气体鼓泡对菠萝酒微滤澄清的影响

气体鼓泡对菠萝酒微滤澄清的影响 Wirote Youravong a,b,*, Zhenyu Li b, Aporn Laorko a,b a Department of Food Technology, Faculty of Agro-Industry, Prince of Songkla University, Hat Yai 90112, Thailand b Membrane Science and Technology Research Center, Prince of Songkla University, Hat Yai 90112, Thailand 摘要 管状陶瓷膜微滤操作常用于菠萝酒的澄清处理，操作过程中控制膜孔径0.2um，膜压差2bar，横向流速2.0m/s。人们对气体鼓泡对渗透通量、污垢和澄清酒的质量的影响已有研究。研究发现一个相对较低的气体鼓泡率可以增加渗透通量高达138%。同未气体鼓泡的相比，进一步提高气体的喷射速率没有改善渗透通量。气体喷射影响滤饼层的密度,增加气体喷射率导致在特定的滤饼阻力增加。据观察，气体喷射速度增加可以减少可逆的的污染而不是不可逆污染。经过微滤操作，菠萝酒的浊度得以降低，得到清晰而又明亮的产品。气体喷射的负面影响造成酒中的酒精含量损失也同样也可以观察得到。 1. 介绍 几乎所有的酿酒师有一个愿望，希望他们的葡萄酒从外观上就足够吸引人，葡萄酒需要清除所有可能由残留的颗粒状物引起的浑浊。一些方法已被常规应用于葡萄酒的澄清，如分离(将酒从发酵或老化容器的底部沉积物中分离出来)，澄清(导入澄清剂，如蛋清、明胶)(Sims等人，1995年)和过滤(让酒通过纱布或硅藻土)(Ruediger等人，2004)。最近，膜过滤，尤其是微滤被广泛采用在酿酒过程中，主要 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现为澄清和微生物稳定(称为冷杀菌)技术。膜法澄清优势如下: 减少澄清时间，澄清过程的简化;澄清果汁的量增加，在室温下操作的可能性和保存果汁的新鲜度，香气和营养价值，在作为最终产品的质量的改进，通过清除外部物质和在生产过程中的改进(卡萨诺等人，2003;萨等人，2003)。微滤已经作为一个澄清的方法在处理普通红葡萄酒(Urkiaga等人，2002)，白葡萄酒(贡萨尔维斯等人，2001年)，雪利酒(帕拉西奥斯和佩雷斯，2002年)和CAJA(Spondias mombin L.)葡萄酒(SEVERO等人，2007年)。 据报道，葡萄酒在大多数澄清工艺采用膜过滤，微滤膜孔径为0.1和0.2微米(Urkiaga等人，2002年)。其他微滤过程类似，主要的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 在于浓差极化和膜污染所引起膜通量的减少。大家都知道胶体颗粒、微生物和大分子，特别是多糖和多酚类化合物是导致葡萄酒产生浑浊的重要混合物(贝氏等人，1990;贡萨尔维斯等人，2001; Vernhet 和Moutounet，2002年)。许多方法如vortex promoter(丁等人，2002)，backpulsing(马等人，2001)和临界通量操作(Li等人，2008)在减少污垢和提高膜的过滤过程的作用都已被分析。与其他方法相比，气体喷射法已被证明是一个简单的和低成本的方法，通过将气体引入到一个模块中，促进膜表面的局部混合来减少膜污染。此外，气体喷射对膜构成较少风险，同时气泡从整个反应物料中容易分离(崔神庙中，2003年)。 另一方面，泰国的菠萝业自1967年的第一个菠萝罐头厂成立至今，一直稳步增长。