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生活處處皆過濾：百變過濾

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黃國楨｜淡江大學化學工程與材料工程學系／專題報導特邀編輯

黃文顥｜臺北市中正高中

過濾在人類的生活與工業的發展中扮演非常重要的角色。由於過濾的對象、目的與可以使用的裝置相當多樣，過濾的操作也千變萬化，因此必須因時、因地制宜。本文就以製作柳橙汁為例說明過濾的百變，你會發覺因為過濾的多樣性而可以視為一種藝術。

過濾的多樣性

埃及的壁畫或祖先的歷史記載都顯示，人類自古就會利用過濾使生活過得更舒適、更方便。只要用一個多孔介質阻擋原物料中的某些物質，而讓其他物質通過就稱作過濾。這個介質的材料並沒有任何限制，可以是紗布、濾網，甚至是沙子填充的沙床。

過濾可以只是一個簡單的操作，例如要喝柳橙汁，除了到超商選購外，若自己動手，也只需要一個榨汁機；又如要喝豆漿，可把黃豆浸泡、磨碎後，再經過紗布過濾並煮沸就可以了。然而，仔細思量完成這些是否只有單一方法可以選擇？以下就以製作柳橙汁為例，談談過濾可以有些什麼變化。

從新鮮柳橙製作柳橙汁，大多數人都會認為再簡單不過，只要把果皮、種子等固體與果汁分開就可以了。因此可以在去皮後用果汁機攪碎，用紗布擠壓過濾，或磨碎後用濾網過濾；也可以使用榨汁機壓榨過濾，或使用手動的研磨過濾。方法眾多，各有各的特點，也都可以順利得到柳澄汁。過濾的方式可說是千變萬化。

傳統的過濾方式

少量一、兩顆柳橙當然可以用上述簡便的方法來做，但如果是幾千、幾萬顆呢？問題就複雜了。對於這種工業上的大量生產就必須使用大型機械，但萬變不離其宗，原理是一樣的。

傳統的過濾機械大致可分成過濾機與離心機兩大類，過濾機最常使用的是板框壓濾機，直接加壓過濾原料，果渣等固形物由濾布攔截，並收集過濾後的液態果汁。過濾壓差則由輸送原料的幫浦提供，工業上使用的過濾壓差經常是幾個大氣壓，甚至高達10大氣壓。

雖然板框壓濾機兼具壓榨效果，能夠把果汁盡可能地壓出，但是一段時間後仍須停機、拆卸、清洗，以致無法連續操作，因此工業上多以多臺過濾機切換輪流使用。此外，工業上所使用的濾板與濾框的寬度經常有1米或更大的，拆卸相當耗費人工，也需器械輔助，很不方便。

離心機是一種有效率的固—液分離裝置，這是因為軸心旋轉所產生的重力效應經常可以高達10,000～50,000 G，可以配合密閉滅菌或溫度控制，而且可以連續操作。

一般常用的離心機包含碟片式與臥式離心機。碟片式離心機又有頂部進料與底部進料等不同設計，但都包含一組層層排列的碟片，碟片之間狹小的間距可以令固體顆粒的運動距離縮短，在很短的滯留時間內就因碰到碟片而被收集到固體出料口。液體則因為密度較低，受到的離心力較小，所以另由液體出料口排放。目前有些新型的設計可以在不拆卸機組的情況下徹底洗滌，節省了人工與生產時間。

臥式離心機的主體是一旋轉的螺桿，物料除了受到螺桿旋轉造成的離心力之外，並會受到螺桿的推擠，使得固體與液體分別從離心機的前後方出料。這種離心機依照進料、出料的方式又有各種不同的設計，有些設計還能把液體再細分離成輕液與重液，選擇非常多樣。一般而言，臥式離心機操作穩定、適用範圍廣、分離效率高，但是購置成本與操作成本並不便宜。

薄膜過濾

近年來，隨著新薄膜材料的研發與製作技術的精進，薄膜過濾的功能越來越強，應用的範圍也跟著拓展。目前有些大量生產柳橙汁的公司在經過試驗、數據分析、裝置改進等研發多年後，都選擇採用高效率薄膜過濾的方法。

巴西的飲料製作公司Citrosuco就是其中翹楚，這公司自從2010年與Citrovita公司合併後，已經成為世界最大的柳橙汁製造公司。新公司有6個廠在巴西，1個在美國，每年製造的柳澄汁占世界供應量的25％，營業額高達11億美元。Citrosuco公司在1996年就已安裝板框式薄膜過濾機，並且克服了果皮油脂對裝置的酸蝕問題，成功使用於柳橙汁的製作。

