降低发酵能耗的研究与应用论文

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食品加工论文 范文 一：食品工业泡沫分离技术的应用

泡沫分离又称泡沫吸附分离技术，是以气泡为介质，以各组分之间的表面活性差为依据，从而达到分离或浓缩目的的一种分离 方法 [1].20世纪初，泡沫分离技术最早应用于矿物浮选，后来应用于回收工业废水中的表面活性剂.直到20世纪70年代，人们开始将泡沫分离技术应用于蛋白质与酶的分离提取[2-3].目前，在食品工业中，泡沫分离技术已经应用于蛋白质与酶、糖及皂苷类有效成分的分离提取.由于大部分食品料液都有起泡性，泡沫分离技术在食品工业中的应用将越来越广泛.

1泡沫分离技术的原理及特点

1.1泡沫分离技术的原理

泡沫分离技术是依据表面吸附原理，基于液相中溶质或颗粒之间的表面活性差异性.表面活性强的物质先吸附于分散相与连续相的界面处，通过鼓泡形成泡沫层，使泡沫层与液相主体分离，表面活性物质集中在泡沫层内，从而达到浓缩溶质或净化液相主体的目的.

1.2泡沫分离技术的特点

1.2.1优点

(1)与传统分离稀浓度产品的方法相比，泡沫分离技术设备简单、易于操作，更加适合于稀浓度产品的分离.(2)泡沫分离技术分辨率高，对于组分之间表面活性差异大的物质，采用泡沫分离技术分离可以得到较高的富集比.(3)泡沫分离技术无需大量有机溶剂洗脱液和提取液，成本低、环境污染小，利于工业化生产.

1.2.2缺点

表面活性物质大多数是高分子化合物，消化量比较大，同时比较难回收.此外，溶液中的表面活性物质浓度不易控制，泡沫塔内的返混现象会影响到分离效果[4].

2泡沫分离技术在食品工业中的应用

2.1蛋白质的分离

在分离蛋白质的过程中，表面活性差异小的蛋白质，吸附效果受到气-液界面吸附结构的影响，因此蛋白质表面活性的强度是考察泡沫分离效果的主要指标.谭相伟等[5]研究了牛血清蛋白与酪蛋白在气-液界面的吸附，并发现酪蛋白对牛血清蛋白在气-液界面处的吸附有显著影响.此后，Hossain等[6]利用泡沫分离技术对β-乳球蛋白和牛血清蛋白进行分离富集，结果得到96%β-乳球蛋白和83%牛血清蛋白.Brown等[7]采用连续式泡沫分离技术从混合液中分离牛血清蛋白与酪蛋白，结果表明酪蛋白的回收率很高，而大部分的牛血清蛋白留在了溶液中.Saleh等[8]研究了利用泡沫分离法从乳铁传递蛋白、牛血清蛋白和α-乳白蛋白3种蛋白混合液中分离出乳铁传递蛋白，在牛血清蛋白和α-乳白蛋白的混合液中加入不同浓度的乳铁传递蛋白，并不断改变气速，优化了最佳工艺条件.结果得出：在最佳工艺条件下，87%的乳铁传递蛋白留在溶液中，98%牛血清蛋白和91%α-乳白蛋白存在于泡沫夹带液中.由此可见，利用泡沫分离法可以有效地从3种蛋白质混合液中分离出乳铁传递蛋白.Chen等[9]利用泡沫分离技术从牛奶中提取免疫球蛋白.考察了初始pH值、初始免疫球蛋白浓度、氮流量、柱的高度及发泡时间等因素对反应的影响，结果表明：采用泡沫分离方法可以有效地从牛奶中分离出免疫球蛋白.Liu等[10]从工业大豆废水浓缩富集大豆蛋白，最佳工艺条件:温度为50℃，pH值为5.0，空气流量为100mL?min-1，装载液体高度为400mm，得到大豆蛋白富集比为3.68.Li等[11]为了提高泡沫析水性，研发了一种新型的利用铁丝网进行整装填料的泡沫分离塔，利用铁丝网整体填料塔泡沫分离法对牛血清蛋白进行分离.通过研究填料对气泡大小、持液量、富集比和在不同条件下以牛血清蛋白水溶液作为一个参考物的有效收集率的影响，评价填料的作用.结果表明，填料可以加速气泡破裂、减少持液量、提高泡沫析水性和牛血清蛋白的富集比.研究表明，在积液量为490mL，空气流速为300mL?min-1，牛血清蛋白初始浓度为0.10g?L-1，填料床高度为300mm和初始pH值为6.2的条件下，最佳的牛血清蛋白富集比为21.78，是控制塔条件下富集比的2.44倍.刘海彬等[12]以桑叶为原料，采用泡沫分离法对桑叶蛋白进行分离，并分析了影响分离效果的主要因素，结果测得桑叶蛋白回收率为92.50%、富集比为7.63.由此可见，利用泡沫分离法对桑叶进行分离可得到含量较高的桑叶蛋白.与传统的叶蛋白分离方法如酸(碱)热法、有机溶剂法相比较[13-14]，泡沫分离法分离效果好，避免了加热导致蛋白质变性以及减少有机溶剂带来的环境污染等问题.李轩领等[15]以亚麻蛋白浓度、NaCl浓度、原料液pH值以及装液量为主要考察因素，用响应面法优化了从未脱胶亚麻籽饼粕中泡沫分离亚麻蛋白的工艺条件.在最佳工艺条件下，得到95.8%的亚麻蛋白质，而多糖的损失率仅为6.7%.可见，采用泡沫分离技术可以从未脱胶亚麻籽饼粕中有效分离出亚麻蛋白.

