收稿日期:20000302
作者简介：李巍青(19662
)，男，湖南宁乡人，助教，主要从事微生物工程的研究.第15卷第2期
长 沙 电 力 学 院 学 报 (自 然 科 学 版)
Vol.15No.2.2000年5月
JOURNAL OF CHAN GSHA UNIV ERSITY OF EL ECTRIC POWER (NATURAL SCIENCE )
May
2000
大豆蛋白对超滤膜的污染机理及反冲法控制污染的研究
李巍青，吴苏喜
(湖南轻工业高等专科学校食品工程系，湖南长沙 410007)
摘 要：研究了中空纤维式超滤器浓缩大豆蛋白水溶液时的膜污染机理以及反压冲洗法对膜污染的控制作用.结
果表明：对工作过程中的超滤膜进行定期反压冲洗可以有效地控制膜污染程度.
关 键 词：超滤；膜污染；反压冲洗
中图分类号:TQ 93 文献标识码:A 文章编号:100627140(2000)022*******
Study on the Mechanism and the B ackpressure 2flushing Control Method of UF Membrane Fouling
L I Wei 2qing ,WU Su 2xi
(Dept.of Food Eng.,Hunan Light Industry College ,Changsha ,410007,China )
Abstract :The fouling mechanism of hollow 2fibre ultrafiltration (U F )membrane for processing soy pro 2tein solution and the control effect of backpressure flushing on the U F membrane fouling are studied in this paper.The results show that the membrane fouling degree can be controlled effectively by interval 2lic backrptessure flushing to the woking U F membrane.
K ey w ords :ultrafiltration (U F );membrane fouling ;backpressure flushing
超滤是目前食品工业日益重视的1种膜渗分离技术，具有物料无相态变化、常(低)温低压操作、耗能小等优点，非常适宜于浓缩分离有热敏性、保味性等要求的物质.但是，如果被处理的料液中含有果胶、蛋白质等大分子胶体物质，则超滤膜膜面或膜孔容易被污染，引起超滤膜的处理能力下降甚至不能工作，污染后的清洗工作也相当繁杂[1]，从而使超滤这一先进工艺技术的推广和应用受到限制.
笔者在利用中空纤维式超滤器浓缩大豆蛋白水溶液时也同样碰到了膜污染的问题，于是开展了大
豆蛋白对超滤膜污染机理的分析研究，提出并采用了反压冲洗法控制膜污染的预防措施，收到了良好效果.
1 材料与方法
1.1 原料
国庆节快乐英语1) 超滤料液：大豆蛋白水溶液，现场制备.2) 反冲介质：超滤水，即超滤膜膜面透过液.1.2 实验装置
如图1所示.本实验装置包括两大部分:
1) 超滤系统，主要构成是中空纤维式超滤器.
ibeauty
型号:ACL —2011；截留分子量:13000;长颈鹿的英语单词
最大许用工作压力:2kgf/cm 2；最高许用工作温度:50℃
.
图1 超滤/反冲实验装置
1.料液罐
公费留学2.超滤进料泵 3、7.手动阀门 4、6.膜管进料、出
料口压力表 5.中空纤维式膜管构件 8.流量计 9、12.电磁阀
10.超滤水罐 11.反冲水泵 13.反冲压力表 14.超滤/反冲自动
控制器
2) 反冲系统，包括反冲水泵11(25DB —18型
清水电泵，电磁阀9、12(AC LF —15D 型)和超滤/反冲
控制器14(自行设计，其时间置数范围0～9999s ).1.3 实验方法说明
先根据需要设置好控制器14的时间置数.并让料液在超滤系统内保持循环超滤，此时控制器14使阀9打开、阀12关闭和泵11停转，汇集在膜管套管内的超滤水(即膜面透过液)经阀9流入罐10中.待超滤一定时间后，控制器又会自动使阀9关闭、阀12打开和泵11运转，用收集在罐10内的超滤水(必要时要补充清水)从各纤维管外侧进行反压.反压完毕后，控制器又会自动使阀12关闭、泵11停转和阀9打开，于是超滤又继续进行，如此反复.1.4 分析测量与计算方法
1) 溶液p H 值:p H 试纸法.2) 超滤透水速率F (kg/min )：从透过液出口接取某一分钟内的透水量，称重即得.
3) 料液浓度Co (固形物含量,%):105±2(℃)烘箱法.
4) 反冲效果：以反冲后透水速率的回复率
φ=
F 2-F 1
F 0-F 1
×100%,
式中 F 0、F 1、F 2分别为起始超滤时、反冲前和反
冲后的透水速率(kg/min ).
5) 反冲压力：以反冲时膜面两则压力差△P 反表示
△P 反=P 3-P 1+P 2
buick lacros2
,
式中 P 1、P 2分别为膜管的进出料口压力(kgf/
cm 2).P 3为膜管外侧的反冲压力(kgf/cm 2).
2 结果与讨论
2.1 大豆蛋白对超滤膜的污染机理探讨
膜污染是指溶质分子沉积在膜面上或膜孔中而导致溶剂通量下降的现象.产生膜污染的原因通常
有吸附、浓差极化、凝胶化、结垢、性能劣化等[2、3]
，但不同的料液/滤膜体系，其污染机理不同.
对于本实验体系而言，其污染机理主要有下面4种形式:
1) 膜面吸附.料液在膜面两侧压力均为0的
情况下浸泡在膜管内.结果发现，膜面透水率随料液浸泡时间的延长而下降(见表1).
