《高等分离过程》课程中工程案例分析

李雪琴，张海洋，白兰莉

（石河子大学，化学化工学院 新疆 石河子 832003）

1 引言

案例教学法作为一种新型的教学方法已受到了越来越多的教师关注[1-5]。《高等分离过程》是化工类学生一门重要的专业课程。其课程的主要内容是研究工业过程中物质分离与纯化的工程技术学科。当物质以混合物的形式存在，需要从中获取有价值的一种或几种产品时，就需要对此混合物进行分离。分离技术已广泛的应用与化工、医药、食品、材料等领域。常见的分离技术有膜分离、精馏、吸收、吸附、萃取、薄层色谱等。其中膜分离作为一种新型的分离技术，已引起了越来越多的研究者关注[6-8]。本文选用膜分离技术中的超滤膜工艺作为典型工程案例进行分析，为案例教学法的实施提供相关参考，并帮助学生建立化工工程的系统观念。

2 工程案例概述

膜分离技术最核心的部分是膜。膜是具有选择性分离功能的材料，利用膜的选择性分离可实现不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。根据其过程可分为：微滤、超滤、纳滤、反渗透等。其中超滤是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜孔径在0.05微米至1纳米之间。超滤是一种能够将溶液进行纯化、分离、浓缩的膜分离技术，其分离机理通常为筛分机理。

为方便学生理解，选择苹果酒超滤工艺作为典型的工程案例进行分析[9]，让学生结合实际的工程案例，锻炼学生的分析能力和实践能力。

案例背景：我国是世界上最大的苹果生产国和消费国，目前，对于苹果的深加工问题一直是关注的热点。将苹果加工成苹果酒具有比较成熟的工艺，但是在加工工程中需要保证其具有良好的澄清度。但是，在苹果酒酿造和贮存过程中易产生沉淀，导致苹果酒浑浊，其浑浊的原因一方面是由于微生物对苹果酒中组分的代谢作用破坏了苹果酒中的胶体平衡状态导致产生了浑浊或沉淀；另一方面是由于苹果酒发酵后产生的多糖类、果胶、鞣质、蛋白质等不同分子大小的差异性导致这些分子以胶体状态存在，当环境温度降低时，这些成分的溶解度下降会使苹果酒变得浑浊。因此，开发高效的澄清工艺对苹果酒品质的提高具有重要的意义。超滤技术作为一种新型的澄清方法具有分离效率高、能耗低、绿色、环保等优点。

案例简介：苹果酒的生产工艺为：新鲜苹果→筛选→清洗→破碎榨汁→果汁澄清→低温发酵→原酒→离心→澄清处理→调配→检验→灌装→杀菌→成品。其中，苹果酒澄清的工艺的澄清方法主要包括自然澄清法、澄清剂澄清法、超滤技术、多种方法联用技术等。自然澄清法需长时间将苹果酒保持静止状态，使悬浮物沉淀，本方法的缺点是耗时厂、酒稳定性差，目前此方法使用较少。澄清剂澄清法主要是选用合适的澄清剂，如硅藻土、交联聚乙烯吡咯烷酮、壳聚糖、皂土、明胶溶液等，本方法目前应用较多，但需筛选出合适的澄清剂。最近，超滤膜分离技术，该技术以压力差为推动力，应用超滤膜作为过滤介质，已广泛的应用到果汁澄清的工艺中，超滤膜分离技术可去除果蔬汁中的果胶、淀粉、蛋白质、微生物和色素等杂质，此方法具有效率高、能耗低、操作条件温和、环保、绿色、操作简便、有效成分损失少等优点，在果蔬汁澄清应用领域显示出较好的应用前景。综上分析可知，本工艺澄清方法选择超滤膜分离技术，采用该方法将除去大分子物质和微生物，能有效澄清苹果酒，并可以截留大量有效成分。此外，在超滤澄清苹果酒的过程中，考察了不同操作条件对膜分离性能的影响。

案例问题分析：超滤膜分离技术应用在苹果酒澄清工艺过程中，面临的主要问题是膜渗透通量的大幅降低，因此，如何优化操作条件保证膜具有较高的通量是超滤膜分离技术应用的关键。

案例问题讨论：超滤工艺用于苹果酒澄清过程中，影响其渗透通量的因素有：料液浓度、料液流速、料液比、操作时间、操作压力、操作温度等，要确定出哪些参数是影响超滤膜通量的关键因素，且还要注意各个因素之间的关联性。

案例问题解决方法：采用通径分析可研究超滤膜分离技术用于苹果酒澄清工艺过程中各个操作条件对膜通量的影响，通过方差和决定性分析可获得各操作参数对膜通量影响程度的大小，通过此法可确定最佳实验操作条件。

案例结论：运用通径分析法，考察了各操作参数对超滤膜通量的影响，确定了影响膜通量的关键因素主要为操作压力、操作温度和进料流速，且各操作条件对膜通量影响程度大小顺序为：操作压力＞进料流速＞操作温度。通过对超滤膜分离工艺进行优化，经超滤膜处理的苹果酒，苹果酒透光率达98.7%，苹果酒产品呈现澄清样。对于影响苹果酒澄清的杂质如蛋白、多酚含量明显降低，另外，对于苹果酒内的有效成分大部分都截留了下来，苹果酒的糖度、酒精度和酸度经过超滤工艺处理后变化不大。

3 结语

利用案例教学法进行《高等分离过程》课程讲解，将会激发学生的学习兴趣，使学生对这门课程的相关知识掌握的更加全面和透彻。本文选用超滤膜工艺作为典型工程案例进行分析，为案例教学法的实施提供相关参考。此外，案例教学方法的实施将有利于培养学生们的自学能力、处理问题的能力、分析问题的能力、解决问题的能力和创新能力。

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