甘蔗汁中的非糖杂质很多，如蛋白质、淀粉、 葡聚糖、多酚类物质和蔗蜡（以胶体形式存在）等， 这些物质的存在使糖厂的澄清汁不够透亮 ^{[ 1 ]}，影响 糖品的质量。因此，有必要寻求合适的技术提高糖 汁的品质，提高糖品质量。膜技术是一种高效分离 提纯技术，它包括微滤、超滤、纳滤、反渗透、渗 析、电渗析、液膜、渗透蒸发等，其中电渗析、微 滤、超滤、纳滤可用于提纯糖汁，提高糖品质量； 膜蒸馏、渗透蒸馏、纳滤和反渗透膜能耗较合理， 可用于浓缩稀糖汁，减少蒸发汽耗，降低能耗 ^{[ 2 ]}。 相关研究表明，膜分离技术可去除甘蔗汁中的多糖、 混浊物、胶体等高分子杂质，降低糖浆和糖蜜的粘 度，提高晶体生长速度和各级糖膏煮制速度，显著 改善糖品质量和产率^{[ 1 ]}。

膜技术借助于天然或人工合成的半透薄膜作为 选择障碍层，利用外界能量或温度差、电位差作为 推动力，基于各组分透过膜的速率差异，使物质中 各组分得到分离、提纯或浓缩 ^{[ 3 ]}，其分离过程无相 变。近年来，不断进步中的膜技术已广泛应用于各 行业如烧碱生产、果汁浓缩、乳品加工、纯水生产、 废水处理等。制糖生产中固液分离、废液处理过程 存在能耗大、设备复杂和费用高等许多制约着工业 化高效生产的因素，超滤、反渗透等膜分离技术的 发展给制糖工业带来了新希望 ^{[ 4 ]}，本文着重介绍超 滤、反渗透技术的原理及其在制糖工业应用的研究 进展。 1 超滤技术 1.1 超滤技术的基本原理

超滤属于低压膜分离技术，可以用于胶体和大分子量物质的分离，分离范围为 0.002～0.1nm。它 以压力差作为推动力，在溶液侧施加一定的压力， 料液中分子量大于膜表面微孔的物质将被膜截留在 进液侧，小分子量的溶质与溶剂可透过膜层，进而 实现料液的分离、提纯或浓缩。超滤的分离主要是 物理筛分作用，值得一提的是，膜表面的静电吸附 等化学特性也具备截留性能，影响分离效果 ^{[ 5 ]}。

超滤膜的表面层具有选择性，其主要作用是产 生一定大小和形状的孔。适当孔径的超滤膜，可以 完成不同分子量、不同形状物质的分级或分离 ^{[ 6 ]}。 超滤过滤机理包括 3 个方面：膜孔对料液中大分子 和微粒的机械性筛分机理、粒子在膜孔中阻塞的阻 滞机理和膜面和膜孔对离子的吸附机理 ^{[ 7 ]}。超滤是 一种错流过滤，图 1 为超滤技术的基本原理图 ^{[ 8 ]}。

图1(Figure 1)

图1 超滤的基本原理

作为一种最早开发的高分子分离膜，超滤技术 在上世纪 60 年代已经实现工业化，在之后的每 10 年均得到了较大的进步。尤其是近几十年来，超滤 技术的突破性发展、膜价格的逐渐降低以及在去除 微粒、胶体、细菌、热敏性物质的实际应用中表现 出巨大优越性^{[ 9 ]}，超滤已成为众多学者研究的热点。

超滤膜一般用于富集大分子溶质溶液、净化溶 剂、分级混合溶质 ^{[ 10 ]}，涉及的应用领域广，主要 有^{[ 11, 12 ]}：①制药/生化行业：生化产品的澄化，发酵 全液的浓缩，酶的提取等；②食品工业：牛奶、乳 清蛋白、淀粉、糖的浓缩，果汁、饮料的澄清等； ③化学工业：废水处理，染料脱盐，胶乳液的浓缩， 催化剂的回收；④环境工程：地表水纯化，印刷油 黑的去除，感光乳剂浓缩与回收；⑤水处理：无菌 水、纯水、饮用水的生产，中水回用，反渗透的预 处理等。 2 反渗透技术 2.1 反渗透技术的基本原理

反渗透(RO)是一种以压力差作为推动力的膜分 离过程，在溶液侧施加一个高于溶液渗透压的压力， 可使溶液中的其它物质（无机盐、有机物、重金属 离子等）截留于半透膜一侧，只允许水或者小分子 溶质选择性地透过膜层，进而实现液体混合物的分 离 ^{[ 4 ]}。反渗透膜的工作原理如图 2 所示。反渗透膜 孔径较小（约 1 nm），截留分子量一般小于 200，可 除去大部分小分子物质，反渗透膜几乎对所有的溶 质都有很高的脱除率。

