离子交换纤维的应用研究（二）

谢军年，黄健泉

（广西大圆糖机设备有限公司，广西 南宁 530022）

8 关键技术难题

目前，离子交换纤维脱色工艺存在的技术问题及难点有：纤维容易泄漏、离子交换纤维装填的均匀性、离子交换纤维易污染及再生废液的处理。

9 针对关键技术难题采用的技术措施

9.1 解决纤维的泄漏问题

在每节交换纤维中的上下各安装一块80目的不锈钢网，内衬一块120目的不锈钢网，在所有出口处内衬一块100目的不锈钢筛网，每节柱子安装时保证平稳。

9.2 解决交换柱的均匀性问题

首先纤维的安装采用湿态装填，装填时压平压紧，装填密度为（102g/ml），入汁时采用自下而上的方式，保证物料在交换柱呈滞留状态运行。

表4 脱色后清汁质量指标

表5 精制糖理化指标

9.3 解决纤维的污染问题

糖汁中的泥、蔗渣等物质会附在纤维表层上，使纤维结块，交换前必须将泥、蔗渣等固体物质除去，因此在交换前进行曲筛过滤，在本次试验中我们采用的措施是在泵头加一层120目的不锈钢网。对纤维造成主要污染的物质胶体，在清汁经过离子交换柱时会附在纤维的表层上以阻碍色素的交换及再生，解决的措施主要是进行深度预处理，清汁先经过1μm袋式过滤器，再经过纤维过滤器。

9.4 再生废液处理问题

再生废液主要包括两部分：一部分是阴离子交换柱排出的废液，一部分是阳离子交换纤维排出的废液。

对废液的处理，下面分别论述。

第一部分：阴离子交换柱排出的废液。

由于阴离子交换纤维使用钙盐进行再生，因此可以在流程中重复使用。废液分为三部分，第一部分色素含量少，氯离子含量高，可回流对纤维进行预再生；第二部分色素含量大，总量约占1/3，可回流到主流程形成钙沉淀将色素沉淀排出；最后一部分色素含量少，也可以对纤维进行预处理。因此阴离子交换纤维的再生每次只需要补充全耗量的1/3即可，最终阴离子交换柱无废液排出。所排部分含大量色素，可提炼成色素作为着色剂，做到回收利用，清洁生产。

第二部分：阳离子交换柱排出的废液。

阳离子交换纤维是使用钠盐进行再生，再生废液中氯离子的含量高，因此完全可以用来对阴离子进行再生，即排出的再生废液用来对阴离子进行再生。

10 产品达到的技术经济指标

脱色后清汁最终要达到的质量指标如表4所示。

精制糖的理化指标应满足GB317-2018要求，如表5所示。

10.1 小试试验结果

脱色率测定方法：

10.2 离子交换纤维对亚法糖汁的脱色试验

试验选取亚硫酸法糖厂的清净汁和澄清汁进行静态脱色对比试验，试验结果见图3、图4。从图3、图4可以看出，离子交换纤维对澄清汁的脱色率明显高于清净汁。清净汁是经过澄清汁与滤清汁混合而成，清净汁比澄清汁含有更多的悬浮物，悬浮物易覆盖在纤维的表面，而离子交换过程是在表面进行，悬浮物阻止了离子交换和吸附脱色过程，使得其对清净汁的脱色效能下降。因此，利用离子交换纤维对糖汁进行脱色，应尽量避免悬浮物特别是胶体的污染。

图3 静态脱色效果图

表6 不同再生剂对纤维再生效果的影响

表7 再生剂浓度对再生效果的影响

表8 脱色清汁性能指标

表9 运行周期中阳离子交换纤维交换容量的变化

表10 离子交换纤维疲劳试验结果

表11 中试清汁各项质量指标变化

11 离子交换纤维再生试验结果

11.1 氯化钙浓度：5%，氯化钠浓度：5%

通过试验可以看出，相同质量浓度的氯化钙的再生效果明显优于氯化钠的再生效果。试验结果见表6。

11.2 不同浓度的氯化钙再生试验

随着浓度的升高，再生效果越来越好，洗出的色素颜色越来越深。考虑到再生成本，实际应用中取氯化钙的浓度为3～5%。试验结果见表7。

图4 澄清汁的动态脱色效能图

12 小生产中试结果

结合中试方案，性能指标测试结果见表8。此数据为广西产品质量监督检验院检测数据。

从表9中可以看出，阳离子交换纤维在运行周期中再生后交换容量略有下降，但再生率均保持在90%以上，这说明再生率稳定。

从疲劳试验结果看（如表10所示），阴离子交换纤维在使用310次以后交换容量下降7.3%，这说明阴离子交换纤维的使用寿命大于310次。同时阳离子交换纤维在使用400次以后交换容量和出厂时交换容量相当，无明显下降，阳离子交换纤维使用寿命大于400次。这说明离子交换纤维用于处理甘蔗糖厂清汁完全可使用2个榨季。

从表11中可以看出，清汁依次经过第一节柱、第二节柱、第三节柱后质量稳定，色值依次降低。清汁从第三节排出后，色值依次升高，到180IU时即处理量为2m3时即饱和，色值迅速下降。

