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生活處處皆過濾:百變過濾

每個現代人都可享受各種純淨、便利的產品,例如過濾乾淨的純水、高純度的健康食品或藥物,飲用無菌、高營養的鮮乳與果汁,但你可知道這些便利都來自過濾的千變萬化嗎?
 
 
 
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
  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
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