（农业机械化工程专业论文）苹果汁超滤澄清技术的研究.pdf

摘要 膜分离是近二十年来发展很快的一种新技术。由于它工作时无需加热，不会引起被 加工物质的相变，不仅节约能源，还能完好地保持物料原有的特性。因此，它被广泛应 用于食品加工领域，特别在果汁澄清方面有它独特的优势，有很好的应用前景。 本研究针对果汁澄清的具体要求，设计试制了一套超滤系统，采用双循环结构，实 现了流速、压力的独立控制，其结构新颖，效果良好。利用该装置对超滤器的基本工作 参数进行了单因素和多因素试验，找出了操作压力、料液流速和温度对超滤膜的分离能 力( 通透量) 的影响规律，即随压力、流速和温度的增加，膜的通透量也随之增加，最 大通透量达6 3l ，m 2 h ，达到国内同类产品豹较高水平。另外，在浓差极化的解决方案 上，通过选择确定合适的膜组件结构，对果汁进行适当前处理( 去除果胶等大分子物质) ， 优化超滤时的工作参数，制定合理的清洗方法和清洗规范等综合措施。使浓差极化现象 大为减少。有效地保持了膜的工作性能，延长了正常工作时间，通常2 0 2 4 小时清洗一 次即可。 用超滤法获得的澄清果汁，其营养价值和风味得到了很好的保存。果汁产品清泽透 明，感观良好，卫生指标达到和超过了国家相关标准要求。适当添加抗氧化剂和防腐剂 并采用无菌包装系统包装，保质期可以达到1 8 0 天。 关键词超滤技术苹果汁澄清 a b s t r a c t m e m b r a n e s e p a r a t i o n ，e m c e e ds o m e 2 0 y e a r sa g o ，h a sd e v e l o p e d a taq u i c k p a c e s i n c ei t d o e sn o tr e q u i r eh e a t i n g ，i tw i l ln o tr e s u l ti nt r a n s f o r m a t i o no ft h ep r o c e s s e d m a t t e r s ，c a l ls a v e e n e r g ya n d l _ e s e l v et h eo r i g i n a lc h a r a c t e r i s t i e so f t h em a t t e r i ti st h e r e f o r ee x t e n s i v e l yu s e di n f o o d p r o c e s s i n gi n d u s t r y , p a r t i c u l a r l ym j u i c ec l a r i f i c a t i o n ， i nc o n s i d e r a t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rj u i c ec l a r i f i c a t i o n ，ah y p e r f i l t r a t i o ns y s t e mi s d e v e l o p e d w i t had u a l c i r c u l a t i o ns t r u c t u r e t h ee n t i r e l yn e ws t r u c t u r ea l l o w ss e p a r a t ec o n t r o l o v e rf l o wa n dp r e s s u r ea n dh a sa ni m p r o v e dp e r f o r m a n c e t h r o u g hs i n g l ef a c t o ra n dm u l t i n c m re x p e r i m e n to bt h eb a s i co p e r a t i n gp a r a m e t e r so ft h eu l t r a f i l t e r , t h er e l a t i o n s h i p s b e t w e e no p e r a t i n gp r e s s u r e ，f l o wr a t eo fs l u r r ya n dt e m p e r a t u r ea n ds e p a r a t i n gc a p a c i t y ( p e r m e a t i o nr a t e ) h a sb e e nd e t e r m i n e d t h ep e r m e a t i o nr a t eo fm e m b r a n e w i l li n c r e a s ew i t h p r e s s u ”，v e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r e t h em a x i m u mp e r m e a t i o nr a t ea r r l v e s a t6 3l m 2 h ，a h i g h e rl e v e lb yn a t i