臥螺離心機(jī)在淀粉糖生產(chǎn)分離固相中的應(yīng)用研究
行業(yè)動(dòng)態(tài)
淀粉糖是以淀粉為原料通過(guò)水解獲得的甜味劑，可部分替代蔗糖用于食品加工。近年來(lái)，我國(guó)淀粉糖行業(yè)發(fā)展迅速，2013年產(chǎn)能和產(chǎn)量達(dá)到歷史峰值約800萬(wàn)噸，之后由于玉米價(jià)格、蔗糖價(jià)格等諸多因素影響，2016年全國(guó)淀粉糖總產(chǎn)量686萬(wàn)噸。目前我國(guó)淀粉糖生產(chǎn)主要以雙酶法工藝為主，傳統(tǒng)工藝中，淀粉乳經(jīng)過(guò)液化工序后，淀粉分子被α淀粉酶作用分解成多糖，DE值12～18左右，而淀粉中所含的蛋白質(zhì)等雜質(zhì)會(huì)發(fā)生絮凝，液化液在糖化工序中根據(jù)添加酶品種不同得到不同組分和DE值的糖化液，而蛋白質(zhì)等雜質(zhì)會(huì)發(fā)生分層，一部分會(huì)漂浮在糖化罐頂部，一部分會(huì)沉淀在糖化罐底部，糖化結(jié)束后的糖液傳統(tǒng)工藝一般采用真空轉(zhuǎn)鼓或者板框壓濾機(jī)來(lái)去除淀粉中帶來(lái)的1%～1.5%的蛋白質(zhì)、脂肪等雜質(zhì)。由于真空轉(zhuǎn)鼓和板框壓濾機(jī)都需要經(jīng)過(guò)預(yù)涂硅藻土或珍珠巖等助濾劑才能進(jìn)行糖液過(guò)濾，所以過(guò)濾下來(lái)蛋白質(zhì)和脂肪等雜質(zhì)與助濾劑混合，其利用價(jià)值大大降低。
臥螺離心機(jī)作為一種新型分離設(shè)備，主要部件由轉(zhuǎn)鼓、螺旋推進(jìn)器和差速系統(tǒng)等構(gòu)成，分離過(guò)程為：物料在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁以設(shè)計(jì)速度高速旋轉(zhuǎn)，沿著轉(zhuǎn)鼓殼體形成一個(gè)同心液層，成為液環(huán)層。物料內(nèi)所含的固體在離心力作用下沉積到轉(zhuǎn)鼓上，再通過(guò)螺旋的運(yùn)轉(zhuǎn)將干物料推至轉(zhuǎn)鼓錐端，上清液則從轉(zhuǎn)鼓大端排出，實(shí)現(xiàn)固液分離。分離過(guò)程中不需要添加任何助濾劑，確保分離出的重相無(wú)外來(lái)添加的雜質(zhì)。臥螺離心機(jī)具有處理能力大、連續(xù)化作業(yè)和自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在制藥、污泥脫水、化工等行業(yè)成功應(yīng)用。臥螺離心機(jī)在淀粉糖生產(chǎn)中比較少見(jiàn)，僅有少數(shù)報(bào)道在檸檬酸清液發(fā)酵生產(chǎn)中采用。
本研究對(duì)臥螺離心機(jī)在玉米淀粉糖生產(chǎn)過(guò)程中蛋白質(zhì)分離的工藝參數(shù)和運(yùn)行效果進(jìn)行分析，為臥螺離心機(jī)用于淀粉糖和蛋白質(zhì)分離提供參考。
一、儀器和方法
1.1 儀器和設(shè)備
STNX944S臥螺離心機(jī)，AL104電子天平，DHG-9240A電熱鼓風(fēng)干燥箱，DTL-5臺(tái)式離心機(jī)。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 工藝流程
雙酶法生產(chǎn)淀粉糖工藝中，采用臥螺離心機(jī)替代板框過(guò)濾機(jī)或者真空轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾機(jī)，分別對(duì)液化液和糖化液進(jìn)行蛋白質(zhì)分離，以分析不同工藝方案蛋白質(zhì)的分離效果。
1.2.2 操作要點(diǎn)
經(jīng)過(guò)液化工段之后的液化液溫度為95～98℃，工藝中設(shè)置有兩級(jí)換熱器，一級(jí)換熱器液化液與后續(xù)工段的糖漿進(jìn)行料料換熱，換熱后溫度約為75～80℃，二級(jí)換熱器液化液與冷卻水換熱，換熱后溫度為糖化要求的60℃，糖化過(guò)程維持溫度不變。
為試驗(yàn)臥螺離心機(jī)用于液化和糖化后分離固形物的效果，工藝中通過(guò)管道和閥門的切換可以將臥螺離心機(jī)分別應(yīng)用于液化后和糖化后分離固形物。由于臥螺離心機(jī)工作溫度為100℃，出于保護(hù)臥螺離心機(jī)的目的，臥螺離心機(jī)處理一級(jí)換熱后的液化液。
1.2.3 測(cè)定方法
懸浮液固形物含量=M1/M2×100%，式中M1為固形物質(zhì)量，g；M2為液化液或糖化液質(zhì)量，g。
含水率=（M1-M2）/M1×100%，式中，M1為烘干前固體質(zhì)量，g；M2為烘干后固體質(zhì)量，g。
固相回收率=（C1-C2）/C1×100%，式中，C1為分離前懸浮液固形物濃度，%；C2為分離后懸浮液固形物濃度，%。
二、結(jié)果與分析
2.1 臥螺離心機(jī)用于分離液化液和糖化液效果對(duì)比
