分离工作：选择和确定对目标成分的定性、定量方法，以便在分离过程中能对目标成分进行检测，对分离效果进行评价。了解物料的性质。例如，物料的黏度、目标成分在物料中存在的部位、含量等。确定分离方法并进行实验。是否可利用自然的能量进行分离？是否为超高纯度的分离？分离规模的大小？按这些要求选择合适的分离技术。确定分离方法的评价指标。一般来说，评价指标有：回收率、截留率、选择性、经济性等。中试或工业生产应用的放大设计。（2） 在分离方法的选择时，通常从确定产品纯度和回收率方面作为主要的考虑因素外，还要考虑下列因素：产品价格：产品价格常成为选择分离方法的主要因素。对廉价产物，常采用低能耗、廉价分离剂或无需分离剂，以及大规模的生产过程。对高附加值的产物，可采用中小生产规模，技术含量较高的分离技术。如果一个分离方法尽管可行，但其分离所得产品成本过高，就很难推广应用。因此，所选用的方法往往被要求等能耗、物耗低以保证产品的价格具有竞争能力。目标产物的特性：目标产物的特性是指产物的热敏性、吸湿性、氧化性、分解性等，这些特性是导致目标产物变质、降解、氧化等的根本原因，产品对工艺技术的一些特殊要求是选择分离方法的一个重要因素。例如，食物、饮料中含有热敏性物质，常会因受热而变质或失去营养成分，所以，对食品分离来说，应尽量选用速率控制分离过程。采用热分离时应慎重，尽量避免过热过冷对产品质量所造成的损害。混合物中的分子性质：分离效率的高低关键在于原料中目标产物与共存杂质的性质差异大小。对于大多数分离过程来说，分离因子对分离方法的选择可起指导作用，分离因子是表征分离过程中混合物内各组分所能达到的分离程度。对于i，j两个被分离组分，组分i和组分j在产品1中的摩尔分数的比值除以在产品2中的比值表示为组分i和组分j的分离因子，如式1-8所示。分离因子越大，表示组分分离效果越好。 1-8但在分离过程中起作用的根本原因还在于分子的特性，包括分子的大小与形状、密度、沸点、溶解度、偶极矩、极化强度、电荷、临界点等物理、化学、电磁、光学、生物学等性质。例如，对于蒸馏操作，通常把分离的难易归结与宏观量相对挥发度即蒸气压的差别，但追其根本是取决于分子间作用力的强弱。同时，在不同的分离过程中，这些分子特性对分离因子也有影响，如表1-5所示。表1-5 不同的分子性质对分离因子的影响分离方法纯物质的性质物质添加剂的性质分子质量分子体积分子形状偶极矩和极化强度电荷化学平衡分子形状偶极矩和极化强度蒸馏23420000结晶52232000萃取00000232渗析02300013超滤00400010电渗析00001020离子交换00000120注：0-没有影响，1-决定性影响，2-主要影响，3-次要影响，4-影响很小。经济因素：分离过程能否商业化、工业化、取决于其经济性能否优于常规分离过程，而过程的经济性，在很大程度上又取决于目标产物的回收率和质量。事实上，经济上的可行性亦往往是取舍某一分离方法的一个决定因素。过程的经济性应包括工程设计和开发费用，设备的投资和操作费用等。工程设计和开发费用的大小一般与这一过程所采用的设备是否是标准设备有关。非标准设备越多，花费越大。投资包括设备制造与安装费用，设备费用包括主设备和辅助设备费用。一般希望设备的几何形状，内部结构愈简单愈好。操作费用是操作人员工资、设备维修、折旧和质量控制等费用的总和。操作费用中原材料消耗和动力消耗往往占主要地位。在操作中最好避免少用非标机械、高速旋转的设备和易损坏、难保养的设备。此外，气态和液态的物料显然比固体或泥浆状物料有较低的操作费用和更好的操作性能。