2.2酶的分离

蛋白质属于生物表面活性剂，包含极性和非极性基团，在溶液中可选择性地吸附于气-液界面.因此，从低浓度溶液中可泡沫分离出酶和蛋白质等物质.Linke等[16]研究了从发酵液中泡沫分离胞外脂肪酶，考察了通气时间、pH值及气速等主要因素对回收率的影响，研究得出通气时间为50min、pH值为7.0及气速为60mL/min时，酶蛋白回收率为95%.Mohan等[17]从啤酒中泡沫分离回收酵母和麦芽等，结果表明，分离酵母和麦芽所需的时间不同，而且低浓度时更加容易富集.Holmstr[18]从低浓度溶液中泡沫分离出淀粉酶，研究发现在等电点处鼓泡，泡沫夹带液中的淀粉酶活性是原溶液中的4倍.Lambert等[19]采用泡沫分离技术考察了β-葡糖苷酶的pH值与表面张力之间的关系，研究表明，纤维素二糖酶和纤维素酶的最佳起泡pH值分别为10.5和6~9.Brown等[7]利用泡沫分离技术对牛血清蛋白与溶菌酶以及酪蛋白与溶菌酶的混合体系分别进行了分离纯化的研究.结果表明，溶菌酶不管与牛血清蛋白混合还是与酪蛋白混合，回收率都很低，但是由于溶菌酶可提高泡沫的稳定性，从而提高了牛血清蛋白与溶菌酶的回收率.Samita等[20]对牛血清蛋白与酪蛋白、牛血清蛋白与溶菌酶两种二元体系分别进行了研究，发现在牛血清蛋白与酪蛋白的蛋白质二元体系中酪蛋白在气-液界面处的吸附占了大部分的气-液界面，从而阻止了牛血清蛋白在气-液界面处的吸附.而在牛血清蛋白与溶菌酶的二元体系中，研究表明溶菌酶提高了牛血清蛋白的回收率，同时提高了泡沫的稳定性.针对这种现象，Noble等[21]也采用泡沫分离法分离牛血清蛋白与溶菌酶的二元体系，研究发现泡沫夹带液中存在少量的溶菌酶，提高了泡沫的稳定性，牛血清蛋白溶液在低浓度下本来不能产生稳定泡沫，溶菌酶的存在使得其也能产生稳定的泡沫.这些研究表明，泡沫分离技术可以在较低的浓度下分离具有表面活性的蛋白质，为泡沫分离技术在蛋白质分离中的应用研究开辟了新的领域.国内泡沫分离技术已应用在酶类物质分离中，范明等[22]设计了泡沫分离装置，利用泡沫分离技术分离脂肪酶模拟液和实际生产生物柴油的水相脂肪酶溶液，对水相脂肪酶进行回收并富集.考察了通气速度、进料酶浓度及水相脂肪酶溶液中pH值等主要因素对分离效果的影响，当通气速度为10L/(LH)、进料酶浓度为0.2g/L、pH值为7.0时，蛋白和酶活回收率接近于100%，富集比为3.67.研究表明，初始脂肪酶浓度对泡沫分离的富集比和蛋白回收率有显著影响，pH值对富集比、蛋白和酶活回收率无显著影响，而气速是影响蛋白回收速率的一个重要因素.回收水相脂肪酶的过程中酶活性无损失.可见，泡沫分离是一个回收液体脂肪酶的有效方法[22].

