離交系統(tǒng)設(shè)計(jì)及在精煉糖廠中的應(yīng)用

楊 勇，黃艷柏，王長(zhǎng)海，蔡吉祥

(1.廣西科技師范學(xué)院 食品與生化工程學(xué)院，來(lái)賓 546199;2.大豐英茂糖業(yè)有限責(zé)任公司，鹽城 224145)

0 前言

隨著生活水平的提高，人們對(duì)食品品質(zhì)要求也越來(lái)越高，因此作為高端食品甜味劑的精制糖越來(lái)越受歡迎。精制糖由原糖經(jīng)過(guò)溶解、飽充、過(guò)濾、脫色、蒸發(fā)、結(jié)晶、分蜜、干燥等工序加工而成，其是一種含糖量高、色值低、雜質(zhì)少的髙品質(zhì)甜味劑[1-2]。

在精煉糖生產(chǎn)過(guò)程中為了穩(wěn)定獲得高質(zhì)量的目標(biāo)產(chǎn)品，脫色是整個(gè)加工過(guò)程中的重要工序，它主要是利用吸附劑吸取制糖過(guò)程中生成的色素物質(zhì)，降低糖漿的色值，目前工業(yè)上最常用的脫色手段有活性炭方法[3]和離子交換法[4-5]。其中離子交換樹(shù)脂因其交換容量吸附能力大、脫色范圍廣，可以重復(fù)再生利用等優(yōu)點(diǎn)目前在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用，但因樹(shù)脂再生影響生產(chǎn)連續(xù)性及離交廢水量大、難處理等問(wèn)題，本應(yīng)用設(shè)計(jì)一種既滿足生產(chǎn)連續(xù)性又綠色的脫色方案，為精制糖的生產(chǎn)提供一種新思路。

1 離交系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 樹(shù)脂選擇

在制糖過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的天然色素，如己糖降解物、美拉德反應(yīng)產(chǎn)物類黑精、焦糖和茶多酚等，這些色素物質(zhì)均帶負(fù)電，因此脫色過(guò)程應(yīng)選用強(qiáng)堿性陰離子樹(shù)脂，且強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂在較大流量下仍然具有較高的吸附交換效率，本設(shè)計(jì)擬采用氯型強(qiáng)陰樹(shù)脂來(lái)進(jìn)行脫色實(shí)驗(yàn)[6]。

1.2 脫色工藝設(shè)計(jì)

由于脫色過(guò)程中的糖液中不得含有任何會(huì)堵塞脫色柱分布器的懸浮固體或者危害脫色柱內(nèi)樹(shù)脂的物質(zhì)，因此，在進(jìn)入脫色系統(tǒng)之前設(shè)置一組安全過(guò)濾器，一旦糖液中所含的懸浮物質(zhì)含量過(guò)高，系統(tǒng)將停止脫色生產(chǎn)。

為了保持生產(chǎn)的連續(xù)性，本次脫色系統(tǒng)設(shè)置3臺(tái)脫色柱，每臺(tái)柱子可以使用12小時(shí)，再生過(guò)程需要6小時(shí)，正常生產(chǎn)過(guò)程中有2臺(tái)脫色柱處于生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，一臺(tái)在再生狀態(tài)，三臺(tái)脫色柱輪流生產(chǎn)及再生，保持生產(chǎn)的連續(xù)性。其中脫色時(shí)糖液以逆流方式進(jìn)入每個(gè)脫色柱，樹(shù)脂層將被緊密地托在每個(gè)室的頂部，脫色柱最初充滿水，糖漿從柱子底部進(jìn)入，并逐步將樹(shù)脂上的水置換出來(lái)，從柱頂收集到的只有熱水，被直接輸送到熱水罐，從柱頂逐漸收集到較稀的糖漿被輸送至甜水罐，最后脫色后的糖液輸送到脫色后糖漿罐，做進(jìn)一步的濃縮和結(jié)晶處理。

當(dāng)某個(gè)脫色柱的樹(shù)脂對(duì)色素吸附飽和時(shí)，脫色效率下降，此時(shí)脫色柱必須進(jìn)行再生處理，本設(shè)計(jì)采用9%的NaCl溶液進(jìn)行再生。此時(shí)脫色柱充滿糖漿，先從色譜柱頂部通入熱水，出口收集的完全是糖漿，由于此時(shí)色度太高不能脫色糖漿罐而回流至脫色進(jìn)料罐，脫色柱出口收集到逐漸被稀釋的糖液輸送至甜水罐，再用配好的鹵水對(duì)樹(shù)脂柱進(jìn)行再生，再生廢水排至納濾系統(tǒng)進(jìn)行處理。

