第五节 过滤和膜分离
悬浊液的过滤
? 深床过滤
? 滤饼过滤 阻力是滤饼。可压缩和不可压缩 滤饼
? 过滤步骤,过滤，滤饼洗涤,滤饼干燥，滤饼卸
除。
? 过滤介质 是滤饼的支撑物,促使滤饼形成。 过滤
介质基本要求,多孔结构、强度、易卸饼、易清
洗、耐腐蚀等。
? 助滤剂
1 板框过滤机
? 压力高 0.8PMa
? 占地小
? 过滤面积大
? 间歇过滤
2．转筒真空吸滤机
? 一种连续操作过滤机设备, 其主体是一转
动水平圆筒, 表面有一层金属网, 网上覆
盖滤布, 筒的下部浸入滤浆中
? 圆筒沿径向分隔成若干扇形格, 每格都有
单独的孔道通至分配头上
? 圆筒转动时, 凭借分配头的作用使这些孔
道依次分别与真空管及压缩空气管相通,
因此回转一周每个扇格表面可顺序进行过
滤, 洗涤, 吸干, 吹松, 卸饼等工作
特点
? 分配头由紧密贴合着的转动盘与固定盘构
成，转动盘随筒体一起旋转，固定盘内侧
面各凹槽分别与各种不同作用的管道相通
? 当扇形格 1开始浸入滤浆内时，转动盘上的
小孔便与固定盘上的凹槽 f相对，从而与真
空管道连通，吸走滤液
? 上图扇形格 1— 7所处的位置称为过滤区
? 扇形格转出滤浆糟后，仍与凹槽 f相通，继
续吸干残留在滤饼中的滤液。扇形格 8— 10
所处的位置称为吸干区
? 扇形格转至 12的位置时，洗涤水喷洒于滤饼上，
此时扇形格与固定盘上的凹槽 g相通，经另一管道
吸走洗水。扇形格 12,13所处的位置称为洗涤区
? 扇形格 11对应于固定盘上凹槽 f与 g之间，称为不
工作区
? 扇形格 14的位置为吸干区
? 15为不工作区
? 扇形格 16,17与固定盘凹槽 h相通，再与压 缩空
气管道相连，压缩空气从内向外将滤饼吹松，随
后由刮刀将滤饼卸除，此区称为吹松区及卸料区
? 18为不工作区
? 当扇形格由一区转入另一区时，因有不工作区的
存在，方使各操作区不致相互串通
? 如此连续运转，整个转筒表面上构成了连续的过
滤操作
? 转筒过滤面积一般为 5— 40m2，浸没部分占总面
积的 30— 40x
? 转速通常可以调节，一般为 0,1— 3r／ min
? 滤饼厚度一般在 ≤40mm
? 胶体在 ≤10mm，滤饼含水量一般为 30％左右
? a．转筒
? b，滤讲
? c，刮刀
? d，转动盘
? e，固定盘 f．吸走滤液 的真空凹槽
g．吸走洗水真空凹槽
? h．通入压缩空气的真空凹槽
? 转筒真空过滤机能连续工作，节省人
力，生产能力大，适合处理量大容易
过滤的料浆，
? 但附属设备较多，投资费用高，过滤
面积不大。此外，由于真空操作，过
滤推动力有限，对较难过滤的物料适
应性差，滤饼的洗涤也不充分
3 加压叶滤机
? 加压叶滤机 图所示的加压叶滤机
由许多不同宽度长方形叶片, 滤片
由金属多孔板或金属网制造, 它内
有空间；被安装在密闭机壳内 。 滤
浆用泵压送到机壳内, 滤液穿过滤
布进入滤叶内, 汇集至总管后排出
机外, 颗粒则被阻挡在滤布外侧形
成滤饼 。
若要洗涤滤饼，洗水的路线与滤液的
相同。洗涤后打开机壳上盖，拔出滤叶清
除滤饼。
*加压时滤机的特点 是密闭操作，比较
卫生，过滤速度快，洗涤效果好，但造价
较高，更换滤布比较麻烦
? 1．滤饼
? 2．滤布
? 3．拔出装
置
? 4．橡胶圈
二 膜分离技术
? 1 用途与材料
? 常用于食品工业中的膜分离技术主要是微
滤、超滤和反渗透 3种。它们都是以静压差
作推动力进行溶质分离的。
? 在实际应用中可根据食品成分的相对分子
质量的大小来选择适宜方式的膜分离。
? 材料,纤维素类聚合物、芳香聚酰胺、聚砜。
1）反渗透膜（ RO)? 反渗透使用的滤膜孔径最小，适用于分
离直径为 2nm以下的低分子和离子。
? 反渗透则需 2— 10MPa的压力。这是因为
微滤和超滤所分离的大分子物质的浓度
(物质的量浓度 )最小，溶液的渗透压可以
忽略不计，实际操作压力只需 克服膜表
面对溶质的阻力和系统内的阻力。。
2) 超滤膜（ UF)
? 超滤使用的滤膜孔径较小，适用于分离直
径为 2× 102一 15× 102nm的大分子和胶体
? 超滤需 0.1— 1.0MPa的压力,但超滤有时会
用于分离和浓缩一些高粘度的物质 (粘度可
高达 18000MPa·s)，此时的操作压力可相应
增大些。
3) 微孔过滤膜（ MF)
? 微滤使用的滤膜孔径最大，适用于分离
直径为 2× 105—500× 105nm的大分子物质