o n a ls t a n d a r d t os o l v et h ep r o b l e mo fc o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o n ，t h e m e m b r a n em o d u l es t r u c t u r ew a s c a r e f u l l ys e l e c t e d ，t h ef r u i t j u i c ep r o p e r l yt r e a t e d ( b yr e m o v a l o fm a c r o m o l e c u l a rs u b s t a n c es u c ha sp e c t i n e ) t h ew o r k i n gp a r a m e t e rd u r i n gh y p e r f i l t r a t i o n o p t i m i z e d ，a n dr e a s o n a b l ep u r g i n gm e t h o da n dc r i t e r i ae s t a b l i s h e d ，r e s u l t i n g 证r e d u c i n g c o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o n t h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo f m e m b r a n ew a se f f e c t i v e l ym a i n t a i n e d a n dt h eu p - t i m ep r o l o n g e d t h en o r m a lp u r g i n gi n t e r v a li sb e t w e e n2 0a n d2 4h o u r s t h ec l e a r j u i c eo b t a i n e dw i t hu l t r a f i l t r a t i o nw e l lp r e s e r v e si t sn u t r i t i o n a lv a l u ea n df l a v o r i t h a sac l e a ra n d t r a n s p a r e n ta p p e a r a n c e ，w i t hh y g i e n i c a li n d i c a t o r sa to ro v e r t h es p e c i f i c a t i o n s s t i p u l a t e db yt h ec o r r e s p o n d i n g n a t i o n a l s t a n d a r d s b y t h ea d d i t i o no fa n t i o x i d a n ta n d p r e s e 枷v e a n dt h ea d o p t i o n o f a s e p t i cp a c k a g e ，t h es h e l f h f ei sa sl o n g a s1 8 0 d a y s c a n d i d a t e ：x uz h o n g x i a n g m a j o r ：a g r i c u l t u r a le n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：p r o f j i a n ge n c h e n r e s e a r c h e rp r o f l i uw e n x i u k e y w o r d s h y p e r f i l t r a t i o na p p i e j u i c ec l a r i f i c a t i o n 1 前言 1 1 论文题目来源 我国是水果生产大国，2 0 0 2 年全国水果产量达到7 0 3 9 万吨，其中苹果产量为2 0 4 3 万吨，居世界第一位。为了合理利用水果资源，提高农产品的经济效益，满足人们对 食品饮料不断增长的需求，以及满足出口创汇的需要，水栗加工增值成为十分迫切的 问题。果汁是水果加工中最重要的产品之一，其品种和产量均居于水果加工之首位。 我国果汁加工的水平过去一直比较低。以苹果为例，其加工量仅为总产量的4 7 。 对苹果而言，加工产品主要是果汁。自上世纪8 0 年代初以后，我国果汁生产才有了 较快的发展，加工能力和加工技术都有了长足的进步。这一方面得益于引进国外数十 条生产线带来的先进技术，另一方面我国科技人员在消化吸收和自行开发方面也傲出 了不懈的努力，使我国果汁加工的技术不断向世界先进水平接近。但是，在某些方面 与国际先进水平相比还有相当差距，特别是缺少自主开发的先进工艺和设备，膜分离 技术就是其中之一。为此，国家机械工业技术发展基金会曾将相关项目列入发展基金 项目。本论文就是为了适应这方面的要求提出来的。 