黃玭，張若璇，杭方學(xué)，陸海勤，李凱，2，3＊

（1.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004；2.廣西大學(xué)糖業(yè)工程技術(shù)研究中心，南寧 530004；3.廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南寧 530004）

膜分離技術(shù)在制糖工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

黃玭1，張若璇1，杭方學(xué)1，陸海勤1，李凱1，2，3＊

（1.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004；2.廣西大學(xué)糖業(yè)工程技術(shù)研究中心，南寧 530004；3.廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南寧 530004）

在搜集和整理相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，介紹了膜分離的機(jī)理，著重對膜分離技術(shù)在制糖工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展做了較為全面的綜述，為今后的研究以及實踐提供了參考，并對膜分離技術(shù)應(yīng)用于制糖工業(yè)中存在的問題以及未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了討論。

膜分離；制糖工業(yè)；應(yīng)用；研究

制糖澄清過程主要是一系列的分離和提純過程［1］。為此，要使用一定量的石灰、硫磺、磷酸、絮凝劑（聚丙烯酰胺）等化學(xué)物質(zhì)作為澄清劑來促使分離和提純過程的完成［2］。而使用這種高污染、低品質(zhì)、高能耗的化學(xué)方法使得制糖企業(yè)早已倍感現(xiàn)代社會帶來的壓力［3］。隨著社會的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，膜過濾這一物理分離技術(shù)引起了制糖人士的廣泛關(guān)注［4］。由于其在水處理、食品加工、生物醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域的出色表現(xiàn)，使得人們有理由相信它具有引發(fā)未來糖業(yè)革命的潛能［5，6］。膜分離技術(shù)在制糖工業(yè)中的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)70年代初［7］。膜過濾可有效地去除糖汁中的懸浮物、色素以及蛋白質(zhì)、葡聚糖、膠體、淀粉、蔗脂、蔗臘等大分子物質(zhì)，從而降低糖汁的色值和粘度，顯著改善糖品的質(zhì)量，因而極具開發(fā)價值［8］。近些年來，膜分離技術(shù)在制糖工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)一步擴(kuò)展，除了應(yīng)用于混合汁的澄清之外，還涉及到其他不同的物料，包括加灰汁、清汁、粗糖漿、原糖回溶糖漿、赤砂糖回溶糖漿以及糖蜜等。這些研究均取得了較好的成果，展示了膜分離技術(shù)在制糖工業(yè)中廣泛的應(yīng)用前景［9－11］。本文在收集和整理相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，著重對近年來膜分離技術(shù)在制糖工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展做了較為全面的綜述，以期為今后的研究以及實踐提供參考。

1 膜分離的機(jī)理

膜分離過程可看作是與膜孔徑大小相關(guān)的篩分過程，是以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動力、膜為過濾介質(zhì)，當(dāng)原料液流經(jīng)膜表面時，只允許水、無機(jī)鹽、小分子物質(zhì)透過膜，而阻止原料液中的懸浮物、膠體和微生物等大分子物質(zhì)通過，從而實現(xiàn)分離澄清的目的。膜的截留作用可分為膜的表層截留和膜內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)截留，其中膜的表層截留有3種作用方式：機(jī)械截留、吸附截留和架橋截留。陶瓷膜的各種截留作用示意圖見圖1［12］。

圖1 陶瓷膜各種截留作用示意圖Fig.1 The schematic diagram of different interceptions of ceramic membrane

膜過濾的方式可分為死端過濾和錯流過濾2種。錯流過濾是指原料液流動的方向平行于膜表面，在壓力的驅(qū)動下含小分子組分的澄清液通過與之垂直的方向向外透過膜，含大分子組分的混濁濃縮液（截留液）被膜截留，從而使流體達(dá)到分離、濃縮、純化的目的。死端過濾又稱為全過濾，是指溶劑和小于膜孔徑的溶質(zhì)在壓力的驅(qū)動下透過膜，大于膜孔徑的顆粒被膜截留，堆積在膜面上。死端過濾操作簡單，但膜污染和濃差極化嚴(yán)重，主要用于實驗室的小型實驗。而錯流過濾與死端過濾相比，流體流動平行于過濾表面，在膜表面產(chǎn)生了剪切應(yīng)力，可以帶走膜表面的沉積物，防止濾餅不斷積累，減小濃差極化對膜通量的影響，使之處于動態(tài)平衡，使過濾操作可以在較長的時間內(nèi)進(jìn)行。

