薄膜蒸发技术在低聚糖生产中的应用

李云霄，罗立新，朱唯唯

（武汉大学化学与分子科学学院，湖北 武汉 430072）

葡甘露低聚糖具有抗氧化性[1]、促进益生菌群生长[2]、降低血糖血脂[3-4]的功效，同时可以提高免疫力与抵抗力[5]，应用广泛。而综合现有研究论文来看，对葡甘露低聚糖溶液的后续处理工艺研究较少。许多文献对低聚糖的制备工艺着重于得到低聚糖提取液，而对后续的干燥工艺则不甚看重。在工业常用干燥工艺中[6]，喷雾干燥温度较高，一般为150℃左右，处理速度快，但易产生褐变；冷冻干燥技术操作温度低，褐变反应得到有效抑制，但成本较高。因此，找到一种能处理较大批量物料、操作温度相对较低、速度相对较快、成本相对合适的干燥方法是很有必要的。

刮膜式薄膜蒸发器有着物料停留时间短、适合处理热敏物料及黏性物料、分离效率高等特点[7-8]，理论上较适合处理低聚糖提取液。本文研究了薄膜蒸发器单步干燥低聚糖提取液的可行性，拟合得到了单位面积蒸发速率与温度、压强、进料速度等因素间的关系模型方程，并验证了模型的可靠性。这也为以后的中试及工业化生产提供了一定参考。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

（1）原料 魔芋葡甘露低聚糖提取液[9]。按照100U/g 的比例，称取魔芋粉与β-葡甘露聚糖酶，按照每24g 魔芋粉加入100mL 水的比例加入蒸馏水，55℃水浴5h，灭酶，取上清液，经离子交换柱除盐以及大孔吸附树脂脱色，加入一倍体积的乙醇沉降，取上清液，即得魔芋葡甘露低聚糖提取液。

（2）试剂 魔芋粉，武汉纤浓生物科技有限公司；无水乙醇，分析纯，国药集团；β-葡甘露聚糖酶，江苏锐阳生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

（1）仪器 2X-8A 型真空泵，上海奥利泵业制造有限公司；CS501A 超级恒温器，重庆实验设备厂；SSY-H 不锈钢恒温水浴锅，上海三申医疗器械有限公司；HDL-4 离心机，金坛市鸿科仪器厂；电热恒温真空干燥箱，国营创新医疗器械厂。

（2）设备 BM100 型玻璃薄膜蒸发器，由武汉大学与武大电力科技有限公司合作生产，主要部件如图1 所示。原料贮存于原料罐。蒸发器采用导热油夹套加热，导热油的加热与循环由超级恒温器提供。刮板与料液分布器由电机通过联轴器系统带动。蒸发面内径100mm，高度200mm。刮板系统 由4 根聚四氟乙烯柱组合而成，每根柱子上有9 个刮板单元，每个刮板单元高20mm。蒸发产物逐渐汇集并收集于产品罐。蒸出蒸气通过真空系统不断抽走，在冷凝系统中冷凝，并储存于冷凝液回收罐。冷凝系统采用冰盐混合物作为制冷剂，温度为-20℃。

图1 刮膜式薄膜蒸发装置及流程图

1.3 实验方法

1.3.1 温度上限的选择

在0.50L/h 的进料速度、常压、刮膜器转速120r/min 条件，在不同温度下处理物料。以吸光度与得到物料糖浓度（g/L）的比值为色度标准，对温度作图如图2 所示。

图2 色度与温度的关系

实验表明，随着温度的增加，色度缓慢上升。其中，50～70℃时色度变化平缓，超过70℃时色度急剧上升。这是因为过高的温度诱发了褐变反应，物料颜色加深。因此，为了保证产品的质量，将温度上限设置为70℃为宜。

1.3.2 浓缩过程单因素实验

采用单因素实验的方法，以初步了解导热油温度、刮膜器转速、压力以及进料速度对蒸发速度的影响。以浓缩倍率作为考察对象。实验选取因子与水平见表1。

初始操作条件为刮膜器转速120r/min，操作压力5.0kPa，导热油温度60.0℃，进料速度0.50L/h。实验中，仅单因素实验因素水平发生改变，其余条件保持初始操作条件。测定浓缩倍率，每组实验测定3 次，取均值处理。

表1 浓缩过程单因素实验因素及选取水平

1.3.3 干燥过程

通过改变进料速度，可以使得物料在未经到达蒸发器底部之前即已蒸发殆尽。此时，薄膜蒸发器分为两个部分：蒸发物料的蒸发段以及下部刮除已汇集的干燥物料的干燥段。进入干燥段的物料被刮板刮下，收集于产品罐。结合浓缩过程单因素实验结果，在刮膜器转速保持恒定120r/min 的状况下，设计因素水平，如表2 所示。考察单位面积蒸发速率随因素水平的变化规律。

表2 干燥过程单因素实验设计及选取水平

1.3.4 干燥过程响应面设计及模型的建立

以单位面积蒸发速率作为响应值，考察温度区间60.0～70.0℃、压强区间1.0～7.0kPa、进料速度区间 0.21～0.32L/h 条件下的响应值变化，以Design-Expert 软件中Box-Behnken 方法设计实验并分析，得出最终模型。