1 2 论文研究的目的与意义 我国食品加工用超滤技术应用范匿小，技术水平较低。国内一些科研单位、太专 院校曾作过一些试验研究，但所采用的超滤器大多还是上世纪七十年代比较原始的装 置。这种装置已很难反映超滤技术的内在联系。不能满足实际应用和研究发展的需要。 因此。国产超滤嚣尚未在实际生产中得到广泛应用。其原因在于我国超滤技术多偏重 于膜的理论研究，缺乏应用系统的研究。本论文所进行的研究，就是希望在这方面有 所改进。 将超滤技术应用于食品加工在技术上不仅能够实现液体食品中各物质分子闻的 分离生产出各种高质量产品而且可以简化传统加工工艺，节约投资。减少能耗， 提高产品的品质和附加值。因此，本项研究具有重大的实际应用价值。 1 3 论文研究的内容和任务 本论文的目标是建立一套用于果汁澄清的超滤器系统，为此，确立其主要研究内 容如下； 1 ) 物料加工特性及加工工艺的研究 2 ) 膜组件的研究 3 ) 膜表面灌洗方法及装置的研究 4 ) 最佳工作参数的确定 本项目的技术关键是： 东北农业大学工程硕士学位论文 1 ) 超滤分离时凝胶极化的解决方案 2 ) 超滤膜污染的防止和去除 3 ) 超滤膜和膜组件的研究 4 ) 适合膜分离的果汁加工工艺流程 本项目的技术难点在于如何解决超过滤时产生的凝胶极化，以求以晟小的驱动压 力获得最大的通透量。凝胶极化的形成，不仅会改变膜本身的性质，其解决的程度也 标志着超滤法澄清果汁的技术能力。大部分超滤技术的研究都是围绕着这个问题进行 的。本项目所研究的各项内容也莫不如此。 2 2 膜分离技术基础 2 1 膜分离的原理、分类与适用范围 膜分离是一种以压力驱动，迫使溶液通过膜之一定孔径的细孔，使溶质按需要进 行分离的方法。 根据膜的孔径大小，驱动压力和分离能力，膜分离通常分为三类： 1 ) 反浸透( r e v e r s eo s m o s i s ，简称r o ) 。反浸透膜的孔径最小，为1 1 0 a ，其操 作压力最高，为0 1 i o m p a 。反浸透适用于分子量小于5 0 0 的低分子无机物 或有机物水溶液的分离。最成功的应用是海水淡化。 2 ) 超过滤( u l t r af i l t r a t i o n ，简称u f ) ，膜的孔径为1 0 a i m ，操作压力0 1 o 3 m p a 通常用于大分子( 蛋白质、胶体、多糖等) 与小分子( 无机盐及低分 子量有机物等) 溶液的分离。 3 ) 微过滤( m i c r of i l t r a t i o n ，简称m f ) 膜的孔径0 1 1 0u m ，操作压力大于 0 ，l m p a 。常用于细菌、胶质体及固体颗粒的分离。 2 2 膜分离的特点 膜分离有许多优点，已广泛用于石油、化工、环保、医药、电子、航空以及食品 工业中的提纯、澄清、浓缩、消毒等环节，在食品工业中，由于膜分离的独特优势， 越来越受到重视： 1 ) 节省能源。由于被分离的物质不发生相变。因而能耗较低。从理论上计算。 膜分离的能重消耗约相当于蒸发浓缩的十七分之一。 2 ) 不破坏被分离物质。膜分离过程不需要加热，因箍特别适用于热敏物质的分 离。被分离的食品原料无色素分解和褐变反应，营养损失极少。由于没有蒸发 过程，食品的挥发成分损失很少，可以保持原有的芳香风味。 3 ) 选择性好。可在分子级内进行物质分离，具有普通过滤材料无法取代的卓越 性能。 由于上述特点，膜分离技术后越来越受到世界各国的重视。1 9 8 3 年，据美国食品 加工杂志的调查，膜分离技术被评为上世纪八十年代初最有用的十项食品加工新技术 之一。 2 3 膜分离的技术发展 人们很早就知道多孔膜的分离作用。但是真正在理论和应用上的研究是上世纪= 、 三十年代才开始的。1 9 2 9 年，哥廷根的s a r t o r i u s 工厂开始生产硝酸纤维素和醋酸纤维 素膜，主要用于试验室中。二次大战后，德国将这一技术用于被炸毁城市供水中的细 菌快速分析，随后美国陆军将其用于生物试剂分析，其后导致美国建立m i l l i p o 公司， 3 专门从事研制和生产微过滤膜。该公司开始规模不过数十人，现在已发展到2 0 0 0 人 左右，并在世界上十多个国家开设了分公司，年营业额达1 亿美元以上。上世纪三十 年代开始将纤维素膜用于超过滤分离；四十年代出现了离子交换膜；而反浸透膜分离 技术的实验和理论研究，则是五十年代才开始的，但发展很快。仅水过滤领域，全世 界反浸透装置的生产能力每天超过5 亿加仑( 约1 9 0 万吨) 。加拿大学者苏里拉金 ( s o u f i r a j a n ) 是反浸透领域的开拓者，他在1 9 6 0 年曾研制出了第一张高效能膜，即 具有高脱盐率和高透水量的不对称醋酸纤维半透膜，为反浸透法奠定了基础。目前全 世界有2 0 0 0 多个研究所在研究分离膜，包括3 0 多个国家和地区。由于膜分离技术的 不断完善，市场需要量增长极快。据一家美国公司估计，1 9 8 0 年至1 9 9 0 年，世界膜 分离装置的年销售量增长达2 3 。