安全与环保：选择某一种分离方法时，还应考虑它的工艺可行性和设备可靠性，一个有远见的工程技术人员必须在选定过程前定量地估计过程的安全性和由此可能带来的对生态环境的影响。例如，在选择超临界流体萃取技术时，要考虑到高压设备的安全性；在选择分子蒸馏时，过程在高真空下操作，要考虑到某些物质和氧气混合后，可能出现燃烧爆炸等隐患。四、食品分离技术的评价评价一种食品分离技术的优良，可从下列几个方面来考虑。1. 回收率和产品纯度能实现的技术水平，分离过程的回收率越高越好。产品纯度的高低据其使用目的来确定，例如，对于饲料用、食用、医用的产品，其纯度可不相同。回收率取决于当时2. 产品质量分离技术直接影响到食品的色、香、味、营养及感官等品质，合适的分离方法是产品质量的保证。例如，在生产茶饮料时，茶叶中多酚类物质是要保留下来的，而生物碱及茶蛋白可以想办法除去，以保证茶饮料中不产生沉淀物。3. 产品安全性应用分离技术从食物中分离获得的产品，或者是对食品进行加工时，必须要保证符合食品卫生的要求，同时对于原有的食品原料不应造成污染，不产生有毒有害物质，并有利于原料综合利用。4. 简化生产工艺一项好的先进的食品分离技术应该可以简化食品的生产工艺，缩短分离过程的周期，有利于提高生产效率和减少食品原料在生产过程中变质的可能性。例如，利用亲和双水相萃取木瓜蛋白酶时，原液中大量杂质蛋白能够与其他固体物质一起被除去，与其他提取分离方法相比，双水相萃取法可省去一到两步过程。5. 降低能耗、场地，节省成本能源问题是当今世界非常关注的一个问题，所有工业过程都应考虑能耗问题，低能耗的技术往往是最有前途的技术。现代食品分离技术，大都是在常温下进行，过程中无相变，能较大地降低能耗，有助于节约成本。另外，由于新型分离技术简化了生产工艺，能节省生产设备和生产场地的投资，也能降低生产成本。在具体选择一种分离技术时，应综合评价上述几点，对分离方法进行论证，做出综合性的评价。第3节 食品分离技术的重要性及其进展1、 食品分离技术在食品工业中的地位与作用分离过程是将混合物分成组成相互不相同的两种或多种产品的操作。食品工业生产通常都有一个提纯原料、产品分级、中间产物分离等过程，生产装置有中间产物和产品的多个分离设备以及机、泵等组件。随着食品工业的发展，化工单元操作不断向食品工业渗透并在食品加工领域内实践和提高，形成了适应食品加工特殊要求的新型分离技术。食品工业中广泛利用分离技术进行生产，例如：干燥过程在食品工业中的就有广泛应用，谷物的含水量从收获时干燥到13%就可以延长储存期一年。食品含水量低于5%，微生物就难以生存，酶难以作用，可长期保持香味和营养。以洁净空气和纯水生产为例，就包括了沉降、湿法洗净、过滤、电除尘、絮凝、泡沫分离、电渗析、超滤、反渗透以及离子交换等如此多的分离单元操作。食品的脱水、除去有毒或有害成分也离不开分离过程，从水中除去盐和有素物质的蒸馏、吸附、萃取、膜分离等分离技术，使人们能从取之不尽的大海中提取淡水，从工、农业污水中回收干净水和其他有用的东西。天然食品往往被认为是最为安全的食品，但天然食品中也含有对人体不利的成分，或对某些人群不利的成分，如鱼虾。大豆等中含有过敏源物质，鸡蛋中胆固醇含量过高，对某些人群来说，就不适宜过多进食这些物质；某些鱼贝中含有天然毒素（如河豚毒素、岩蛤毒素等），一些植物类食品中也含有天然毒素（如生氰糖苷、真菌毒素等），食品中的工业污染毒素和农药残留物也有一定的限量标准，这些食物中的物质都需要进行适当分离后，食物才能被人们食用。要采用高效、低廉、科学的工艺，生产出人们吃得更舒心、更安全、更方便、更营养的食品，离不开食品分离技术。