膜分离技术在食品废水处理和生产中的应用-论文 5页

2014年2月裳品究与羿羧第35卷第3期FoodResearchA瓣c{DeveloDmeiR专题论述ll4DOI：10．3969~．issn．1005-6521．2014．03．032膜分离技术在食品废水处理和生产中的应用刘娜，彭黔荣．z．，杨敏，，汪德祥，徐龙泉，曹淑莉。(1．贵州大学化学与化工学院，贵州贵阳550003；2．贵州中烟工业有限责任公司技术中心，贵州贵阳550009；3．贵州中烟工业有限责任公司贵阳卷烟厂，贵州贵阳550009)摘要：乳制品废水在酸沉和离心预处理后，通过微滤、超滤、纳滤、反渗透截留废水中的微生物、蛋白质和乳糖等物质，即可达到回用或排放要求。大豆乳清废水经沉淀和离心处理后，采用超滤回收废水中的蛋白质，再用纳滤脱盐、回收低聚糖，滤液过反渗透膜即可达到回用或排放要求。味精废水采用超滤和反渗透双膜法，或用陶瓷膜和电渗析结合处理后，得到的滤液既可再次用于工艺生产。在生产酱油和食醋时，采用微滤、纳滤、陶瓷膜、电渗析处理，不仅能够改善酱油和食醋的风味，还能延长其储藏周期。最后，对膜分离技术治理食品工业废水的应用前景进行了展望。关键词：膜分离；乳制品；豆制品；传统调味品；废水回用TheApplicationofMembraneSeparationTechnologyinFoodWastewaterTreatmentandProductionLIUNa。，PENGQian—rong。，’，rANGMin。’，WANGDe—xiang，XULong-quan，CAOShu—li(1．SchoolofChemistryandChemicalEngineering，GuizhouUniversity，Guiyang550003，Guizhou，China；2．TechnologyCenter，ChinaTobaccoGuizhouIndustrialCo．，Ltd．，Guiyang550009，Guizhou，China；3．GuiyangCigarettesFactory，ChinaTobaccoGuizhouIndustrialCo．，Ltd．，Guiyang550009，Guizhou，China)Abstract：Throughacidprecipitationandcentrifugationpretreatment，dairywastewatercanachievereuseordischargerequirementsaftertheorganisofdairywastewater，suchasmicroorganism，protein，lactose，areinterceptedbymicrofihration，ultrafihration，nanofiltration，reverseosmosis．Thoughprecipitationandcentrifugationpretreatment，soybeanwheywastewatercanachievereuseordischargerequirementsbyreverseosmosisafterrecyclingwastewaterproteinbyuhrafihrationanddesaltingandrecyclingoligosaccharidesbynanofiltration．Monosodiumglutamatewastewatercanbeusedagainafteruhrafiltrationandreverseosmosismembraneorcombinedwithceramicmembraneandelectrodialysistreatment．Intheproductionofsoysauceandvinegar，soysauceandvinegarnotonlycanimprovetheflavor，butalsoprolongitsstorageperiodbymicrofiltration，nanofihration，ceramicmembraneorelectrodialysistreatment．Finally，thispaperalsooutlookstheapplicationprospectofmembraneseparationtechnologyintreatingfoodindustrywastewater．Keywords：membraneseparation；dairyproduct；soyproduct；traditionalcondiment；wastewaterreuse全球升温、水土流失、环境污染等问题，造成了全因此可以将它们生产过程中产生的废水进行处理后，球水资源的严重短缺。