2 膜分離技術(shù)在制糖工業(yè)中的應(yīng)用研究

2.1 膜分離技術(shù)在混合汁澄清中的應(yīng)用

一般認(rèn)為，膜過濾應(yīng)用于制糖工業(yè)的目的是取代或者大部分取代傳統(tǒng)的澄清工藝，而不是作為傳統(tǒng)制糖澄清工藝的補(bǔ)充，因此膜過濾在制糖澄清工藝中應(yīng)盡可能向前移［13］。為此，如能將膜過濾應(yīng)用于混合汁的澄清是較好的選擇［14］。從事膜分離技術(shù)應(yīng)用與研究有較高權(quán)威的美國陶氏化學(xué)公司（DOW CHEMICAL）曾與美國CAMECO糖業(yè)設(shè)備公司屬下的洪艾倫公司（HONIRON）合作，以聚苯乙烯（Polystyrene）為材料制成的有機(jī)膜過濾澄清甘蔗糖廠的混合汁。他們先在哥倫比亞一家甘蔗糖廠進(jìn)行中試試驗，成功后擴(kuò)大到在佛羅里達(dá)州和夏威夷各一間甘蔗糖廠進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用［15］，其工藝流程圖見圖2。

圖2 膜過濾甘蔗汁工藝流程圖Fig.2 The process flow diagram of filtration of sugarcane juice with membrane

該膜過濾裝置由四級串聯(lián)的膜組件（立式圓柱形，直徑約為1.5m）組成（日產(chǎn)白砂糖100t），每級膜組件由許多直徑為1.5～3.0mm的膜管束組成，安裝方式類似于列管式換熱器；膜管的過濾孔徑在0.1～0.2μm之間；每級膜組件的過濾面積約為90m2。甘蔗糖廠的混合汁（甘蔗汁）經(jīng)過孔徑為170μm的篩網(wǎng)過濾后，加入石灰乳調(diào)節(jié)甘蔗汁的pH為6.6～6.8，得到加灰甘蔗汁；將加灰甘蔗汁加熱到80℃后，再經(jīng)篩網(wǎng)孔徑為50μm的旋振篩過濾后，得到預(yù)處理甘蔗汁；預(yù)處理甘蔗汁經(jīng)第一級膜過濾后，得到第一截留液和甘蔗澄清汁；第一截留液經(jīng)第二級膜過濾后，得到第二截留液和甘蔗澄清汁；第二截留液經(jīng)第三級膜過濾后，得到第三截留液和甘蔗澄清汁；第三截留液經(jīng)第四級膜過濾后，得到濃縮液和甘蔗澄清汁。最后排出的濃縮液的純度為15%～20%，作為副產(chǎn)物與廢蜜合并再利用。甘蔗汁經(jīng)膜過濾后，能得到質(zhì)量較好的甘蔗澄清汁，蔗汁中的懸浮物以及絕大部分大分子物質(zhì)如大分子色素、葡聚糖、蔗脂、蔗蠟、蛋白質(zhì)、膠體、淀粉等均能被過濾去除。甘蔗澄清汁經(jīng)蒸發(fā)濃縮、煮糖結(jié)晶后可得到色值為100～150IU的白砂糖。每過濾1天（24h）需要清洗膜1次，膜的使用壽命為400～500天。

2.2 膜分離技術(shù)在亞硫酸法或石灰法清汁澄清中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的制糖澄清工藝（亞硫酸法和石灰法）不能有效地去除糖汁中的非糖分，如懸浮物、葡聚糖、淀粉、蛋白質(zhì)、脂蠟、膠體以及色素等物質(zhì)。相比之下，膜過濾能更有效地去除這些大分子物質(zhì)和懸浮物［16］。由于傳統(tǒng)的制糖澄清工藝已經(jīng)去除了蔗汁中的大部分非糖雜質(zhì)，因此當(dāng)用膜過濾澄清清汁時的膜通量要大于直接過濾甘蔗汁時的通量［17］。因此，將膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)的制糖澄清工藝耦合，不僅能獲得良好的澄清效果，得到更高品質(zhì)的甘蔗澄清汁，還能有效地提高膜滲透通量，節(jié)約膜設(shè)備投資的成本［18］。