脫色及再生流程圖如圖1所示。

圖1 脫色及再生流程圖Fig.1 Decolorization and regeneration flow chart

1.3 納濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

納濾技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)的膜分離技術(shù)，其分離精度主要介于超濾與反滲透之間，對(duì)分子尺寸在 1 nm 以上或相對(duì)分子質(zhì)量為 200～1 000 的物質(zhì)截留作用較強(qiáng)[7]。納濾過(guò)程就是利用分子量和分子尺寸的差異將色素和鹽溶液分離開(kāi)來(lái)的過(guò)程。

納濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)為批次處理模式，流程如圖2。過(guò)濾過(guò)程中，濾清液從循環(huán)流量中排出并輸送到濾清液罐，而此時(shí)截留液就循環(huán)回流到“廢鹵水罐”，隨著過(guò)濾的進(jìn)行，廢鹵水的濃縮倍數(shù)增加，截留液中色素物質(zhì)的濃度不斷增加，濃差極化現(xiàn)象比較明顯，濾清液的通量逐漸下降，此時(shí)提高操作壓力，保證一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的濾清液流量直至最大操作壓力下再恒壓過(guò)濾，當(dāng)濾清液的體積達(dá)到設(shè)定量時(shí)，停止過(guò)濾生產(chǎn)。

經(jīng)過(guò)納濾得到的濾清液由于NaCl濃度到不到再生樹(shù)脂的要求，因此將其送至鹵水準(zhǔn)備罐，再加入NaCl調(diào)整鹽分濃度以備再生使用。

圖2 納濾系統(tǒng)流程圖Fig.2 The flow chart of nanofiltration system

2 運(yùn)行情況數(shù)據(jù)采集及結(jié)果分析

2.1 脫色系統(tǒng)運(yùn)行情況分析

項(xiàng)目完成后，待開(kāi)機(jī)正常對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的原糖色值、飽充后過(guò)濾糖漿色值、脫色糖漿色值、蒸發(fā)糖漿色值及成品糖色值進(jìn)行跟蹤記錄，如表1所示：

從表中可以看出隨著原糖色值的變化，過(guò)濾糖漿色值及脫色糖漿色值也出現(xiàn)一些波動(dòng)，但脫色糖漿的脫色率整體在80%左右，脫色后糖漿色值降低明顯，全期運(yùn)行平均色值只有78 IU，從而可以保證蒸發(fā)糖漿色值較低，進(jìn)而保證產(chǎn)品糖的色值控制在精制糖色值國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)25 IU范圍之內(nèi)，這從成品糖的色值可以看出來(lái)。從系統(tǒng)整體運(yùn)行可以看出這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，最終產(chǎn)品質(zhì)量較好。

表1 2020年10月-2020年11月生產(chǎn)過(guò)程中各產(chǎn)品色值跟蹤記錄表Tab.1 Tracking record table of color value of each product in the production process from October 2020 to November 2020

2.2 納濾系統(tǒng)運(yùn)行情況分析

通過(guò)對(duì)納濾系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行跟蹤記錄，每次再生得出再生廢水33 t，濃縮后可回收鹵水29 t，納濾系統(tǒng)排放廢水4 t，廢水排放量?jī)H為再生廢水的12%，從而大大減少污水排放量，同時(shí)回收后鹵水由于鹽濃度較高，只要添加部分NaCl就可以達(dá)到再生的鹽濃度要求，通過(guò)記錄發(fā)現(xiàn)NaCl的用量?jī)H為制備新鮮鹵水用量的1/3，從而節(jié)約大量的NaCl使用量。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)脫色及納濾系統(tǒng)的運(yùn)行跟蹤得出，設(shè)計(jì)的脫色及納濾系統(tǒng)合理、穩(wěn)定，對(duì)不同品質(zhì)的糖漿脫色系統(tǒng)能達(dá)到80%左右的脫色效應(yīng)率，最終的產(chǎn)品色值也符合精制糖產(chǎn)品品質(zhì)要求，納濾系統(tǒng)的污水排放量?jī)H為再生廢水的12%，同時(shí)可以節(jié)約鹵水制備過(guò)程中NaCl的消耗量，NaCl的用量?jī)H為制備新鮮鹵水用量的1/3，本項(xiàng)目的順利進(jìn)行為精制糖的生產(chǎn)提供一條安全、穩(wěn)定、綠色的脫色方案。