目前，泰国是主要的菠萝生产国和出口国之一。在过去的三十年中，泰国的菠萝生产约每年200万吨(Anupunt等， 2000)。除了直接食用新鲜菠萝外，常见的菠萝产品还包括:菠萝罐头，浓缩果汁和干菠萝条。近年来，作为菠萝附加值产品，菠萝酒由于它诱人的风味，正变得越来越受欢迎。菠萝酒是一种以菠萝汁为原料不用标年份的酒，生产和酿造方式和葡萄酒相似。菠萝果酒生产过程中的主要步骤包括剥皮，榨汁，发酵，澄清，装瓶和成熟。膜过滤处理在菠萝酒澄清和冷杀菌上的应用将会成为一种趋势。然而，关于膜处理在菠萝酒中的应用的报道却很少。本研究的目的是检测微滤处理对菠萝酒澄清的性能和气体喷射对工艺性能的效果。 2. 材料和方法 2.1制备菠萝酒 新鲜的菠萝酒在我们的生物工艺实验室制备，以菠萝汁为原料，再用酿酒酵母发酵，在室温25到28?的环境中发酵6个月，这样在过滤之前大于50um的颗粒就会沉降下来。通过激光粒度分析仪(LS230，Beckman Coulter公司，USA)可以检测分布在菠萝酒中的颗粒大小。最小粒径为约1.0微米，颗粒尺寸范围从1.0至大约70微米。 酸度(柠檬酸的百分比)，颜色，酒精含量(,)和糖(,) 由AOAC(1999)的方法测定。粘度由U型管粘度计 (Kapillarviskosimeter50904，肖特，德国)在20?下测定。由pH 计(PB-20，德国赛多利斯)测定其pH。浊度通过分光光度计 (Youravong等人，2005年)以340nm的波长处测定其吸光度。 2.2微滤和气体喷射的设置 用于微滤的膜是一个单一的通道的管状陶瓷膜的孔径大小为0.2微米，长度为40厘米，内径为6mm，外径为10毫米，有效面积为75平方厘米(江苏Jiuwu高科技股份有限公司(中国)有限公司)。膜材料和辅助材料为氧化铝。压力换能器(MBS3000，丹佛斯，丹麦)，用于检测膜的入口和出口处的压力和渗透。横流的速度由进料泵(PROCON814V230，Millipore公司，美国)控制。进料泵与截留阀相结合，由数字流量计(Magflo5000，丹佛斯，丹麦)测量。根据先前的研究中，在实验室中使用相同的系统，通过固定液体的横流的速度为2.0米/秒和固定跨膜2巴的压力可使微滤过程中浓差极化的影响达到最小，并达到一个相对高的通量。微滤过程全循环模式下运行2小时。进料供给的管腔一侧的膜。滞留物和渗透物被再循环到一个不锈钢进料罐(最大容量为10升)，以维持一个恒定的进料量。微滤过程的渗透不断采用数字平衡(GF-3000，日本A,D)收集和称重。所有的过滤过程在室温下进行(25?1?)。气体喷射技术的应用是为了提高膜通量,压缩氮气通过一个Y管状件的进料管的入口注入,气体流速的控制和测量是由一个结合有压力表(2419-2C-P，CKD，日本)的气体流量计(RMB-53D-SSV，德威尔，美国)来控制的,气 - 液双流动模式取决于气体注入因子(r)，等同于Ug/(Ug + Ul). Ug和U1分别是表面的气体和液体的流量或流速，双重流模式的变化从泡沫流(0 < r < 0.2)弹状流(0.2 < r < 0.9)到环状流(0.9 < r < 1.0)(Psoch 和Schiewer,2005)。气体流速可从0变换到1.1 m / s，以满足本实验R(0-0.35)的要求。 通量和积垢阻力测定实验做三组平行实验，每一组实验误差小于5,，得到三个不同的样品，收集并分析每个样品菠萝酒的特性。 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 偏差的分析于表1。 