膜过滤在蔗汁清净中的运用研究

沈石妍，胡瑞云，李艳芳，李雪珍，郭家文

（云南省农业科学院甘蔗研究所，云南开远661699）

膜过滤在蔗汁清净中的运用研究

沈石妍，胡瑞云，李艳芳，李雪珍，郭家文*

（云南省农业科学院甘蔗研究所，云南开远661699）

为研究不同材质、不同孔径滤膜在蔗汁清净中的效果，选用4种不同孔径的陶瓷膜和2种不同截留分子量的有机管式膜对蔗汁进行过滤处理。结果表明，不同孔径膜管过滤蔗汁后膜通量差别较大，蔗汁透过液的质量指标也有较大的差异，200nm孔径的陶瓷膜对蔗汁色素物质去除率可达90%以上，混浊度去除率可达99.9%以上，清净效果优于传统亚硫酸法澄清汁。

蔗汁；膜过滤；膜通量；清净效果

蔗汁是甘蔗经过压榨后的产物，是制糖过程的主要原料。蔗汁中除含有蔗糖、还原糖等糖类物质外还含有许多非糖杂质，如色素、蛋白质、淀粉、胶体、多酚类化合物、葡聚糖、蔗酯蔗蜡以及蔗屑泥砂等[1]，成分非常复杂，使得蔗汁呈混浊不透明状，制糖生产过程中需要尽可能地将其除去。目前大部分甘蔗糖厂均采用亚硫酸法生产工艺，需加入石灰、磷酸、二氧化硫、絮凝剂等化学助剂进行澄清和脱色处理，工艺过程复杂且容易造成化学添加剂在最终产品中的残留。膜分离技术是一种高效的物理分离技术，使用微滤或超滤可得到澄清效果更好、色值更低的清汁，且能避免或减少化学澄清剂的使用[2]，提高了产品的安全性。无机陶瓷膜具有耐高温、寿命长、化学稳定性好、允许苛刻的清洗条件等优点[3]，使得在工业化生产中更有运用优势。本试验的目的在于比较不同孔径的陶瓷膜及有机管式膜在蔗汁过滤过程中的膜通量及清净效果，为实际生产选择较适合的过滤膜提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

样品1和样品2选用云南省农业科学院甘蔗研究所第一试验基地种植的甘蔗。

1.2 主要仪器

陶瓷膜/管式膜实验室小试设备： 型号，CeraMem-0100，1.5kW，膜的过滤方式为切向流过滤，膜过滤装置流程图如图1所示，厦门世达膜科技有限公司生产。

图1 陶瓷膜过滤装置流程

陶瓷膜：孔径800 nm、500 nm、200 nm、100 nm、50 nm各一支，外形尺寸：φ30×500mm、膜过滤面积0.12m2，膜管通道数19个，上海科琅膜技术有限公司生产。

有机管式膜：截留分子量100 KD、50 KD各一支，外形尺寸：φ30×500 mm、膜过滤面积0.084 m2，膜管通道数7个，北京特里高膜技术有限公司生产。

数显pH计（BenverUB-7，德国赛多利斯股份公司）；电导仪（DDSJ-308A，上海仪电科学仪器股份有限公司）；紫外/可见分光光度计（UV754N型，上海精密科学仪器有限公司）；自动折光仪（Rudolph J257，美国鲁道夫公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 样品预处理 将试验用甘蔗经小型压榨机榨汁，蔗汁经200目筛网过滤后放入料液桶中待用。

1.3.2 试验步骤 将膜管安装到膜过滤设备上，启动设备，调节电机频率为50 Hz，控制进膜压力0.3 MPa，当设备运行平稳后，每隔5 min测定膜通量一次，并收集滤出液100 mL于烧杯中，每15 min截样一次，测定样品的pH值、锤度、电导灰分、色值、混浊度、胶体含量。每支膜管测定4组样品，以平均值作为测定结果。

1.3.3 检测方法 水通量检测方法[4]：将待测膜管安装到陶瓷膜小试设备上，在料液桶中装入纯水，启动设备，调节适宜的流量和压力，平稳运行10min后，每5min测定膜管渗透液的体积。为便于比较不同试验条件下的水通量值，通常将其换算为标准水通量，用WFR125表示，即在温度25℃、操作压力0.1MPa（1bar）下，单位面积每小时透过膜管的渗透液体积升数。

WFR125=Q×K/（TMP×S）；TMP=（P1+P2）/2-P3；实测通量=Q/S

式中：TMP—操作压力，bar；P1—为物料进口压力，bar；P2—为物料循环压力，bar；P3—渗透侧出口压力，bar，通常情况下可视为0；Q—渗透侧渗透液流量，L/h；K—温度校正系数；S—膜过滤面积，m2

