离交系统设计及在精炼糖厂中的应用

杨 勇，黄艳柏，王长海，蔡吉祥

(1.广西科技师范学院 食品与生化工程学院，来宾 546199;2.大丰英茂糖业有限责任公司，盐城 224145)

0 前言

随着生活水平的提高，人们对食品品质要求也越来越高，因此作为高端食品甜味剂的精制糖越来越受欢迎。精制糖由原糖经过溶解、饱充、过滤、脱色、蒸发、结晶、分蜜、干燥等工序加工而成，其是一种含糖量高、色值低、杂质少的髙品质甜味剂[1-2]。

在精炼糖生产过程中为了稳定获得高质量的目标产品，脱色是整个加工过程中的重要工序，它主要是利用吸附剂吸取制糖过程中生成的色素物质，降低糖浆的色值，目前工业上最常用的脱色手段有活性炭方法[3]和离子交换法[4-5]。其中离子交换树脂因其交换容量吸附能力大、脱色范围广，可以重复再生利用等优点目前在工业上得到了广泛的应用，但因树脂再生影响生产连续性及离交废水量大、难处理等问题，本应用设计一种既满足生产连续性又绿色的脱色方案，为精制糖的生产提供一种新思路。

1 离交系统设计方案

1.1 树脂选择

在制糖过程中，会产生大量的天然色素，如己糖降解物、美拉德反应产物类黑精、焦糖和茶多酚等，这些色素物质均带负电，因此脱色过程应选用强碱性阴离子树脂，且强碱性阴离子交换树脂在较大流量下仍然具有较高的吸附交换效率，本设计拟采用氯型强阴树脂来进行脱色实验[6]。

1.2 脱色工艺设计

由于脱色过程中的糖液中不得含有任何会堵塞脱色柱分布器的悬浮固体或者危害脱色柱内树脂的物质，因此，在进入脱色系统之前设置一组安全过滤器，一旦糖液中所含的悬浮物质含量过高，系统将停止脱色生产。

为了保持生产的连续性，本次脱色系统设置3台脱色柱，每台柱子可以使用12小时，再生过程需要6小时，正常生产过程中有2台脱色柱处于生产运行状态，一台在再生状态，三台脱色柱轮流生产及再生，保持生产的连续性。其中脱色时糖液以逆流方式进入每个脱色柱，树脂层将被紧密地托在每个室的顶部，脱色柱最初充满水，糖浆从柱子底部进入，并逐步将树脂上的水置换出来，从柱顶收集到的只有热水，被直接输送到热水罐，从柱顶逐渐收集到较稀的糖浆被输送至甜水罐，最后脱色后的糖液输送到脱色后糖浆罐，做进一步的浓缩和结晶处理。

当某个脱色柱的树脂对色素吸附饱和时，脱色效率下降，此时脱色柱必须进行再生处理，本设计采用9%的NaCl溶液进行再生。此时脱色柱充满糖浆，先从色谱柱顶部通入热水，出口收集的完全是糖浆，由于此时色度太高不能脱色糖浆罐而回流至脱色进料罐，脱色柱出口收集到逐渐被稀释的糖液输送至甜水罐，再用配好的卤水对树脂柱进行再生，再生废水排至纳滤系统进行处理。

脱色及再生流程图如图1所示。

图1 脱色及再生流程图Fig.1 Decolorization and regeneration flow chart

1.3 纳滤系统设计

纳滤技术是一种广泛应用于工业的膜分离技术，其分离精度主要介于超滤与反渗透之间，对分子尺寸在 1 nm 以上或相对分子质量为 200～1 000 的物质截留作用较强[7]。纳滤过程就是利用分子量和分子尺寸的差异将色素和盐溶液分离开来的过程。

纳滤系统设计为批次处理模式，流程如图2。过滤过程中，滤清液从循环流量中排出并输送到滤清液罐，而此时截留液就循环回流到“废卤水罐”，随着过滤的进行，废卤水的浓缩倍数增加，截留液中色素物质的浓度不断增加，浓差极化现象比较明显，滤清液的通量逐渐下降，此时提高操作压力，保证一个相对稳定的滤清液流量直至最大操作压力下再恒压过滤，当滤清液的体积达到设定量时，停止过滤生产。

经过纳滤得到的滤清液由于NaCl浓度到不到再生树脂的要求，因此将其送至卤水准备罐，再加入NaCl调整盐分浓度以备再生使用。

图2 纳滤系统流程图Fig.2 The flow chart of nanofiltration system

2 运行情况数据采集及结果分析

2.1 脱色系统运行情况分析

项目完成后，待开机正常对生产过程中的原糖色值、饱充后过滤糖浆色值、脱色糖浆色值、蒸发糖浆色值及成品糖色值进行跟踪记录，如表1所示：

从表中可以看出随着原糖色值的变化，过滤糖浆色值及脱色糖浆色值也出现一些波动，但脱色糖浆的脱色率整体在80%左右，脱色后糖浆色值降低明显，全期运行平均色值只有78 IU，从而可以保证蒸发糖浆色值较低，进而保证产品糖的色值控制在精制糖色值国家标准25 IU范围之内，这从成品糖的色值可以看出来。从系统整体运行可以看出这个系统运行稳定，最终产品质量较好。

表1 2020年10月-2020年11月生产过程中各产品色值跟踪记录表Tab.1 Tracking record table of color value of each product in the production process from October 2020 to November 2020

2.2 纳滤系统运行情况分析

通过对纳滤系统运行进行跟踪记录，每次再生得出再生废水33 t，浓缩后可回收卤水29 t，纳滤系统排放废水4 t，废水排放量仅为再生废水的12%，从而大大减少污水排放量，同时回收后卤水由于盐浓度较高，只要添加部分NaCl就可以达到再生的盐浓度要求，通过记录发现NaCl的用量仅为制备新鲜卤水用量的1/3，从而节约大量的NaCl使用量。

3 结论

通过对脱色及纳滤系统的运行跟踪得出，设计的脱色及纳滤系统合理、稳定，对不同品质的糖浆脱色系统能达到80%左右的脱色效应率，最终的产品色值也符合精制糖产品品质要求，纳滤系统的污水排放量仅为再生废水的12%，同时可以节约卤水制备过程中NaCl的消耗量，NaCl的用量仅为制备新鲜卤水用量的1/3，本项目的顺利进行为精制糖的生产提供一条安全、稳定、绿色的脱色方案。