图2(Figure 2)

图2 反渗透的基本原理

1960 年醋酸纤维素(CA)反渗透膜被 Loeb 和 Sourirajan 制出，该膜分离效率高、透水量高。这一 不对称膜的成功制备，是反渗透膜发展史上的第 1 个里程碑。 1970 年，芳香族聚酰胺(PA)中空纤维反 渗透器问世，而全芳香族 PA 复合膜、超低压至中 压高脱盐 PA 复合膜分别在 1980、 1990 年发明成功。 这些事件促进了反渗透技术的进步，使 RO 膜在饮 用水处理上的应用得到普及 ^{[ 13 ]}。在接下来的几十年 里，先后出现了聚砜酰胺 RO 膜、 CA-CTA 共混膜、 S-PS 耐热 RO 膜、 NS-100 复合膜、 PA-300 复合膜、 α-PA RO 膜、新型 RO 膜（纳米复合材料）等膜元 件^{[ 14 ]}。

反渗透技术应用广泛，涉及的范围有：电力及 饮料制水，无菌饮水、超纯水制备，苦咸水脱盐， 海水淡化，电厂用水处理，肾透析，药物提纯，化 工分离、浓缩、提纯，药液、果汁、咖啡浸液的浓 缩，印染、食品、造纸废水处理等^{[ 15, 16 ]}。 3 超滤、反渗透技术在制糖业的研究进展 3.1 超滤技术在制糖业的研究进展

超滤技术在制糖生产中的应用对象包括混合 汁、清汁、各段糖蜜，原糖的回溶糖浆和甜菜粕脱 水汁等^{[ 17, 18, 19 ]}，起到去除杂质，回收糖分作用。

路易斯安那的澄清汁超滤实验表明，30 ku 分子 量的超滤膜在 0.32～0.4 MPa、 90℃、 6.5 m/min 的 条件下超滤 20 h，膜通量为 15~35L/(h· m^-2)，浊度 除去率是 99.6%，淀粉和葡聚糖去除率是 46%、 77%^{[ 20 ]}。陈山 ^{[ 21 ]}采用 HPM 板框超滤设备（聚醚砜 超滤膜，截留分子量分别为 1 万、 2 万、 7 万）处理 混合汁、中和汁和混清汁，得出的最优工艺组合分 别为： 0.20 MPa、 50℃，0.20 MPa、 78℃，0.21 MPa、 78℃； 混清汁全回流超滤 30 min，锤度平均下降 0.64 °Bx、纯度平均提高 1.13%、色值平均下降 59.89%， 酸度和温度变化不大。林爱莲等在“利用膜分离技 术进行甘蔗制糖的方法”发明专利中指出，采用微 滤或超滤的膜分离系统对混合汁进行微滤或超滤澄 清，可去除蔗汁中的非糖杂质、胶体、色素等，得 到高度澄清、色度低、灰分低的清汁^{[ 22 ]}。

S.Cartier ^{[ 23 ]}等使用超滤、未超滤的糖液进行结 晶对比实验，发现超滤后糖液（未加防垢剂）进行 蒸发时的积垢比正常清汁蒸发（加了防垢剂）积垢 少很多。 即使超滤后淡液与正常清汁的色值很接近， 前者蒸发后的糖液色值却远远低于后者。 PUUENE 糖厂进行了 0.02 µm 陶瓷超滤结合离子交换树脂清 净蔗汁生产优质原糖的实验^{[ 24 ]}，工艺命名为“ NAP” 工艺，产品命名为“极低色值原糖”，膜总面积为 940 m²，处理量为 3～3.5 m²·t^-1(糖)·d^-1（原文标示）， 所得澄清汁纯度提高 0.65%，混浊度去除率＞ 99%， 硬度降低 85%，煮炼收回率提高 0.8%，原糖纯度为 99.45%，色值为 500～600 IU。

周重吉 ^{[ 25 ]}等人研发的 SAT 工艺可生产高质量 的食用级成品糖，即加入 2 种助剂后的原糖厂澄清 汁进行超滤，滤液经蒸发结晶后生产出的白糖色值 为 80～200 IU，这种白糖经再次结晶所得的精制白 糖色值为 10～20 IU。 3.2 反渗透技术在制糖业的研究进展

反渗透的应用领域广阔，但 20 世纪 70 年代后 才初步在糖业中应用，主要用于浓缩糖汁及糖汁提 纯等方面。

丹麦使用 HR 薄膜处理清汁，在 50℃条件下清 汁锤度从 15 ºBx 增至 25 ºBx。包江岩利用超滤、反 渗透技术去除糖汁中的部分非糖杂质，过程无相变， 糖汁纯度得以提高，处理渗出汁时获得了品质较好 的半浓缩稀汁^{[ 26 ]}。