Ghosh和Balakrishnan［19］對截留分子量為20kDa的卷式超濾膜（聚醚砜）過濾澄清亞硫酸法糖廠的清汁進(jìn)行了中試試驗，其中試工藝流程圖見圖3。

圖3 中試裝置流程圖Fig.3 The schematic diagram of demonstration plant set－up

從沉降池出來的清汁（91～97℃）依次經(jīng)過100，50，10μm的不銹鋼篩網(wǎng)以及1μm的濾芯過濾后進(jìn)入有機(jī)膜超濾系統(tǒng)。預(yù)處理后的清汁經(jīng)有機(jī)超濾膜過濾澄清后得到的滲透液送去蒸發(fā)罐蒸發(fā)濃縮，最終膜濃縮液送回混合汁箱。該有機(jī)膜超濾系統(tǒng)共有40個膜組件，每個膜組件的過濾面積為20.23m2，總的膜過濾面積為809m2，總處理量為10m3／h。研究結(jié)果表明：預(yù)處理后的清汁經(jīng)有機(jī)膜超濾后可得到質(zhì)量較好的甘蔗汁，純度提高0.9%，濁度去除率為31%，脫色率為47%。膜過濾的平均通量為7L／（m2·h），膜滲透通量受原料液中懸浮物含量的影響較大，糖汁進(jìn)入超濾系統(tǒng)前要保證沒有懸浮物或者懸浮物的含量較少，否則很容易引起膜嚴(yán)重污染，從而導(dǎo)致膜滲透通量下降。

法國APPLEXION公司是專門研究色譜分離、離子交換樹脂、膜分離技術(shù)在制糖工業(yè)中應(yīng)用的公司。該公司曾與美國夏威夷糖業(yè)公司合作，于1994／1995榨季在日榨甘蔗量為5000t的普連糖廠（Puunene Sugar Mill）全榨季采用陶瓷膜過濾清汁（石灰法），生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)原糖，商品名為“極低色值原糖”（Super Very Low Color Sugar），該工藝稱為NAP（New Applexion Process）工藝，其陶瓷膜過濾系統(tǒng)裝置圖見圖4。

圖4 NAP工藝陶瓷膜過濾系統(tǒng)Fig.4 The ceramic membrane filtration system of New Applexion Process

該工藝一共設(shè)置有2條生產(chǎn)線交替使用，每條生產(chǎn)線由三級串聯(lián)的陶瓷超濾膜組成（Feed and Bleed System）；每級膜有10個膜組件，每個膜組件中含有99根膜管；膜管的通道數(shù)為19，通道直徑為2.5mm；膜管長度分別為1200mm和865mm，膜管外徑分別為25mm和20mm；膜孔徑為0.02μm，膜層（分離層）材料為氧化鋯；三級超濾膜的總過濾面積為940m2。