? 一般微滤的操作压力为 0.15-0.2MPa,反
渗透分离的溶质一般是一些小分子和离
子，溶液的渗透压较大，而且随着浓度
的增加，渗透压会逐渐加大，它的实际
操作压力需克服溶液的渗透压
各种分离技术分离 3 7 8 4 L
( 1 0 0 0 加仑 ) 水所需的费用
┌─────────┬─────────┐
│ 分 离 技 术│ 所需费用／美元│
├─────────┼─────────┤
│ 反渗透、超滤 │ O, 2 — 5 │
│ 滚筒干燥 │ 2 5 │
│ 真空蒸发 │ O, 4 — l 5 │
│ 冷冻干燥 │ 2 0 0 — 3 0 0 │
│ 冷冻浓缩 │ 0, 4 5 - - 4 5 │
│ 分级沉析 │ 5 0 0 0 │
│ 透 析 │ 6 4 0 — 1 0 0 0 │
│ 凝胶过滤 │ 2 0 0 - - 4 0 0 │
│ 离心分离 │ 0, 3 — 1 0 │
│ 电渗析 │ O, 2 — 5 │
└─────────┴─────────┘
各种分离技术分离 3784L(1000加仑 )水所需的费用
。
┌─────────┬─────────┐
│ 分 离 技 术 │ 所需费用／美元 │
├─────────┼─────────┤
│ 反渗透、超滤 │ O.2—5 │
│ 滚筒干燥 │ 25 │
│ 真空蒸发 │ O.4—l 5 │
│ 冷冻干燥 │ 200—300 │
│ 冷冻浓缩 │ 0.45--45 │
│ 分级沉析 │ 5000 │
│ 透 析 │ 640—1000 │
│ 凝胶过滤 │ 200--400 │
│ 离心分离 │ 0.3—10 │
│ 电渗析 │ O.2—5 │
└─────────┴─────────┘
1 板式膜组件
板式膜组件的特点
? (1)板式膜组件的制造, 组装比较简单, 易于
进行膜的更换, 清洗和维护, 更换膜费用也少 。
由于组装简单并较坚固, 所以受压力变动的影
响不大, 工作的可靠性也高 。
? (2)板式膜组件主要是由膜, 原液流道和透过
液流道相互交替重叠压紧而成的, 体积比较紧
凑 。 当处理量增大时, 可以只简单地增加膜的
层数 。 另外在同一设备里可视装不同数量的膜,
即可作为生产的装置, 也可在同一设备上进行
实验 。
(3)原液流道截面积较大，原液中即使含有一些杂质和
异物也不易堵塞流道，所以适用广，对预处理的要求较低
。也可将原液流道隔板设计成各种凹凸波纹的形状以利于
液体湍流，这对于超滤组件是极为重要的。同时，板式组
件的压力损失小，原液的流速也 (可达 1—5m／ s)。
(4)板式膜组件对膜的机械强度要求比较高。因为膜的
面积比较大 (可大到 0.4m2)．以没有足够的机械强度就很
难安装和更换。装置越大，对零部件的加工精度要求越高
，成本也越大。
(5)板式膜组件的流程较短，原液流道的截面积又较
大，故单程的回收率低。为了达定的浓缩要求。就需要增
加循环量和循环次数，这就要求泵的容量大，能耗于是相
应增加,操作时易引起温度的上升。但板式膜的阻力损失
较小，可以进行多段操作以增大回收率
2 管式膜组件
? 原液流道大，可处
理悬浮颗粒和溶解
性的物料。
? 易清洗 ------化学机
械
? 装填密度低 --33-
330m2/m3
? 防渗漏管外有覆盖
与支撑，增加费用
管式膜渗透装置
3 卷式膜组件
卷式膜组件的特点
? 1)单位体积中膜的表面积比率大 。
? 2)压力导管的设计简单, 安装和更换容易,
结构紧密, 投资和运行费用较低 。
? 3)料液的流动线路短, 不适宜用以处理含
悬浮颗粒的料液, 对料液的前处理要求高,
再循环较困难 。
膜分离不同于一般的过滤。在膜分离过程中液体
的流动方向垂直于过滤介质；而被分离的溶质则
与膜面平行流动，这种流动称为横向流动。横向
流动的优点就在于它可以减轻膜表面的浓差极化
和胶凝 (即表面污染 )。当溶质在膜面的流速达到
2m／ s时，就会产生湍流而起 到清洗膜面的作用
，使分离过程中水通量的衰减变得缓慢,
主要优点有以下几个方面。
? 1,有利于食品成分的保存
? 膜分离过程在常温下进行, 特别适用于
热敏性物质的处理, 如果汁, 酶等的分离,
分级, 浓缩和富集 。 食品原料经过膜处理
后, 色泽, 香气和风味均无变化, 营养物
质损失也极少 。 此外, 膜分离过程一般是
在闭合的回路中运转, 减少了氧气对食品
成分的氧化作用 。
?