Bogliolo^{[ 27 ]} 等使用反渗透浓缩甜菜废粕脱水 汁，得到的浓缩液用于低级糖膏结晶，纯水用于甜 菜丝渗浸，另外还建立了一个模拟反渗透运行状况 的简便模型。所使用的是高性能反渗透膜，能有效 截留蔗糖，其热稳定性使反渗透操作在较高的温度 下仍保持以一定的膜通量进行。 Bichsel 等使用 PA300 和 FT30 反渗透膜将糖汁从 13 °Bx 浓缩到 30 °Bx，研究发现膜技术浓缩糖汁比传统的蒸发具有节 能及其它显著的效益。 Bezrukov^{[ 28 ]}等研究纳滤与反 渗透联用 (NF-RO)在浓缩糖汁上的应用，Saska^{[ 29 ]}等 使用反渗透和纳滤技术将废蜜稀释液浓缩和脱色。 Hogan^{[ 30 ]}等报道，反渗透与渗透蒸馏技术在浓缩糖 汁上的联用，可获得优质的产品且显著降低生产成 本（如对蒸发罐容量的要求降低了 50%）。

Madaeni^{[ 31 ]} 等 研 究 不 同 操 作 压 力 下 纳 滤 膜 (NF45)和 5 种商业用反渗透膜(DS，DSII，PVD， FT30，BW30)在浓缩糖汁上的应用。发现 NF45 对 糖汁的浓缩无效果，不同操作压力下 DSII和 PVD 的截留率为 23%～33%，DS 的最大截留率是 10%， FT30 的截留率从最初的 55%降至 7%（在整个实验期间），而 BW30 的截留率最高（为 60%）。在二级 反渗透系统中，BW30 的截留率可高达 88%，适用 于糖汁的浓缩。

Madaeni^{[ 31, 32, 33 ]}等计算了反渗透技术用做糖厂糖 汁蒸发预浓缩所消耗的能量。实验使用 DOW 公司 的 BW30 反渗透膜将糖汁从 15 °Bx 浓缩到 20 °Bx 后再进行蒸发。结果表明反渗透系统与蒸发联用所 消耗的能源比单独使用蒸发降低了约 33%，以反渗 透承担部分的脱水任务可以减少蒸发站的负担。二 级反渗透系统的最终透过液的锤度约为 1 °Bx，可用 做渗浸水或使用一个三级反渗透膜进一步除糖。杭 州沃腾公司针对糖液高粘度和高温的特点，设计了 耐高压、耐高温以及具有高分离率的无机膜分离系 统，用于过滤热糖汁，除浊率可达 100%，脱色率为 50%；用于浓缩甜菜稀汁，使稀汁在无相变的情况 下去除 40%的水分，对还原糖、低分子离子的透过 率高，对蔗糖的截留率高，有浓缩纯化的功效。

另外，反渗透技术在去除甘蔗糖厂二效汽凝水 中微量糖分上也有应用 ：钮德明^{[ 34, 35, 36 ]}等使用 PA2-4040 型反渗透复合膜处理糖厂二效汽凝水，各 种低分子杂质被有效截留，透过水含糖量＜ 10 mg/L，符合中压锅炉补给水水质标准。 4 展望

在制糖工业中，超滤技术可用于糖汁的提纯、 分离，反渗透技术可进行糖汁的浓缩，但膜污染、 长期运行期间膜通量低、清洗困难等问题对超滤、 反渗透膜在制糖业的工业化应用带来了挑战。今后 还需要对以下问题进行较多的研究：

（1）研究耐高温、抗污染、高通量的无机膜或 有机-无机混合膜等膜材料，引入脉冲流、电场、磁 场、超声波或者优化改进膜组件、膜系统的结构， 以改善料液在膜面的流动状态，减缓浓差极化与凝 胶层的形成，解决膜污染这一难题。

（2）为弥补膜系统的成本压力，糖汁中抗氧化 活性物质的提取、糖汁资源化开发与利用的工艺值 得深入研究。

（3）通过实验与相关分析软件，探究超滤、反 渗透膜的传质机理和控制模型，为膜技术的工业化 应用提供理论支撑。

（4）将各种不同的膜技术集成使用，组成一个 膜分离系统（也可含有非膜技术） ^{[ 37 ]}，以克服单一 膜分离技术的缺点 ,解决浓缩倍数的限制问题，节 约成本，提高产品质量。

随着国内外膜技术的日趋成熟，超滤、反渗透 技术在糖业或其它食品行业中的应用将更加广阔。