從沉降池出來的清汁（石灰法清汁），經(jīng)過2臺連續(xù)的粗過濾器過濾后進(jìn)入暫儲箱。暫儲箱中的甘蔗汁經(jīng)泵先泵入高壓膜組件后，再進(jìn)入低壓膜組件，在壓力的驅(qū)動下甘蔗汁徑向透過膜獲得澄清。每級膜均設(shè)有蔗汁循環(huán)泵，以保證蔗汁進(jìn)入膜組件的壓力，蔗汁經(jīng)過三級膜過濾后排出的濃縮液為進(jìn)入超濾系統(tǒng)總汁量的10%（VCF＝10）。膜的清洗周期為24～48h，膜清洗時先用熱水沖洗，再用0.03%的次氯酸鈉溶液清洗，最后用0.5%的磷酸溶液清洗膜。用NAP新工藝在1994／1995榨季運(yùn)行生產(chǎn)的結(jié)果如下：澄清汁純度提高0.65%，澄清汁濁度去除率為99%，清汁硬度降低85%，煮煉回收提高0.8%，制成的原糖產(chǎn)品轉(zhuǎn)光度為99.45%，色值為500～600IU（一般原糖色值為1500～4000IU）。該法的好處是：提高成品糖的質(zhì)量，用這種低色值、高轉(zhuǎn)光度的原糖為原料，回溶生產(chǎn)精糖，可省去復(fù)篩和清凈工序，從而降低生產(chǎn)成本；提高糖分回收率；減少清洗蒸發(fā)罐的次數(shù)和藥劑；縮短煮糖時間。但是，由于受當(dāng)時科學(xué)技術(shù)的限制，膜材料和膜加工技術(shù)相對落后，該套設(shè)備使用4年后，由于膜的損壞較多，更新所需的費(fèi)用過大，已停止使用［20］。相似地，Wittwer［21］以孔徑為0.1μm的不銹鋼膜對過濾澄清石灰法糖廠的清汁進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗。試驗研究結(jié)果表明：不銹鋼膜過濾石灰法糖廠的清汁可獲得較高的膜滲透通量為170L／（m2·h），膜過濾后的甘蔗汁經(jīng)蒸發(fā)濃縮、煮糖結(jié)晶后可獲得高品質(zhì)的原糖色值為250～300IU。

2.3 膜分離技術(shù)在精煉糖廠回溶糖漿澄清中的應(yīng)用

在精煉糖廠生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)的方法是先通過復(fù)篩除去原糖中40%～50%的色素，然后將原糖溶解，得到回溶糖漿，再利用碳飽充及過濾（或者磷酸上浮及過濾）的方法除去回溶糖漿中剩余色素的40%～60%，最后使用離子交換樹脂對回溶糖漿進(jìn)行除鹽脫色，結(jié)晶后即可得到純度約為99.9%的產(chǎn)品。但是經(jīng)碳飽充及過濾（或者磷酸上浮及過濾）后的回溶糖漿濁度仍較高，很容易污染后序工段的離子交換樹脂，不僅增加了離子交換樹脂的負(fù)荷，還降低了離子交換樹脂的壽命［22］。

為了降低進(jìn)入離子交換樹脂前回溶糖漿的濁度，有些精煉糖廠將經(jīng)過碳飽充（或者磷酸上?。┖蟮幕厝芴菨{依次經(jīng)過板框壓濾機(jī)、葉濾機(jī)以及袋式過濾器三級過濾，但效果仍然不理想。為使精煉糖廠能獲得良好的澄清效果，Mark［23］將65°Bx的原糖回溶糖漿經(jīng)過適當(dāng)?shù)南♂尯螅越亓舴肿恿繛?0kDa的超濾膜進(jìn)行過濾澄清，發(fā)現(xiàn)超濾可除去回溶糖漿中95%的色素以及絕大部分非糖雜質(zhì)。這種方法除去了回溶糖漿中絕大部分色素、大分子物質(zhì)以及懸浮物等，如再使用離子交換樹脂對其進(jìn)行除鹽脫色就很少被污染，是回溶糖漿進(jìn)入離子交換樹脂前一種極好的前處理方法。但是，“適當(dāng)稀釋”的程度以及膜通量的大小在文中并未提及。

Hamachi等［24］以膜孔徑為0.02μm、截留分子量為5kDa及1kDa的陶瓷膜分別過濾28°Bx和46°Bx的原糖回溶糖漿，分別考察了在不同操作條件下3種不同孔徑的膜過濾糖漿時的穩(wěn)定通量及脫色率，其研究結(jié)果見表1。

表1 不同孔徑的陶瓷膜過濾糖漿時的穩(wěn)態(tài)通量和脫色率Table 1 The steady－state flux and decolorization values for different ceramic membranes

由表1可知，當(dāng)膜孔徑從0.02μm減小到截留分子量為1kDa時，膜滲透通量也隨著膜孔徑的減小而減小，但是過濾后回溶糖漿的脫色率隨著膜孔徑的減小而增大，截留分子量為1kDa的陶瓷膜對回溶糖漿的脫色率可達(dá)58.67%，跨膜壓差和膜面流速對脫色率的影響不明顯。