2．能耗少，费用低
膜分离过程中，只需给泵提供一定的能量，
在一定压力下，被分离的物质只需移动不到 1μm
的距离就可以进行分离、提纯、浓缩，能耗少。
因此，膜分离技术又称为省能技术。采用膜分离
技术还可以大大节省操作费用。
3,工艺简单、产量高
膜分离将物料加压输送和反复循环，容易控
制。装置亦十分简单，操作容易，占地面积小，
易于维修
│
4。分离范围广
与抽提法、吸附法等相比较，膜分离法在不发
生相变化和不使用第三种化学成分的情况,就可
将相对分子质量不同的物质分离开，适用于有机物
和无机物，并从病毒、细菌到微生物有着广泛的分
离范围。膜分离法还适用于许多特殊溶液体系的分
离，如对溶液中分子和无机盐的分离、一些共沸物
或近沸点物系的分离。在食品加工中，某些发酵液
往往含有许多悬浮成分，用离心分离或预涂层过滤
器等分离，难以得到澄清液，采用膜分离技术就可
以得到。高澄清度的分离液。食品加工废液中微量
成分的回收和低浓度食品溶液的浓缩等，只有采用
膜分 离技术才能实现，其中最典型的就是乳品工业
中乳清蛋白的回收。
三 离心分离机
1。 悬浮液及乳浊液在离心力场中的分离特性
悬浮液 是由液体和悬浮其中颗粒组成的系统 。 固
体颗粒是由许多单个颗粒及聚集在一起的颗粒团
组成的混合体 。 采用离心分离的方法分离悬浮液
时, 大于极限粒径 d0。 的颗粒在离心力的作用下
克服沉降阻力而沉降至鼓壁, 小于 d0。 的颗粒仍
悬浮在液体里 。 值得注意的是, 在离心力场中,
悬浮液的固体颗粒更倾向于凝聚, 能使许多小的
微粒凝聚在一起变成大颗粒或颗粒团而沉降 。 这
种效应 ‘ 称为离心絮凝效应, 它对于固体物料脱
水和液体的沉清极为有利 。 。
颗粒特性 —般系指颗粒,群中颗粒的主要物理性
质，包括颗粒的大小、粒度分布、形状、密度、
表面性质等。它和液体的主要性质 (密度、粘度 )
以及悬浮掖的浓度和状态等，对颗粒的沉降速颖
度、滤渣的渗透率等均有较大的影响。
乳浊液 是由液体和悬浮于其中的一种或数种其
他液体所组成的系统，其中至少有一种液体是以
液珠的形式，均匀地分散于一个不和它互溶的液
体之中乳浊液的稳定性低,当悬浮液珠达一定的
大小时 (临界的大小约等于 0,4— 0,5μm)，组成
它的两相会较快地分层 。乳浊液的物理性质主要
是指液珠 的大小及其分布、浓度、粘度、布朗运
动及电现象等
2 离心力场中颗粒在流体中的运动情况
? 假定离心机转鼓内液体自由面为圆柱面, 即
重力影响忽略不计, 颗粒被加速的时间忽略不计,
颗粒在液体中的运动服从斯托克斯公式, 由此,
距中心轴为 r处的颗粒沉降速度 。
V= )/(
9
)(2
21
2
scm
gr
?
?? ?
分类
? (1)按分离因数 F,的大小可分为常速离
心机, 高速离心机及超高速离心机 。
? 常速离心机,Fr＜ 3000,主要用于
分离题粒不大的悬浮液和物料的脱水；
? 高速离心机,3000＜ Fr＜ 50000,主
要用于分离乳浊掖和细粒悬浮液；
? 超高速离心机, Fr＞ 50000,主要用
于分离极不易分离的超微细粒悬浮液和
高分子胶体悬浮液 。
?
(2)按操作原理 的不同可分为过滤离心机、沉降
离心机及分离离心机。
过滤离心机,转鼓壁上有孔，借离心力实现
过滤分离，分离因数不大，适用于易过滤的晶体
悬浮液和较大颗粒悬浮液的分离以及物料的脱水
沉降离心机,鼓壁上无孔，借离心力实现沉
降分离；
分离离心机,鼓壁上无孔，分离因数在 3000
以上，主要用于乳浊液的分离和悬浮液的增浓或
澄清。
(3)按操作方式 的不同可分为间歇式离心机
和连续式离心机。
1 过滤分离机
2 沉淀分离机
3 分离分离机
? V一沉降速度 (cm／ s)
? g—重力加速度 (cm／ s2)
? μ—介质粘度 (0,1Pa.s或
g／ cm.s)
? r—脂肪球的半径 (cm)
? ρ1—分散介质脱脂乳密度
(g／ cm3)
? ρ2—颗粒脂肪球密度 (g
／ cm2)
? 牛奶中各种成分 (脂肪, 脱脂
乳, 杂质 )的比重不同, 脂肪
比重 0.93,脱脂乳 1.035。 在
容器内经一定时间, 由于沉降
速度不同, 可分成三种组分；
上面最轻的为稀奶油, 中层为
脱脂乳, 最下层为固体杂质 。
? 鲜奶中三组分在普通沉降
槽内分层, 这一自然分层作用,
可按斯托克定律, 用下式求出
质点的沉降速度 。
V= )/(
9
)(2 212
scm
gr
?
?? ?
? 由上式可知，沉降速
度 V与 g,r,(ρ1-ρ2)成
正比，与 μ 成反比。增
大 g,r,ρ1 是不可能
的，减小 ρ2 和 μ 的作
用不大，如用离心力代
替重力便可提高沉降速
度，达到连续快速分离
的目的。
牛奶由中央管进入经过盘片的孔上升，在各片间分配成
薄层。由于分离钵体高速旋转，牛奶受很大的离心力，
使脂肪球向着与离心力相反的方向, 上浮,,最大的脂
肪球有最大的上浮速度，所以立即沿盘托集中上升，中
等和细微的脂肪球和牛奶流一起进入和各分离盘片之间
隙在分离盘片之间的脂肪球, 有两
个速度,Vo一牛奶流速度,Va一
由于离心力而产生的脂肪球的上
浮速度, 故脂肪球有一合速度 Vc。
随牛奶流向外流动, Vn逐渐减小
(因断面增大 ),而 Va则逐渐增大
(离心力大 ),因此脂肪球的运动路
线为图示曲线, 聚集在每一分离
盘上表面上, 形成乳脂层 。 因比
重小, 沿盘表面上升, 形成与牛
奶流向相反的乳脂流, 由颈部稀
奶油排出孔排出 。 脱脂乳在盘片
间空隙被离心力甩向外围上升,
由脱脂乳排出孔流出
? ω---角速度 (rad/s)
? n—转鼓速度 (r／ s)
? R—旋转半径 (cm)
? 将 a代入斯托克沉降公式中, 用离心加速度 a代替重
力加速度 g,其离心分离速度为：
?