表1 浸泡时间对透水速率的影响
T (min )0371*******F (kg/min )
0.8
0.76
0.72
0.68
0.66
0.64
wight
0.63
注：透水速率测定条件:P 1=1.2kgf/cm 2,P 2=0.8kgf/cm 2,
T =20℃,p H =7,C 0=2%.
这是由于蛋白质分子与膜面之间固有的吸附作用所造成的[4].
2) 浓差极化.浓差极化就是膜面与主体溶液间形成浓度梯度的现象，符合边界层理论[5]，这是超滤过程不可避免的1种污染形式.
3) 凝胶层“二次膜”的形成.随着超滤的进行，透水速率逐渐减小，当超滤至一定时间时，透水速率降至临界点，此后几乎不再下降而趋于稳定.
这是因为膜面附近的变性蛋白质浓度逐渐增大到蛋白质的凝胶化浓度，从而在膜面上形成凝胶层“二次膜”.这种凝胶层结构致密、排列有序，通道很小，滤阻相当大，此时的透水速率主要受它控制，这个时间可称为“凝胶化时间”可称为“临界时间”，以t c 表示.
4) 膜管堵塞.超滤过程中，有时发现毛细纤维
膜管出料端出现一些柱状物堵塞膜管，它们具有晾干则缩小、水浸则复原的性质.这些柱状物质正是在毛细纤维管中形成的蛋白质凝胶柱，它们是凝胶层“二次膜”进一步加厚的结果.另外，从浓度边界层厚度计算公式[6]可见，膜管出料端的浓度边界层厚度最大，因而最易发生凝胶化，故凝胶柱最先出现在膜管出料端.2.2 反压冲洗法对超滤膜污染的控制作用2.2.1 反压工艺参数的确定
影响反压效果的主要因素是反压压力、反压时间和反压间隔的时间(即相邻两次反压之间的超滤
2
9 长沙电力学院学报(自然科学版) 2000年5月
时间).
1) 反冲时间.在各次反冲前的膜面透水速率以及其它工艺条件相同的前提下，随着反冲时间的延长，反冲效果增大，但其单位时间内的增量却逐渐减小.当反冲时间达20s时，反冲效果增大很小，故可将20s作为最佳反冲时间.
2) 反冲压力.反冲时间一定时，反冲压力越大，则反冲效果越好，但反冲压力大小的选择应以膜的耐压能力为限度.本实验选用1.9kgf/cm2为反冲压力.
3) 反压间隔时间.在料液的超滤过程中存在一个“临界时间”t c.为了控制污染深化，就应在超滤至t c(min)后就反压，故可初拟t c(min)作为反压间隔的时间.
在不同超滤条件下测得的2h总透水量与反压间隔时间的关系表明：虽然各次超滤/反压实验的超滤条件不同，但其总透水量的最高点所对应的反压间隔时间却是相同的，而且此时间值正好就是前述的“临界时间”t c(min)，这就证明将t c(min)作为最佳反压间隙时间是正确的.
2.2.2 有、无反压的超滤浓缩比较
超滤浓缩曲线如图2.
让料液自然地被超滤浓缩，并在超滤浓缩过程中分别采用反冲或不反冲.图2中的曲线Ⅰ和曲线Ⅱ相比较可见，采取了定期反冲的超滤浓缩要比不反冲的超滤浓缩优越，主要表现在浓缩速度和透水速率恢复率上.
1) 浓缩速度的比较.从图2(b)可见，有反冲时的浓缩速度要快些.有反冲时，超滤60min即可使料液的浓度达到下道工序———喷雾所需的最佳进料浓度(11%～12%)；而无反冲时，超滤60min还达不到所需浓度.
2) 透水速率恢复率的比较.第1批料液浓缩60min以后，在同等条件下反冲超滤膜1次，再接着浓缩第2批相同起始浓度的料液，实验发现：在浓缩上批料液时进行过定期反冲的超滤膜在浓缩下批料液时的起始透水速率要大得多，差不多恢复到了浓缩上批料液时的起始透水速率，料液可以一批接一批地浓缩；而在浓缩上批料液时无反冲的，超滤膜在浓缩完上批料液后便被严重污染了
.
(a)
透水速率与时间的关系
(b) 浓缩液浓度与时间的关系
实验条件：超滤:P1=1.8kgf/cm2,P2=1.0kgf/cm2,p H=7.5, T=30℃，前后2批料液的起始浓度均为3.30%.
反压：每超滤15min就用1.9kgf/cm2压差反压20s.
图2 料液的超滤浓缩曲线
3 结论英语人才
1) 大豆蛋白对中空纤维式超滤膜的污染机理是:①膜面吸附;②浓差极化;③凝胶化;④膜管堵塞.
2) 对工作中的超滤膜进行定期间歇反冲是控制膜污染程度、提高超滤速率的有效措施，本实验体系的最佳反压参数是每超滤15min就用1.9kgf/ cm2的压差反压20s.
参考文献:
linjun>深圳会计培训[1]刘昌胜.膜的污染及其清洗[J].膜科学与技术,1996,16(2):25
好听的英文昵称
-29.
[2]李书国.超滤膜的污染原因及清洗方法[J].食品科学,1999,18
(2):28-30.
[3]郑成.膜的污染及其防治[J].膜科学与技术,1997,17(2):5-8.
[4]陆晓峰.超滤膜的吸附污染研究[J].膜科学与技术,1997,17
(1):37-41.
[5]天津大学.物理化学(下册)[M].北京：高等教育出版社,1983.
39
第15卷第2期 李巍青等：大豆蛋白对超滤膜的污染机理及反冲法控制污染的研究