在果蔬汁的浓缩、澄清方面国外也已进入实际应 用阶段，采用这种方法生产的苹果、柑橘、梨、葡萄、柚和番茄等果蔬汁已经实现商 品化，例如法冒果汁超滤中使用的超滤膜面积已达到8 m 2 ，通透量达1 0 0 1 2 0 l m z h a 我国膜技术的开发研究也有二十多年的历史，初期多在化工、环保、医药行业进 行试验研究，上世纪8 0 年代末开始在食品工业中水处理、酿酒、蛋白分离等领域中 试验应用【”。近年来，膜分离技术在纯净水的生产中已被广泛使用，取得了显著成效。 现在，我国已能自行研究生产各种用途的分离膜和相关器件。 2 4 超滤过程的机理 由于本论文主要是讨论超过滤用于果汁澄清方面的问题因此，有必要对超滤过 程的机理和前人的工作基础作一些叙述。 如前所述，超滤是压力驱动的膜分离过程。在压力作用下，溶液接触或流经超滤 膜表面时，溶液中的分子量小于膜截留分子量的溶质和水可透过膜成为透过液，分离 量大于膜截留分子量的溶质被截留在原液内。 超滤膜是用特定方法制成的不对称微孔结构半透膜，微观上可分两层结构。上层 是具有致密微孔结构的，拦截大分子的功能层( 或称皮层) t 孔径为1 0 a 1 t tm ；下 层是具有大通孔的支撑层，起增大强度的作用。因功能层很薄，膜具有很高的透水通 量( 图2 1 ) 。 图2 - 1 超滤膜断面结构 f i g u r e2 - 1u l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n e s e c t i o ns t r u c t u r e 表征超滤膜特性有三个基本参数：透水通量、截留率和截留分子量。 透水遁量是在一定压力和温度下，单位膜面积在单位时间内的透过水量，表示为 4 r ：j ) 一( l 。z h ) s t 式中r 透水通量：q 一透过液容积( l ) ；s 一膜面积( m 2 ) ：卜透过时间( h ) 。 截留率是某一溶质被超滤膜截留的百分数，表示为 c o c f = 1 0 0 c o 式中，f 一溶液截留率；c r 一原液浓度；c 一透过液溶质浓度。 截留分子量是表征超滤膜截留特性的量，用测定方法确定。通常是用含有不同分 子量的溶质的水溶液作超滤试验，截留率达9 0 l ：j , 上的最小分子量定为该膜的截留分 子量。图2 2 是超滤膜典型分离特性示意图。 图中的理想截留是指大于截留分子量的溶质 1 0 0 被截留，小于截留分子量的溶质可 1 0 0 透过膜，如图中之垂直点划线。实际上 超滤的截留曲线有一分布，如图中虚线和实 线。好的超滤膜应有“密截留”的特性( 如 图中实线) 。圄2 - 2 超滤膜截流曲线 超滤膜的分离动力学过程和机理，国外 有多种理论描述。孔模型理论是常用的一种。 l a c e y d 认为溶质被截留是因为溶质分子太 大，不能进入膜孔；或由于摩擦力，大溶质 分子溶质在孔中流动受到的阻碍大于溶剂和图2 - 2 超滤膜截流曲线 小分子溶质。该模型认为大分子溶质不能百f i g u r e2 - 2u t r a f i l t r a t i o n 分之百的截留，是因为膜孔径有一分布。由 m e m b r a n es e c t i o n c u r 孔模型可以预料到，膜的透水通置与操作压力成正比，丽溶质的截留率与压力无关。 索里拉金q 认为超滤不仅是一种筛过滤的过程。膜的分离特性决定于两个因素： ( 1 ) 溶质一溶剂一膜材料的相互作用。溶质分子在膜表面或孔壁上受到吸引或排斥， 影响膜对溶质的分离能力；( 2 ) 溶质分子尺寸与膜孔尺寸的相对比较，即膜的平均孔 径和孔径分布影响膜的分离能力。 浓差极化是膜分离过程普遍遇到并极受关注的问题。分离过程中，随着溶剂透过 膜溶质在膜表面附近的浓度高于主体溶液的浓度，这种现象称为浓差极化。由于超 滤膜透水量很高，溶质在膜表面上的积累很快，因而在超滤过程中浓差极化问题便显 得更为突出。浓差极化对超滤会带来以下不利影响：( 1 ) 膜表面上可形成一胶层，阻 碍水透过膜，严重时，这一胶层成为一附加膜，以至透水量不再与超滤膜的结构有关： ( 2 ) 由于胶层起到附加膜的作用，会改变超滤膜对不同分子量溶质的截留率：( 3 ) 引起溶液中某些溶质在膜表面上沉淀，堵塞膜孔，使膜的品质恶化，如降低膜的亲水 性。 浓差极化有多种描述模型，其中被广为接受的是极化胶层模型【9 1 ( 图2 - 3 ) 。 i 嚎撮蠢 j v 一透水通量；c b 一主体溶液非度：c p 一透过液浓度： c b 一胶层浓度：c p 一膜表面的涪质浓度；6 一边界层厚度； 图2 - 3 超滤过程的极化一胶层模型 f i g u r e 2 - 3t h e p o l a r i z a t i o n o f u l t r a f i l w a d o n p r o c c s s i a g - g c ll a y e r 极化一胶层模型可分为两种情况： ( 1 )当浓差极化模量c w ，c b 很低时，c 。低于c g 。这时透水通量凡可表示为： d c 。c 。 j 。= l n = k i n 6 c bc b 式中，k 一溶质传递系数；p 一溶质扩散系数。 ( 2 )当浓差极化模量c 。c b 很高时。c 。= c & 在稳态条件下，透水通量l 可表示为： c ， j v = k i n c b 趴这种模型的表达式可知，只有增大溶质传递系数k 。