乳制品、豆制品和传统调味品再加以回收利用四。现代膜分离技术是利用天然或人等食品工业是耗水大户Il1，但是其生产本身用水量很工合成的，具有选择透过性的薄膜，以外界能量或化少，大部分的水是用于其生产过程中的洗涤和清洁，学位差作为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的技术l31。膜分离技术主基金项目：贵州省科技基金(黔科合J字[2008]2022)；贵州大学引进要包括超滤(uF)、微滤(MF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)人才基金(贵大基合字20071051)和电渗析(ED或EDI)等方法。由于膜分离技术具有作者简介：刘娜(1987一)，女(汉)，硕士研究生，从事膜技术在食品中操作简便、能耗低、无污染等优点，近年来，正越来的应用研究。通信作者：彭黔荣，博士；杨敏，博士。越广泛地应用于食品工业。n专题论述刘娜，等：膜分离技术在食品废水处理和生产中的应用1膜分离技术处理乳制品废水会增加12％～18％；②含有乳蛋白的废水样品，膜通量随着国民经济的持续增长、人们生活水平的不断会显著下降，从而使得对乳蛋白的截留率不高。但是提高，对乳制品的需求量也越来越大，这使得乳制品当跨膜压力差加大为3．5bars～4bars时，10kDa尺寸总产量和生产企业数量增多，乳制品废水的排放量也的超滤膜对乳蛋白的截留率会增加到95％。增加。乳制品废水具有水质水量变化大、有机物含量高、可生化性好的特点。对乳制品废水的处理，主要2膜技术处理豆制品废水是对乳制品废水中所含的有机物进行处理。微滤可截传统豆腐、豆腐干、豆腐皮等生产过程中，压滤成留分子量为100kDa～500kDa左右的分子，乳制品废型后排放出的废水称为豆腐乳清废水，俗称黄浆水。水通过它过滤后，几乎可以去除全部的酵母菌和霉这种黄浆水中包含58％大豆皂苷、50％大豆异黄酮、菌，同时还能拦截一定量的卤盐嘲；超滤可截留分子量83％水苏糖和94％棉子糖、l7％蛋白质以及17％脂为2kDa～150kDa的分子，选取适当孔径的超滤膜，可肪占17％[。截留乳制品废水中几乎全部的蛋白质、脂肪和一些不顾建明和潘春云【I5】发现在对黄浆水进行的一系列溶的化合物及矿物质，而仅允许乳糖、可溶性盐和灰膜技术处理之前，先将废水pH调为7．5，并加人占废分通过；纳滤可截留分子量为0．2kDa～2kDa的分子，水固形物含量10％的CaC1，升温至100c【=，沉淀处理它既可以截留乳制品废水中的乳糖，又可以回收9O％15rain，再让经沉淀处理后的黄浆水在压力0．3MPa～以上的就地清洗系统(cleaninplace，CIP)的酸碱废0．4MPa，温度40℃～50℃的条件下通过Ps一10的超滤水；反渗透可截留分子量小于0．2kDa的分子，它能够膜，经过这种预处理后，可以除去黄浆水中95_3％的截留乳制品废水中几乎所有的污染物，透析液可以会蛋白质，损失少量的大豆异黄酮，从而降低后续膜处用到锅炉用水或CIP系统㈣。理过程的操作负荷，避免了严重的膜污染。赵冬梅等赵俊杰等【l】]实验发现：乳制品废水经先酸沉后絮运用超滤、纳滤和反渗透组合膜处理含有大豆异黄酮凝离心的预处理，可以除去废水中大分子蛋白、少量与大豆皂苷的黄浆水后发现：大豆异黄酮总量的26％脂肪、悬浮固体等杂质，避免了这些物质堵塞膜孔、导存在于超滤的截留液中，33％存在于纳滤的截留液致膜污染；然后在温度30℃，压力0．8MPa，流速70L／h中，40％存在于反渗透的截留液中；大豆皂苷总量的反应条件下，通过型号为N100的微滤膜，分离出大直23％存在于超滤的截留液中，23％存在于纳滤的截留径菌体、悬浮固体；再升压到1．0MPa，通过型号为GM液中，46％存在于反渗透的截留液中。徐朝辉等先对的超滤膜，可以拦截乳清蛋白、果胶等物质；温度控制大豆乳清废水进行絮凝离心预处理后，再让其在70IJh在40℃～5Oo【=，压力升至1-5MPa，再通过型号为DLC的流速，适当压力，40℃～50℃运行条件下，通过型号为纳滤膜，除去乳糖；最后在温度35℃~45℃，压力3．0MPa，100nm的超滤膜，回收废水中的乳清蛋白；然后用DK流速改为20M状态下，通过反渗透膜。对透过液的型纳滤膜，在1．50MPa压力，脱盐并浓缩回收其中的检测发现其中没有可溶性固形物、悬浮固体、粗蛋白、低聚糖；最后，在20L／h流速，2．80MPa压力下经过反总糖，电导率<500Ixs／cm。经反渗透膜后，得到的滤液渗透膜，使原废水达到回用或排放要求(工艺流程见可直接排放或回用于生产(工艺流程见图1o图2)。乳制品废水一预处理一微滤一超滤一纳滤一反乳清废水一预处理一超滤—一纳滤一反渗透一渗透一排放或回用排放或回用水乳清蛋白低聚糖图1乳制品废水处理工艺流程Fig．