根据离心加速度计算公式：
)/()2( 222 scmnRR ??? ??
V=
?
??
?
2122
)2(
9
2 ?
Rrn
= 8, 7 6 R n
2
r
2
?
??
21
?
? 牛奶中非脂肪物质的密度 ρ1。 脂肪球体
的密度 ρ2以及介质的粘度 都随牛奶温度
的改变而改变 。 根据已知的资料可知,
当牛奶温度在 10—70度之间时, 存在下列
关系：
? t— 牛奶温度 (℃ )
?
? ?
??
21
?
=2, 9 t
将上式代入分离速度公式，得：
trRnV 224.25?
? 由上式可看出：离心分离速度决定于转鼓半径
(直径 )R,转速 n,脂肪球半径 r和牛奶的温度 t。
离心加速度与重力加速度之比值，称为分离因
素 f，是离心分离机重要特性之一。它是衡量离心
分离机能力大小的无因次参数。分离因素越大，
离心力越大，分离效果也越好。
f= Rn
g
nR
g
R
g
04.0
)2( 22
???
???
牛奶分离机
? 牛奶分离机 专用牛奶中脂肪和脱胎乳的分
离，要求牛奶在分离时有一定的温度 (35—
40℃ )，使分离出的稀奶油和脱脂乳有一定
含脂率。结构特点：
分离片上均有 3— 4个孔，牛奶由这些孔进入各分离片间
而被分离：碟片之顶角一般为 60--80；两片间之距离为
0,4— 0,8mm，因此每片上均固定一定厚度之凸缘
(0,5mm)；碟片用 0,8mm厚不锈钢板冲压或压制而成。
成型后厚度为 0,5mm。
? 分离片上孔开在稀奶
油和脱脂乳分界面上,
分界面的半径 Ro与
轻 （ 稀奶油 ） 重脱脂
乳组分之容积比例有
关 。
分界面半径 Ro可由下式确定：
R 0 =
?
?
?
?
1
m i n
2
m a x
2 RR
? 式中：
? Ro—分界面半径, 即转轴中心与碟片孔中心之距
离 (cm)
? Rmax—碟片最大半径 (cm)
? Rmin—碟片最小半径 (cm)
? φ—稀奶油与脱脂乳的容积比, 通常 ＝ 0,04
净乳机
? 净乳机 工作原理与牛奶分离机相同, 仅结构有所
不同 。 净乳机的碟片上不开小孔 (图 2—31)；碟片间
距离较大；分离钵沉积容积大；有自动和手动排渣
装置 。
? 。
?
? 正常操作时，排污孔由进来的牛奶使分离底盘向上顶起而
关闭；当沉积的液渣达一定量时，停止进料，解除了对底
盘的压力，降下分离钵底盘，便自动打开排渣孔。因机器
仍在旋转，由于离心力作用，沉渣自动排出
(三 )分离机生产能力计算
在理论上，可从流体粒子在分离机二碟片之间的流动情况，
应用微积分的演算，便可推导出理论生产能力公式：
? G—离心分离机最大生产能力 (L／ h)
? n—每钞钟转速 (r／ s)
? z—碟片数
? α—碟片之仰角 (一般取 50—60度 )
? r2--碟片最大半径 (cm)
? r1—碟片最小半径 (cm)
? d—脂肪球直径 (cm)
? t—牛奶分离时之温度 (℃ )
? η—分离效率, 一般取 η＝ 0,5—0,7
?
?
G = ? 4, 8 n 2 Z t a n a ( tdrr 23132 )?
经验公式
G= )/()
1 0 0 0 0
(
10
2 hLnVZ?
(四 )影响生产能力的因素
由生产能力计算公式：
G = ? 4, 8 n 2 Z t a n a ( tdrr 23132 )?
? (1)转速 n
? 提高分离机转速 n,生产能力也就提高 。 但设
计时, 由于受机械结构及材料强度等限制不能无
限提高转速 。
? (2)脂肪球直径 d
? 脂肪球直径 d越大，分离效果也就越好。设计
时应考虑到能将牛奶中较小的脂肪球分离出来，
通常应能分离出最小脂肪球直径 d=1,0— 1,3μ
m，脱脂乳中含脂率为 0,01— 0,02％。
(3)碟片半径大小
碟片下半径大 (最大半径 )，上半径小 (最小半
径 )，则其分离效果也越大，但又必须考虑到机械
的结构、仰角、碟片高度与平均半径之比值，其
比值有一定的范围：
cpr
H
7.045.0
2
21
???
?