薄膜過濾包含微過濾、超過濾、奈米過濾、逆滲透等，各種技術使用的薄膜孔徑各不相同，操作的壓力差也不一樣，能過濾的對象也不同。一般在果汁的製造程序中，大都以超過濾做為澄清，逆滲透做為濃縮用途。由於薄膜過濾法可以獲得較高的產品品質，因此能創造更高的利潤。

薄膜可以使用各式各樣的材料來製作，大致可以分成有機與無機材料兩大類，前者由高分子塑膠合成，後者則包含陶瓷、金屬等材料。薄膜又可以製成平板、圓管、多空纖維、螺捲等形狀，各有各的特殊用途。以管狀陶瓷薄膜為例，就具備了可以忍受柳橙的酸性及容易清洗的優點。

柳橙原汁在膜管中流動時，果粒或果膠會被薄膜阻擋，果汁則可以通過膜孔。這個過濾方式的特性就是利用果汁在膜管內部流動時，因為是平行流過薄膜表面，所以可以帶走大部分滯留的果粒或果膠，以降低過濾的阻力，提高過濾速度。

果汁或乳製品很難長時間保持新鮮，加熱殺菌又會造成口感與營養成分的流失，若採用薄膜過濾來除菌，不只可以保留原來的營養成分，維持口感，更能延長保存期限。例如國內已經有數家食品公司推出低溫殺菌的鮮奶、西瓜牛乳等食品，都是採用薄膜過濾技術以保存產品的風味，也獲得了較高的利潤。

薄膜過濾除了成本的考量外，更重要的是它可以針對需要過濾掉的成分彈性選擇薄膜的孔徑，幾乎所有的微細顆粒、蛋白質、維生素、糖分等都能有效分離，因此也能用來製作無糖、無菌或濃縮的果汁，以及去除酸性物質，但仍保有產品的營養成分。

從以上的說明可以知道，由於過濾的對象、目的與可以使用的裝置相當多樣，過濾的操作也變得有彈性，必須因時、因地制宜，就像製作柳橙汁可以用切的、用壓的、用擠的、用絞碎的……因此選擇過濾的操作方法充滿挑戰性，甚至可以視為是一種藝術。

當然，每個人可以選擇只當個「使用者」，使用過濾後乾淨的純水，使用高純度的健康食品或藥物，飲用無菌、高營養的鮮乳與果汁，享受各種純淨、便利的生活。但若你是具有理想抱負的人，就會理解水資源的短缺是未來環境極嚴峻的挑戰。人類可以使用的淡水水源甚少，且大都存在於冰河、極地與地下水中。根據聯合國的預測，到2025年將有50個國家23億人口面臨水源短缺的困境。

使用過濾技術回收水資源或淡化海水，正是未來解決這個問題的方法。目前世界上每年光是用在水處理的微過濾薄膜產值就有17億5千萬美金，臺灣每年製造出口的過濾材料也有上百億臺幣的商機。此外，根據BCC研究機構的分析，海水淡化廠在2013年的全球市場已經達到41億美元，而且之後每年以11.9％的速率成長，到2018年將達到72億美元，這些都是過濾技術蓬勃發展的實證。

總而言之，過濾技術已是生活上不可或缺，更是增進人類福祉的關鍵。

附錄

板框壓濾機由濾板與濾框交錯組合而成，固形物被濾布阻擋，堆積在濾框中形成濾餅，液體則穿過濾布形成濾液。板框壓濾機在高壓操作下可以兼具過濾與壓榨的功能，能夠達到固液分離的目的，而且可以依照進料的處理量調整板框數量來因應。
由於薄膜具有精準的選擇率，可以設計阻擋與通過的物質，因此薄膜過濾在飲料與食品上的應用越來越廣泛，例如在除菌、分離、濃縮、去鹽、回收與純化方面都有眾多實例，使我們生活中的飲料也越來越多元。
管狀陶瓷薄膜多以ZrO₂或TiO₂陶瓷粉末燒結而成，有耐酸鹼、耐高溫等優點。
微過濾、超過濾、奈米過濾與逆滲透都使用薄膜做為過濾介質，都以壓力差做為驅動力，因此又通稱為薄膜過濾。而在果汁的製造程序中，是使用超過濾做為澄清、逆滲透做為濃縮用途。

資料來源

《科學發展》2014年8月，500期，18 ~ 23頁

微過濾(3) 超過濾過濾(3) 逆滲透(12)

生活處處皆過濾：百變過濾

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