1Theprocessrouteofdairy'swastewatertreatment图2乳清废水处理工艺流程图Fig．2Theprocessrouteofwhey"swastewatertreatmentA．Chollangi和M．D．M．HossainI研究了3、5和10kDa3种不同尺寸规格的超滤膜对奶制品废水中乳Andr6sM[181等实验得出：在一定的跨膜压差下，分蛋白和乳糖的截留作用，结果表明：①当跨膜压差为子截留量为10、30kDa和50kDa的超滤膜，对大豆乳3bars～3．5bars时，10kDa尺寸的超滤膜几乎可以拦截清废水中蛋白质的截留率(截留率=1一渗透液中蛋白废水样品中所有的乳糖，且当运行温度从室温(18qC)质浓度／渗余物中蛋白质浓度)分别为0．705、0．747和升高到30℃，膜通量增大8％～10％，其对乳糖截留率0．637(见表1)。由于高温会引起蛋白质变性，导致膜表n刘娜，等：膜分离技术在食品废水处理和生产中的应用专题论述116面结垢，因此，当操作温度为30℃～50℃时，3种不同废水进行处理，产生的渗余物(见表2)通过嗜酸乳杆截留分子量的超滤膜对蛋白质的截留作用会变差。菌和长双歧杆菌在pH5．5，37℃条件下发酵24h后，表1不同实验操作条件下的截留率和统计参数可形成乳酸。Table1Resultsachievedfortherejectioninexperiments表2膜处理前后大豆浸泡水的组成performedunderdiferentoperationalconditions，andvaluesoftheTable2Compositionsofsoybeansoakingwaterbeforeandafterstatisticalparametermembranetreatments缪畅和邱运仁[-91采用纳滤和反渗透(NF—RO)组合膜处理大豆乳清废水，并考察了蛋白质浓度、操作压力、膜面流速、溶液pH对体系运行的影响，结果表明：注：沉淀和离心预处理(1200g，10rain)；进入纳滤预处理段的大1)在蛋白浓度为1g／L～5geL时，随蛋白质量浓度的增豆浸泡水重量浓度比为7；随后进入反渗透段的大豆浸泡水重量浓加，一级纳滤膜对乳清蛋白的截留率略有减小，但在度比为6。此蛋白质量浓度范围内，截留率均高于88％，二级纳滤透过液中不含乳清蛋白；2)对一定浓度的原料液，在3膜技术处理调味品废水操作压力小于0．7MPa时，渗透通量随压力的增大而3．1膜技术在味精废水中的应用增大，当操作压力大于0．7MPa时，渗透通量基本不味精生产过程产生的废水具有所含有机物高、氨变；3)大豆乳清废水的等电点pH为4．5，当pH大于等氮高、硫酸根高及pH低、处理难度大的特点。史志琴电点时，渗透通量和截留率随pH的增大而增大；4)在等[221以超滤与反渗透结合的双膜法处理味精废水，对0．6MPa～1．5MPa内，对纳滤透过液进行反渗透脱盐，比废水进水水质(见表3)和经处理后的出水水质(见盐截留流率可达90％以上。YKGuut20~等发现大豆在表4)，结果表明：味精废水经超滤和反渗透处理后，脱浸泡过程中会产生污染物(如粗蛋白、糖类、污垢等)，盐率>95％，COD约为10mg／L，氨氮量<50mg／L，S042一<他们也选用NF—RO组合膜在30oC、2500kPa跨膜压100mgm，总水回收率达80％，且回收的水可再次用差和3．5的总重量浓缩比的操作条件下，对大豆浸泡于工艺生产或锅炉给水。表3废水水质Table3Thequalityofwastewater谷氨酸是用氨水作为氮源，用硫酸调控反应pH，为17mA／cm的电渗析处理，结果可回收废液中近发酵后沉淀产生的，因此会伴随有硫酸铵这种污染物80％的硫酸铵。生成。每生产一吨味精，会产生10t的等电点废液，而3．2膜技术在酱油生产过程中的应用这种废液中含有40g／L～60g／L的硫酸铵。针对硫酸铵传统的热杀菌，温度太高会影响酱油风味，温度这种污染物质，HYRen等选用0．2txm的陶瓷膜预过低灭菌不彻底。板框过滤澄清产品，会使产品有部处理味精生产过程中产生的等电点(两性离子正负电分沉淀，造成酱油品质下降。ChinJT和BeenHc闭荷数值相等时溶液的pH)废液250rain，再用电流密度选用0．2Ixm孔径的陶瓷膜，在25℃，11bar和861n专题论述刘娜，等：膜分离技术在食品废水处理和生产中的应用的流速条件下，澄清过滤酱油。结果发现：陶瓷膜不会4展望改变酱油的总体成分，而且能够显著的降低酱油的浊膜技术作为一种新型的食品工业废水处理技术，度和细菌数量。梁姚顺等[271对比了不同孔径的无机膜以其操作简单、控制便捷、高效节能等独特的优点，正和有机膜对酱油过滤的效果。实验表明：1．2m的无在日益受到世界各国学者的关注和重视。