《高等分離過(guò)程》課程中工程案例分析

李雪琴，張海洋，白蘭莉

（石河子大學(xué)，化學(xué)化工學(xué)院 新疆 石河子 832003）

1 引言

案例教學(xué)法作為一種新型的教學(xué)方法已受到了越來(lái)越多的教師關(guān)注[1-5]。《高等分離過(guò)程》是化工類學(xué)生一門重要的專業(yè)課程。其課程的主要內(nèi)容是研究工業(yè)過(guò)程中物質(zhì)分離與純化的工程技術(shù)學(xué)科。當(dāng)物質(zhì)以混合物的形式存在，需要從中獲取有價(jià)值的一種或幾種產(chǎn)品時(shí)，就需要對(duì)此混合物進(jìn)行分離。分離技術(shù)已廣泛的應(yīng)用與化工、醫(yī)藥、食品、材料等領(lǐng)域。常見(jiàn)的分離技術(shù)有膜分離、精餾、吸收、吸附、萃取、薄層色譜等。其中膜分離作為一種新型的分離技術(shù)，已引起了越來(lái)越多的研究者關(guān)注[6-8]。本文選用膜分離技術(shù)中的超濾膜工藝作為典型工程案例進(jìn)行分析，為案例教學(xué)法的實(shí)施提供相關(guān)參考，并幫助學(xué)生建立化工工程的系統(tǒng)觀念。

2 工程案例概述

膜分離技術(shù)最核心的部分是膜。膜是具有選擇性分離功能的材料，利用膜的選擇性分離可實(shí)現(xiàn)不同組分的分離、純化、濃縮的過(guò)程稱作膜分離。根據(jù)其過(guò)程可分為：微濾、超濾、納濾、反滲透等。其中超濾是介于微濾和納濾之間的一種膜過(guò)程，膜孔徑在0.05微米至1納米之間。超濾是一種能夠?qū)⑷芤哼M(jìn)行純化、分離、濃縮的膜分離技術(shù)，其分離機(jī)理通常為篩分機(jī)理。

為方便學(xué)生理解，選擇蘋果酒超濾工藝作為典型的工程案例進(jìn)行分析[9]，讓學(xué)生結(jié)合實(shí)際的工程案例，鍛煉學(xué)生的分析能力和實(shí)踐能力。

案例背景：我國(guó)是世界上最大的蘋果生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，目前，對(duì)于蘋果的深加工問(wèn)題一直是關(guān)注的熱點(diǎn)。將蘋果加工成蘋果酒具有比較成熟的工藝，但是在加工工程中需要保證其具有良好的澄清度。但是，在蘋果酒釀造和貯存過(guò)程中易產(chǎn)生沉淀，導(dǎo)致蘋果酒渾濁，其渾濁的原因一方面是由于微生物對(duì)蘋果酒中組分的代謝作用破壞了蘋果酒中的膠體平衡狀態(tài)導(dǎo)致產(chǎn)生了渾濁或沉淀；另一方面是由于蘋果酒發(fā)酵后產(chǎn)生的多糖類、果膠、鞣質(zhì)、蛋白質(zhì)等不同分子大小的差異性導(dǎo)致這些分子以膠體狀態(tài)存在，當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，這些成分的溶解度下降會(huì)使蘋果酒變得渾濁。因此，開(kāi)發(fā)高效的澄清工藝對(duì)蘋果酒品質(zhì)的提高具有重要的意義。超濾技術(shù)作為一種新型的澄清方法具有分離效率高、能耗低、綠色、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

