渗透汽化法是近三十年来发展起来的一种新型的膜分离技术，具有选择性高，条件温和，操作简便，清洁卫生等优点，在食品工业中具有巨大的应用潜力，但是用于酒精饮料脱醇的研究很少，渗透汽化膜的性能不够理想是限制渗透汽化技术在该领域进一步工业应用的主要原因。本文将采用本课题组自行研制的PDMS平板复合膜，对葡萄酒、啤酒、黄酒等发酵酒饮料进行系统的渗透汽化脱醇研究，并且对渗透汽化过程中多组分之间的相互作用、硅橡胶复合膜的制备与改性等方面作了大量的研究工作。本文主要取得了以下结果： (1) 在进行渗透汽化分离各种发酵酒的过程中，对酒样和渗透冷凝液中各种风味物质的组成进行准确的定性定量分析是保证实验顺利进行、实验结果具有真实可靠的前提。本文建立了气相色谱法对发酵酒中主要的12种风味物质进行一次性快速测定的方法，并通过重复实验和回收实验，验证了仪器的精密度和方法的可靠性。 (2) 本文采用本课题组自行研制的PDMS平板复合膜对葡萄酒、啤酒、黄酒等发酵酒精饮料进行了渗透汽化分离研究。经过渗透汽化分离后，伴随着乙醇的脱除，脱醇酒中对人体健康有毒害作用的乙醛、甲醇和高级醇类的含量也明显降低，而对人体健康有益的乙酸的含量明显提高(啤酒除外)，从而使脱醇酒的保健作用进一步增强。其中，啤酒在脱醇前后感官质量和理化指标的变化最小，葡萄酒脱醇后醇香味减弱而酸感略增强，而黄滔的感官质量变化较大，形成比较独特的风格。虽然部分风味物质的脱除使脱醇酒的香味有所减弱，但仍然能够保持原酒的典型性，并且保健作用得到增强，整体上利大于弊。此外，葡萄酒经渗透汽化分离后，其渗透液还可以用来勾兑成白兰地和高醇。 (3) 在原料液温度30～35℃，流量300L/h，膜下游侧压力为260Pa下，当葡萄酒、啤酒和黄酒中的乙醇含量分别降至4％、0.85％、6.5％时，本课题组自行研制的PDMS平板复合膜在8-16h内的平均渗透通量能够分别达到993g/m2h、620g/m2h、1500g/m2h，对乙醇的平均分离因子分别为8.14、8.92、7.4，远高于已有的报道值，具有较高的工业应用价值。 (4) 在实验室小试实验的基础上，我们采用不同的膜组件，对渗透汽化脱醇过程进行了放大研究。在放大试验中，膜组件的结构非常重要，尤其是料液板框的结构，直接影响料液在膜表面的流动状态，膜面积越大，这种影响也越大。采用本课题组设计的有效膜面积达0.1404m2的有机玻璃膜组件进行试验，取得了理想的分离效果，其平均总渗透通量和分离因子分别达到928g/m2h和7.77。在此基础上，我们进一步设计了有效面积为2m2的中试试验装置和流程，目前该试验装置正在加工过程中。 (5) 在渗透汽化过程中，操作条件对实验结果有着非常重要的影响。本文根据发酵酒的一般组成，以模型溶液为实验对象，研究了各种操作条件，主要包括原料液温度、渗透侧压强和原料液流量对各种风味物质渗透汽化过程的影响，为过程的放大和优化提供理论基础。操作条件对各种风味物质的渗透汽化行为影响很大，其中，原料液温度对膜的分离性能影响最为显著，而原料液流量的影响相对较小。 原料液温度对渗透通量的影响可以用Arrhenius方程的形式进行表征。随着温度的上升，各种风味物质的渗透通量都有不同程度的提高，组分的渗透汽化活化能越高，通量提高的幅度越大。对于渗透通量，乙醇和异戊醇增加显著，而乙酸乙酯增加程度较小。对于浓缩因子，甲醇基本保持不变，乳酸乙酯和高级醇类明显增加，而乙酸乙酯显著降低。 随着渗透侧压强的增加，各种风味物质的渗透通量均明显降低，并且与压强呈线性关系。其中高级醇类的渗透通量受压强的影响相对较大，而甲醇和乙醇的渗透通量受压强的影响相对较小。随压强的增加，高级醇类以及乳酸乙酯的浓缩因子略降低，乙醇和甲醇的浓缩因子基本保持不变，而乙酸乙酯的浓缩因子则明显升高。 随着进料侧流体流量的增加，各组分的渗透通量和浓缩因子都有不同程度的增加，当流量超过180L/h时逐渐稳定。其中，异丁醇、异戊醇和乙酸乙酯的分离表现受流量的影响相对较大，而乙醇、甲醇和乳酸乙酯相对较小。膜对组分的选择性越高，膜面上的流动状况对该组分的分离表现影响就越大。 所以，当采用本实验的硅橡胶复合膜时，如果要增强乙醇的脱除能力，可以尽量提高原料液的温度和流量，降低渗透侧的压强；当然，与此同时，对其它风味物质的脱除能力也随之有不同程度的增强。如果要求尽量保持高的乙醇脱除率的同时，减少乙酸乙酯的脱除，则可以适当地提高原料液的温度，降低渗透侧压强，并适当降低原料液的流量。