?
rr
H
? 式中：
? H—碟片高度 (cm)
? rcp—平均半径 (cm)
? r1—碟片最小半径 (cm)
? r2—碟片最大半径 (cm)
? (4)碟片仰角 α大小
? 仰角 α值, 在理论上越大越好 。 但它受半径限制,
同时又与料液的粘度和料液与碟片表面之间的摩
擦有一定关系 。 仰角 α 大, 粘度大时, 不易流动,
故不能无限增大, 一般取 50—60度 。
? (5)牛奶分离前予热温度大小
? 牛奶分离前予热, 使分散介质 (脱脂乳 )和脂肪球
密度差大, 乳的粘度降低, 可提高分离效果, 一
般应在 35—40℃ 。 全封闭离心机, 有时可达到 50
度 。 但不能再高, 否则会引起蛋白质凝固, 反而
影响质量 。
悬浊液的过滤
? 深床过滤
? 滤饼过滤 阻力是滤饼。可压缩和不可压缩 滤饼
? 过滤步骤,过滤，滤饼洗涤,滤饼干燥，滤饼卸
除。
? 过滤介质 是滤饼的支撑物,促使滤饼形成。 过滤
介质基本要求,多孔结构、强度、易卸饼、易清
洗、耐腐蚀等。
? 助滤剂
1 板框过滤机
? 压力高 0.8PMa
? 占地小
? 过滤面积大
? 间歇过滤
2．转筒真空吸滤机
? 一种连续操作过滤机设备, 其主体是一转
动水平圆筒, 表面有一层金属网, 网上覆
盖滤布, 筒的下部浸入滤浆中
? 圆筒沿径向分隔成若干扇形格, 每格都有
单独的孔道通至分配头上
? 圆筒转动时, 凭借分配头的作用使这些孔
道依次分别与真空管及压缩空气管相通,
因此回转一周每个扇格表面可顺序进行过
滤, 洗涤, 吸干, 吹松, 卸饼等工作
特点
? 分配头由紧密贴合着的转动盘与固定盘构
成，转动盘随筒体一起旋转，固定盘内侧
面各凹槽分别与各种不同作用的管道相通
? 当扇形格 1开始浸入滤浆内时，转动盘上的
小孔便与固定盘上的凹槽 f相对，从而与真
空管道连通，吸走滤液
? 上图扇形格 1— 7所处的位置称为过滤区
? 扇形格转出滤浆糟后，仍与凹槽 f相通，继
续吸干残留在滤饼中的滤液。扇形格 8— 10
所处的位置称为吸干区
? 扇形格转至 12的位置时，洗涤水喷洒于滤饼上，
此时扇形格与固定盘上的凹槽 g相通，经另一管道
吸走洗水。扇形格 12,13所处的位置称为洗涤区
? 扇形格 11对应于固定盘上凹槽 f与 g之间，称为不
工作区
? 扇形格 14的位置为吸干区
? 15为不工作区
? 扇形格 16,17与固定盘凹槽 h相通，再与压 缩空
气管道相连，压缩空气从内向外将滤饼吹松，随
后由刮刀将滤饼卸除，此区称为吹松区及卸料区
? 18为不工作区
? 当扇形格由一区转入另一区时，因有不工作区的
存在，方使各操作区不致相互串通
? 如此连续运转，整个转筒表面上构成了连续的过
滤操作
? 转筒过滤面积一般为 5— 40m2，浸没部分占总面
积的 30— 40x
? 转速通常可以调节，一般为 0,1— 3r／ min
? 滤饼厚度一般在 ≤40mm
? 胶体在 ≤10mm，滤饼含水量一般为 30％左右
? a．转筒
? b，滤讲
? c，刮刀
? d，转动盘
? e，固定盘 f．吸走滤液 的真空凹槽
g．吸走洗水真空凹槽
? h．通入压缩空气的真空凹槽
? 转筒真空过滤机能连续工作，节省人
力，生产能力大，适合处理量大容易
过滤的料浆，
? 但附属设备较多，投资费用高，过滤
面积不大。此外，由于真空操作，过
滤推动力有限，对较难过滤的物料适
应性差，滤饼的洗涤也不充分
3 加压叶滤机
? 加压叶滤机 图所示的加压叶滤机
由许多不同宽度长方形叶片, 滤片
由金属多孔板或金属网制造, 它内
有空间；被安装在密闭机壳内 。 滤
浆用泵压送到机壳内, 滤液穿过滤
布进入滤叶内, 汇集至总管后排出
机外, 颗粒则被阻挡在滤布外侧形
成滤饼 。
若要洗涤滤饼，洗水的路线与滤液的
相同。洗涤后打开机壳上盖，拔出滤叶清
除滤饼。
*加压时滤机的特点 是密闭操作，比较
卫生，过滤速度快，洗涤效果好，但造价
较高，更换滤布比较麻烦
? 1．滤饼
? 2．滤布
? 3．拔出装
置
? 4．橡胶圈
二 膜分离技术
? 1 用途与材料
? 常用于食品工业中的膜分离技术主要是微
滤、超滤和反渗透 3种。它们都是以静压差
作推动力进行溶质分离的。
? 在实际应用中可根据食品成分的相对分子
质量的大小来选择适宜方式的膜分离。
? 材料,纤维素类聚合物、芳香聚酰胺、聚砜。
1）反渗透膜（ RO)? 反渗透使用的滤膜孔径最小，适用于分
离直径为 2nm以下的低分子和离子。
? 反渗透则需 2— 10MPa的压力。这是因为
微滤和超滤所分离的大分子物质的浓度
(物质的量浓度 )最小，溶液的渗透压可以
忽略不计，实际操作压力只需 克服膜表
面对溶质的阻力和系统内的阻力。。
2) 超滤膜（ UF)
? 超滤使用的滤膜孔径较小，适用于分离直
