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酿酒工业中膜技术应用

发布时间:2022-07-05 17:22:36人气:0

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现代膜分离技术是一种仿生技术。分离的根本原理在于膜具有选择透过性。膜分离法是用天然或人工合成的高分子薄膜,以外界能量或化学位差为推动力,对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法,可用于液相和气相。对于液相分离,可用于水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及含有其他微粒的水溶液体系。
      1、 膜分离技术的分类: 根据膜的种类可分为微滤、超滤、反渗透和纳滤、透析、电渗析、渗透气化、气体分离。
      2、膜分离技术的特点:
    1) 膜分离过程不发生相变化,与有相变化的分离法和其他分离法相比,能耗要低。因此膜分离技术又称省能技术。
    2) 膜分离过程是在常温下进行,因而特别适用于对热敏感的物质,如果汁、酶、药品等的分离、分级、浓缩与富集。
    3) 膜分离技术不仅适用于有机物和无机物,从病毒、细菌到微粒的广泛分离的范围,而且还适用于许多特殊溶液体系的分离,如溶液中大分子与无机盐的分离、一些共沸物或近沸点物系的分离等。
    4) 由于只是用压力作为膜分离的推动力,因此分离装置简单,操作容易,易自控、维修。

酿酒工业已成功的将膜技术应用于酿酒工艺中。酒类主要是通过发酵粟制取。在发酵罐中,胃汁中的糖液被发酵制成乙醇,然后通过膜设备进行澄清。 应用MF、UF、NF、RO等膜技术,酒类生产商能够提高现有的生产工艺。酒类生产商能够利用膜技术进行如下工艺:

     ? 净化和浓缩糖类;

     ? 酒的澄清;

     ? 调节酒精度;

     ? 酒的分离/净化(脱酸过程);

     ? 净化工艺用水。

     调节酒精度:采用膜技术对酒中的乙醇浓度进行提高或降低。 

     ? 降低酒精度:应用NF或RO膜时,酒中的大多数组分能够被浓缩,同时乙醇、水和少量其他组分会透过膜。在此工艺过程中或结束时,向膜系统的浓缩液中加入补给水,以达到降低酒精度的目的。

  ? 提高酒精度;应用RO膜能够部分提高产品酒的酒精度,同时提高产品酒的色度。

      ? 综合优势:在不改变发酵时间和初始糖浓度等发酵参数的条件下,膜技术允许酒类生产商能够生产出不同酒精度的酒。如果不采用膜技术。同时想生产不同酒精的酒,必须采取以下措施:为了生产低酒精度的酒,发酵过程在完成之前即需要被停止,这将严重影响酒的口感和风味;为了生产高酒精度的酒,迸发酵罐的料液糖度需要被提高。而如果采用膜技术将避免对这些工艺参数进行大规模的修改。

      酒的净化与分离:采用膜技术对酒进行净化,能够将酒中的酒石酸氢盐的沉淀轻易的去除;同时减少了离子树脂在去除有机酸过程中的污染。

      ? 稳定过程:酒的稳定过程是将酒中的酒石酸氢钙,酒石酸氢钾去除。为了将酒石酸氢盐从2500ppm降到几百ppm,传统的冷稳定过程是将酒在低温状态储存几个星期甚至几个月。由于酒石酸氢钾的沉淀速率受其自身的过饱和度的影响,如果采用膜技术对酒类进行浓缩,将提高酒石酸氢钾的沉淀速度。酒石酸氢钾分子量为188,因此NF膜能够被用粟浓缩酒溶液,以提高酒石酸氢盐的沉淀速率。随后,NF系统的浓缩液进入MF系统,以将酒石酸氢盐沉淀除去。最后NF渗透液和MF渗透液重新混合。

     ? 脱酸过程:酒中的有机酸(例如草酸、柠檬酸、酒石酸、丁二酸、甲酸)浓度是不同的。 当酒类生产商想从酒中去除过量的有机酸时, 离子交换是最常用的方法。然而离子交换树脂易被高分子量的有机物污染。UF膜可将酒中高分子量有机物去除,这样离子交换树脂才能有效的避免有机物的污染。一旦有机酸被降到理想水平,经过离子交换后的溶液和UF渗透液再重新混合。

     ? 综合优势:实践已经证明膜技术能够生产出高品质的酒类,同时显著降低生产成本。处理1000加仑酒时,仅使用离子交换工艺其生产成本为$3100,而采用UF系统生产成本为 ,$1200。如果将两种技术结合在一起:生产成本将降至$3100以下。

