淺談中空纖維膜技術在啤酒加工中的應用

文章編號：2095-6835（2016）17-0100-02

摘 要：中空纖維膜技術是具有低能耗、清潔環保、噪聲污染小等特點的新型高科技技術。介紹了利用中空纖維膜回收啤酒發酵過程中所產生二氧化碳氣體的基本流程。此流程通過對氣體的吸收、解吸和再處理實現了低純度二氧化碳向高純度食品級二氧化碳的轉化。結合中空纖維膜的操作機理、最低能耗點等進一步優化了操作條件。項目危險性分析證明了該項目不存在較大的安全隱患，具有可實施性。從長遠的角度來看，采用這項技術可以為企業降低成本，有利于其長期發展。

關鍵詞：中空纖維膜技術；二氧化碳；一乙醇胺（MEA）溶液；啤酒

中圖分類號：TS261 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.17.100

二氧化碳作為一種無色、無味的氣體，在化工、醫藥、農業等方面被廣泛應用，在食品加工行業中的消費量更是占到了國內二氧化碳市場的15%左右。將二氧化碳應用于啤酒生產中，不僅有利于豐富泡沫的形成，使啤酒的口感更豐富，還能通過降低啤酒中溶解氧的濃度提高啤酒的保存期。我國是啤酒生產和消費大國，如果能夠將前期發酵過程中產生的二氧化碳有效回收、提純，并將其注入到后期的啤酒中，不單能為企業節約了巨大的成本，創造更多的利潤空間，還能減少二氧化碳這種溫室氣體的排放，更符合當今可持續發展和綠色環保的要求。中空纖維膜技術具有低能耗、占地面積小等優點，它能有效避免傳統工業中霧沫夾帶與溝流對吸收效率的影響，可以作為一種處理二氧化碳的高效新型方法。

1 二氧化碳膜處理法的基本流程

采用該方法處理二氧化碳主要經過吸收、解吸和再處理3步，具體的流程是：①發酵產生的二氧化碳在膜處理器中被二氧化碳吸收劑吸收。②這部分吸收了大量二氧化碳的富集液被送入到分離塔中，利用吸收二氧化碳反應的可逆性和二氧化碳與吸收劑沸點的不同，通過控制塔中溫度，可以釋放富含二氧化碳的氣體。解吸后的吸收液被送回到膜處理器進行再一次的循環利用。由于吸收二氧化碳的反應為放熱反應，因此，在吸收與解吸之間添加換熱器，可以有效利用反應熱減少解吸部分中用于提高溫度上的能耗。③氣體冷卻后，用大量活性炭去除其中的水蒸氣和其他雜質氣體，保證最終獲得的氣體無異味。當氧氣含量在30 ppm以下時，能夠滿足二氧化碳純度為99%以上的食品級要求。在此流程中，二氧化碳吸收劑、能量等都得到了充分的利用。采用中空纖維膜技術處理二氧化碳的流程如圖1所示。

2 中空纖維膜技術處理二氧化碳的機理

與傳統吸收塔吸收氣體的方式相比，用膜可以很好地避免液體溝流、溢流、霧沫夾帶和發泡等影響吸收效率。但是，大多數膜技術需要利用壓縮機提高壓力，將壓力差作為驅動力來吸收氣體。采用這種技術時的噪聲大，而且占地面積也大。而中空纖維膜技術利用濃度差作為氣體吸收的驅動力，可以有效避免此類問題的發生。在這項技術中，中空纖維膜不具有選擇性，僅僅起到“阻隔”的作用。氣體的吸收與選擇主要表現在吸收劑的選擇上——利用不同的吸收劑可以吸收不同的氣體。

2.1 氣液接觸方式的選擇

在膜的外側通入發酵產生的氣體，在膜的內側用逆流的方式通入二氧化碳吸收劑。采用逆流的方式可以增大氣體與吸收劑的接觸面積，提高吸收效率。此外，相關實驗表明，液體、氣體分別在膜的內外兩側通入的這種模式有利于氣體的吸收。鑒于濃度差，氣體會由中空纖維膜一側擴散至另一側與吸收劑反應。二氧化碳吸收劑的專一性可以保證絕大部分非二氧化碳氣體不被吸收，確保收集到的氣體有較高的純度。

2.2 氣體吸收劑的選擇

在中空纖維膜技術中，氣體吸收劑發揮著至關重要的作用。在選擇氣體吸收劑時，不僅要充分考慮吸收氣體的量和效率，還要考慮價格、反應進行的難易程度等因素。而對于食品工業，所用吸收劑是否具有毒性也是十分重要的考量條件。

氫氧化鈉（NaOH）、甲基二乙醇胺（MDEA）、空間位阻胺（AMP）和一乙醇胺（MEA）等均可以作為二氧化碳吸收劑。其中，雖然氫氧化鈉溶液在吸收二氧化碳的過程中有很好的表現，但是，氫氧化鈉本身有較大的腐蝕性，容易對人產生危害，損壞設備，有較大的安全隱患，因此，不能用于啤酒生產中。還有一部分吸收液是無毒的，有較好的吸收表現，但反應逆向進行的條件苛刻，需要的能耗比較大，不符合生產要求，所以，也不在考慮范圍之內。經過一系列的實驗，一乙醇胺（MEA）溶液具有低毒性，吸收、解吸高效率的特點，可以被更好的應用在食品工業的二氧化碳處理中。

一乙醇胺（MEA）溶液與二氧化碳的反應為：

CO2 + 2HOCH2CH2CH2NH2（MEA）?HOCH2 CH2HNCOO- + HOCH2 CH2NH3+.