虽然膜技术机膜最适用于过滤酱油，它对微生物的去除率高达在食品工业废水处理中得到了很好的应用，但是膜技96．43％，而且过滤通量也可以达到150t／(m·h)。JQ术的进一步发展却受到了膜污染、膜孔堵塞、膜产品Luot281等考察了NF270、NF一、NF90、Desal一5DL4种不价格高等诸多问题的制约。因此，加大对膜技术及其同型号的纳滤膜在酱油生产过程中的脱盐作用，结果在废水治理方面的研究，不断完善膜技术理论，拓展发现：在先通过沉淀、离心、微滤作用除去酱油中可见膜技术新工艺的开发应用，从而更好的发挥膜技术在悬浮物和细菌后，NF270这种型号的纳滤膜最适宜应处理食品工业废水中的作用。用于酱油脱盐，它不仅对包括NaC1在内的可溶性固体的截留率高达95％，而且通过这种纳滤膜作用得到的参考文献：渗透液可以被重新用作浅色酱油的生产原料。[1】Editoria1．Afreshapproachtowater[J]．Nature，2008，452(7185)：2533．3膜技术在生产过程中的应用[2】赵芳，蒲彪，刘兴艳．膜法处理食品工业废水的研究进展叨．食品食醋是用生物发酵方法制得的酸性调味品，具有工业科技，2012，33(3)：425～428口味醇酸、营养丰富的特点[291。食醋在发酵过程中要用[31伍小红．膜分离技术在食品工业中的应用【JJ．食品研究与开发，到大量的醋酸原料，从而引起部分醋酸污染。而食醋2005，26(21：11-13在酿造或储藏时，又由于各种原因会产生菌体污染和【41SvetlozarV，JoaoGC，MariaAR．Removalofinorganicanionsfrom沉淀现象[301。drinkingwatersuppliesbymembranebio／processes[J]．ReviewsinUchennaCK和MunirCyf3J在食醋生产工艺中，environmentalscienceandbioteehnology，2004，3f4)：361—380[5】梁敏．膜分离技术在食品工业中的应用与开发[J]．农产品加工·用174Amps／m电流密度的电渗析法使食醋中的醋酸学刊，2006(2)：40—45浓度增加了3倍，加大了对醋酸的利用率，减少了醋【6】AbdulWM，ChingYN，YingPL，eta1．Uhrafihrationinfoodprocess—酸污染。为了避免出现沉淀，刘有智等_32I采用孔径为ingindustry：reviewonapplication，membranefouling，andfouling100nm的无机陶瓷膜处理食醋，测得膜通量可达control[J]．Foodbioprocesstechnology，2012，5(41：1143-115640L／(m2．h)，最大浓缩倍数为9，且过滤后的食醋2年[7】刘寅，杜兵，曹建平，等．乳制品废水处理工艺选择与工程设计内没有沉淀出现。袁天才[331探讨了采用聚砜(PS)与聚[J】．给水排水，2011，37(10)：61—64[8】SaboyaLV，MauboisJL．Currentdevelopmentsofmierofihration丙烯腈(PAN)相结合的集成膜技术用于酿造食醋的过technologyinthedairyindustry[J]．INRA，EDPsciences，2000，80滤除浊和灭菌工艺，过滤的食醋经化验检测，得出细(6)：541-553菌的截留率>95％，并且在保留酿造食醋有效成分的【9]张鹏，黄绍海．膜分离技术及其在乳品工业中的应用IJJ-中国乳同时，可明显提高醋的透明度、降低浊度(见表5)。品工业，2008，36(41：55—58表5理化及微生物指标[1O】史玉东，康小红，胡新宇．膜分离技术在乳品工业中的应用[J1．Table5Physico-chemicalandmicrobiologicalindicators农产品加工·学刊，2009(1)：53—54序号检测项目PAN滤前PAN滤后Ps滤前PS滤后[11】赵俊杰，万莹，毛波．膜技术在乳品废水处理中的应用[J1．食品研究与开发，2011，32(12)：184—186【12]ChollangiA，HossainMDM．Fractionationofdairywastewaterintoaprotein—richandalactose-richproduct[J]．Asia—pacificjournalofchemicalengineering，2007，2(5)：374-379l13]赵冬梅，刘凌，张京健．豆制品生产中高浓度废水的检测和分析[J]．食品与发酵工业，2006，32(1)：68—71[14】李琦，李军霞．现代膜分离技术及其在大豆加工中的应用[J1．食品工业科技，2012，33f5)：380—383【15】顾建明，潘春云．