径为 2× 102一 15× 102nm的大分子和胶体
? 超滤需 0.1— 1.0MPa的压力,但超滤有时会
用于分离和浓缩一些高粘度的物质 (粘度可
高达 18000MPa·s)，此时的操作压力可相应
增大些。
3) 微孔过滤膜（ MF)
? 微滤使用的滤膜孔径最大，适用于分离
直径为 2× 105—500× 105nm的大分子物质
? 一般微滤的操作压力为 0.15-0.2MPa,反
渗透分离的溶质一般是一些小分子和离
子，溶液的渗透压较大，而且随着浓度
的增加，渗透压会逐渐加大，它的实际
操作压力需克服溶液的渗透压
各种分离技术分离 3 7 8 4 L
( 1 0 0 0 加仑 ) 水所需的费用
┌─────────┬─────────┐
│ 分 离 技 术│ 所需费用／美元│
├─────────┼─────────┤
│ 反渗透、超滤 │ O, 2 — 5 │
│ 滚筒干燥 │ 2 5 │
│ 真空蒸发 │ O, 4 — l 5 │
│ 冷冻干燥 │ 2 0 0 — 3 0 0 │
│ 冷冻浓缩 │ 0, 4 5 - - 4 5 │
│ 分级沉析 │ 5 0 0 0 │
│ 透 析 │ 6 4 0 — 1 0 0 0 │
│ 凝胶过滤 │ 2 0 0 - - 4 0 0 │
│ 离心分离 │ 0, 3 — 1 0 │
│ 电渗析 │ O, 2 — 5 │
└─────────┴─────────┘
各种分离技术分离 3784L(1000加仑 )水所需的费用
。
┌─────────┬─────────┐
│ 分 离 技 术 │ 所需费用／美元 │
├─────────┼─────────┤
│ 反渗透、超滤 │ O.2—5 │
│ 滚筒干燥 │ 25 │
│ 真空蒸发 │ O.4—l 5 │
│ 冷冻干燥 │ 200—300 │
│ 冷冻浓缩 │ 0.45--45 │
│ 分级沉析 │ 5000 │
│ 透 析 │ 640—1000 │
│ 凝胶过滤 │ 200--400 │
│ 离心分离 │ 0.3—10 │
│ 电渗析 │ O.2—5 │
└─────────┴─────────┘
1 板式膜组件
板式膜组件的特点
? (1)板式膜组件的制造, 组装比较简单, 易于
进行膜的更换, 清洗和维护, 更换膜费用也少 。
由于组装简单并较坚固, 所以受压力变动的影
响不大, 工作的可靠性也高 。
? (2)板式膜组件主要是由膜, 原液流道和透过
液流道相互交替重叠压紧而成的, 体积比较紧
凑 。 当处理量增大时, 可以只简单地增加膜的
层数 。 另外在同一设备里可视装不同数量的膜,
即可作为生产的装置, 也可在同一设备上进行
实验 。
(3)原液流道截面积较大，原液中即使含有一些杂质和
异物也不易堵塞流道，所以适用广，对预处理的要求较低
。也可将原液流道隔板设计成各种凹凸波纹的形状以利于
液体湍流，这对于超滤组件是极为重要的。同时，板式组
件的压力损失小，原液的流速也 (可达 1—5m／ s)。
(4)板式膜组件对膜的机械强度要求比较高。因为膜的
面积比较大 (可大到 0.4m2)．以没有足够的机械强度就很
难安装和更换。装置越大，对零部件的加工精度要求越高
，成本也越大。
(5)板式膜组件的流程较短，原液流道的截面积又较
大，故单程的回收率低。为了达定的浓缩要求。就需要增
加循环量和循环次数，这就要求泵的容量大，能耗于是相
应增加,操作时易引起温度的上升。但板式膜的阻力损失
较小，可以进行多段操作以增大回收率
2 管式膜组件
? 原液流道大，可处
理悬浮颗粒和溶解
性的物料。
? 易清洗 ------化学机
械
? 装填密度低 --33-
330m2/m3
? 防渗漏管外有覆盖
与支撑，增加费用
管式膜渗透装置
3 卷式膜组件
卷式膜组件的特点
? 1)单位体积中膜的表面积比率大 。
? 2)压力导管的设计简单, 安装和更换容易,
结构紧密, 投资和运行费用较低 。
? 3)料液的流动线路短, 不适宜用以处理含
悬浮颗粒的料液, 对料液的前处理要求高,
再循环较困难 。
膜分离不同于一般的过滤。在膜分离过程中液体
的流动方向垂直于过滤介质；而被分离的溶质则
与膜面平行流动，这种流动称为横向流动。横向
流动的优点就在于它可以减轻膜表面的浓差极化
和胶凝 (即表面污染 )。当溶质在膜面的流速达到
2m／ s时，就会产生湍流而起 到清洗膜面的作用
，使分离过程中水通量的衰减变得缓慢,
主要优点有以下几个方面。
? 1,有利于食品成分的保存
? 膜分离过程在常温下进行, 特别适用于
热敏性物质的处理, 如果汁, 酶等的分离,
分级, 浓缩和富集 。 食品原料经过膜处理
后, 色泽, 香气和风味均无变化, 营养物
质损失也极少 。 此外, 膜分离过程一般是
在闭合的回路中运转, 减少了氧气对食品
成分的氧化作用 。
?