此外，操作条件的改变对渗透液的组成有较大的影响，因此，我们可以根据对渗透液组成的需要选择适当的操作条件，这对食品、香料等工业领域中天然香味物质的提取和重组有重要的指导意义。 (6) 对于多组分溶液体系，组分之间存在着复杂的相互作用。本文通过对乙醇/水、风味物质/乙醇/水以及风味物质/水三种溶液体系在相同条件下的对比实验，研究了在不同浓度和温度下，组分之间的耦合作用及其对不同组分传质过程的影响。 在渗透汽化过程中，乙醇和水之间存在着较强的耦合作用，这种作用使硅橡胶膜对乙醇的选择性略有降低，但对水的传质过程影响非常小。乙醇和水之间的耦合作用随着原料液中乙醇的浓度的提高而增强，随原料液温度的提高而减弱。风味物质和乙醇之间也存在着不同程度的耦合作用，这种作用使乙醇的传质过程受到一定的抑制，与乙醇/水体系相比，乙醇的渗透通量基本不变，而分离因子略有降低。随着原料液中乙醇浓度和原料液温度的提高，风味物质和乙醇之间的耦合作用对乙醇传质过程的影响逐渐减弱。各种相互作用对水的传质过程影响非常小。 乙醇和甲醇、正丙醇之间的耦合作用较弱，而与乙酸乙酯，异丁醇，正丁醇和异戊醇之间的耦合作用较强，并且明显降低了风味物质的渗透率。原料液中乙醇的浓度越高，原料液的温度越低，对风味物质的影响越大。这种现象可以通过风味物质在乙醇和水中的溶解度的不同加以解释。当风味物质在水中的浓度范围为10ppm～1000ppm时，组分之间的相互作用以及组分与膜之间的相互作用非常小，对组分的渗透汽化传质过程没有影响，可以将其近似看作理想溶液。由此可以方便地计算出纯组分在相同条件下的渗透系数。 虽然存在多种耦合作用，酒精饮料PV过程的总渗透通量及各组分的渗透通量仍然可以用Arrhenius定律进行表征。 (7) 分离膜的性能是渗透汽化技术的核心，直接决定了渗透汽化过程工业应用的可能性以及发展前景。为了进一步提高硅橡胶复合膜的分离性能，本文对支撑层的结构、性质、孔径分布、阻力等因素，以及活性层厚度对复合膜分离性能的影响进行了研究，并在现有制膜工艺的基础上，通过采用不同的硅橡胶材料和交联剂，对PDMS复合膜进行了初步的改性研究。 支撑层的性质和结构对渗透汽化复合膜的分离性能有很重要的影响，在支撑层的阻力比较大、表面粗糙或者活性层的成膜性不理想时，甚至会起到支配作用。当支撑层具有较大的传质阻力时，活性层的传质阻力也会随之增加，实验表明了复合膜的总传质阻力并非活性层和支撑层阻力的简单加和。 支撑层的平均孔径对复合膜的分离性能也有比较复杂的影响。当平均孔径较大时，渗入层太厚，造成传质阻力增加，并且难以制备超薄皮层的复合膜；当平均孔径过小时，一方面支撑层的阻力增加，另一方面，渗入层太薄，活性层与支撑层复合的程度不够，影响使用寿命。此外，支撑层孔径的影响也随支撑膜化学性质的不同而有很大不同，当支撑层的极性与活性层相近时，渗入现象更加容易产生。当硅橡胶复合膜采用疏水性较强的PVDF微滤膜作为支撑层时，与亲水的尼龙膜相比，乙醇和水的渗透通量都明显增加，但选择性略有降低。 以聚砜作为PV复合膜的支撑层时，高聚物在制膜液中的浓度对聚砜支撑层以及硅橡胶复合膜的性能影响很大。浓度较低时易形成宽大的指状孔，且底部的指状孔易塌陷，上表面粗糙，不利于表皮层的复合；浓度较高时形成的指状孔长度变短，数目减少，孔壁变厚，支撑膜的阻力增大，对复合膜的性能起到支配作用。高聚物的浓度为13％时，形成贯穿的狭长的指状孔，孔壁较薄，成膜性能比较理想。预蒸发时间对聚砜膜的结构和性质有很重要的影响。当预蒸发时间较短时，易形成狭长的指状孔，膜的不对称性明显，阻力较小。随着预蒸发时间的延长，形成的孔逐渐致密化，不对称性逐渐消失，形成均匀的蜂窝状孔，阻力较大，对复合膜的性能产生严重影响。 PDMS硅橡胶中的部分甲基被苯基取代后，空间位阻变大，刚性增强，高分子链段的运动受到一定阻碍，使有机组分在膜内的扩散阻力增大。疏水性苯基的引入可以增加硅橡胶对某些有机物(如丙酮)的溶解度，从而增强其选择性。但是对乙醇和四氢呋喃的选择渗透性则不及传统的PDMS复合膜。 选择适当的交联剂，通过降低交联度、减小高聚物的空间位阻的方法，可以使硅橡胶膜的传质阻力大大减小，从而提高其渗透通量。疏水基团的引入可以使硅橡胶膜的选择性得到一定程度的提高。采用MTMOS和ND30混合交联剂时，PDMS复合膜对乙醇水溶液的PV分离性能得到有效提高，在分离因子保持不变的情况下，渗透通量达到传统复合膜的2-3倍。因此，通过改变交联剂对硅橡胶膜进行改性是简单可行的途径。 本文所取得的实验结果为渗透汽化技术应用于低醇/无醇酒的工业生产以及其它食品、香料领域中风味物质的提取和重组提供了重要的理论依据。