黄浆水中大豆异黄酮的回收——黄浆水的预处理『J]．食品研究与开发，2007，28(1)：60—64【16]赵冬梅，刘凌，张京健．黄浆水中功能性成分和主要污染物在组分膜分离中的再分布[J1．食品与发酵工业，2006，32(5)：134—137n刘娜，等：膜分离技术在食品废水处理和生产中的应用专题论述—===,118【l7】徐朝晖，万端极，崔朝亮，等．膜技术在处理大豆乳清废水中的应【25】顾香玉，张晓云．膜技术在传统调味品生产中的应用中国调用[JJ．中国油脂，2007，32(1)：68—70味品，2006(10)：4—8【18】Andr6sM，HerminiaD，JuanCP．UltrMihrationofindustrialwaste[26】ChinJT，BeenHC．Filtrationofsoysaucebyceramicmembrane[J]．liquorsfromthemanufactureofsoyproteinconcentrates[J]．JournalJournaloffoodscience，1992，57(3)：740-742ofchemicaltechnologyandbiotechnology，2006，8l(7)：1252-1258[27]梁姚顺，梁世中，朱明军．膜分离技术在酱油过滤中的应用研究[19】缪畅，邱运仁．NF—RO组合膜处理大豆乳清废水[J1．中南大学学IJ】．中国调味品，2005(6)：48—51报：自然科学版，2010，41(4)：1623—1627[28]LuoJQ，DingLH，ChenXR，eta1．Desalinationofsoysauceby【20】GunYK，ChiuCH，YoungJK．Processingofsoybeansoakingwaternanofihration[J]．Separationandpurificationtechnology，2009，66(3)：withaNF-ROmembranesystemandlacticacidfermentationofre—429—437tainedsolutes叨．Journalofagriculturefoodchemistry，1997，45(1o)：[29】谢梓峰，沈飞，苏仪，等．食醋超滤澄清研究．中国酿造，2009(7)：4096—4100124-127[21]古文炳，陈俊刚，梅荣武．高浓度含氮味精废水综合治理技术lJJ．[3O]高璨，刘有智，张红宇，等．陶瓷膜澄清食醋的工艺研究[JI_膜科工业水处理，2009，29(2)：83—86学与技术，2007，270)：59—62[22]史志琴，朱健民，陈爱民，等．双膜法技术在味精废水处理中的应[31】UchennaCK，MunirCY．Concentrationofvinegarbyelectrodialy—用[J]_工业水处理，2007，27(12)：68—70sis[J]．Journaloffoodscience，1996，61(6)：1223—1226[23】RenHY，SunFB，ShiSY，eta1．Ceramicmembranepretreatment[32J刘有智，谷磊，申红艳，等．无机陶瓷膜澄清食醋工艺研究[J1．化ofmonosodiumglutamateisoelectricsupernatanttofacilitate(NH4)2学工程，2007，35(7)：34—37SO4recoverybyeleetrodialysis[J]．Journalofchemicaltechnology[331袁天才．膜技术在酿造食醋过滤除浊除菌工艺中的应用【J】．水andbiotechnology，2008，83(7)：1027-1033处理技术，2002，280)：247—248【24]曹景滇，王大江．膜分离技术在酱油生产中的应用lJ1．中国调味品．2000(2)：3-4．19收稿日期：2012—10—26《食品研究与开发》是由天津市食品研究所有限公司和天津市食品工业生产力促进中心主办，国内外公开发行的食品专业科技期刊，于1980年创刊，2013年变更为半月刊，采用国际流行开本大16开。其专业突出，内容丰富，印刷精美，是一本既有基础理论研究，又包括实用技术的刊物。本刊已被“万方数据库”、“中文科技期刊数据库”、《乌利希期刊指南》、美国《化学文摘》、英国国际农业与生物科学研究中t~,(CABI)等知名媒体收录，并被北京大学图书馆列入“中文核心期刊”。主要栏目有：基础研究、分离提取、食品研发、工艺技术、天然产物、检测分析、生物工程、营养保健、贮藏保鲜、质量安全、专题论述、食品机械等。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