食品分离技术已经在食品工业中占有相当重要的地位，这是因为：分离技术作为食品工业的基础，是重要的食品工艺过程之一。例如，在制糖业中，就要经过提取、澄清、蒸发、结晶、分离、干燥等分离过程。利用分离技术可以提高农作物综合利用程度，生产高附加值的产品。例如，利用超滤和反渗透技术，从干酪乳清中回收乳清蛋白。利用分离技术可以改进食品的营养与风味。常温与加热处理会对食品的风味及营养的产生较大的差异，而像膜分离等浓缩分离技术可在常温下操作，取代需要进行加热浓缩的食品生产过程，从而改善产品的营养和风味。使产品更加符合卫生、安全的要求。利用食品分离技术可以去除食品中的有毒成分，净化食品生产用水，去除原料中的杂质等。改变生产面貌。例如，可利用反渗透生产海盐，对比日晒盐，生产环境和卫生状况都要好。再例如，糖厂的蒸发车间往往噪音大、温度高，生产环境不利于工人的健康，如果糖汁先用超滤浓缩到一定浓度后，再输送到蒸发车间煮糖结晶，可大大缩短煮糖的时间。研究分离技术在食品加工中的应用，对食品加工的科学化、现代化具有重要意义。分离操作一方面为食品工业提供符合质量要求的原料；另一方面对通过对食品原料、半成品进行分离起着重要的作用。随着现代工业趋向大型化生产，食品工业所产生的大量废气。废水、废渣需集中排放。对各种形式的流出废物进行末端治理，使其达到有关的排放标准，不但涉及物料的综合利用，而且关系到环境污染和生态平衡。因此，分离操作在食品工业生产中占有十分重要的地位，在提高生产过程的经济效益和产品质量中起举足轻重的作用。当代工业的三大支柱是材料、能源和信息，这三大产业的发展都离不开新的分离技术。人类生活水平的进一步提高也有赖于新的分离技术。近年来，由于能源紧张，石油涨价，对分离过程的能耗越来越苛刻，随之对设备性能要求也越来越高，分离技术的应用越来越得到人们的高度重视。在21世纪，分离技术必将日新月异，再创辉煌。2、 食品分离过程的开发食品分离过程的开发，一般包括基础研究、过程研究及工程研究等3个方面的开发。1. 基础研究开发针对项目的应用性基础研究和工艺特征研究。以实验室研究为主体2. 过程研究进行工艺、产品、设备等的工程放大试验，包括模型试验、微型中试、中间试验、原型装置试验及工业试验的全部过程或部分过程。3. 工程研究包括技术经济评价、概念设计、数学模型放大技术及基础设计等。所以，食品分离新技术开发不外乎有3个关键环节：概念形成到课题的选定。技术与经济论证（可行性）和工业放大技术。其中，放大技术是研究开发的核心。放大技术可以采用数学模型方法、逐级经验放大、工程理论指导放大和参照类似工业装置放大等方法。对于一个缺乏参照系统的新的传质分离操作来说。前两种方法更为常用。（1） 逐级经验放大法其基本步骤是：进行小试，确定操作条件和设备形式，以及可望达到的技术经济指标。确定的依据是最终产品质量、产量和成本，并不考虑过程的机理。小试之后进行规模稍大的中试，以确定设备尺寸放大后的影响（放大效应），然后才能放大到工业规模的大型装置。在处理物料复杂或对选用的分离方法缺少经验时，放大把握不大，则上述每级试验放大的倍数就小，往往需经多级中间试验。逐级经验放大有以下4个基本特点：着眼于外部的联系，即仅考虑变量与结果间关系，不研究过程的内部规律。着眼于综合研究，不试图进行复杂过程的分解。决策步骤是人为的，不是科学论证的结果。由于上述开发的基本步骤和每步的目的均忽略了结构变量、操作变量、和几何变量间的有机联系和相互影响，因此小试中最优的条件往往到中试就不一定是最优，更不要说放大到工业规模了。但从现实性和经济性考虑，逐级经验放大的步骤又只能如此。