超滤与反渗透一样,也是以压力差为推动力的液相膜分离过程.但二者分离溶质分子大小不同,通常认为溶质分子量高于500d的,相应孔径大小为20×10-10m～1000×10-10m的分离过程为超滤。
1.
超滤膜分离原理
一般认为超滤是种筛孔分离过程。如图1.所示，在静压差为推动力的作用下，原料液中溶剂和小的溶质粒子从高压的料液侧透过膜到低压侧，大粒子组分被膜阻拦，使它们在滤料液中浓度增大。按照这样的分离机理，超滤膜具有选择性表面层的主要因素是形成具有一定大小和形状的孔，聚合物膜的化学性质对膜的分离特性影响不大；因此可以用细空模型表示超滤的传递过程。但也有学者认为除了膜孔结构外，膜表面的化学性质也是影响超滤分离的主要因素，并认为反渗透理论可以作为研究超滤的基础。
图1.超滤原理示意图
2.
超滤过程的基本特性
超滤过程的特性一般用膜的透过速率和溶质洗除率两个参数表示
2.1
透过速率
指单位时间透过单位膜面积的溶液量。纯水的透过速率随压力增大而增大，高分子溶液的透过速率并不随压力的增大而增大。当透过速率达到一定值后就与压力大小无关，此时的透过速率称为临界透过速率，其值随着料液浓度的增加而减小。
2.2
溶质脱除率
溶质洗除率可以用下式表示：
Rabs=1－
Cp/Cb
式中Rabs:表观脱除率 ； Cp、Cb：分别为透过液和原料液中溶质的浓度
由于浓差极化，膜的实际脱除率为：
R=1－Cp/Cm
式中 Cm：膜面积浓度
在超滤中被膜分离的是高分子和凝胶溶液，当这些组分在膜上原料侧表面的浓度Cm
达到饱和浓度时，会在膜表面形成凝胶层，使渗透速率显著减少，溶质脱除率提高，当超滤液中有几种不同分子量溶质时，凝胶层会使小分子量组分的表观脱除率下降。
2.3 传质系数
k
与反渗透一样，它与浓差极化有关。k 值越大，浓差极化现象越不明显。
3.
超滤膜材料
膜材料一般要求有良好成膜性，热稳定性，化学稳定性，耐酸、耐碱及耐微生物侵蚀和耐氧化性。超滤膜材料最好呈亲水性；目前应用最多的为高聚物膜材料，可分为两类；天然物质衍生物：如醋酸纤维、乙酸丁酸纤维、再生纤维素、硝酸纤维素等。人造物质：如聚酰胺、聚砜、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚呋喃、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等。
4.
超滤在食品工业中的应用
4.1
果汁、饮料行业
果汁超滤主要目的是除去易引起果汁发生浑浊沉淀的大分子物质如：果胶，蛋白质，多酚等。自1977
年Heatherbell等人利用超滤进行了苹果汁的澄清研究以来，该项技术获得了迅速发展。血橙是重要的甜橙品种，除富含维生素C外，还含有丰富的维生素E、β一胡萝卜素、花青素苷和类黄铜等多酚化合物，苏学素[4]等采用管式聚偏氟乙烯超滤膜(PVDF)对血橙进行超滤澄清实验，在室温条件下以800L／h进料速率，0.085MPa的跨膜压差超滤血橙汁，获得了较高的膜渗透通量，较好地保留了营养物质，对Vc
的保存率约为89％
，对花青素苷，几种酚酸及类酮组分(除槲皮素外)的保存率均在90％以上。同未杀菌的血橙原汁相比，超滤澄清汁的总抗氧化能力损失率仅为10％。
4.2
乳品加工业
大豆分离蛋白生产过程中的乳清一直是环保治理的难点，乳清中的乳清蛋质，大豆低聚糖和盐类，排放到自然水体会造成污染，回收利用则变废为宝。在乳清蛋白的回收中，最为普遍采用的工艺是利用超滤对乳清进行浓缩分离，通过超滤分离可以获得蛋白质含量在35％ ～85％
的乳清蛋白粉。借助于对浓缩相不断稀释的全过滤，则可以获得蛋白质含量更高的乳清蛋白粉。此外，引入超滤和反渗透组合技术，可以在浓缩乳清蛋白的同时，从膜的透过液中除掉乳糖和灰分等，这样就大大扩大了全干乳清的应用范围。引入超滤和反渗透后，乳清蛋白的质量明显提高。与传统的工艺生产所得的产品相比，蛋白质含量提高了近4倍，乳糖含量下降约40％。[5]
4.3
油脂工业
将超滤技术应用于油的脱胶、脱色工序，可使脱胶和脱色合二为一，省去传统工艺中许多工序，使油得率大为提高,还可降低脱色白土用量和处理废白土费用，及减少脱色白土所吸收中性油脂损失。在油脂副产品加工中，如制备大豆蛋白，则可以用超滤膜截留大分子量的蛋白质让小分子物质通过膜；用截留分子量为20,000-30,000
聚砜酰胺膜制备大豆浓缩蛋白，膜对蛋白质截留率高达95％，经浓缩后蛋白质回收率达93．9％，高于酸沉淀法[6]。同时，膜分离技术提取大豆分离蛋白的溶解性、发泡性、乳化性、吸油性等均优于用传统“碱溶酸沉法”生产大豆分离蛋白。
4.4
酿酒行业
白酒中常含有棕榈酸乙酯，油有酸乙酯，亚油酸乙酯等物质，溶于酒精不溶于水，当酒度和温度降低时，这些物质溶解度降低而使白酒混浊，影响产品质量，这些混浊物粒径小，比重轻，用常规法不佳，但用超滤法分离就可保证白酒质量[7]。用超滤法代替离心分离法进行葡萄酒的提纯，可以在不加化学试剂的情况下制得透明葡萄酒，还可以降低酒中乙醇含量。过滤是啤酒生产的重要环节，目的是除去啤酒中的酵母、蛋白质和多酚复合物等微小物质，改善啤酒的生物和非生物稳定性。经棉饼或硅藻土过滤后的啤酒为生啤，贮存一周后就发生浑浊。经热杀菌处理的啤酒为熟啤酒一般能保持60～90天但口感没有生啤优越；用超滤处理啤酒则可同时解决口感与保存期的问题。
5.
展望
现代膜分离技术作为一种新型的高新制造技术，在食品工业中的应用越来越广泛,日益受到各界关注,展现了广阔的前景。一些新型膜分离技术更显示出了巨大的潜力和强大的生命力；超滤分离技术不仅仅应用于传统的制水工业，在食品工业中已广泛使用，相信随着膜材料科技研究的深入,膜分离技术也会不断发展完善,在不久的将来会迎来食品工业崭新的开端。
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