浅谈中空纤维膜技术在啤酒加工中的应用

文章编号：2095-6835（2016）17-0100-02

摘 要：中空纤维膜技术是具有低能耗、清洁环保、噪声污染小等特点的新型高科技技术。介绍了利用中空纤维膜回收啤酒发酵过程中所产生二氧化碳气体的基本流程。此流程通过对气体的吸收、解吸和再处理实现了低纯度二氧化碳向高纯度食品级二氧化碳的转化。结合中空纤维膜的操作机理、最低能耗点等进一步优化了操作条件。项目危险性分析证明了该项目不存在较大的安全隐患，具有可实施性。从长远的角度来看，采用这项技术可以为企业降低成本，有利于其长期发展。

关键词：中空纤维膜技术；二氧化碳；一乙醇胺（MEA）溶液；啤酒

中图分类号：TS261 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.17.100

二氧化碳作为一种无色、无味的气体，在化工、医药、农业等方面被广泛应用，在食品加工行业中的消费量更是占到了国内二氧化碳市场的15%左右。将二氧化碳应用于啤酒生产中，不仅有利于丰富泡沫的形成，使啤酒的口感更丰富，还能通过降低啤酒中溶解氧的浓度提高啤酒的保存期。我国是啤酒生产和消费大国，如果能够将前期发酵过程中产生的二氧化碳有效回收、提纯，并将其注入到后期的啤酒中，不单能为企业节约了巨大的成本，创造更多的利润空间，还能减少二氧化碳这种温室气体的排放，更符合当今可持续发展和绿色环保的要求。中空纤维膜技术具有低能耗、占地面积小等优点，它能有效避免传统工业中雾沫夹带与沟流对吸收效率的影响，可以作为一种处理二氧化碳的高效新型方法。

1 二氧化碳膜处理法的基本流程

采用该方法处理二氧化碳主要经过吸收、解吸和再处理3步，具体的流程是：①发酵产生的二氧化碳在膜处理器中被二氧化碳吸收剂吸收。②这部分吸收了大量二氧化碳的富集液被送入到分离塔中，利用吸收二氧化碳反应的可逆性和二氧化碳与吸收剂沸点的不同，通过控制塔中温度，可以释放富含二氧化碳的气体。解吸后的吸收液被送回到膜处理器进行再一次的循环利用。由于吸收二氧化碳的反应为放热反应，因此，在吸收与解吸之间添加换热器，可以有效利用反应热减少解吸部分中用于提高温度上的能耗。③气体冷却后，用大量活性炭去除其中的水蒸气和其他杂质气体，保证最终获得的气体无异味。当氧气含量在30 ppm以下时，能够满足二氧化碳纯度为99%以上的食品级要求。在此流程中，二氧化碳吸收剂、能量等都得到了充分的利用。采用中空纤维膜技术处理二氧化碳的流程如图1所示。

2 中空纤维膜技术处理二氧化碳的机理

与传统吸收塔吸收气体的方式相比，用膜可以很好地避免液体沟流、溢流、雾沫夹带和发泡等影响吸收效率。但是，大多数膜技术需要利用压缩机提高压力，将压力差作为驱动力来吸收气体。采用这种技术时的噪声大，而且占地面积也大。而中空纤维膜技术利用浓度差作为气体吸收的驱动力，可以有效避免此类问题的发生。在这项技术中，中空纤维膜不具有选择性，仅仅起到“阻隔”的作用。气体的吸收与选择主要表现在吸收剂的选择上——利用不同的吸收剂可以吸收不同的气体。

2.1 气液接触方式的选择

在膜的外侧通入发酵产生的气体，在膜的内侧用逆流的方式通入二氧化碳吸收剂。采用逆流的方式可以增大气体与吸收剂的接触面积，提高吸收效率。此外，相关实验表明，液体、气体分别在膜的内外两侧通入的这种模式有利于气体的吸收。鉴于浓度差，气体会由中空纤维膜一侧扩散至另一侧与吸收剂反应。二氧化碳吸收剂的专一性可以保证绝大部分非二氧化碳气体不被吸收，确保收集到的气体有较高的纯度。

2.2 气体吸收剂的选择

在中空纤维膜技术中，气体吸收剂发挥着至关重要的作用。在选择气体吸收剂时，不仅要充分考虑吸收气体的量和效率，还要考虑价格、反应进行的难易程度等因素。而对于食品工业，所用吸收剂是否具有毒性也是十分重要的考量条件。

氢氧化钠（NaOH）、甲基二乙醇胺（MDEA）、空间位阻胺（AMP）和一乙醇胺（MEA）等均可以作为二氧化碳吸收剂。其中，虽然氢氧化钠溶液在吸收二氧化碳的过程中有很好的表现，但是，氢氧化钠本身有较大的腐蚀性，容易对人产生危害，损坏设备，有较大的安全隐患，因此，不能用于啤酒生产中。还有一部分吸收液是无毒的，有较好的吸收表现，但反应逆向进行的条件苛刻，需要的能耗比较大，不符合生产要求，所以，也不在考虑范围之内。经过一系列的实验，一乙醇胺（MEA）溶液具有低毒性，吸收、解吸高效率的特点，可以被更好的应用在食品工业的二氧化碳处理中。

一乙醇胺（MEA）溶液与二氧化碳的反应为：

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

在低温吸收的过程中，上述反应从左到右正向进行，同时放出热量。之后，在解吸部分，适当提高温度，使反应方程式逆向进行，释放较为纯净的二氧化碳气体。针对MEA与二氧化碳的反应，解吸时的操作温度应当控制在100～120 ℃，以保证在二氧化碳气体充分释放的前提下，MEA溶液不会达到沸点逸出MEA气体。