目前离子交换技术在制糖行业已应用到炼糖生产当中，但还未应用到甘蔗糖厂中。在甘蔗糖厂的应用中离子交换纤维与传统的离子交换树脂相比具有得天独厚的优势，见表12。

表12 纤维处理糖汁工艺与其他工艺对比

13 实际达到的技术经济指标

13.1 成本核算（以小型生产线投入计算）

离子交换纤维共20千克，售价按500元/千克计算，总计：10000元。使用寿命按1000次计算，则每次的成本为10元。

再生时每次使用氯化钙40千克，共再生2次，可重复利用，按30%用量核算，此项成本为60元。

每个周期耗电3度，按0.3元/度计算，总计0.9元。

设备折旧和维修费用摊销为5元。

以上总计：75.9元。

13.2 吨糖成本

小型生产线每次至少产糖1.2吨，则吨糖成本为63.25元。

13.3 效益分析

由于不用二次结晶，每吨精制糖生产成本节省汽耗约160元［1］。

这样每吨的收益为160-63.25=96.75元。

人工及管理成本未计算，糖厂吨糖直接效益增加96元。

本工艺是在半灰半硫工艺基础上做的，如果计算此部分成本，效益更加可观。

使用本工艺后将不必停机洗罐，这也为糖厂间接增加了效益。

因此本工艺效益相当可观。

14 离子交换纤维技术的特点及存在问题

国内外对甘蔗糖厂糖汁澄清汁工艺进行大量的研究，本工艺具有如下特点。

第一，离子交换纤维对色素的去除效果不是暂时抑制，而是从根本上去除生色基。

第二，离子交换纤维对清汁的脱色效果相当明显，脱色清汁上乘、稳定。

第三，再生容易，再生时间短。使用钙盐再生，不会形成污染。

第四，离子交换纤维交换速度快，能满足糖厂大规模生产需求。离子交换纤维交换容量大，可以满足脱除糖汁中大量而高浓度色素的需求。

第五，可为糖厂增加效益96元/吨糖。

第六，再生废液可回收再生。

第七，离子交换纤维使用寿命长，可使用2个榨季以上，能满足糖厂榨季要求。

第八，对清汁的适应性强，能满足糖厂生产波动的需求。

糖汁脱色一直以来都是困扰制糖科学家的一个技术难题，广大学者都在试图找到一种高效而廉价的脱色方法，而离子交换纤维正是这样一种理想的载体。

离子交换纤维试验存在的问题如下。

一是交换时阻力大，停留时间长。

纤维本身的结构决定了其阻力系数大，如设备高度越高，阻力越大，这无疑中将增加糖汁在交换柱中的停留时间。从脱色工艺效果看，停留时间越长脱色效果越好，但停留时间长对糖汁蔗糖分还原糖分影响越大，因此两者必须找到一个合适的平衡点。

二是自动控制问题。本次全部采用手动控制，所以试验稳定性不够，有时出现偏差，需设计一套全自动控制系统。

15 结论及今后打算

第一，根据小试及中试的试验结果和实际情况，确定生产试验的工艺流程和工艺条件，可以稳定的处理甘蔗糖厂清汁，为实现一步法制做精制糖创造了条件。

第二，所确定的工艺设备简单、性能可靠，具有一定灵活性，能满足工艺要求。

第三，已确定的工艺技术条件和工艺设备可以长期稳定的生产，清汁的性能指标达到了生产要求的质量检验标准。

第四，在稳定试验生产过程中，根据实际消耗进行了初步的经济核算，吨糖效益增加96元，如能进一步采用技术措施并加强管理，其效益更加可观。

第五，要集中精力解决技术问题，制作大规模设备以满足糖厂生产要求。新工艺的研制成功，将带来制糖业的一次技术进步，糖厂可以从以下几个方面获得良好的经济效益。

一是提高糖厂产品的品质

通过本工艺所生产的清汁色值（150IU以下），完全可以用于生产精制糖，而我国大多数糖厂只能生产优级糖和一级糖，不能生产精制糖。通过该工艺后实现甘蔗糖厂一步法生产精制糖可以整体提升制糖行业产品品质，增强我国制糖业在国际上的竞争力，同时必将带来良好的经济效益。

二是节约能源

糖业是耗能大户，目前我国将节能提到重要的位置，随着人们生活水平的提高，精制糖生产数量将会迅速增加。本工艺把甘蔗直产精制糖变为可能，使得精制糖生产工艺流程得到简化，传统制糖工艺需回溶煮成原糖（所耗蒸气约18～20%对蔗比）。据估算，单就这一步年产100万吨精制糖就可以节约260万吨煤，约值1.8亿元，这无疑为节能生产特别是为糖厂节约成本提供一个良好的平台。

三是提升制糖行业的技术水平

甘蔗制糖业是我区的支柱产业，行业的稳定将影响到社会稳定。离子交换纤维处理甘蔗糖厂清汁新工艺的研发成功是制糖行业技术水平的一个进步，对提升整个制糖技术水平具有重大的作用，有利于提高我国制糖业在国际上的市场竞争力。

四是为糖厂提供多样化经营

本工艺的研究成功，不但可实现一步法生产精制糖，企业根据市场变化可生产精制糖，优级糖及一级糖，为糖厂提供产品多样化经营。