才可增大膜的透水量增 大流速，可以使边界层的厚度6 变薄因而k 值增大。增大压力不能改变k 值，因为 当操作压力增大到一定值后，透水量并不随压力升高而加大 6 逮 1 l 。一 3 超滤器系统设计 3 1 超滤器的主要设计指标 为了建立一种适用型的果汁澄清用超滤系统参照国内外资料，确定其主要参数 指标如下： 1 ) 膜面积o 3 m 2 采用内管膜列管式组件设计； 2 ) 膜的通透量：r 2 0 l m 2 h ，此项指标与日本同类装置的水平相当： 3 ) 配套动力：2 2 k w ( 使用2 台1 1 k w 电机) ； 4 ) 洗膜方法：化学洗膜。洗膜后，膜的恢复率达到9 2 以上； 5 ) 澄清分离后，果汁的理化指标和微生物指标符合要求。 6 ) 产品感观好，清澈透明，无沉淀，保持原有果香味。 3 2 超滤膜和组件的确定 对果汁澄清用的超滤膜，我们提出如下要求： 1 ) 具有对热和生物的稳定性，不易被处理的物料所腐蚀或溶胀： 2 ) 具有良好的机械强度，在操作压力下不破坏。本项目要求的最大压力为0 4 m p a ； 3 ) 具有好的分离特性：高透水量和高截留率。截留分子量为5 0k 7 0k ( 主要 根据果胶分子量为5 0 k - - 1 5 0 k 来确定) 能保证果汁的澄清和除菌效果： 4 ) 对原果汁的抗污染性好。 根据以上要求，我们采用了湖北沙市水处理设备制造厂的p s 和p s a 膜。这是一 种由高分子材料、溶剂、添加剂组成的溶液通过滤铸和凝胶过程形成的一种不对称膜， 其表面孔径为i o 1 0 ，0 0 0 a ，膜的皮层厚度为o 1 i tm 支撑层厚度为0 1 3 0 2 6m m 。 经测试，这两种膜基本能满足使用要求。该膜的性能如表3 1 。 表3 1 超滤膜的性能参数 最大孔平均孔径清水通透 孔隙率蛋白质 膜材p h 适用范围 径( um )( um )量( l m 2 h 1( )( ) p s0 4 2 80 0 7 8 83 1 04 9 2 8 0l 1 4 p s a0 ，7 4 20 0 9 4 58 2 44 8 7 8 02 1 3 从上表数据看，此膜的技术指标与国外先进水平相比尚存在一定差距这最终会 影响到果汁的分离效果，但我们认为它是现实可用的。 超滤膜组件的确定考虑了如下原则： 1 ) 单位体积装置的装膜面积尽量大，以使结构紧凑： 2 ) 安装使用和清洗方便： 3 ) 液流状态好，结构本身应使液流对膜有冲刷作用； 4 ) 死角少，液流滞留时间短。 7 根据以上原则，我们对目前国际流行的四种典型结构的膜组件，将其特点列表分 析在表3 2 中a 由表中内容可知，四种膜组件各有优缺点，有不同的适应对象。板框 式组件设备投资较高，但换膜方便，易清洗，可靠性高。在食品、医药方面获得成功 应用- 但我国膜支撑体制造技术尚未过关，难以选用。中空纤维和卷式膜组件流路窄 流速难已提高，容易堵塞，有的结构清洗不太方便，不适合本题目要求。管式膜组件 虽然膜的充填密度小，造价和运行费用较高，但它的流路宽，洗涤方便，本身又具有 冲刷作用，很适合固体含量高、悬浮物多的溶液。尤其在果汁澄清加工中，因物料含 有蛋白、果胶及较多的悬浮颗粒物，极易造成凝胶极化和膜堵塞，故用管式膜组件较 合适。管式膜组件有内管式和外管式两种结构( 图3 1 ) ，内管式相对外管式而言结构 简单，工作死角少，更容易满足我们的要求，因此确定采用内管件式结构。其设计构 造见图3 - 2 。 表3 2 各种膜组件的应用特点 组件型式 板框式管式中空纤维式卷式 项目 污染状况 清洗方便，需物清洗容易，可无流路窄，流路窄， 料预处理需物料预处理易堵塞易堵塞 大但滞留时间 单位膜面存液量少最少最少 长，不卫生 大，但动力消耗 循环液量 小最少域少 大 部分膜的性能校 可以不可以不可以不可以 验 设备投资较高 较高较少较少 运转及换膜费便宜 高便宜便宜 8 a 一内管式：b 外管式 图3 - 1 管式腰组件 f i g u r e3 - lp i p e - l i k em 蜘d b 豫l i e 粤瑚单w 瓣 凇1淄， ! ； 麓黼 l鼷签 笺 o o d il 凇 8 叠 阗 l 礤藩 骘 汐 。 。 i 图3 - 2 管式膜组件结构 f i g u r e3 - 2t h e s t r u c t u r eo f p i p e d i k em e n l b l - a n eg r o u p w a r e 3 3 系统方案的选择 目前置际上流行的超滤器系统有如下几种形式： 1 ) 全循环式( 圈3 - 3 ) 这种型式的特点是加工物料通过膜面后，直接回到供料柄内，结构简单，同等加 工物料分离宰高，是目前工业上应用最普遍的一种型式。它适用于物科品种较单一的 场合。但当已加压的物辩回流到供辩插时将立即卸载，且全部物料都要热交换，故能 耗较大。 