案例簡(jiǎn)介：蘋果酒的生產(chǎn)工藝為：新鮮蘋果→篩選→清洗→破碎榨汁→果汁澄清→低溫發(fā)酵→原酒→離心→澄清處理→調(diào)配→檢驗(yàn)→灌裝→殺菌→成品。其中，蘋果酒澄清的工藝的澄清方法主要包括自然澄清法、澄清劑澄清法、超濾技術(shù)、多種方法聯(lián)用技術(shù)等。自然澄清法需長(zhǎng)時(shí)間將蘋果酒保持靜止?fàn)顟B(tài)，使懸浮物沉淀，本方法的缺點(diǎn)是耗時(shí)廠、酒穩(wěn)定性差，目前此方法使用較少。澄清劑澄清法主要是選用合適的澄清劑，如硅藻土、交聯(lián)聚乙烯吡咯烷酮、殼聚糖、皂土、明膠溶液等，本方法目前應(yīng)用較多，但需篩選出合適的澄清劑。最近，超濾膜分離技術(shù)，該技術(shù)以壓力差為推動(dòng)力，應(yīng)用超濾膜作為過(guò)濾介質(zhì)，已廣泛的應(yīng)用到果汁澄清的工藝中，超濾膜分離技術(shù)可去除果蔬汁中的果膠、淀粉、蛋白質(zhì)、微生物和色素等雜質(zhì)，此方法具有效率高、能耗低、操作條件溫和、環(huán)保、綠色、操作簡(jiǎn)便、有效成分損失少等優(yōu)點(diǎn)，在果蔬汁澄清應(yīng)用領(lǐng)域顯示出較好的應(yīng)用前景。綜上分析可知，本工藝澄清方法選擇超濾膜分離技術(shù)，采用該方法將除去大分子物質(zhì)和微生物，能有效澄清蘋果酒，并可以截留大量有效成分。此外，在超濾澄清蘋果酒的過(guò)程中，考察了不同操作條件對(duì)膜分離性能的影響。

案例問(wèn)題分析：超濾膜分離技術(shù)應(yīng)用在蘋果酒澄清工藝過(guò)程中，面臨的主要問(wèn)題是膜滲透通量的大幅降低，因此，如何優(yōu)化操作條件保證膜具有較高的通量是超濾膜分離技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。

案例問(wèn)題討論：超濾工藝用于蘋果酒澄清過(guò)程中，影響其滲透通量的因素有：料液濃度、料液流速、料液比、操作時(shí)間、操作壓力、操作溫度等，要確定出哪些參數(shù)是影響超濾膜通量的關(guān)鍵因素，且還要注意各個(gè)因素之間的關(guān)聯(lián)性。

案例問(wèn)題解決方法：采用通徑分析可研究超濾膜分離技術(shù)用于蘋果酒澄清工藝過(guò)程中各個(gè)操作條件對(duì)膜通量的影響，通過(guò)方差和決定性分析可獲得各操作參數(shù)對(duì)膜通量影響程度的大小，通過(guò)此法可確定最佳實(shí)驗(yàn)操作條件。

案例結(jié)論：運(yùn)用通徑分析法，考察了各操作參數(shù)對(duì)超濾膜通量的影響，確定了影響膜通量的關(guān)鍵因素主要為操作壓力、操作溫度和進(jìn)料流速，且各操作條件對(duì)膜通量影響程度大小順序?yàn)椋翰僮鲏毫Γ具M(jìn)料流速＞操作溫度。通過(guò)對(duì)超濾膜分離工藝進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)超濾膜處理的蘋果酒，蘋果酒透光率達(dá)98.7%，蘋果酒產(chǎn)品呈現(xiàn)澄清樣。對(duì)于影響蘋果酒澄清的雜質(zhì)如蛋白、多酚含量明顯降低，另外，對(duì)于蘋果酒內(nèi)的有效成分大部分都截留了下來(lái)，蘋果酒的糖度、酒精度和酸度經(jīng)過(guò)超濾工藝處理后變化不大。

3 結(jié)語(yǔ)

利用案例教學(xué)法進(jìn)行《高等分離過(guò)程》課程講解，將會(huì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生對(duì)這門課程的相關(guān)知識(shí)掌握的更加全面和透徹。本文選用超濾膜工藝作為典型工程案例進(jìn)行分析，為案例教學(xué)法的實(shí)施提供相關(guān)參考。此外，案例教學(xué)方法的實(shí)施將有利于培養(yǎng)學(xué)生們的自學(xué)能力、處理問(wèn)題的能力、分析問(wèn)題的能力、解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。

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