膜分离技术由于其低能耗、高分离效率等特点，已愈来愈引起人们的关注，如有机膜有韧性，能适应各种大小粒子的分离过程，制备简单，工艺成熟，且价格便宜，但稳定性差，抗腐蚀性差，寿命短，易堵塞等缺点也限制了它在一些领域的应用。而无机陶瓷膜恰是具有这些有机膜所不具备的特点，使得它作为分离技术的一个重要分支在化工、食品、生物和医药等领域得到迅速发展和应用。目前， 陶瓷分离膜市场正以30%以上的年增长速度增长，陶瓷分离膜技术将成为21世纪关键技术。

1 无机陶瓷膜简介

无机陶瓷膜是以不同规格的陶瓷管为支撑体，经表面涂膜、高温烧制而成，是用于对液态、气态混合物进行过滤分离的高科技新材料，取代传统的离心、蒸发、精馏、过滤等分离技术，达到提高产品质量、降低成本的目的。无机陶瓷膜的研究始于20世纪40年代，其发展分为三个阶段：用于铀的同位素分离的核工业时期，以无机微滤膜和超滤膜为主的液体分离时期和以膜催化反应为核心的全面发展时期。

1.1 结构与过滤原理

陶瓷膜按结构分为对称和不对称陶瓷膜，不对称陶瓷膜一般由三层或三层以上构成。三层不对称结构膜由过滤层（表面分离层）、中间层、支持层（多孔载体层），微孔孔径和厚度梯度变化的结构组成，这类不对称结构构成了一种无缺陷的分离层，同时又减少膜的液压阻力，并保障膜的机械强度。

无机陶瓷膜在过滤分离中主要采用错流过滤方式，物料流动的方向与膜平行，在压力作用下小分子物质透过膜，从另一侧流出，称为渗透液，沿膜表面流动的料液边流动边过滤，去掉小分子溶质，留下大分子物质，起到浓缩作用，与物料进口同一通道流出的流体称为浓缩液流。与终端过滤相比，流体流动平行于过滤表面，产生了表面剪切作用，可以带走膜表面沉积物，防止滤饼的不断积累，使之处于动态平衡，使过滤操作可以在较长时间内连续进行。

1.2 与有机膜相比其突出特点

发展至今，无机陶瓷膜分离技术的分离效果已经相当好，这主要是由于无机陶瓷膜具有以下几大优点：

（1）耐高温性能好：使用温度可达400℃，有的甚至可高达1000℃，适用于高温气体分离，净化以及需要高温灭菌、消毒的饮食业。

（2）耐高压性能好：使用压力可达千帕数量级，工作压力高达6MPa，适用于高压体系。

（3）耐腐蚀性能好：适用于酸、碱介质和有机溶剂，pH值使用范围较宽，对于堆积在膜表面的物质可采用酸洗处理，在涉及到耐高温和腐蚀过程的工艺中有广泛的应用前景。

（4）抗微生物侵蚀：与一般微生物不发生生物、化学反应，适用于食品、生化、制药工业。

（5）机械强度大：机械强度大，不易脱落和破裂，具有较高的结构稳定性，在一定压力下不变形，在任何溶剂中不溶涨，能经受固体颗粒的磨损。

（6）清洁状态好，不易堵塞：无毒，无味，不污染环境；反冲装置的配备，使其便于清洗、再生，便于连续作业而不堵塞；高耐腐蚀性，使得膜清洗问题很容易解决。

（7）膜易消毒：可以采用高温蒸汽或高压蒸煮对膜进行在线消毒灭菌，也可以在氯碱环境下消毒灭菌。

（8）使用寿命长：使用寿命3～5年不等，经过多次的高温清洗仍能保持分离性能不变，比一般有机膜使用寿命长3～5倍，减少了用户的维修与更换，节约了使用者的时间与费用。

（9）结构简单，操作稳定，易于保存。

由于无机陶瓷膜的优越特性，其发展亦越来越迅猛，但陶瓷分离膜成本较高，一般售价是有机膜的几倍，甚至更高；而且脆性较大，不易加工，且密封困难；再者由于过滤压力较大，温度升高速度很快，会对所分离的物质造成一定的破坏。

2 陶瓷膜分离技术在果蔬汁中的应用

由于果汁中含有许多悬浮的固形物以及引起果汁变质的细菌、果胶和粗蛋白等，既影响果汁的外观，又影响果汁货架期，所以澄清在果汁饮料的生产中是一个关键步骤。传统加工工艺复杂，风味物质和营养成分损失多、成本高、能耗大，有机膜又会破坏果汁的颜色和口味，而无机陶瓷膜不但可以获得较高的渗透通量和截留率，还可以减少蛋白质在膜表面的吸附，减轻膜污染，因而被广泛应用于果汁饮料工业。

2.1 苹果汁中的应用

苹果汁的澄清是无机陶瓷膜在果汁澄清中应用较为成功的例子。国内研制的陶瓷膜已在一定程度上达到国际水平。用100nm孔径的陶瓷膜中试系统对果胶酶酶解后的鲜榨果汁进行过滤澄清与细菌挑战实验，结果证明苹果汁过滤后的无菌状态和生物学稳定性，为陶瓷膜错流超滤鲜榨苹果汁进行工业化生产提供了依据。

过滤的较佳操作条件就是在污染较小的情况下得到较大的渗透通量，但用陶瓷膜对苹果汁进行错流超滤研究表明，在高切向速率和低跨膜压力条件下污染较小，而在低切向速率和高跨膜压力的升高和流速的增加而降低，但是相应的能耗会大大增加，这表明陶瓷膜对苹果汁的超滤澄清并没有 的较佳操作条件，而必须寻找一个平衡。