酒的澄清净化:传统的酒类澄清工艺是添加澄清剂,但其具有一些不良影响。如果采用膜技术对酒进行澄清净化,则可消除这些不良影响。

     ? 去除丹宁酸和浑浊物:在酒被窖藏以前,它们必须先经过澄清精制,以去除酒中过量的丹宁酸和浑浊物。丹宁酸是一种多酚物质,其形成了酒的颜色和香味;但是如果其含量过高将会形成白灰道和涩味,反而破坏颜色和香味,浑浊物在白酒中最常出现,主要是酒中的蛋白质在一定的pH条件下沉淀而成。传统用于酒类澄清的精制物为皂土和凝聚精制胶。但他们都存在诸多弊端,例如:凝聚精制胶被加入用于沉淀去除丹宁酸,其沉淀物必须经沉淀或过滤去除。皂士被加入用于去除浑浊物:但现在研究发现一些香味成分也同时被去除了。采用UF膜装置去除浑浊物和丹宁酸会产生更高质量的酒。这种酒保持着正常的颜色、香味和芳香族成分。

    ? 去除酵母:酒被窖藏合理的时间后进行罐装。 罐装以前还需经过硅皂土过滤和巴氏灭菌,但是有时候不能完全将酵母杀死和去除。如果采用膜技术能够保证去除所有的酵母。

综合以上所述, 膜分离技术在酒和酒精饮料生产工艺过程中主要应用在如下方面:
 (1) 微滤除菌:用微滤膜可对发酵工业中的用水和产品实现无菌化。目前各酒业公司已广泛使用0.45 um滤芯对成品酒进行终端过滤替代原有的热杀菌技术,节省能耗,避免高温给产品带来的煮熟味。 另外,生产设备在间歇清洗的过程中需要无菌化的清洗水,微滤技术是一种节能、高效的选择。
   (2)超滤精制:用超过滤膜能除去酒及究竟饮料中引起沉淀浑浊的物质,如残存的酵母菌、杂菌及胶体等,从而使酒的澄清性得到改善,并获得良好的保存性。除此以外,还能使生就具有成熟味,因而缩短了酒的保存期,对一些酒经超过滤处理,酒的风味有所改善,变得清爽而又醇香延绵。因此,采用超过滤对酒和酒精饮料的精制已在美国、意大利、日本等国得到应用,所处理的酒类有葡萄酒、威士忌、果子酒、烧酒、清酒等。用超过滤法对酒和酒精饮料的精制,避免了酒的热杀菌而易形成的浑浊成分的析出,而这些浑浊成分通常是用硅藻土或纸板、棉饼过滤机除去的。近年美国提出了硅藻土的毒性问题,而采用膜过滤可避免,同时简化了过滤设备。但是用超过滤膜对酒和酒精饮料的处理需要注意两个问题:一是膜材料的选择,由于酒是醇类,所以膜材料要有对醇的稳定性;二是膜要有适宜的孔径和孔分布,以便使酒的有效成分能通过膜,而有害成分被膜截留。
  (3)低醇/无醇果酒制作:目前低醇/无醇果酒的开发在国外业已成功,产品很受欢迎。其生产方式主要有3种:三效蒸发、离心分子膜蒸发和常温膜分离技术。三效蒸发的方法由于高能耗和影响产品品质的劣势而逐渐被膜技术所部分以至全部取代。在美国,科技工作者以葡萄作原料,进行完全发酵,过滤后,送入旋转蒸气加热槽内,由离心分子膜蒸发器进行处理,从而使发酵后的葡萄酒在酒槽内做旋转运动,使酒精在热空气的作用下蒸发。用此工艺制成的“雷金思”葡萄酒,色香味与白葡萄酒一样,酒精的最高含量仅0.49%。但酒精有防腐作用,“雷金思”由于含酒精极少,因而容易变质。故瓶装需用食品罐头制造法,即在20分钟内通过140℉的设备,进行巴氏灭菌消毒。此外,科学家还发明了一种可透过乙醇而不透过水和其他成分的分离膜,只需在膜的透过侧抽取真空,几乎在常温下进行,能耗极低。透过膜的乙醇可以经冷凝后再回收。这种方法称为渗透汽化。用目前普遍应用在制备纯净水方面的反渗透膜也可以达到脱除乙醇、截取酒体中有益成分的作用。需要注意的是,在乙醇与水共同透过膜之后酒体会被浓缩,有必要向其中补充适当的纯水,以保持酒体的平衡。
  (4)控制酒的甜度为了提高葡萄酒的甜度:日本酿酒业已应用反渗透膜设备生产葡萄酒,用于分离溶液成分中的水,使酒浓缩而达到所需的甜度,生产出优质天然葡萄酒。其优点是:不需加热,因而不会产生煮熟味,不发生色素分解和褐色现象;不经过蒸发过程,不损失营养成分,可保持良好的酒质和香气;耗能低。
  (5) 生产过程中调整酒中成分,提高酿酒效率和品质:用任何工艺酿制成的葡萄酒,都会或多或少地含有酚类、无机盐类、氧化酶等有害物质及不稳定成分。因此在酿制过程中和包装之前,必须提高并且稳定葡萄酒的质量,其新技术有:分离无机盐类。应用半透膜过滤装置,透过酒液成分中的水和无机盐类等较小分子,但不透过胶态分子和高分子物质,可大大缩短酿造时间并减少工序,不但节省能源,还能提高酒的质量。

 

下图介绍了膜技术在酿酒中的应用。

 

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