2.3膜污染模型 一般来说，微滤过程可以被描述达西法“(公式(1)): J- ?P,uR ……………………………………… (1) tol J是体积流量，?P膜压差，u是进料流体粘度，R是总的水阻力。 tol 在实践中，所有结垢现象，例如表面吸附，孔阻塞和滤饼层的形成可能都是在膜过滤过程中同时发生的。因为进料组合，操做条件以及膜特性都是相当复杂的。然而一个或多个污染机理在特定的膜过滤过程或者不同的阶段可能是占主导地位的。过滤颗粒物时，膜通量损失采用三种不同的模式:浓差极化，孔堵塞以及滤饼的形成，微滤的主要限制在于由膜表面形成滤饼层对膜造成的污染。滤饼过滤模型被认为是膜污染的研究模型。 在这个模型中的过滤时间和渗透量可以与由方程2表示: 2t/V-uca/A?P×V/2+uR/A?P ……………………………(2) m V为渗透容积(m3); t为过滤时间(s);c是滤饼每单位体积滤液沉积的颗粒质量(kg/m3)，a是特定的滤饼阻力(米/千克); A是的有效膜面积(m2); Rm是膜电阻。 根据上式(2)，滤饼过滤常数Kc引入滤饼过滤模型。它是一个特定的滤饼阻力函数由方程(3)给出: 2K-uca/ A?P ……………………………………………(3) c 结垢机制滤饼层的关系可由实验数据拟合到式(2)得到。t/V和V之间的线性关系表示阶段滤饼层是微滤膜过滤过程的主导污垢。线性线的斜率和滤饼特性有关。 2.4阻力分析 菠萝酒微滤2小时后，总的阻力可由公式1求得，总阻力包括膜阻力(R)，可逆污垢(R)和不可逆污垢(R)。总阻力是三个总和，mrfif R通过测量去离子水通过干净的膜压差为2巴的滤膜10分钟得到。通m 过微滤膜后，污染的膜被去离子水清洗了，以每秒2.0m/s的速度横流10分钟可以消除R，R通过计算冲洗膜的去离子水流量得到，膜rfif 压差2巴，冲洗10分钟。 3结果与讨论 3.1 气体鼓泡对流量的影响 气体鼓泡搅拌被认为是一种减少浓差极化简单的和有前途的方法，同时也可能减少膜表面的污染。结果表明气体鼓泡能够提高渗透流量。两个小时之后，我们观察到在不同的流量之后，形成了一个稳定的流量。整个微量过滤过程能够分为两个阶段:下降的流量阶段和稳定的流量阶段。起初，流量的下降主要是归因于浓度的两极分化，溶质的吸收以及气孔的压缩或者是这些因素相结合的原因。稳定的流量阶段主要是滤饼层的形成的影响。R从0到0.15的波动能把稳定的流量增加到138%。这可能是因为泡沫引发了第二次的流动从而促进了局部的混合(或者是涡流)。泡沫的引入使壁面剪切应力的增加能减少溶质和膜表层分子的积累(例如浓差极化和滤饼层)。结果， 流量增强了。除此之外，在气体鼓泡膜过滤机制上的增强大部分是依赖于泡沫的存在而引起的流量逆向的结果。逆转的流量是在泡沫向膜传递物质的过程中出现的。流量逆向的影响能够提高流动性，它们是通过减少平均的转化边界层的厚度来实现这一点的。然而，对于受到控制的气体鼓泡膜过滤这一步骤而言，我们发现需要在渗透流量上有实质提高的气体流动率是很小的。相对较低的气体注射率已经成功的限制了溶质在膜表面的积累，更高的气体注射率给进一步的提高留下了很小的空间。因此，R的进一步提高在这项研究中并没有显示出对提高流量有任何帮助。实际上，所获得的流量从0.25r到0.35r的比没有气体鼓泡的还低。r的增加得到稳定流量的衰退能够解释为是受溶剂聚集运输和溶质聚集运输的影响。气体引起的在流动渠道的泡沫能够增加湍动，从而导致流量的提高。然而，过度注入的气体能够减少有效的膜区域，这一减少是通过把液体替换成泡沫从而与膜表面取得联系;因此，较少的溶剂穿过膜表面。另一方面，气体鼓泡对渗透流消极的影响主要是因为由气泡引起的污垢的变化。