臥螺離心機(jī)分離液化液和糖化液，糖化液經(jīng)臥螺離心機(jī)分離出的固相水分明顯高于液化液分離出的固相，運(yùn)行過(guò)程中糖化液分離出的固相呈糊狀，在螺旋輸送機(jī)中黏著在螺旋和外壁上，烘干困難。而液化液分離出的固相呈塊狀，容易烘干。原因是物料的黏度影響了固形物的分離，物料的黏度是阻礙其中的固體顆粒沉降速度的重要因素之一，物料溫度越高，液相黏度越低，越有利于分離。黏度過(guò)高，將使離心分離變得十分困難，用離心機(jī)處理這種物料時(shí)分離效果可能極差，因?yàn)榇藭r(shí)的物料不具備很好的自然沉降性能。糖化液溫度為60℃，而液化液經(jīng)過(guò)一級(jí)換熱后溫度為75～80℃，液化液黏度低于糖化液黏度，造成糖化液固相分離困難。因此，臥螺離心機(jī)適合于分離一級(jí)換熱降溫后的液化液。
2.2 不同進(jìn)料量對(duì)臥螺離心機(jī)分離效果的影響
以液化液為原料，通過(guò)調(diào)節(jié)臥螺離心機(jī)進(jìn)料量，隨著進(jìn)料流量增加，固相回收率逐漸降低，主要原因是料液進(jìn)入臥螺離心機(jī)后，固相顆粒在離心力作用下沿徑向沉降，直徑大的顆粒沉降速度快，直徑小的顆粒沉降速度慢，隨著進(jìn)料量增加，流速增加，造成直徑小的顆粒在臥螺離心機(jī)中停留時(shí)間少于沉降所需時(shí)間，進(jìn)而造成臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的固相層厚度增加，固相和液相分界線向轉(zhuǎn)鼓中心移動(dòng)，液相截面積減少，分界線附近還未完成沉降，比較松散的顆粒容易被液相沖刷帶走，降低固相回收率。進(jìn)料流量在13～14m3/h時(shí)，固相回收率變化不大，流量大于14m3/h之后，隨著進(jìn)料流量逐步增加，固相回收率逐步降低，因此，對(duì)于STNX944S臥螺離心機(jī)而言，進(jìn)料流量控制在14m3/h左右運(yùn)行效果較佳。
2.3 不同差速度對(duì)臥螺離心機(jī)分離效果的影響
通過(guò)調(diào)節(jié)差速器參數(shù)設(shè)置，隨著差速度增加，固相含水率不斷增加，而固相回收率先增加后趨于平緩。差速度是指臥螺離心機(jī)運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)鼓和螺旋的旋轉(zhuǎn)速度差，差速度較低時(shí)，螺旋推出固相的速度降低，固相在轉(zhuǎn)鼓中受離心力作用時(shí)間較長(zhǎng)，所以固相含水率較低，但是由于停留時(shí)間長(zhǎng)，造成沉降下來(lái)的固相又滲透到液相中，造成固相回收率降低。差速度較高時(shí)，螺旋推出固相的速度提高，固相在轉(zhuǎn)鼓中受離心力作用時(shí)間短，所以固相含水率較高，但由于停留時(shí)間短，沉降下來(lái)的固相滲透到液相中的幾率降低，因此，固相回收率較高。差速度為10r/min時(shí)，蛋白質(zhì)分離效果較好。
2.4 臥螺離心機(jī)與板框過(guò)濾糖液固形物的對(duì)比
板框過(guò)濾機(jī)過(guò)濾糖液為間歇操作過(guò)程，每個(gè)周期包括預(yù)涂、進(jìn)料、壓榨、卸料和清洗濾布等多個(gè)步驟，預(yù)涂的硅藻土或者珍珠巖與糖液中固形物混合在一起，固相無(wú)法回收利用。卸料和清洗濾布全部由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大且衛(wèi)生條件較差，并且板框過(guò)濾機(jī)過(guò)濾出的糖液固形物含水率約為40%～50%。
臥螺離心機(jī)過(guò)濾糖液為連續(xù)操作過(guò)程，糖液進(jìn)入臥螺離心機(jī)連續(xù)分離出液相和固相，分離過(guò)程無(wú)需添加助濾劑，固相可回收利用。工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，并且整個(gè)操作過(guò)程在密閉環(huán)境下進(jìn)行，衛(wèi)生條件好。臥螺離心機(jī)分離出的糖液固形物含水率約為25%～35%。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用臥螺離心機(jī)過(guò)濾糖液可明顯調(diào)高液相回收率，降低固相烘干能耗。
2.5 臥螺離心機(jī)與板框過(guò)濾糖液固形物經(jīng)濟(jì)效益分析
以年產(chǎn)10萬(wàn)噸淀粉糖漿生產(chǎn)線為例，臥螺離心機(jī)與板框過(guò)濾機(jī)相比，每年可增加副產(chǎn)品收入約131.6萬(wàn)元，成本降低10.6萬(wàn)元，綜合計(jì)算每年可增加收入142.2萬(wàn)元。
三、結(jié)論
臥螺離心機(jī)能夠較好的分離淀粉糖生產(chǎn)中由淀粉原來(lái)帶來(lái)的蛋白質(zhì)、脂肪和灰分等雜質(zhì)，具有自動(dòng)化程度高、分離效果好、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，可完全替代傳統(tǒng)過(guò)濾設(shè)備進(jìn)行糖液過(guò)濾。
STNV944S臥螺離心機(jī)適宜運(yùn)行參數(shù)為：進(jìn)料溫度75～80℃，進(jìn)料流量14～14.5m3/h，差速度10r/min。
臥螺離心機(jī)與板框過(guò)濾機(jī)相比，具有無(wú)助濾劑添加、副產(chǎn)品回收價(jià)值高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)副產(chǎn)品回收可增加企業(yè)效益。