1.3.5 浓缩倍率计算 依照式（1）计算浓缩工艺中的浓缩倍率。

式中，K 为浓缩倍率；Cout、Cin分别为出料糖浓度和进料糖浓度，g/L。

1.3.6 含水率计算

将物料置于60℃真空干燥箱烘干至恒重，依照式（2）计算干燥工艺中物料的含水率。

式中，md、m0分别为烘干后质量和失重质量，g。

1.3.7 单位面积蒸发速率计算

依照式（3）计算干燥工艺中单位面积蒸发速率。

式中，Gv为单位面积蒸发速率，L/(h·m2)；qv为进料速度，L/h；D 为蒸发面直径，m；h 为蒸发面高度，m。

2 结果与分析

2.1 浓缩工艺的单因素实验

实验结果如图3 所示。实验表明，当进料速度升高时，浓缩效果也迅速降低，从0.50L/h 时的7.10倍降低至2.02L/h 时的2.34 倍。随着温度升高，浓缩效果从50.0℃时的4.12 倍增至70.0℃时的19.87倍。随着刮膜器转速的增加，浓缩效果变好，但当刮膜器转速超过120r/min 后，浓缩效果基本不变。

温度的升高直接导致液体的蒸气压随之升高，液面上压力的降低，导致离开液面的液体分子更难以回到液体表面。这两种情况都有利于液体的蒸发。刮膜器转速的升高使得液体物料更均匀地分布在加热壁表面，料液分布更薄，湍流现象更加明显。但当转速继续升高时，湍流作用达到最大，继续增加转速，料液厚度也不会发生更明显的改变，浓缩倍率几乎不变。

在实验中注意到，黏稠度较大的下层高浓度液体，也可以很好地在蒸发壁成膜，不会有因黏附而导致难以流动的现象发生。这也为单步干燥低聚糖提供了实验依据。

2.2 干燥工艺

2.2.1 干燥工艺实验

实验结果如图4 所示。温度和压强对蒸发速率的影响较大，随着温度的提高或者是压强的降低，蒸发速率急剧增加。流速的改变对蒸发速率的影响较小，当流速增加时，蒸发速率会有小幅度减小。

德博尔等[10]以及张以忱等[11]指出，表观蒸发速率可以用式（4）表示。

式中，Mv为表观质量蒸发速率，g/(s·cm2)；α为凝结系数或反射系数；pv为温度T 时的饱和蒸气压，Pa；p0为液面上方蒸气分压，Pa；μ 为摩尔质量，g/mol。

当进料速度增加时，液面上方的液体蒸气不能被立刻抽走，液体上方蒸气分压增大，造成表观蒸发速率的略微降低。

2.2.2 干燥工艺响应面因素设计与结果

进行响应面设计，水平设计与编码值列于表3。设计并进行因素实验，实验设计与实验结果列于表4。对结果进行回归分析与方差分析，分析结果列于表5。可以看出，X1、X2以及X12项对模型的影响是显著的，且均在99%的水平上对模型有着显著影响。X3项、X1X3项、X2X3项、X1X2项、X22项及X32项的Prob＞F 值大于0.0500，说明其对模型的影响不显 著。模型的方差分析表明，F=242.73，p＜0.0001，模型显著，失拟项F=1.17，表明失拟项不显著，这说明模型与结果吻合较高。去掉系数过小的项，可得模型拟合式：

图3 浓缩过程单因素实验结果

图4 干燥过程单因素实验结果

Y=85.97537-2.84627X1+0.35667X2+1.39667X3- 0.020000X1X3-0.16667X2X3+0.025400X12+ 0.011667X22-2.00000X32

表3 拟合实验水平设计及编码值

表4 因素实验设计及结果

表5 实验结果的回归分析与方差分析

2.2.3 干燥过程响应面图

图5 显示了不同进料速度下，随温度和压强的变化得到的响应面拟合值。与干燥过程单因素实验结果比较可知，两者吻合程度较高。这说明，模型在实验区间内能够很好的符合实际实验情况。

2.3 设备生产性能

由图5 可知，温度和压强对物料处理速率影响较大。当温度设置为最高70℃时，压强的大小直接决定着设备的生产能力。

当蒸发段高度设定为150mm 时，如忽略掉进料速度对蒸发速率的些微影响，可计算出当温度与压强分别设置为70.0℃、1.0kPa 时，设备处理能力为0.50L/h。在70℃、0.50L/h 进料速度，不同压强下，对物料进行处理，计算单位面积蒸发速率，并测量此时真空系统能耗。将能耗与单位面积蒸发速率的比值作为单位能耗，单位能耗和单位面积蒸发速率分别对压强作图，数据列于图6。

图5 干燥过程响应面

图6 单位能耗和单位面积蒸发速率与压强的关系

数据表明，随着压强的降低，单位能耗增加明显，且在压强低于1.0kPa 时增加迅速；物料蒸发速率逐渐增加，从1.5kPa 时的9.41L/(h·m2)增加至0.5kPa 时的9.55 L/(h·m2)，变化较小。综合考虑设备能耗以及处理能力，将压强设置为1.0kPa 较为 合理。

在70℃、1.0kPa、0.50L/h 下进料，蒸发面高度为160mm，与预测的150mm 十分接近，制得的低聚糖产品含水率2.1%。这说明，薄膜蒸发设备用于单步干燥低聚糖可以取得较好的效果，同时说明，在超出区间不大的情况下，模型仍有较好的预测 能力。

3 结 论

利用刮膜式薄膜蒸发设备对低聚糖提取液进行了单步干燥操作。现今工业中一般是根据经验式或者生产实际，来预测高真空下液体物料的蒸发行为。实验得到设备对应的蒸发拟合模型。根据模型设计干燥方案，实验结果与模型预测值十分吻合，在温度、压强、进料速度分别设定为70℃、1.0kPa、 0.50L/h 时设备达到最佳条件，此条件下最终得到了含水率为2.1%的低聚糖产品。这表明，用刮膜式薄膜蒸发设备单步干燥低聚糖提取液是可行的。实验也为后续中试提供了重要的参考参数。

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