9 图3 3 全循环式超滤器系统 f i g u r e3 - 3t h e u l t r a f i l t r a t i o ns y s t e m o f w h o l ec i r c u l a t i o nm o d e 图3 - 4 部分循环式超滤系统 f i g u r e3 - 4t h e u l t r a f i l t r a t o ns y s t e mo f p a r tc i r c u l a t i o nm o d e 2 ) 部分循环式( 图3 4 ) 这种系统中，加工物料通过膜面后，除一小部分直接返回供料桶外，大部分料液 留在由热交换器( 图中未显示出) ，膜组件和循环泵组成的小回路中，继续不卸载循 环，热交换也只在这部分料流中进行，故系统能耗较低。工作时，料液的流量、压力 可独立控制，互不干扰。它的回流管较细，不易出现泡沫。这种型式既保留了全循环 系统的大部分优点，又节省了能量，是一种颇有应用价值的形式。缺点是结构相对复 杂，投资亦较大。它多用于被加工料液品种较多的场合，特别是试验室中使用。 3 ) 无回路间断循环式( 图3 - 5 ) 这种形式结构简单、能耗低，但无法连续工作，且易堵塞，因而用途不多。 图3 - 5 无回路间隙式循环系统 f i g u r e3 - 5t h en o n l o o pc l e a r a n c e l o 图3 - 6 一次性通过式系统 f i g u r e3 - 6t h eo n e o f f p a s sm o d e c i r c u l a t i o ns y s t e m m o d es y s t e m 4 ) 一次性通过式( 图3 - 6 ) 工作时，加工物料通过膜面分寓后，直接排放掉。其特点是结构衙单，不易产生 凝胶极化，但工作效率低，料液损耗大，适用于海水淡化等场合。 显而易见，图3 _ 4 所示的部分循环式超溏系统较符合本题目的要求。我们在此基 础上建立的应用试验系统如图3 7 所示。本方案中，存在着两个循环系统。一个是由 原液储桶1 供料泵2 ，循环泵3 ，膜组件5 等组成的大循环系统；另一个是由循环泵 3 ，膜组件5 和热交换器6 组成的小循环系统。工作时，由供料泵将原液储桶中的料 液泵入小循环系统中，并在循环泵的作用下接图示方向反复循环。料液每流过膜组件 一次，便完成一次分离。分离出的澄清汁流入储桶4 内，膜面原液的大部分在循环泵 3 的压力作用下流向热交换器6 ，实现小循环。料液的膜面流速由循环泵控制，其工 作温度由热交换器控制。在每一次小循环时，原液均有- - + 部分通过调节阀回流至原 液储桶l ，同时，由供料泵2 不断向小循环系统补充新的料液，如此便完成了大循环。 从系统的工作原理可知，对供料泵的压力有较高要求，对循环泵的流量则有较大的要 求。 1 一原液储桶：2 供料泵：3 循环泵；4 储桶；5 膜组件； 6 一热交换器；7 - p f q ( 压力，温度流量袁) 图3 7 双循环式果汁超滤系统示意图 f i g u r e3 - 7t h e d o u b l ec i r c u l a t i o nm o d ef r u i t j u i c eu l w a l i l w a t i o ns y s t e m 3 4 系统参数的设计计算 根据我们选用的双循环系统( 圈3 7 ) ，计算以下参数。 3 4 1 膜组件主要参数计算 “ 东北农业大学工程硕士学位论文 1 ) 超滤膜面积 超滤膜的总工作面积s 用下式计算 s = 月d l h 式中，d _ 膜管内径，取d = 1 2 n 1 i i l ； l 一膜管有效长度，取l = 9 0 0 m m n 一膜管根数，取n = 1 0 代入上式得 s = 3 1 4 x1 2 x 9 0 0 xl o xl f f 6 = o 3 4m 2 2 ) 膜面流速 膜面流速即物料平均流速v 由下式计算； d v = 一 s 式中，q 一循环泵流量； s 一膜管断面积。 式3 2 可改写为： v = 枵”6 。 代入超滤器的有关参考数后有 v = q f 半等x 1 0 x 1 0 - 6x 3 6 0 0 ) 一0 2 4 5 7 q 3 ) 系统管道直径的选择 按水力机械管路配套原理及经验公式，管道直径d 由下式计算 摆= z 志 00 4 2 n l = 4 2f 按标准嘲径，取d = 4 0 m m a 3 4 2 大循环系统的循环条件 1 2 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 大循环系统的流程如图3 8 。按伯努力方程，如下式成立，则可保证大循环系统 的运行： 乙+ 等+ 警婶磊+ 争+ 喾叱。，一， 式中，z 0 ，z r 单位重量流体的位置商 p o ，p r 一流体压力； y 一工物料重度： 。、d ，动能修正系数； uo 、u 6 一流体速度； g 一重力加速度； e 供料泵传给液体的机械能； h ”一沿程阻力损失。 图3 - 8 大循环系统简图 f i g m e3 - 8t h el a r g ec i r c u l a t i o ns y s t e m 按试验装置的工作原理和工作条件，取： p o p 6 ： ”o 。b ；z o = 0 ，z 6 2 1 oo = 。621 则原方程可简化为： e i l + h 柏 ( 3 5 ) 即供料泵只要能克服沿程阻力损失就能保证大循环系统的正常的工作运行。实际 上。