2.3糖的分离

糖一般存在于植物和微生物体内，可根据糖与蛋白质或者其他物质的表面活性差异性，利用泡沫分离技术对糖进行分离提取[23].Fu等[24]采用离心法从基隆产的甘薯块中分离提取可溶性糖和蛋白，得到的回收率分别为4.8%和33.8%;而采用泡沫分离法时，可溶性糖和蛋白的回收率分别为98.8%和74.1%.Sarachat等[25]采用泡沫分离法富集假单胞菌生产的鼠李糖脂，最佳工艺条件下得到鼠李糖脂97%，富集比为4.__洲[26]利用间歇式泡沫分离法从美味牛肝菌水提物中分离牛肝菌多糖，考察了pH值、原料液浓度、空气流速、表面活性剂用量及浮选时间等主要因素对分离效果的影响，以回收率为指标评价分离的效果，并优化了分离牛肝菌多糖的工艺条件.在最佳工艺条件下，牛肝菌多糖回收率为83.1%.国内关于食用菌多糖的提取一般利用水提醇析法，但是该法需要消耗大量的乙醇，操作周期长，能耗大[27-28]，而泡沫分离法具有快速分离、设备简单、操作连续、不需高温高压及适合分离低浓度组分等优势，因此间歇式泡沫分离法是提取食用菌多糖的一种有效方法.

2.4皂苷类有效成分的分离

皂苷包含亲水性的糖体和疏水性的皂苷元，具有良好的起泡性，是一种优良的天然非离子型表面活性成分，因此可采用泡沫分离法从天然植物中分离皂苷[29].泡沫分离法已广泛用于大豆异黄酮苷元、人参皂苷、无患子皂苷、竹节参皂苷、文冠果果皮皂苷等有效成分的分离.

2.4.1大豆异黄酮苷元的分离Liu等[10]

采用泡沫分离与酸解方法从大豆乳清废水中分离大豆异黄酮苷元，指出从工业大豆乳清废水中提取的异黄酮苷元主要以β-苷元的形式存在，并利用傅里叶变换红外光谱分析发现大豆异黄酮和大豆蛋白以复合物的形式存在.研究结果表明，利用泡沫分离技术可以从大豆乳清废水中有效地富集大豆异黄酮，分离出大豆异黄酮苷元和β-苷元.

2.4.2无患子总皂苷的分离魏凤玉等[30]

分别采用间歇和连续泡沫分离法分离纯化无患子皂苷，利用正交试验，考察了原始料液浓度、气体流速、温度、pH值等因素对无患子皂苷回收率的影响，确定了泡沫分离最佳工艺条件.林清霞等[31]采用泡沫分离技术分离纯化无患子皂苷，利用紫外分光光度计测定无患子皂苷含量，通过富集比、纯度及回收率判断分离纯化的效果.在进料浓度为2.0g/L、进料量为150mL、气速为32L/h、温度为30℃、pH值为4.3时，得到富集比为2.153，纯度与回收率分别为74.68%和79.19%.研究结果表明：无患子皂苷的回收率随着进料浓度的增大而减小，随着气速、进料量的增大而增大;富集比随着进料浓度、气速及进料量的增大而减小，pH值对富集比的影响较小;纯度随着进料浓度、气速的增大而降低，进料量、pH值对纯度的影响较小.

