石灰法制糖清汁陶瓷膜超濾凈化技術(shù)在制糖工業(yè)中應(yīng)用
隨著社會發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進步,膜過濾這一高效、環(huán)保的物理分離技術(shù)引起了從事制糖人士的廣泛關(guān)注?;谀し蛛x(膜過濾)技術(shù)在水處理、發(fā)酵、食品、醫(yī)藥、化工等眾多領(lǐng)域的表現(xiàn),使得其具有引發(fā)未來糖業(yè)革命的潛能。相比于有機聚合膜,無機膜具有耐高溫(甘蔗汁含有豐富的糖類化合物、氮源、碳源、無機鹽等,且濃度適中,較適合微生物生長,極易染菌變質(zhì),適合在高溫的條件下處理)、通量大、使用壽命長、耐污染、易再生、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性強等優(yōu)勢,因而更適合甘蔗汁的過濾澄清。
為進一步提高石灰法制糖清汁的品質(zhì),研究采用孔徑為0.04μm的陶瓷超濾膜處理從石灰法制糖沉降池出來的清汁,考察膜過濾過程滲透通量的大小及其對甘蔗汁的澄清效果,并采用掃描電子顯微鏡(SEM)、X-射線能譜儀(EDX)及傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)研究陶瓷膜過濾甘蔗汁時膜污染的形成以及膜污染物的成分,從而開發(fā)有效可行的膜清洗方案再生污染膜的性能。廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院的李文、謝彩鋒、雷福厚等人對促進傳統(tǒng)石灰法制糖工藝的升級換代有著重要意義,使得到的高原糖不僅可以作為一種可食用的原生態(tài)糖銷售,而且回溶生產(chǎn)精制糖時,還可以去除或簡化回溶糖漿的澄清工藝流程、節(jié)約生產(chǎn)成本。
1、膜滲透通量
陶瓷膜過濾甘蔗汁(石灰法清汁)能獲得較大的膜滲透通量,過濾30h后,陶瓷膜的滲透通量從350.6L/(m2·h)衰減至160.2L/(m2·h),平均通量為177.8L/(m2·h),能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。在過濾的初始階段,膜滲透通量衰減迅速是因為此時膜相對潔凈,污染物易在膜表面迅速累積形成濾餅層也易進入膜層內(nèi)部被網(wǎng)絡(luò)所致,當(dāng)過濾2~6h后,污染物逐步在膜表面形成穩(wěn)定的濾餅層,同時也進一步阻止污染物進入膜層內(nèi)部,膜滲透通量便開始緩慢衰減。
2、澄清效果
石灰法清汁經(jīng)陶瓷超濾膜處理后品質(zhì)得到進一步提升,簡純度可提高2.01個單位,色值去除率為20.20%,澄清度從79.18%提升至99.98%,并且過濾前后甘蔗汁中的轉(zhuǎn)光度無顯著差異,表明陶瓷膜不會截留甘蔗汁中的蔗糖分子或?qū)φ崽欠肿拥慕亓袈实汀?br />
3、污染膜表面微觀結(jié)構(gòu)與膜表面成分分析
雖然陶瓷膜已經(jīng)在適合的操作條件下運行,但是由于膜污染的存在,導(dǎo)致陶瓷膜過濾甘蔗汁的滲透通量不斷衰減。膜污染是膜分離技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中不可避免的關(guān)鍵問題,通過降低膜過濾的滲透通量,從而影響膜過濾的效率和降低膜成套系統(tǒng)的處理量。
4、膜清洗效果分析
清洗方法效果分析
結(jié)果可知,NaOH和NaClO混合溶液對膜通量的恢復(fù)效果明顯,而采用工業(yè)凈水沖洗及HNO3溶液清洗對膜通量的恢復(fù)貢獻要小得多。這也從側(cè)面反映了膜污染物的主要成分為有機物。各清洗階段完成后,膜通量恢復(fù)率高達98.6%,表明本研究建立的膜清洗方法可有效再生污染膜的性能。
驗證實驗結(jié)果
在考察陶瓷膜清洗方法重復(fù)性時,共進行21輪實驗,污染膜通量恢復(fù)率為95.5~100.3%,平均通量恢復(fù)率為97.3%,表明本研究建立的膜清洗方法具有良好的重復(fù)性,適合工業(yè)化應(yīng)用。實驗出現(xiàn)通量恢復(fù)率大于100%的情況主要是由于實驗誤差所致。
結(jié)論
以孔徑為0.04μm的陶瓷超濾膜處理石灰法制糖的甘蔗澄清汁,在跨膜壓差為0.45~0.50MPa、膜面流速為4.0~4.5m/s及過濾溫度為75~97℃的條件下過濾甘蔗汁30h,膜滲透通量從350.6L/(m2·h)衰減至160.2L/(m2·h),平均通量為177.8L/(m2·h),能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。
甘蔗汁經(jīng)陶瓷膜過濾后品質(zhì)被進一步提升,簡純度可提高2.01個單位,色素去除率為20.20%,澄清度從79.18%提升至99.98%,并且過濾前后甘蔗汁中的轉(zhuǎn)光度無顯著差異,表明陶瓷膜不會截留甘蔗汁中的蔗糖分子或?qū)φ崽欠肿拥慕亓袈实汀?br />
研究膜污染形成發(fā)現(xiàn),陶瓷膜過濾甘蔗汁會在膜表面形成一層污染層,膜污染物的主要成分為有機物(如多糖、蛋白質(zhì)、酯類及酚類等物質(zhì)),同時還含有少量的Na、Mg、Al、Si、P、Cl、K、Ca及Fe等無機成分。
污染膜依次采用工業(yè)凈水、1%NaOH-0.5%NaClO混合溶液、0.5%HNO3溶液清洗,膜通量恢復(fù)率均高于95.5%,重復(fù)性較好,是一種有效的膜清洗方法。
(本文《陶瓷膜超濾凈化石灰法制糖清汁》來自于《食品科學(xué)》2019年40卷2期252-258頁,作者:李文、朱瓌之、漆虹、曲睿晶、謝彩鋒、雷福厚、李凱。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20180111-145)