小循环内有循环泵运转，可保证物辩由循环泵输送至原液储料桶。故只要供料泵 能保证将物料送到小循环系统内，而小循环系统本身能做到正常运行的话，那么大循 环系统即可正常运行。我们实际选用的供料泵电机功率为1 1k w ，最大压力为 0 5 5 m p a 最大流量为1 5m 3 h 的旋涡泵。 3 ，4 3 小循环系统的循环条件 要保证物料能按图3 7 所示箭头方向运行，循环泵必须具备足够的能量克服小循 五l = 系统内各段的沿程阻力损失。小循环系统可简化成图3 9 所示的结构- 按此示意图， 计算各局部阻力损失和泄流阻力损失。 图3 9 小循环系统图 f i g u r e3 - 9t h e s m a l lc i r c u l a t i o ns y s t e m 1 ) 1 - 1 ，2 - 2 段间的阻力，按伯努力方程有： 孙等唾喝+ 号+ 丢饥z ( 3 6 ) 按已知条件，令z i = 0 ：z 2 = 1 8 4 m ，y = 1 ：则式( 3 1 ) 中的流速u i 和uz 可 以用下面的方法求出来： u l = q 【 i ；= q 2 a2 上式中的q t ，q 2 分别为1 - 1 和2 - 2 断面处的流量，a t ，a 2 为该处的截面积。 由图3 9 ，我们可建立流量关系式： q i = q 2 + q 3 ( 3 7 ) 假设q 2 即为膜管的透水通量q ，且取q = 4 0 l h ，亦即： q 2 = q 4 0 l h = 1 1 1x l m 3 s 断面3 - 3 处的流量q ，按下式计算： q 3 = n u za - 式中，n 一膜管报数，取n = 1 0 ； a - 膜管截面机，a - = 姻2 d ；1 2 n m ( 3 8 ) ( 3 9 ) u 一膜面流速，取膜管后端点的最高流速，即u z = 3 m ，s ，代入3 - 9 式 q 3 = l o x 3 x n ( 孚圳。 2 矗。州矿m 由上述计算可知，q 2 远小于q 3 ，故取： q i = q 2 + q 3 q 3 = 3 3 9 x1 0 - 3m 3 s 同理有： 式中，d 为管路直径，d = 4 0 m m ，代入上式得流速 ”驴荷 v l v 2 ：寮攀_ 2 7 m ，s ”也2 丽鲍砌似 t2， 阻力损失系数 h i2 h i ；+ h + h 。 ( 3 - 1 0 ) 式中，h jr - - 局部阻力损失和： h , - - 沿程阻力损失和； h ，一泄流阻力损失和。 局部阻力损失和： ( 3 - 1 1 ) b 2 f 丢 式中， u 一管道流速，取u = u t = 2 7 , s 一局部阻力系数， = l + 。+ 式中，- 一扩管阻损 ，缩管阻损： 一弯管阻损。 扩管阻损- 由下式计算 f ：七f 辱一1 1 2 7 l4 lj ( 3 1 2 ) 式中，l 一与锥顶角a 有关的缓冲系数，根据过滤器的结构可计算出k = 0 9 9 6 。 雨卅和4 分别为1 1 和2 2 处的断面积。根据已确定的结构参数珥= 4 0 ，鸩= 7 5 代入式( 3 - 1 3 ) 有： f = 。，s x ( 磊) 2 一， = s s c ，t 。， 根据机械工程手册【”1 5 4 3 ，表5 ，5 5 查得t = 0 1 。 根据设计管的弯曲半径与管径之比r ，d = 1 0 0 4 0 2 2 5 将上述各阻损值代入式( 3 - 1 2 ) 有： = 6 3 + 0 1 + 2 5 = 6 5 3 1 6 将和u 值代入式( 3 1 1 ) 得出局部阻力损失和 b - 6 t 5 3 x 淼= 2 4 3 ( m h 2 0 ) 沿程阻力损失和h ，t 由下式给出： f，v 2 己y ，“i 瓦 式中，l 一管道长度，由设计l = 0 7 m ； d 一管道直径，由前知d = 0 0 4 m ； v 流速，取u = u l = 2 7 m s 嚣程阻力系数， 的值与液流状态有关。液流状态雷诺数r e 决定 r ：型 v 式中，u 广_ - 流速，口1 = 2 7 m s d 一管径d = 0 0 4 1 1 1 u 一运动粘度，取u = o 1 1 0 4 1 1 1 2 s 代入式( 3 1 5 ) 有： 耻怒等一x t 0 3 由此判断管内液体为紊流查表得k = 0 0 2 ，代入式( 3 1 5 ) 得： b o 0 2 面0 7 淼 驴* 丢睁刊 式中t - - 沿程阻力系数，可表示为 1 7 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) a = 。一l h d + 6 r 8 。+ ( 9 。兰v 0 1 ) 2 “” ( 3 一1 7 ) 作为紊流光滑管，令l l s d = 0 ，且6 8 r 一0 。u 。为膜管透过液流速；u 。为膜 面流速，u 。= 2 7 3x 1 0 3 。将这些数据代入后，得： ，= 0 1 1 ( 9 0 2 7 3 1 0 。) o ”= 0 0 7 7 在式( 3 1 6 ) 中，由前述知u ：。u ，代入相关数值后有 驴半百1 1 0 0 咖焘 = 3 2 4 ( m h 2 0 ) 将以上求得的各项数值代入式( 3 6 ) 可解出i - i 和2 - 2 截面之间的压力差 a p ，= p 。