2.4.3竹节参总皂苷的分离

竹节参的主要成分皂苷是一种优良的天然表面活性剂，而竹节参中的竹节参多糖、无机盐及氨基酸等是非表面活性剂，因此可根据表面活性的差异，采用泡沫分离技术对竹节参皂苷进行分离纯化[32-34].张海滨等[35]考察了气泡大小、pH值、原料液温度及电解质物质的量浓度等主要因素对泡沫分离竹节参总皂苷的影响，以富集比、纯度比及回收率等为指标分析分离纯化的效果，得出最佳工艺条件：气泡直径为0.4~0.5mm，pH值为5.5，温度为65℃，电解质NaCl浓度为0.015mol?L-1.在最佳工艺条件下，总皂苷富集比为2.1，纯度比为2.6，回收率为98.33%，能够得到较好的分离.张长城等[36]研究了利用泡沫分离技术对竹节参中皂苷进行分离纯化的方法与条件，指出泡沫分离技术分离纯化竹节参皂苷具有产品回收率高、工艺简单、能耗低及不使用有机溶剂等优点，为竹节参皂苷的开发利用提供了技术支持.

2.4.4文冠果果皮皂苷的分离

文冠果籽油是优质的食用油，含油率达35%～40%[37]，同时可作为生物柴油的原料.文冠果果皮含有皂苷1.5%～2.4%.研究表明，文冠果果皮皂苷具有抗肿瘤、抗氧化及抗疲劳等功效[38].文冠果果皮皂苷的开发利用带来的附加价值可以有效地降低生物柴油的生产成本.在生产生物柴油的过程中需要处理大量的果皮，因此需要寻求一种简单可行、成本低、收率高以及对环境污染小的皂苷分离方法.吴伟杰等[39]使用自制起泡装置，研究了泡沫分离技术分离文冠果果皮总皂苷的可行性及最佳反应条件.研究得出泡沫分离文冠果皂苷的最佳工艺条件为：料液气体流速为2.5L?min-1，初始浓度为2mg?mL-1，温度为20℃，pH值为5.与泡沫分离人参、三七等皂苷的气体流速相比较，文冠果果皮的气体流速较低，这样可以更大限度地降低能耗、节约成本.同时，泡沫分离文冠果果皮皂苷可在室温条件下进行，降低了加热所需的能耗.此外，由于文冠果果皮皂苷的水溶液pH值在5左右，泡沫分离时无需调节pH值.在最佳工艺条件下，得到富集比为3.05，回收率为60.02%，纯度为63.35%.研究表明，泡沫分离文冠果果皮皂苷可以达到较高的富集比、回收率和纯度，对于大力开发利用生物能源、综合利用文冠果以及降低生物柴油的成本有着重要意义.

3展望

泡沫分离技术是一种很有发展前景的新型分离技术，在食品工业中的应用将会越来越广泛，今后在天然产物及稀有物质的分离提取等方面有着更加广泛的应用.同时，泡沫分离技术也存在一定的局限性，为促进泡沫分离技术在食品工业中的应用发展，应该在以下方面进行深入研究：(1)对泡沫分离复杂物料实际分离过程的泡沫形成情况建立理论模型，对标准表面活性剂的分离提取建立标准数据库，对标准表面活性剂和非表面活性物质间的分离建立指纹图谱;(2)如何减少泡沫分离非表面活性物质时的表面活性剂消耗量;(3)如何解决泡沫分离高浓度产品时回收率低的问题;(4)目前泡沫分离设备存在局限性，应研究开发新型的适合食品工业分离的泡沫分离设备，提高泡沫分离的效果[40].