2．能耗少，费用低
膜分离过程中，只需给泵提供一定的能量，
在一定压力下，被分离的物质只需移动不到 1μm
的距离就可以进行分离、提纯、浓缩，能耗少。
因此，膜分离技术又称为省能技术。采用膜分离
技术还可以大大节省操作费用。
3,工艺简单、产量高
膜分离将物料加压输送和反复循环，容易控
制。装置亦十分简单，操作容易，占地面积小，
易于维修
│
4。分离范围广
与抽提法、吸附法等相比较，膜分离法在不发
生相变化和不使用第三种化学成分的情况,就可
将相对分子质量不同的物质分离开，适用于有机物
和无机物，并从病毒、细菌到微生物有着广泛的分
离范围。膜分离法还适用于许多特殊溶液体系的分
离，如对溶液中分子和无机盐的分离、一些共沸物
或近沸点物系的分离。在食品加工中，某些发酵液
往往含有许多悬浮成分，用离心分离或预涂层过滤
器等分离，难以得到澄清液，采用膜分离技术就可
以得到。高澄清度的分离液。食品加工废液中微量
成分的回收和低浓度食品溶液的浓缩等，只有采用
膜分 离技术才能实现，其中最典型的就是乳品工业
中乳清蛋白的回收。
三 离心分离机
1。 悬浮液及乳浊液在离心力场中的分离特性
悬浮液 是由液体和悬浮其中颗粒组成的系统 。 固
体颗粒是由许多单个颗粒及聚集在一起的颗粒团
组成的混合体 。 采用离心分离的方法分离悬浮液
时, 大于极限粒径 d0。 的颗粒在离心力的作用下
克服沉降阻力而沉降至鼓壁, 小于 d0。 的颗粒仍
悬浮在液体里 。 值得注意的是, 在离心力场中,
悬浮液的固体颗粒更倾向于凝聚, 能使许多小的
微粒凝聚在一起变成大颗粒或颗粒团而沉降 。 这
种效应 ‘ 称为离心絮凝效应, 它对于固体物料脱
水和液体的沉清极为有利 。 。
颗粒特性 —般系指颗粒,群中颗粒的主要物理性
质，包括颗粒的大小、粒度分布、形状、密度、
表面性质等。它和液体的主要性质 (密度、粘度 )
以及悬浮掖的浓度和状态等，对颗粒的沉降速颖
度、滤渣的渗透率等均有较大的影响。
乳浊液 是由液体和悬浮于其中的一种或数种其
他液体所组成的系统，其中至少有一种液体是以
液珠的形式，均匀地分散于一个不和它互溶的液
体之中乳浊液的稳定性低,当悬浮液珠达一定的
大小时 (临界的大小约等于 0,4— 0,5μm)，组成
它的两相会较快地分层 。乳浊液的物理性质主要
是指液珠 的大小及其分布、浓度、粘度、布朗运
动及电现象等
2 离心力场中颗粒在流体中的运动情况
? 假定离心机转鼓内液体自由面为圆柱面, 即
重力影响忽略不计, 颗粒被加速的时间忽略不计,
颗粒在液体中的运动服从斯托克斯公式, 由此,
距中心轴为 r处的颗粒沉降速度 。
V= )/(
9
)(2
21
2
scm
gr
?
?? ?
分类
? (1)按分离因数 F,的大小可分为常速离
心机, 高速离心机及超高速离心机 。
? 常速离心机,Fr＜ 3000,主要用于
分离题粒不大的悬浮液和物料的脱水；
? 高速离心机,3000＜ Fr＜ 50000,主
要用于分离乳浊掖和细粒悬浮液；
? 超高速离心机, Fr＞ 50000,主要用
于分离极不易分离的超微细粒悬浮液和
高分子胶体悬浮液 。
?
(2)按操作原理 的不同可分为过滤离心机、沉降
离心机及分离离心机。
过滤离心机,转鼓壁上有孔，借离心力实现
过滤分离，分离因数不大，适用于易过滤的晶体
悬浮液和较大颗粒悬浮液的分离以及物料的脱水
沉降离心机,鼓壁上无孔，借离心力实现沉
降分离；
分离离心机,鼓壁上无孔，分离因数在 3000
以上，主要用于乳浊液的分离和悬浮液的增浓或
澄清。
(3)按操作方式 的不同可分为间歇式离心机
和连续式离心机。
1 过滤分离机
2 沉淀分离机
3 分离分离机
? V一沉降速度 (cm／ s)
? g—重力加速度 (cm／ s2)
? μ—介质粘度 (0,1Pa.s或
g／ cm.s)
? r—脂肪球的半径 (cm)
? ρ1—分散介质脱脂乳密度
(g／ cm3)
? ρ2—颗粒脂肪球密度 (g
／ cm2)
? 牛奶中各种成分 (脂肪, 脱脂
乳, 杂质 )的比重不同, 脂肪
比重 0.93,脱脂乳 1.035。 在
容器内经一定时间, 由于沉降
速度不同, 可分成三种组分；
上面最轻的为稀奶油, 中层为
脱脂乳, 最下层为固体杂质 。
? 鲜奶中三组分在普通沉降
槽内分层, 这一自然分层作用,
可按斯托克定律, 用下式求出
质点的沉降速度 。
V= )/(
9
)(2 212
scm
gr
?
?? ?
? 由上式可知，沉降速
度 V与 g,r,(ρ1-ρ2)成
正比，与 μ 成反比。增
大 g,r,ρ1 是不可能
的，减小 ρ2 和 μ 的作
用不大，如用离心力代
替重力便可提高沉降速
度，达到连续快速分离
的目的。
牛奶由中央管进入经过盘片的孔上升，在各片间分配成
薄层。由于分离钵体高速旋转，牛奶受很大的离心力，
使脂肪球向着与离心力相反的方向, 上浮,,最大的脂
肪球有最大的上浮速度，所以立即沿盘托集中上升，中
等和细微的脂肪球和牛奶流一起进入和各分离盘片之间
隙在分离盘片之间的脂肪球, 有两
个速度,Vo一牛奶流速度,Va一
由于离心力而产生的脂肪球的上
浮速度, 故脂肪球有一合速度 Vc。
随牛奶流向外流动, Vn逐渐减小
(因断面增大 ),而 Va则逐渐增大
(离心力大 ),因此脂肪球的运动路
线为图示曲线, 聚集在每一分离
盘上表面上, 形成乳脂层 。 因比
重小, 沿盘表面上升, 形成与牛
奶流向相反的乳脂流, 由颈部稀
奶油排出孔排出 。 脱脂乳在盘片
间空隙被离心力甩向外围上升,
由脱脂乳排出孔流出
? ω---角速度 (rad/s)
? n—转鼓速度 (r／ s)
? R—旋转半径 (cm)
? 将 a代入斯托克沉降公式中, 用离心加速度 a代替重
力加速度 g,其离心分离速度为：
?
