淺談中空纖維膜技術(shù)在啤酒加工中的應(yīng)用

文章編號(hào)：2095-6835（2016）17-0100-02

摘 要：中空纖維膜技術(shù)是具有低能耗、清潔環(huán)保、噪聲污染小等特點(diǎn)的新型高科技技術(shù)。介紹了利用中空纖維膜回收啤酒發(fā)酵過(guò)程中所產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w的基本流程。此流程通過(guò)對(duì)氣體的吸收、解吸和再處理實(shí)現(xiàn)了低純度二氧化碳向高純度食品級(jí)二氧化碳的轉(zhuǎn)化。結(jié)合中空纖維膜的操作機(jī)理、最低能耗點(diǎn)等進(jìn)一步優(yōu)化了操作條件。項(xiàng)目危險(xiǎn)性分析證明了該項(xiàng)目不存在較大的安全隱患，具有可實(shí)施性。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，采用這項(xiàng)技術(shù)可以為企業(yè)降低成本，有利于其長(zhǎng)期發(fā)展。

關(guān)鍵詞：中空纖維膜技術(shù)；二氧化碳；一乙醇胺（MEA）溶液；啤酒

中圖分類號(hào)：TS261 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.17.100

二氧化碳作為一種無(wú)色、無(wú)味的氣體，在化工、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等方面被廣泛應(yīng)用，在食品加工行業(yè)中的消費(fèi)量更是占到了國(guó)內(nèi)二氧化碳市場(chǎng)的15%左右。將二氧化碳應(yīng)用于啤酒生產(chǎn)中，不僅有利于豐富泡沫的形成，使啤酒的口感更豐富，還能通過(guò)降低啤酒中溶解氧的濃度提高啤酒的保存期。我國(guó)是啤酒生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，如果能夠?qū)⑶捌诎l(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳有效回收、提純，并將其注入到后期的啤酒中，不單能為企業(yè)節(jié)約了巨大的成本，創(chuàng)造更多的利潤(rùn)空間，還能減少二氧化碳這種溫室氣體的排放，更符合當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展和綠色環(huán)保的要求。中空纖維膜技術(shù)具有低能耗、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，它能有效避免傳統(tǒng)工業(yè)中霧沫夾帶與溝流對(duì)吸收效率的影響，可以作為一種處理二氧化碳的高效新型方法。

1 二氧化碳膜處理法的基本流程

采用該方法處理二氧化碳主要經(jīng)過(guò)吸收、解吸和再處理3步，具體的流程是：①發(fā)酵產(chǎn)生的二氧化碳在膜處理器中被二氧化碳吸收劑吸收。②這部分吸收了大量二氧化碳的富集液被送入到分離塔中，利用吸收二氧化碳反應(yīng)的可逆性和二氧化碳與吸收劑沸點(diǎn)的不同，通過(guò)控制塔中溫度，可以釋放富含二氧化碳的氣體。解吸后的吸收液被送回到膜處理器進(jìn)行再一次的循環(huán)利用。由于吸收二氧化碳的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，因此，在吸收與解吸之間添加換熱器，可以有效利用反應(yīng)熱減少解吸部分中用于提高溫度上的能耗。③氣體冷卻后，用大量活性炭去除其中的水蒸氣和其他雜質(zhì)氣體，保證最終獲得的氣體無(wú)異味。當(dāng)氧氣含量在30 ppm以下時(shí)，能夠滿足二氧化碳純度為99%以上的食品級(jí)要求。在此流程中，二氧化碳吸收劑、能量等都得到了充分的利用。采用中空纖維膜技術(shù)處理二氧化碳的流程如圖1所示。

2 中空纖維膜技術(shù)處理二氧化碳的機(jī)理

與傳統(tǒng)吸收塔吸收氣體的方式相比，用膜可以很好地避免液體溝流、溢流、霧沫夾帶和發(fā)泡等影響吸收效率。但是，大多數(shù)膜技術(shù)需要利用壓縮機(jī)提高壓力，將壓力差作為驅(qū)動(dòng)力來(lái)吸收氣體。采用這種技術(shù)時(shí)的噪聲大，而且占地面積也大。而中空纖維膜技術(shù)利用濃度差作為氣體吸收的驅(qū)動(dòng)力，可以有效避免此類問(wèn)題的發(fā)生。在這項(xiàng)技術(shù)中，中空纖維膜不具有選擇性，僅僅起到“阻隔”的作用。氣體的吸收與選擇主要表現(xiàn)在吸收劑的選擇上——利用不同的吸收劑可以吸收不同的氣體。