蔗汁指标检测方法[5]：锤度用折光法、电导灰分用电导法、pH值用电位法、色值用在制品色值测定法、混浊度用在制品混浊度测定方法、胶体用酒精沉淀法。

2 结果与分析

2.1 试验样品指标情况

试验样品指标情况如表1所示。

2.2 温度、压力对膜通量的影响

以100nm陶瓷膜为试验材料，调节膜过滤设备电机功率50 Hz，以纯水为过滤介质，测定不同进膜压力和温度条件下膜通量的变化，图2所示为恒定温度30℃下膜通量随进膜压力变化情况，图3所示为恒定压力0.3MPa下，膜通量随温度变化情况。

表1 蔗汁指标情况

图2 温度对水通量的影响

图3 进膜压力对水通量的影响

从图2可以看出，相同进膜压力下，随着温度的升高膜的通量呈幂指数上升，当温度从30℃升至65℃时，实测水通量提高了1倍，而标准水通量值则维持相对稳定。从图3也可看出，在恒定温度条件下，滤膜的实测水通量随进膜压力的升高呈幂指数上升，当进膜压力从0.075 MPa升高至0.3 MPa时，实测水通量提高了2倍，而标准水通量值则相对稳定，说明不同的操作条件下测得的膜通量值也各不相同，为便于比较不同膜管的过滤通量，后面试验中通量均换算为标准通量进行比较。

2.3 膜孔径对蔗汁通量的影响

从图4可看出，两个蔗汁样品锤度较为接近，在通过相同孔径的膜管时，其标准通量值也比较接近的，说明试验过程中膜的性能较为稳定，通量测定结果重现性较好。同一蔗汁通过不同孔径的膜管时，膜通量值随膜孔径的减小而减小，在膜孔径从500 nm下降至200 nm时，膜的标准通量下降速度最快，从32 L/（h·m2）下降至17 L/（h·m2）。截留分子量为100 kD和50 kD的有机管式膜通量仅为9 L/（h·m2），较孔径较大的陶瓷膜明显要低很多，通量效果不太理想。

2.4 过膜前后电导灰分变化情况

电导法测定溶液的电导率可反映样品中盐类、游离酸等离子型物质的含量，通过折算可计算出蔗汁电导灰分[5]。从图5可以看出，蔗汁在经过不同孔径的膜管过滤后，电导灰分基本保持稳定，这是因为蔗汁中的盐类和游离有机酸大多为小分子物质，在过滤过程中绝大部分可通过膜孔进入到透过液中，仅有少量大分子有机酸及有机物盐类在过滤过程中被除去，电导灰分会略有降低，但是变化不明显，因此，要减少蔗汁的灰分需要采用膜孔更小的超滤膜或采用离子交换法进行处理。

2.5 过膜前后色值变化情况

图4 膜孔径对蔗汁通量的影响

图5 过膜后蔗汁电导灰分变化情况

蔗汁中色素物质的种类及含量因甘蔗品种的不同有较大差异，试验中两个蔗汁样品的色值分别为55346 IU和33462 IU，过膜后蔗汁的色值变化情况如图6、图7所示。同一蔗汁经不同孔径的膜过滤后，总体来说色值随膜孔径的减小呈下降趋势，但孔径较大的800 nm和500 nm陶瓷膜对色素物质的去除效果比较接近，样品1约为800 IU，样品2约为1300 IU，当滤膜孔径减小到200 nm时，透过液色值明显降低，样品1和样品2的色值基本稳定在600 IU左右，色值去除率可达到98%以上，之后随着滤膜孔径再减小，色值下降速度变缓，说明使用200nm孔径的滤膜即可达到较好的脱色效果。

图6 过膜后蔗汁色值变化情况

图7 过膜后蔗汁色值去除率变化情况

2.6 过膜前后混浊度变化情况

试验中两个蔗汁样品的混浊度分别为265127 MAU和329757 MAU，经膜过滤后的效果如图8、图9所示，从图中可以看出，蔗汁经800nm膜管过滤后混浊度降低至700 MAU以下，混浊度去除率达到99.7%以上；当膜径降低至500nm以下时，混浊度降至100 MAU以下，混浊度去除率达到99.9%以上，蔗汁呈清亮透明液体，澄清效果优于常规亚硫酸法澄清汁。膜径再降低，混浊度下降变缓，说明500 nm陶瓷膜即可达到较好的除杂效果。