根据离心加速度计算公式：
)/()2( 222 scmnRR ??? ??
V=
?
??
?
2122
)2(
9
2 ?
Rrn
= 8, 7 6 R n
2
r
2
?
??
21
?
? 牛奶中非脂肪物质的密度 ρ1。 脂肪球体
的密度 ρ2以及介质的粘度 都随牛奶温度
的改变而改变 。 根据已知的资料可知,
当牛奶温度在 10—70度之间时, 存在下列
关系：
? t— 牛奶温度 (℃ )
?
? ?
??
21
?
=2, 9 t
将上式代入分离速度公式，得：
trRnV 224.25?
? 由上式可看出：离心分离速度决定于转鼓半径
(直径 )R,转速 n,脂肪球半径 r和牛奶的温度 t。
离心加速度与重力加速度之比值，称为分离因
素 f，是离心分离机重要特性之一。它是衡量离心
分离机能力大小的无因次参数。分离因素越大，
离心力越大，分离效果也越好。
f= Rn
g
nR
g
R
g
04.0
)2( 22
???
???
牛奶分离机
? 牛奶分离机 专用牛奶中脂肪和脱胎乳的分
离，要求牛奶在分离时有一定的温度 (35—
40℃ )，使分离出的稀奶油和脱脂乳有一定
含脂率。结构特点：
分离片上均有 3— 4个孔，牛奶由这些孔进入各分离片间
而被分离：碟片之顶角一般为 60--80；两片间之距离为
0,4— 0,8mm，因此每片上均固定一定厚度之凸缘
(0,5mm)；碟片用 0,8mm厚不锈钢板冲压或压制而成。
成型后厚度为 0,5mm。
? 分离片上孔开在稀奶
油和脱脂乳分界面上,
分界面的半径 Ro与
轻 （ 稀奶油 ） 重脱脂
乳组分之容积比例有
关 。
分界面半径 Ro可由下式确定：
R 0 =
?
?
?
?
1
m i n
2
m a x
2 RR
? 式中：
? Ro—分界面半径, 即转轴中心与碟片孔中心之距
离 (cm)
? Rmax—碟片最大半径 (cm)
? Rmin—碟片最小半径 (cm)
? φ—稀奶油与脱脂乳的容积比, 通常 ＝ 0,04
净乳机
? 净乳机 工作原理与牛奶分离机相同, 仅结构有所
不同 。 净乳机的碟片上不开小孔 (图 2—31)；碟片间
距离较大；分离钵沉积容积大；有自动和手动排渣
装置 。
? 。
?
? 正常操作时，排污孔由进来的牛奶使分离底盘向上顶起而
关闭；当沉积的液渣达一定量时，停止进料，解除了对底
盘的压力，降下分离钵底盘，便自动打开排渣孔。因机器
仍在旋转，由于离心力作用，沉渣自动排出
(三 )分离机生产能力计算
在理论上，可从流体粒子在分离机二碟片之间的流动情况，
应用微积分的演算，便可推导出理论生产能力公式：
? G—离心分离机最大生产能力 (L／ h)
? n—每钞钟转速 (r／ s)
? z—碟片数
? α—碟片之仰角 (一般取 50—60度 )
? r2--碟片最大半径 (cm)
? r1—碟片最小半径 (cm)
? d—脂肪球直径 (cm)
? t—牛奶分离时之温度 (℃ )
? η—分离效率, 一般取 η＝ 0,5—0,7
?
?
G = ? 4, 8 n 2 Z t a n a ( tdrr 23132 )?
经验公式
G= )/()
1 0 0 0 0
(
10
2 hLnVZ?
(四 )影响生产能力的因素
由生产能力计算公式：
G = ? 4, 8 n 2 Z t a n a ( tdrr 23132 )?
? (1)转速 n
? 提高分离机转速 n,生产能力也就提高 。 但设
计时, 由于受机械结构及材料强度等限制不能无
限提高转速 。
? (2)脂肪球直径 d
? 脂肪球直径 d越大，分离效果也就越好。设计
时应考虑到能将牛奶中较小的脂肪球分离出来，
通常应能分离出最小脂肪球直径 d=1,0— 1,3μ
m，脱脂乳中含脂率为 0,01— 0,02％。
(3)碟片半径大小
碟片下半径大 (最大半径 )，上半径小 (最小半
径 )，则其分离效果也越大，但又必须考虑到机械
的结构、仰角、碟片高度与平均半径之比值，其
比值有一定的范围：
cpr
H
7.045.0
2
21
???
?
?
rr
H
? 式中：
? H—碟片高度 (cm)
? rcp—平均半径 (cm)
? r1—碟片最小半径 (cm)
? r2—碟片最大半径 (cm)
? (4)碟片仰角 α大小
? 仰角 α值, 在理论上越大越好 。 但它受半径限制,
同时又与料液的粘度和料液与碟片表面之间的摩
擦有一定关系 。 仰角 α 大, 粘度大时, 不易流动,
故不能无限增大, 一般取 50—60度 。
? (5)牛奶分离前予热温度大小
? 牛奶分离前予热, 使分散介质 (脱脂乳 )和脂肪球
密度差大, 乳的粘度降低, 可提高分离效果, 一
般应在 35—40℃ 。 全封闭离心机, 有时可达到 50
度 。 但不能再高, 否则会引起蛋白质凝固, 反而
影响质量 。