2.1 氣液接觸方式的選擇

在膜的外側(cè)通入發(fā)酵產(chǎn)生的氣體，在膜的內(nèi)側(cè)用逆流的方式通入二氧化碳吸收劑。采用逆流的方式可以增大氣體與吸收劑的接觸面積，提高吸收效率。此外，相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，液體、氣體分別在膜的內(nèi)外兩側(cè)通入的這種模式有利于氣體的吸收。鑒于濃度差，氣體會(huì)由中空纖維膜一側(cè)擴(kuò)散至另一側(cè)與吸收劑反應(yīng)。二氧化碳吸收劑的專一性可以保證絕大部分非二氧化碳?xì)怏w不被吸收，確保收集到的氣體有較高的純度。

2.2 氣體吸收劑的選擇

在中空纖維膜技術(shù)中，氣體吸收劑發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在選擇氣體吸收劑時(shí)，不僅要充分考慮吸收氣體的量和效率，還要考慮價(jià)格、反應(yīng)進(jìn)行的難易程度等因素。而對(duì)于食品工業(yè)，所用吸收劑是否具有毒性也是十分重要的考量條件。

氫氧化鈉（NaOH）、甲基二乙醇胺（MDEA）、空間位阻胺（AMP）和一乙醇胺（MEA）等均可以作為二氧化碳吸收劑。其中，雖然氫氧化鈉溶液在吸收二氧化碳的過(guò)程中有很好的表現(xiàn)，但是，氫氧化鈉本身有較大的腐蝕性，容易對(duì)人產(chǎn)生危害，損壞設(shè)備，有較大的安全隱患，因此，不能用于啤酒生產(chǎn)中。還有一部分吸收液是無(wú)毒的，有較好的吸收表現(xiàn)，但反應(yīng)逆向進(jìn)行的條件苛刻，需要的能耗比較大，不符合生產(chǎn)要求，所以，也不在考慮范圍之內(nèi)。經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)，一乙醇胺（MEA）溶液具有低毒性，吸收、解吸高效率的特點(diǎn)，可以被更好的應(yīng)用在食品工業(yè)的二氧化碳處理中。

一乙醇胺（MEA）溶液與二氧化碳的反應(yīng)為：

CO2 + 2HOCH2CH2CH2NH2（MEA）?HOCH2 CH2HNCOO- + HOCH2 CH2NH3+.

在低溫吸收的過(guò)程中，上述反應(yīng)從左到右正向進(jìn)行，同時(shí)放出熱量。之后，在解吸部分，適當(dāng)提高溫度，使反應(yīng)方程式逆向進(jìn)行，釋放較為純凈的二氧化碳?xì)怏w。針對(duì)MEA與二氧化碳的反應(yīng)，解吸時(shí)的操作溫度應(yīng)當(dāng)控制在100～120 ℃，以保證在二氧化碳?xì)怏w充分釋放的前提下，MEA溶液不會(huì)達(dá)到沸點(diǎn)逸出MEA氣體。

3 最低能耗點(diǎn)的選擇

在整個(gè)二氧化碳的處理過(guò)程中，中空纖維膜吸收和活性炭的再處理部分基本不需耗能。耗能最大的部分就是在解吸時(shí)，利用再沸器提高溫度，使反應(yīng)逆向進(jìn)行的部分。因此，再沸器的能耗表征整個(gè)流程的能耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，吸收的氣液比、二氧化碳移除效率和所用MEA溶液的濃度等都會(huì)對(duì)解吸時(shí)的能耗造成影響。借助化工軟件PROII或Aspen Plus模擬整個(gè)流程，再與已有試工廠數(shù)據(jù)的比對(duì)，可以找到最小能耗點(diǎn)。已有研究表明，當(dāng)固定吸收塔二氧化碳去除率為90%時(shí)，再沸器能耗隨吸收塔液氣質(zhì)量流率比值的增大呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。當(dāng)液氣比大約為2時(shí)，能耗達(dá)到最小值3.64 GJ·（tCO2）-1。另外，模擬結(jié)果顯示，并不是循環(huán)吸收量越大，再沸器所需要的能耗就越小。對(duì)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的MEA溶液來(lái)說(shuō)，每千克循環(huán)溶液吸收1.6 mol的二氧化碳是較為理想的操作條件。通過(guò)以上數(shù)據(jù)，對(duì)于一個(gè)每年需要840 kg二氧化碳的小型啤酒廠，按照年開工748 h計(jì)算，最低能耗只需2.41 kW/h。