食品加工论文范文二：食品工业废水处理节能研究

食品工业包括制糖、酿造、肉类、乳品加工等，食品工业的废水主要来源于原料的处理、洗涤、脱水、过滤、脱酸、脱臭和蒸煮过程中产生的，这些废水含有大量的有机物、蛋白质、有机酸和碳水化合物，具有很强的耗氧性，如果不经处理直接排入水体会大量消耗水中的溶解氧，从而造成水体缺氧，造成水生生物的死亡。食品工业废水油脂含量高，多伴随大量悬浮物随废水排出，其中动物性食品加工排出的废水还可能含有病菌，此外，这些废水还含有铜、锰、铬等金属离子。近年来，随着食品加工业的快速发展，每年由此产生的废水量也呈现快速增长态势，许多废水未经有效处理便被直接排放，给环境产生了十分严重的破坏。因此，探讨食品工业废水处理对于生态环境保护具有非常重要的现实意义。

1食品工业废水处理工艺现状

目前，国内外对于食品工业废水的处理过程中主要采用的是生物处理工艺，其中主要包括有好氧生物处理工艺、厌氧生物处理工艺，以及由好氧生物处理工艺与厌氧生物处理工艺相结合的处理工艺。在好氧生物处理工艺方面，主要有活性污泥法(目前实际应用较为广泛的主要有SBR法)和生物膜法(具有代表性的是曝气生物滤池法)。由于厌氧生物处理工艺相较于好氧生物处理工艺无论在后期的运行管理费用还是前期的基建投资方面的费用都有较大优势，其中比较具有典型的处理工艺有厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)工艺、第三代厌氧处理工艺———厌氧内循环反应器(IC)被广泛应用到了食品工业废水处理中。此外，厌氧生物处理工艺在处理食品工业废水方面具有良好的处理效果[1]。

2各种工艺特点及应用效果分析

目前国内外，食品工业废水的处理以生物处理[2]为主。在实际中运用较广，技术较为成熟的主要有厌氧接触法、厌氧污泥床法、浅层曝气、延时曝气、曝气沉淀池法等等。

2.1好氧生物处理工艺

好氧生物处理是在不断供氧的环境中，利用好氧微生物来氧化有机物。在好氧过程中，微生物对复杂的有机物进行分解，一部分被转化为稳定的无机物CO2、H2O和NH3，一部分则由微生物合成为新细胞，最后去除污水中的有机物。

2.1.1SBR法，即间歇式活性污泥系统(又叫序批式间歇活性污泥法)。SBR法目前在国内外应用较为广泛，生物反应池中集中了生物降解过程、沉淀过程以及污泥回流功能为一体，这种工艺比较简单，它是在以前间歇式活性污泥工艺基础上发展来的一种新工艺，采用SBR法处理废水的运行过程一般包括了进水、充氧曝气、静止沉淀、排水和排泥五个步骤。与连续性活性污泥工艺相比，该工艺具有的有点主要有：曝气池兼具二沉池的功能，不设二沉池，也没有污泥回流设备，系统结构简单，易于管理;耐冲击负荷，一般无需设置调节池;反应推动力大，较为简便的得到优质出水水质;污泥沉淀性能好，SVI值较低，便于自控运行，后期维护管理也较为简便。居华[3]通过SBR法在酱油、酱菜食品废水处理中的应用研究后得出，原废水CODcr在2000mg/L～4000mg/L范围内，经SBR法处理后出水水质得到了二级标准，去除率达96%以上，没有出现污泥膨胀现象，而且操作管理方便，占地面积小，运行的费用也低。

2.1.2BAF法，即曝气生物滤池法。这种工艺最早可以追溯上个世纪80年代，是由欧美等国家应用和发展起来的，大连马栏河污水处理厂是我国最早采用BAF工艺。该工艺是在生物接触工艺基础上，在滤池中填装陶粒、石英砂等粒状填料，以填料及其附着生产生物膜为介质，发挥生物的代谢功能，通过物理过滤功能，发挥膜和填料的截留吸附作用从而实现污染物的高效处理。廖艳[4]等采用混凝—ABR与曝气生物滤池(BAF)联合处理工艺，对某市肉联厂高浓度废水化学需氧量和氨氮的去除研究后发现，化学需氧量和氨氮的去除效果从原水时的1500mg/L～4500mg/L、30mg/L～85mg/L，经处理后出水COD<100mg/L，氨氮<50mg/L，达到了国家一、二级排放标准，取得良好的环境和社会效益。