一p i = 7 6 4 ( m h 2 0 ) 2 ) 求3 - 3 和4 - 4 截面间的阻力 仍然按伯努力方程，有： z ，+ 墨7 + 堕2 9 = z + 争+ 善+ k y2 9 上式中当3 - 3 和2 - 2 截面极为接近时，可取p 5 = p 6 ，又因两处的截面相等，故 u 。u 。另外，已知z 3 = 1 8 4 ，z 。= 0 ，y = 1 ，按照1 ) 节相似的计算方法可计 算出： h 。：= x h ：+ x h ，：+ x h ， = 0 8 3 + 0 2 9 4 + 0 8 4 = 1 9 6 ( n 1 h 2 0 ) 将上述条件代入式( 3 1 8 ) ，可求出截面3 - 3 和4 - 4 间的压力差 a p 3 = p5 一p6 = 0 1 2 ( m h 2 0 ) 1 8 = o ，1 2 ( m h 2 0 ) 3 ) 求小循环系统中总压力差 根据系统图3 。s 可知，总压力差 a p = p - 一r = a p 。+ a p 2 + p 3 + a p 式中，a p 。一截面1 1 和2 - 2 间的压差； a p ：一出流分支管压损； p 3 一一截面3 - 3 和4 4 间的压差 p r 入流分支管压损。 而a p ：和a p 。可分异j 由下式给出： v ! 必= 盏号 蝎专2 我们取q 。q 3 = 1 1 0 ；0 1 ，经查表得，= 0 9 ，f o 1 。故有 必+ 蝎= ( o 1 + o ，) 喜 = 两2 7 2 i - - 0 3 7 ( m 日：。) p = 7 6 4 + 0 1 2 + 0 3 7 = 8 1 3 ( m h 2 0 ) 4 ) 求电机功率 循环泵的电机功率n 由下式求出 ；竺：坌： 1 0 0 0 n l 玑 式中，n 。一电机至泵的机械传动效率，取n t 20 9 ： q ：一泵的效率，取n 。= 0 8 ： 卜泵的流量，h a1 ) 节计算得q = 3 3 9 m 3 s 1 9 东北农业大学工程硕士学位论文 ：! ：! ! ! i ：! ! ：! ! ：! ! ：! ：! 塑：o 3 7 5 矽 1 0 0 0 x 0 9 x 0 8 由此可知，实现小循环所需的功率并不大。为了保证适应更大的工作参数变化范 围，选用的电机功率应大一些。实际选用的是流量为1 0 t ，h ，扬程为1 0 m ，电机功率为 1 i k w 的离心泵。 3 5 超滤器的总体结构布置 根据系统图3 7 设计的果汁超滤用实用实验装置总体结构配置如图3 1 0 。 瞎 储料泵：2 循环泵；3 底座：4 控制柜：5 一储桶 6 膜组件：7 热交换器；8 - 气动阀：9 一管路a 图3 1 0 超滤器总体结构布置图 f i g u r e3 - 1 0t h e u l t r a f i l t r a t i o n sc o l l e c t i v i t ys t r u c t u r el a y o u t 2 l 4 提高超滤器工作性能和减少凝胶极化的措施 4 1 简述 用超滤器澄清果汁，一个十分关键的问题就是凝胶极化。与许多其他分离物料相 比，果汁更容易造成膜的污染和凝胶极化现象。如果这个问题不能很好地解决，那么 在果汁澄清分离过程中，膜的工作性能将迅速下降，并导致膜的最终失效。 膜的选择和超滤器的结构固然对分离时产生的凝胶极化现象有影响，但超滤器一 旦确定之后，我们考虑的主要问题就是其他条件对超滤器工作性能的影响。这里涉及 的问题主要是果汁的前处理、系统的工作参数及膜表面的清洗问题。 4 2 果汁的前处理工艺 本项目研究用的果汁是用苹果榨汁取得的。其成分如表4 - 1 。 表4 - 1 苹果一般成份( 可食部份1 0 0 克含量) 热能水分蛋白质脂肪糖质纤维灰份 钙 食品成分 k c a l gg窖 卫zg m g 含量 5 08 5 8o 20 11 3 1 0 50 33 o ( 续) 铁有机酸果胶v b lv b 2 v c丹宁 m gggn a gn a g n a gg o 10 5o 5 1 80 0 1 0 0 130 1 6 按照一般传统加工工艺，加工澄清果汁通常采用的工艺如下 选果一洗果一破碎一加热软化一摊汁一韧分囊一扳框过滤一杀 菌一灌装储藏 采用这种工艺要经过两次加热，果汁的营养和风味都会有较大的损失。在高温加 热过程中，果汁中的热敏物质如v 。和芳香物容易分解或挥发掉。苹果汁所含芳香物 的主要成份为乙酸戊脂或已酸戊脂，它们大约在5 7 ( 2 左右便产生分解，热稳定性较差。 因此，我们认为采用冷加工工艺是十分有利的。冷榨汁时，榨汁前不用加热软化，而 是将苹果破碎之后直接榨汁，这也是现代果汁加工的常用方法。榨汁后进行初分离， 然后用超滤器进行澄清。因为超滤过程可同时去除有痛细菌群落，故不再需要热杀菌， 即可直接灌装储藏。因此，苹果澄清汁的生产工艺可简化为： 选果一洗果一破碎一榨汁一初分离一超滤一灌装储存 在超滤澄清之前的果汁预处理过程中，有两个问题是必须注意的，即防止褐变和 提高出汁率的问题。 新鲜的苹果中含有多酚氧化酶，苹果破碎之后这种酶就促使多酚与氧