我们假设由高气体注入引起的壁面剪切应力的增加能减少滤饼层的厚度和孔隙，这一减少是通过优先把大量的粒子从膜表面转移出来，同时允许更小的粒子接近膜这一过程实现的，之后能形成一个更薄的污染层但更紧密的组合在一起。 3.2气体鼓泡对滤饼层的影响 一般说来，如果流量损失率是缓慢的、平稳的，那么起主导作用的污染机制就是在过滤后期的滤饼层过滤。在这项研究中，这个缓慢 的、平稳的流量损失率在许多操作情景上得到观察。我们能看到在t/V和V中牢固的线性联系。在微量过滤过程的结尾，所有的数据都实用于滤饼过滤模式，这一模式有确定的线性回归系数。气体鼓泡表 33明了K的影响。例如，K为2.0×10时r为0和K为8.0×10时rccc 为0.35。K越高意味着滤饼层越密集，即特殊的滤饼阻力增加了，或c 者是有效膜面积减少了。气体注入可能会造成膜表面形成更紧密的溶质层。过滤层越紧密，K越高。在亚微米物质横流式的微量过滤中，c 搜寻式的电子显微镜分析阐明了空气气泡的存在，气泡使得过滤物成为了一个更紧凑的结构同时增加了特殊的过滤阻力。 3.3 气体鼓泡对渗透阻力的影响 Fig.4表明了气体鼓泡在微量过滤菠萝酒这一过程中对标准化的阻力的影响。我们能够观察到伴随着R的减少，r在不断地增加。反rf 向阻力的减少表明浓差极化减少了。一般说来，逆向的污染(比如浓差极化或者宽松的层次都是由溶质在膜表面的积累造成的)对水力情况是敏感的，可以通过水动力技术减少甚至消除。泡沫引起的第二次的流动减少了浓差极化和溶质在膜表面的积累，但是却提高了局部的混合和湍流，同时也增加了边界层集中运输的系数。因此，可逆污染可以通过气体鼓泡来减少。另一方面，我们也可以证明气体鼓泡在流量减少是受可逆污染(例如浓差极化)主导比流量减少是受不可逆转污染(例如滤饼层或胶体层，气孔堵塞)中更有效。因此，与没有气体鼓泡相比，0.15r并不能有效的减少R。然而，当0.25r或者0.35rif 被运用的时候，R就增加了。正如以上所提到的那样，R的增加是ifif 因为滤饼层由于更高的r所引起的变化。当具有更高的r的时候，滤饼层能变得更紧实和紧凑，也很难被水流移除。在这项研究中，这个经验是经过一个相对较短的时间，大约两小时形成的。经过更长时间的操作后，不可逆污染出现了，甚至取代了所有污染的形式，否定了气体鼓泡的影响。在进一步的研究中，实验将要持续24小时完成一次清洗周期，这样才会对工业生产更有价值。 3.4 微量过滤对菠萝酒性能的影响 在微量过滤之后，菠萝酒恢复到了一种带有亮黄色清澈的液体的状态。它的浊度和粘度都降低了，但是其他一些酒的特性并没有改变。应该提到的是气体鼓泡会造成酒中乙醇的减少。当伴有更高的r的时候，乙醇的消失就更剧烈。尽管气体鼓泡没有被采用，我们仍然能发现一小部分乙醇的消失。这可能是由于操作模式的运用而引起的。整个循环模式被采用了，因此这个系统中，滞留物和渗透物都在循环流动。乙醇的减少可能是因为在整个操纵过程中蒸发了。气体的注入促进了搅拌和涡流，从而提高了乙醇的蒸发。在工业生产中，渗透物作为产品会被分离出来而不是连续不断的参与循环。除此之外，在更低温度下，这项操作能得到控制，通过冷却水系统和降低气体注入因素实现的。我们希望在工业生产中，乙醇的丢失能够减少甚至是避免。 4结论 微滤操做用于菠萝酒的澄清可使产品达到较好的质量，酒中的悬浮颗粒可以被完全去除，气体鼓泡可提高通透流量。低气体喷 射因子可以提高通透流量但是这一值升高时却无任何益处。这一值为0.15时效果最佳，可提高138%。提高这一值有降低可逆污染的趋势，但对降低不可逆污染无效。同时，气体喷射对形成膜表面滤饼层的污垢有影响。滤饼层的密度随气体喷射因子的增大而增大。乙醇的丢失也同样在实验中被观察到。但是，在工业生产中可以通过改变模式后者降低操做温度来减少它的丢失甚至是避免丢失。