Karode等［25］分別以截留分子量為5～100kDa的聚醚砜（PES）有機(jī)膜和截留分子量為15～50kDa的無機(jī)陶瓷膜過濾澄清50°Bx的原糖回溶糖漿。研究結(jié)果表明：膜過濾不僅能有效地去除回溶糖漿中的懸浮物、蛋白質(zhì)、淀粉、膠體、葡聚糖、脂蠟、細(xì)菌等非糖雜質(zhì)，還能提高糖漿的純度和降低糖漿的色值；截留分子量為30～50kDa的有機(jī)膜和陶瓷膜過濾50°Bx的回溶糖漿時，可獲得約50L／（m2·h）的穩(wěn)態(tài)通量以及50%左右的脫色率。

Fu Xiong等［26］對超濾膜系統(tǒng)在精煉糖工藝中的應(yīng)用做了較為詳細(xì)的研究。結(jié)果表明：超濾膜可分別去除原糖回溶糖漿以及蜜洗糖漿中48.7%和58.2%的色素；采用超濾膜處理蜜洗糖漿可去除蜜洗糖漿中影響蔗糖結(jié)晶的大部分非糖雜質(zhì)，同時粘度降低17%；膜分離技術(shù)可縮短精制糖澄清工藝流程，在投資和操作費(fèi)用顯著降低的同時，能生產(chǎn)出高品質(zhì)的精制糖產(chǎn)品，以滿足消費(fèi)者的需求。

3 結(jié)論

膜分離技術(shù)作為一項高科技新技術(shù)應(yīng)用于制糖工業(yè)不僅可以簡化傳統(tǒng)的制糖生產(chǎn)工藝流程、降低能耗、減少生產(chǎn)成本，還可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，從而提高產(chǎn)品的附加值，既提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，又豐富了市場供應(yīng)，因此該技術(shù)在制糖工業(yè)中具有非常廣泛的應(yīng)用前景，是一項非常具有潛力的科學(xué)技術(shù)［27－30］。目前，膜分離技術(shù)在制糖工業(yè)中的應(yīng)用大部分還處于試驗研究階段，并沒有大規(guī)模的應(yīng)用［31，32］。膜分離技術(shù)要廣泛地應(yīng)用于制糖工業(yè)，需要解決的問題主要是：開發(fā)制造適合糖汁分離的高性能的分離膜及膜設(shè)備，以提高分離效果及實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用；改進(jìn)膜污染控制技術(shù)，進(jìn)行膜面改良，以控制膜污染和膜性能的劣化；對膜污染機(jī)理做科學(xué)詳盡的研究，確定其污染機(jī)理后再從膜本身的微觀改性、系統(tǒng)操作參數(shù)以及料液的性質(zhì)等多方面進(jìn)行綜合分析。隨著人們對膜分離技術(shù)研究的不斷深入，相信這些問題將會得到較好解決，膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)的制糖工藝耦合將為制糖行業(yè)帶來新的活力。

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Research Progress of Membrane Separation Technology Applied in Sugar Industry

HUANG Pin1，ZHANG Ruo－xuan1，HANG Fang－xue1，LU Hai－qin1，LI Kai1，2，3＊
（1.College of Light Industry and Food Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China；2.Engineering and Technology Research Center for Sugar Industry，Guangxi University，Nanning 530004，China；3.Collaborative Innovation Center of Guangxi Sugarcane Industry，Nanning 530004，China）

On the basis of collecting and collating relevant information，introduce the mechanism of membrane separation，and focus on a comprehensive review on the development of membrane separation technology in sugar industry.This review will provide a reference for future research and practice.Further，the existing problems and future development trend of the application of membrane separation technology in sugar industry are discussed.

membrane separation；sugar industry；application；research

TS244.2

A

10.3969／j.issn.1000－9973.2017.04.038

1000－9973（2017）04－0169－05

2016－10－15 ＊通訊作者

黃玭（1990－），女，碩士，研究方向：糖業(yè)綜合利用；李凱（1972－），男，教授級高級工程師，碩士生導(dǎo)師，博士，研究方向：制糖過程強(qiáng)化理論與技術(shù)。