图8 过膜后蔗汁混浊度变化情况

图9 过膜后蔗汁混浊度去除率变化情况

2.7 过膜前后pH值变化情况

从表2可以看出，蔗汁过膜后pH值基本保持稳定，略有上升趋势。这可能因为蔗汁的酸度是由蔗汁中乳酸、草酸、乌头酸、柠檬酸等游离有机酸的存在而形成，这些有机酸大多为小分子有机酸，蔗汁在过滤过程中小分子有机酸可通过膜孔进入透过液中，而大分子有机酸则被滤膜阻隔，随着膜孔径的减小，被阻隔的有机酸量增加，导致样品1和样品2透过液的pH值较过膜前的5.37和5.30均略微上升。

表2 滤膜孔径对pH 值及胶体含量的影响

2.8 过膜前后蔗汁胶体含量变化情况

从表2可以看出，蔗汁过膜后，胶体含量（%锤度）随滤膜孔径的减小逐渐下降，蔗汁通过800 nm膜管后胶体降低了3.08%，经200 nm滤膜后降低了8.96%，当使用截留分子量为100 kD的有机管式膜后，胶体含量降低了23.53%。这是因为，蔗汁中的蛋白质和胶体物质分子直径多在1~200 nm间，因此陶瓷膜过滤对胶体物质的去除率不高，需要通过截留分子量更低的超滤膜方可除去。

3 结论与讨论

3.1 蔗汁经膜过滤后，色值、混浊度均发生较大的变化，使用孔径为500 nm的陶瓷膜进行过滤时，透过液质量优于常规亚硫酸法澄清工艺澄清汁质量，实验样品的色值达到1300 IU以下，混浊度达到100 MAU以下，色值去除率可达到90%以上，混浊度去除率达到99.98%以上；200 nm孔径的陶瓷膜可以使透过液色值降低至600 IU以下，混浊度控制在100 MAU以下，优于原糖回溶糖浆的色值，达到了一次结晶提纯的效果，经蒸发煮炼可得到色值较低的高品质白砂糖或通过进一步脱色直接用于精制白砂糖的生产。

3.2 蔗汁经膜过滤后，透过液pH值及电导灰分变化不大，说明通过截留分子量为50 kD以上的滤膜对蔗汁的pH值影响不大，对降低蔗汁的灰分效果也不明显，要得到较低灰分的蔗汁可使用孔径更小的超滤膜或进行离子交换方可取得更好的除盐效果。

3.3 滤膜孔径越小，透过液的质量越好，但膜的通量也会变小，通量过小不能满足实际生产的需求，应根据生产工艺的要求及产品质量的定位选择合适孔径的膜管，在满足工艺要求的同时保证较大的过滤通量值。

[1]霍汉镇.制糖工艺与装备的新概念与新实践[M].北京：全国甘蔗糖业信息中心，2002：1-38.

[2]于淑娟.膜分离技术在制糖工业中的应用[J].中国甜菜糖业，1999（1）：11-14.

[3]熊小兵，曾祥燕，林庆生.膜技术在制糖工业上的研究和应用[J].中国甜菜糖业，2004（3）：21-25.

[4]厦门世达膜科技有限公司.陶瓷膜/管式膜小试设备使用说明书[Z].

[5]李墉，郑长庚.甘蔗制糖化学管理分析方法[M].广州：中国轻工总会甘蔗糖业质量监督检测中心，1995.

Research of Sugarcane Juice Cleansing Using Membrane Filtration

SHEN Shi-yan,HU Rui-yun,LI Yan-fang,LI Xue-zhen,GUO Jia-wen*
(Sugarcane Research Institute,Yunnan Academy of Agricultural Sciences，Kaiyuan Yunnan 661699)

The 4 different aperture of ceramic membrane and 2 different molecular weight cutoff of tubular polymeric membrane were used to filter the sugarcane juice to determine the cane juice purifying effect of different materials and aperture membrane.The result showed that,there were large differences in the membrane flux while using different aperture of ceramic membrane and the quality index of filter liquor has large differences,too.The removal efficiency of pigment in sugarcane juice could be achieved more than 90%,and the opacity could be achieved 99.9%.The purifying effect was superior to the traditional sulfurous process.

sugarcane juice;membrane filtration;membrane flux,purifying effect

S566.1；TS244

A

1007－2624（2017）01－0020－04

10.13570/j.cnki.scc.2017.01.007

2016-08-17

2015云南省蔗糖专项：蔗糖精深加工技术的研究及功能性产品的开发。

沈石妍（1968-），女，高级工程师，主要从事蔗糖深加工及副产物综合利用方面研究。E-mail：okmlshshy@sina.com

郭家文（1979-），男，研究员，从事甘蔗产业综合技术研究。E-mail：79jwguo@163.com