2.1.3MBR法，即膜生物反应器法。是上个世纪90年代逐渐发展起来的一种废水处理技术，该工艺是将膜组件替代传统的二沉池，实现固相和液相分离。其实质是把细菌和微生物以生物膜的方式附着在固体表面上，以污水中的有机物为营养物进行新陈代谢和生长繁殖，从而达到实现净化污水的效果。该工艺具有较强的抗冲击力，对水质和水量变化具有较强适应性;污泥产量较低且沉降性能优，易于固液分离;对于低浓度污水也可以进行处理，在正常运行时可以把原水中的BOD5由20mg/L～30mg/L降至5mg/L～10mg/L;运行费用也不高，管理方便。张亮平，王峰[5]以MBR在湖北某食品厂废水处理中的应用为例进行研究后发现，采用MBR-活性炭-杀菌联合工艺，出水COD和BOD的去除率达到了99%以上，系统工艺能耗低，运行稳定。

2.2厌氧生物处理工艺

在食品废水处理过程中，厌氧处理法与好氧处理法相比由于产生的污泥少，动力流耗小，管理简便，既能节能又能降低成本，逐渐在高浓度有机废水行业———食品工业广泛推崇。

2.2.1UASB法，即升流式厌氧污泥床法。该种工艺是由高活性厌氧菌体构成的粒状污泥，在UASB装置内随上升的气流呈向上流动的状态。处理效率高、性能可靠、能耗低，也不需要填料和载体，运行成本低等优点，既可以处理高负荷废水，也不会产生堵塞等优点。也是当前应用最为广泛的高速反应器之一。王炜，何好启[6]研究发现，食品废水经由UASB+接触氧化法工艺处置后，CODcr、BOD5、SS和植物油由原水浓度的1170mg/L、570mg/L、600mg/L、150mg/L，处置后的效果为60.2mg/L、15.5mg/L、40mg/L和3mg/L，出水水质达到了《污水综合排放标准》中的一级标准，且工程的经济运行效益也良好，总运行费用约为0.54元/m3，工艺占地小，处理成本低，运行方式灵活，值得推广。

2.2.2EGSB反应器，即膨胀颗粒污泥床反应器。该工艺是在UASB基础上发展起来的一种新厌氧工艺，与UASB工艺相比，EGSB增加了出水的回流，提升了反应器中水流的速度，其速度可以达到5m/h～10m/h，比UASB的0.6m/h～0.9m/h高出近10倍。李克勋[7]等以天津某淀粉厂采用EGSB处理淀粉废水为例，EGSB的厌氧反应器对COD的去除率超过了85%，出水水质达到了国家一级排放标准，大量有机物被去除，后续单元的处理压力被减轻，此外，厌氧反应器的介入使用，可以产生沼气作为能源进行二次利用，降低运行费用(总运转费用为0.73元/m3?d)，具有良好的环境效益和社会效益。

2.2.3ASBR法，即厌氧序批式活性污泥法。ASBR厌氧序批式活性污泥法最早诞生于上世纪90年代的美国，是在SBR基础上发展起来的，该工艺的显著特点是以序批间歇运行，按次序分为进水、反应、沉淀和排水四个步骤，与连续流厌氧反应器相比，该工艺由于不需要大阻力的配水系统，因此极大地减少了系统的能耗，也不会产生断流和短流，运行灵活，抗击能力较强，实现厌氧功能，也同时兼有了SBR的优点。

3厌氧生物处理工艺优势分析

与好氧生物处理工艺相比，在食品工业废水处理方面，厌氧生物处理工艺具有很多优势：工艺运行时污泥的剩余量非常少，由于不需要附加氧源而降低运行管理费用;食品工业废水有机物浓度高，而厌氧生物处理工艺拥有良好的抗高浓度有机物的冲击负荷力优势，能够做到间接性排放;另外，厌氧生物处理工艺能够产生沼气，实现资源的二次利用，真正实现了 变废为宝 ，降低能耗，因此，厌氧处理工艺在食品工业废水处理中是一种节能型废水处理工艺。作为低能耗而且能够产生二次能源的厌氧生物处理工艺必将成为食品工业废水处理的主流方向[8]。