这样便造成逐级经验放大既费事，又不十分可靠。放大过程是外推的，而外推往往是不可靠的，因此经验放大有一定的风险，问题越复杂，每次放大的倍数就越小。由于逐级经验放大需数次进行真实性的、仅规模小些的试验，必然耗资大，开发周期长，且因化工生产中变量很多，要全面寻优的实验工作量太大，实际上也做不到，所以，可靠的最优结果往往得不到。（2） 数学模型方法此法基于对过程本质的深刻理解，将复杂过程分解为多个较简单的子过程，再根据研究的目的进行合理简化，得出物理模型；应用物理基本规律及过程本身的特征方程对物理模型进行数学描述，得到数学模型，如是微分方程，还需建立初始条件和边界条件；对数学模型进行分析解或数值解，得到设计计算方程。这些方程中包含有模型参数，需通过简化试验（即不一定是实际物系、实际操作条件）确定它们。接着，应用计算机进行复杂过程的综合研究和寻优，得到最优结果。最后，需进行中间试验检验结果的可靠性。数学模型法尽管在方法的逻辑上合理，从方法论上说也很科学，与逐级经验放大方法相比。可以节省试验费用，缩短开发周期，结果比较可靠，但在化工中的实际应用至今仍然有限。主要原因在于化工过程太复杂，可靠又合理简化的数学模型难以建立。分离过程开发应达到下列目的：合适的分离方法和流程；优化的工艺操作条件；分离设备的合理选型与几何尺寸的确定。实际上，上述两种开发方法是从两个侧面去完成上述目的的。如果待开发的过程和设备极其复杂，对它们理解甚少，那么往往需沿袭逐级经验放大法，试验将主要寻求设备的放大效应，得到放大判据。如果过程设备都很简单，或者对它的理解比较透彻，通过合理的分解和简化完全可能得到可靠的数学模型，则试验将主要是验证数学模型，修正模型参数。因而，针对开发项目的技术特征应采用与之相适应的开发方法。例如，从合成气中脱除二氧化碳，由原来的水洗流程改为碳酸丙烯脂代替水为吸收剂。在取得相平衡数据和理论当量高度值后。可由模型试验直接放大到千倍以上的工业装置。工程技术人员梦寐以求应用数学分析方法直接解决开发方法，但往往由于实际过程的复杂性而却步。一般来说，人们的认识多数介于上述两种开发方法之间，所以，成功的开发常常采用数学放大方法和逐级经验放大两者相结合的办法来实现。三、食品分离技术的发展趋势未来食品工业所关注的重点问题有：环境问题。减少温室气体的排放，消除水、土壤的污染。工艺改进。需要开发更好的食品工业分离技术。产品开发。产品多样化，新的及有高附加值的产品开发。能源问题。提高能源利用率，找到能替代高耗能的工艺。安全问题。有时这与新的分离技术关系密切。食品分离技术是一种重要的食品加工技术，人们一直注重于对这种技术的研究于开发，今后的发展重点是难分离体系的分离技术研究，高技术的动态过滤技术研究以及新型的传质分离技术及装备的研究与开发，以提高分离过程的速率和效率。研究和开发新的分离方法和传质设备，优化传统传质分离设备的设计和操作，不同分离方法的集成化，化学反应和分离过程的有机结合，都是值得重视的发展方向。科学技术的不断发展导致了对分离技术的要求越来越高，近几十年来发展起来的一些新型传质分离技术，已经引起了食品工业界的重视并已经崭露头角。1. 传统分离技术得到发展随着科技的进步，人们生活水平的提高，对分离技术的期望也越来越高，社会的发展与需求为传统分离技术的发展和更新提供了可能和途径和应用天地，促使其从实践到理论，再从理论到实践，不断地提高和完善。对传统分离过程或方法加以变革后，产生新的食品分离技术，在蒸馏、蒸发、吸附、结晶、萃取、沉淀等传统食品分离方法的基础上，发展了许多新型食品分离技术，例如，基于结晶机理的磁处理结晶法，基