在低溫吸收的過程中，上述反應從左到右正向進行，同時放出熱量。之后，在解吸部分，適當提高溫度，使反應方程式逆向進行，釋放較為純凈的二氧化碳氣體。針對MEA與二氧化碳的反應，解吸時的操作溫度應當控制在100～120 ℃，以保證在二氧化碳氣體充分釋放的前提下，MEA溶液不會達到沸點逸出MEA氣體。

3 最低能耗點的選擇

在整個二氧化碳的處理過程中，中空纖維膜吸收和活性炭的再處理部分基本不需耗能。耗能最大的部分就是在解吸時，利用再沸器提高溫度，使反應逆向進行的部分。因此，再沸器的能耗表征整個流程的能耗。實驗結果表明，吸收的氣液比、二氧化碳移除效率和所用MEA溶液的濃度等都會對解吸時的能耗造成影響。借助化工軟件PROII或Aspen Plus模擬整個流程，再與已有試工廠數據的比對，可以找到最小能耗點。已有研究表明，當固定吸收塔二氧化碳去除率為90%時，再沸器能耗隨吸收塔液氣質量流率比值的增大呈現先降低后增加的趨勢。當液氣比大約為2時，能耗達到最小值3.64 GJ·（tCO2）-1。另外，模擬結果顯示，并不是循環吸收量越大，再沸器所需要的能耗就越小。對于質量分數為30%的MEA溶液來說，每千克循環溶液吸收1.6 mol的二氧化碳是較為理想的操作條件。通過以上數據，對于一個每年需要840 kg二氧化碳的小型啤酒廠，按照年開工748 h計算，最低能耗只需2.41 kW/h。

4 項目危險性分析

項目危險性分析可以幫助操作者采取合理的防護措施，并在恰當的時間采取行動，避免危險進一步擴大。在采用中空纖維膜處理啤酒廠二氧化碳的整個流程中，除了再沸器的高溫可能會灼傷操作人員之外，還需考慮MEA溶液的泄漏。MEA可能在貯藏、管道運輸過程中發生泄漏，在解吸過程中也可能造成一部分MEA氣體隨著二氧化碳氣體溢出。雖然MEA不像氫氧化鈉等溶液具有強腐蝕性，但它仍然可能會對人的肺部和皮膚造成危害。因此，在最后階段，要用活性炭吸出可能存在的MEA氣體，以保證生產、運輸安全。此外，還需要相關生產企業選擇合適的鋼材貯存MEA溶液，并在相應的位置貼上警示標志。正如文中提到的，大多數傳統膜技術需要通過壓縮機的作用增大壓力，利用壓力差吸收氣體。采用這種方法會帶來許多潛在的危險，譬如因壓力過大而引起的爆炸事故。利用濃度差作為吸收驅動力的中空纖維膜技術則很好地避免了這些問題，進一步提高了整套設備的安全系數。除此之外，還應注意二氧化碳的儲存，避免因大量二氧化碳泄漏而導致相關人員中毒。

5 經濟核算

以一個年產210 m3的微型啤酒廠計算，其每年大概需要425 m3二氧化碳。如表1所示，如果以傳統的從外界購買二氧化碳的方式來看，企業一年僅花費在購買二氧化碳上的成本就要達到將近5萬元，再加上相關的運輸費，花費的成本更高。

如果采用中空纖維膜技術，僅按80%的回收效率計算，從啤酒發酵產生的氣體中回收得到的二氧化碳也遠遠大于啤酒加工后期所需要的二氧化碳的用量。因此，企業可以完全不用考慮購買二氧化碳的這部分成本，以獲得更大的利潤空間。而對比起其他膜技術，中空纖維膜因其質量輕、占地面積小、能耗小，也可以為企業節省包括場地租金等在內的一筆不小的費用。結合不同地區的水電、設備和材料的價格，可以粗略得到花在設備上的成本大約為20萬。這其中包括設備及其安裝的費用。而其他每年的固定消耗，譬如水電等能源的消耗，設備的折舊，定期的維修保養和更換材料的費用大約控制在2萬元。以此粗略計算，該企業投資回報率ROI約為18%，可以在第6年左右收回設備投資成本，之后開始盈利。由此可見，從企業長遠發展的角度來看，該套設備具有明顯的優勢。節約的成本可用于之后的技術創新、廣告投資、市場推廣等，進而為企業創造更好的經濟效益。

6 結束語

通過以上分析并結合相關研究可知，用質量分數為30%的MEA溶液作為二氧化碳吸收劑，在液氣質量流率比值約為2，循環吸收量為1.6 mol/kg循環液時，應用中空纖維膜技術處理二氧化碳可以達到良好的效果，能夠得到高純度、無毒、無味、氧氣含量低的食品級二氧化碳，同時，能耗也降低到每噸二氧化碳3.64 GJ的水平。該項技術可為年產210 m3的微型啤酒廠每年節約將近3.5萬元。

我國作為最大的啤酒生產國，每年的啤酒生產量穩步增長，這一新型技術具有廣闊的市場發展前景。面對日趨激烈的啤酒競爭，企業可以通過此技術降低成本，創造更大的利潤空間，提高其在行業內的競爭力。但受經濟和科技等方面的限制，這項技術還未能大范圍推廣。希望可以有更多更深入的研究和革新將這一技術更早的推向市場。

參考文獻

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作者簡介：楊梓銘（1994—），女，山西榆次人，在讀本科生，化學工程專業。

〔編輯：白潔〕