此外，有人用陶瓷膜对脱胶苹果汁进行错流超滤研究发现，对于不同的膜孔径在不同的操作条件下，影响渗透通量的阻力是不同的。除了陶瓷膜的错流过滤外，Mondor等用陶瓷膜对脱胶和经抗坏血酸处理的苹果汁的终端过滤通量进行研究发现，通量下降率随着膜孔径减小而增加的规律在经抗坏血酸处理的苹果汁中表现更为明显。

2.2 菠萝汁中的应用

陶瓷膜在超滤过程中会自动形成一层动态膜，研究认为此动态膜形成后可以较原始膜渗透通量和截留率有所提高，但Jiraratananon对12Brix的菠萝汁超滤过程中形成的动态膜进行研究发现，此动态膜对大分子的截留率提高，但渗透通量却降低了。这可能是由于菠萝汁是一种多成分混合液，各成分在微滤膜孔径内彼此靠近时会引起溶解物质与膜溶解物的相互影响，这可能也是影响整个动态膜性能的主要原因。相比较而言，用截流分子量为50000的陶瓷膜，在同样的条件下进行超滤，渗透通量及截留率均大于动态膜相应值，即超滤更适合菠萝汁的生产。

菠萝汁的多成分是影响澄清的关键，对脱胶菠萝汁进行陶瓷膜错流超滤，并与有机膜进行比较发现，在较高的通量操作条件下，两种膜所得澄清汁质量相差无几，但由于果汁在陶瓷膜过滤中可以以湍流状态流动及其耐热性等特点，就显示出了较有机膜好的性能。Barros研究发现有机膜和陶瓷膜所引起膜污染的原因是不同的，聚乙烯膜在超滤菠萝汁时的膜污染主要由滤饼层引起，而陶瓷膜污染主要由于膜孔径的阻塞而引起。

2.3 梨汁中的应用

不同孔径的无机陶瓷微滤膜，中空纤维超滤和果胶酶澄清处理对梨汁的澄清研究发现，综合澄清效果、风味损失、膜通透量和除菌效果等指标，0.2μm孔径陶瓷膜微滤比较适合梨汁澄清生产。而孔径小的陶瓷膜微滤和中空纤维超滤的澄清和除菌效果好，但营养成分损失较大，澄清梨汁得率较低，风味失去较多，果胶酶澄清处理梨汁得率较高，但浊度太大，且除菌效果不好，均不适于梨汁的澄清处理。

2.4 西番莲中应用

西番莲汁有相当高的悬浮固形物含量，在微滤过程中它很快引起膜污染，为了得到澄清的西番莲汁，可以采用在过滤前酶液化的方法降解悬浮固形物，F. Vaillant就发现经酶处理后，用陶瓷膜过滤西番莲果汁，其通量在一段短期的降低之后有一个不同寻常的流量增加过程。这可能是由于果汁黏度和微滤滞留液中悬浮固形物浓度的降低而引起的，所得滞留液与原果汁性质相似，其残留酶活力还能够循环利用。

2.5 甜瓜汁中应用

在过去的十几年中，甜瓜成了满足脱季市场需求的一种主要产品，但由于出口要求较高，大约有20%的产品由于畸形而被拒之门外。如果能从这些被丢弃的甜瓜中得到一定质量的产品，既能减少瓜果的浪费，又能增加一定的社会经济效益。Vaillant等做了这方面的尝试，利用0.2μm陶瓷膜对甜瓜汁进行了错流微滤和渗透浓缩，过滤所得澄清汁除了不溶性固形物和类胡萝卜素外，其理化成分和营养成分均与原果汁相近，渗透浓缩汁也保留了原果汁的理化和营养特性。不但澄清汁和浓缩汁的特殊香气弥补了果汁饮料风味的一大不足；而且微滤截留液中丰富的维他命原A，可作为提取B胡萝卜素的天然原料，还可直接作为功能性饮料。与前人研究不同的是微滤渗透液的有机酸含量不但没有降低反而增加了，机理有待进一步研究。

2.6 西印度樱桃中应用

西印度樱桃含有丰富的抗氧化剂（如维生素C，花青素），研究显示它能提高人体内维生素C含量，有一定的抗癌，防中风等功效，但此果汁4～6h后会形成沉淀而影响其质量，Be-Jen Wang等采用0.14μm的陶瓷膜对西印度樱桃进行了微滤澄清实验，并探讨了操作温度在微滤过程中对果汁成分分布的影响，证明了微滤膜澄清西印樱桃工业化生产的可行性。

此外，国外A Bottino等人采用19通道0.2μm孔径的陶瓷膜对番茄汁进行了微滤，国内邢卫红等人应用无机陶瓷膜对甘蔗汁、草莓汁及南瓜汁的澄清过滤进行了初步尝试，均取得了较好的成绩，为纯天然果汁饮料的澄清提供了一条经济切实可行的途径。陶瓷膜对果肉含量不同的果汁过滤效果有所不同，对于高果肉含量的果汁，为了提高生产率，希望得到的滞留液与原果汁具有同样的应用价值。有人就利用陶瓷膜通过控制体积浓缩率（VRR）来增加悬浮固形物（SS）的含量达到了这个目的，所得滞留液能够重新进入生产线，应用于工业化生产，并且不会产生废弃物或副产品，可对产品进行多样化投资。

3 结语

健康趋势是推动果汁需求增长的主要因素，消费者不断追求含有天然成分、低糖的更健康的产品，随着陶瓷分离膜科学技术的不断进步和深入研究，性价比的逐步提高，必定可以克服费用较高等缺陷，在果汁饮料工业中发挥其显著优势，推动21世纪的饮料工业向前发展。