4 項(xiàng)目危險(xiǎn)性分析

項(xiàng)目危險(xiǎn)性分析可以幫助操作者采取合理的防護(hù)措施，并在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間采取行動(dòng)，避免危險(xiǎn)進(jìn)一步擴(kuò)大。在采用中空纖維膜處理啤酒廠二氧化碳的整個(gè)流程中，除了再沸器的高溫可能會(huì)灼傷操作人員之外，還需考慮MEA溶液的泄漏。MEA可能在貯藏、管道運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生泄漏，在解吸過(guò)程中也可能造成一部分MEA氣體隨著二氧化碳?xì)怏w溢出。雖然MEA不像氫氧化鈉等溶液具有強(qiáng)腐蝕性，但它仍然可能會(huì)對(duì)人的肺部和皮膚造成危害。因此，在最后階段，要用活性炭吸出可能存在的MEA氣體，以保證生產(chǎn)、運(yùn)輸安全。此外，還需要相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)選擇合適的鋼材貯存MEA溶液，并在相應(yīng)的位置貼上警示標(biāo)志。正如文中提到的，大多數(shù)傳統(tǒng)膜技術(shù)需要通過(guò)壓縮機(jī)的作用增大壓力，利用壓力差吸收氣體。采用這種方法會(huì)帶來(lái)許多潛在的危險(xiǎn)，譬如因壓力過(guò)大而引起的爆炸事故。利用濃度差作為吸收驅(qū)動(dòng)力的中空纖維膜技術(shù)則很好地避免了這些問(wèn)題，進(jìn)一步提高了整套設(shè)備的安全系數(shù)。除此之外，還應(yīng)注意二氧化碳的儲(chǔ)存，避免因大量二氧化碳泄漏而導(dǎo)致相關(guān)人員中毒。

5 經(jīng)濟(jì)核算

以一個(gè)年產(chǎn)210 m3的微型啤酒廠計(jì)算，其每年大概需要425 m3二氧化碳。如表1所示，如果以傳統(tǒng)的從外界購(gòu)買二氧化碳的方式來(lái)看，企業(yè)一年僅花費(fèi)在購(gòu)買二氧化碳上的成本就要達(dá)到將近5萬(wàn)元，再加上相關(guān)的運(yùn)輸費(fèi)，花費(fèi)的成本更高。

如果采用中空纖維膜技術(shù)，僅按80%的回收效率計(jì)算，從啤酒發(fā)酵產(chǎn)生的氣體中回收得到的二氧化碳也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于啤酒加工后期所需要的二氧化碳的用量。因此，企業(yè)可以完全不用考慮購(gòu)買二氧化碳的這部分成本，以獲得更大的利潤(rùn)空間。而對(duì)比起其他膜技術(shù)，中空纖維膜因其質(zhì)量輕、占地面積小、能耗小，也可以為企業(yè)節(jié)省包括場(chǎng)地租金等在內(nèi)的一筆不小的費(fèi)用。結(jié)合不同地區(qū)的水電、設(shè)備和材料的價(jià)格，可以粗略得到花在設(shè)備上的成本大約為20萬(wàn)。這其中包括設(shè)備及其安裝的費(fèi)用。而其他每年的固定消耗，譬如水電等能源的消耗，設(shè)備的折舊，定期的維修保養(yǎng)和更換材料的費(fèi)用大約控制在2萬(wàn)元。以此粗略計(jì)算，該企業(yè)投資回報(bào)率ROI約為18%，可以在第6年左右收回設(shè)備投資成本，之后開始盈利。由此可見，從企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的角度來(lái)看，該套設(shè)備具有明顯的優(yōu)勢(shì)。節(jié)約的成本可用于之后的技術(shù)創(chuàng)新、廣告投資、市場(chǎng)推廣等，進(jìn)而為企業(yè)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析并結(jié)合相關(guān)研究可知，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的MEA溶液作為二氧化碳吸收劑，在液氣質(zhì)量流率比值約為2，循環(huán)吸收量為1.6 mol/kg循環(huán)液時(shí)，應(yīng)用中空纖維膜技術(shù)處理二氧化碳可以達(dá)到良好的效果，能夠得到高純度、無(wú)毒、無(wú)味、氧氣含量低的食品級(jí)二氧化碳，同時(shí)，能耗也降低到每噸二氧化碳3.64 GJ的水平。該項(xiàng)技術(shù)可為年產(chǎn)210 m3的微型啤酒廠每年節(jié)約將近3.5萬(wàn)元。

我國(guó)作為最大的啤酒生產(chǎn)國(guó)，每年的啤酒生產(chǎn)量穩(wěn)步增長(zhǎng)，這一新型技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。面對(duì)日趨激烈的啤酒競(jìng)爭(zhēng)，企業(yè)可以通過(guò)此技術(shù)降低成本，創(chuàng)造更大的利潤(rùn)空間，提高其在行業(yè)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)力。但受經(jīng)濟(jì)和科技等方面的限制，這項(xiàng)技術(shù)還未能大范圍推廣。希望可以有更多更深入的研究和革新將這一技術(shù)更早的推向市場(chǎng)。

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作者簡(jiǎn)介：楊梓銘（1994—），女，山西榆次人，在讀本科生，化學(xué)工程專業(yè)。

〔編輯：白潔〕