3 最低能耗点的选择

在整个二氧化碳的处理过程中，中空纤维膜吸收和活性炭的再处理部分基本不需耗能。耗能最大的部分就是在解吸时，利用再沸器提高温度，使反应逆向进行的部分。因此，再沸器的能耗表征整个流程的能耗。实验结果表明，吸收的气液比、二氧化碳移除效率和所用MEA溶液的浓度等都会对解吸时的能耗造成影响。借助化工软件PROII或Aspen Plus模拟整个流程，再与已有试工厂数据的比对，可以找到最小能耗点。已有研究表明，当固定吸收塔二氧化碳去除率为90%时，再沸器能耗随吸收塔液气质量流率比值的增大呈现先降低后增加的趋势。当液气比大约为2时，能耗达到最小值3.64 GJ·（tCO2）-1。另外，模拟结果显示，并不是循环吸收量越大，再沸器所需要的能耗就越小。对于质量分数为30%的MEA溶液来说，每千克循环溶液吸收1.6 mol的二氧化碳是较为理想的操作条件。通过以上数据，对于一个每年需要840 kg二氧化碳的小型啤酒厂，按照年开工748 h计算，最低能耗只需2.41 kW/h。

4 项目危险性分析

项目危险性分析可以帮助操作者采取合理的防护措施，并在恰当的时间采取行动，避免危险进一步扩大。在采用中空纤维膜处理啤酒厂二氧化碳的整个流程中，除了再沸器的高温可能会灼伤操作人员之外，还需考虑MEA溶液的泄漏。MEA可能在贮藏、管道运输过程中发生泄漏，在解吸过程中也可能造成一部分MEA气体随着二氧化碳气体溢出。虽然MEA不像氢氧化钠等溶液具有强腐蚀性，但它仍然可能会对人的肺部和皮肤造成危害。因此，在最后阶段，要用活性炭吸出可能存在的MEA气体，以保证生产、运输安全。此外，还需要相关生产企业选择合适的钢材贮存MEA溶液，并在相应的位置贴上警示标志。正如文中提到的，大多数传统膜技术需要通过压缩机的作用增大压力，利用压力差吸收气体。采用这种方法会带来许多潜在的危险，譬如因压力过大而引起的爆炸事故。利用浓度差作为吸收驱动力的中空纤维膜技术则很好地避免了这些问题，进一步提高了整套设备的安全系数。除此之外，还应注意二氧化碳的储存，避免因大量二氧化碳泄漏而导致相关人员中毒。

5 经济核算

以一个年产210 m3的微型啤酒厂计算，其每年大概需要425 m3二氧化碳。如表1所示，如果以传统的从外界购买二氧化碳的方式来看，企业一年仅花费在购买二氧化碳上的成本就要达到将近5万元，再加上相关的运输费，花费的成本更高。

如果采用中空纤维膜技术，仅按80%的回收效率计算，从啤酒发酵产生的气体中回收得到的二氧化碳也远远大于啤酒加工后期所需要的二氧化碳的用量。因此，企业可以完全不用考虑购买二氧化碳的这部分成本，以获得更大的利润空间。而对比起其他膜技术，中空纤维膜因其质量轻、占地面积小、能耗小，也可以为企业节省包括场地租金等在内的一笔不小的费用。结合不同地区的水电、设备和材料的价格，可以粗略得到花在设备上的成本大约为20万。这其中包括设备及其安装的费用。而其他每年的固定消耗，譬如水电等能源的消耗，设备的折旧，定期的维修保养和更换材料的费用大约控制在2万元。以此粗略计算，该企业投资回报率ROI约为18%，可以在第6年左右收回设备投资成本，之后开始盈利。由此可见，从企业长远发展的角度来看，该套设备具有明显的优势。节约的成本可用于之后的技术创新、广告投资、市场推广等，进而为企业创造更好的经济效益。

6 结束语

通过以上分析并结合相关研究可知，用质量分数为30%的MEA溶液作为二氧化碳吸收剂，在液气质量流率比值约为2，循环吸收量为1.6 mol/kg循环液时，应用中空纤维膜技术处理二氧化碳可以达到良好的效果，能够得到高纯度、无毒、无味、氧气含量低的食品级二氧化碳，同时，能耗也降低到每吨二氧化碳3.64 GJ的水平。该项技术可为年产210 m3的微型啤酒厂每年节约将近3.5万元。

我国作为最大的啤酒生产国，每年的啤酒生产量稳步增长，这一新型技术具有广阔的市场发展前景。面对日趋激烈的啤酒竞争，企业可以通过此技术降低成本，创造更大的利润空间，提高其在行业内的竞争力。但受经济和科技等方面的限制，这项技术还未能大范围推广。希望可以有更多更深入的研究和革新将这一技术更早的推向市场。

参考文献

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[2]Zhang，Z.E.，F，Y.Y.，Zhang，L.et al.Hollow fiber membrane caotactor absorption of CO2 from the flue gas：review and perspective.Global NEST Journal，2014，16（162）.

[3]李晗，陈健.单乙醇胺吸收CO2的热力学模型和过程模拟[J].化工学报，2014，65（1）.

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作者简介：杨梓铭（1994—），女，山西榆次人，在读本科生，化学工程专业。

〔编辑：白洁〕