CN108031289A - 蔗糖液膜浓缩系统及该膜浓缩系统的清洗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了蔗糖液膜浓缩系统及该膜浓缩系统的清洗方法，所述蔗糖液浓缩系统采用两级膜浓缩处理糖分质量分数≤40%的蔗糖液，且控制第一级纳滤卷式膜压力≤80bar、温度≤40℃，第二级纳滤卷式膜压力≤120bar、温度≤40℃；所述膜系统浓缩清洗方法主要采用质量分数为0.5～2.5%的一水柠檬酸溶液进行清洗。本发明提供的蔗糖液膜浓缩系统简单易于操作，温度压力易于控制；自动化程度较高，减少了人力成本的投入，从而缩减了运行成本且充分资源化利用资源；使用一水柠檬酸溶液进行清洗的方法充分利用了一水柠檬酸的弱酸无毒及可食用性进行膜系统的清洗，且清洗效果极佳。

Description

蔗糖液膜浓缩系统及该膜浓缩系统的清洗方法
技术领域
本发明属于物料分离和膜技术领域，具体涉及制糖工艺中蔗糖液膜浓缩系统以及该膜浓缩系统的清洗方法。
背景技术
目前，国内甘蔗精制生产工艺根据澄清工艺的不同主要有石灰法、亚硫酸法和碳酸法，上述方法中的澄清处理步骤主要有三个过程：加热蔗汁、添加澄清剂、分离沉淀。上述方法中利用澄清剂除去初始糖汁中非糖成分等杂质，同时降低糖汁的色度和浊度，但上述方法普遍存在工艺复杂、脱色率低、非糖成分去除率低、澄清剂消耗量大、影响口感等问题。经过澄清的糖汁一般经过多效蒸发步骤将糖汁进行高温浓缩，由于高温浓缩过程，使蔗糖发生转化和分解，产品色度增加，同时还存在蒸发相变的能耗比较高等问题。
因此，研究一种可替代传统生产工艺的技术是必要的。CN102659855B公开了一种节能环保的蔗糖生产工艺，具体步骤包括榨汁、板框过滤、预处理、膜过滤、膜浓缩、离子交换、浓缩、结晶、离心分离和干燥，其膜浓缩部分是蔗糖汁在2.0-4.0MPa的压力下通过截留分子量为150-300Da的纳滤膜进行初步预浓缩，使得到的蔗糖汁浓度达到25%-30%，该纳滤膜材质为聚酰胺。CN105063247A公开了一种利用多级膜过滤技术精制甘蔗混合汁的制糖工艺，在该工艺中依次利用微滤膜技术进行二次过滤、超滤膜进行再过滤、纳滤膜技术再过滤、浓缩器继续浓缩；其中：微滤膜技术处理操作温度为60-95℃、操作压力0.01-0.4MPa，超滤过程中操作压力60-95℃、操作压力1.0-1.5MPa。其采用微滤-超滤-纳滤的多级膜集成过滤技术，虽然大幅度的降低糖汁的色度和浊度及非糖大分子物质的含量进而提高了蔗糖的纯度和收率，但是其膜过滤系统较为复杂。
就膜系统清洗技术而言，常用的是使用清水或盐酸或氢氧化钠洗的方式，用热水循环冲洗对膜通量恢复具有一定效果，但是没有达到彻底清洗的程度；使用氢氧化钠或盐酸冲洗对膜通量恢复具有一定效果，但是其容易给后续进行膜浓缩的蔗糖造成污染，得到的蔗糖品质不好且不便于食用。
针对以上问题，我司进行了大量的试验论证，以期解决。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，在制糖工艺中提供一种新的蔗糖液膜浓缩系统，简化膜浓缩过程，提高浓缩倍数，减少浓缩液的外排。
蔗糖液膜浓缩系统，将浓水糖分质量分数≤40%的蔗糖液依次经过两级纳滤卷式膜浓缩，其中：
第一级纳滤卷式膜压力≤80bar,温度≤40℃；
第二级纳滤卷式膜压力≤120bar，温度≤40℃。
进一步，选用的第一级纳滤卷式膜为80bar纳滤卷式膜。
进一步地，选用的第二级纳滤卷式膜为120bar纳滤卷式膜。
更进一步地，所述第一级纳滤卷式膜操作条件：压力70-72bar，温度≤40℃。
更进一步地，所述第二级纳滤卷式膜操作条件：压力100-120bar，温度≤40℃。
本发明的另一目的在于提供一种使用可用于食用的溶液清洗蔗糖液膜浓缩系统，在不引入新的污染物的前提下进行膜浓缩系统的有效清洗，有利于膜通量的恢复。
用于蔗糖液膜浓缩系统的清洗方法即使用质量分数为0.5-2.5%的一水柠檬酸溶液冲洗进行蔗糖液膜浓缩后的膜浓缩系统。
进一步地，所述的清洗过程中温度控制在35～40℃。
更进一步地，一水柠檬酸溶液优选质量分数为2%的一水柠檬酸溶液。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明中蔗糖液膜浓缩系统简单易于操作，温度压力易于控制；
（2）本发明中蔗糖液膜浓缩系统自动化程度较高，减少了人力成本的投入，从而缩减了运行成本；
（3）本发明的蔗糖膜浓缩系统简化了膜浓缩过程并有效的提高了浓缩倍数，减少浓缩液的外排，绝大部分回流进膜的内循环系统形成资源化利用；
（4）本发明运用一水柠檬酸溶液进行膜系统的清洗，减少了膜系统清洗中的二次污染，提高了蔗糖液膜浓缩的效率，经济效益好；
（5）经本发明的方法进行膜浓缩系统的处理后，膜浓缩系统中膜膜通量恢复效果极好；
（6）本发明提供的一水柠檬酸溶液清洗方式充分利用了一水柠檬酸的弱酸无毒和可食用性，可推广至食品物料浓缩领域使用，应用较为广泛。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
1、蔗糖液浓缩系统测试
实施例1
蔗糖液膜浓缩系统
（1）将浓水糖分质量分数为20%的蔗糖溶液以2.5m3/h直接经过80bar纳滤卷式膜浓缩，蔗糖溶液进膜后逐步升高压力，达到稳定运行后，将膜内压力稳定控制在70～72bar，温度为36～37℃，连续运行120小时后，产水流量为72L/h、产水糖分为0，外排浓水流量为100L/h、糖分为35%；
（2）经80bar纳滤卷式膜处理后产生的浓水进入120bar纳滤卷式膜，逐步提高压力至100～110bar，并在110bar状态下连续稳定运行35h，温度为36℃，产水流量72L/h、产水糖度为0，浓水流量100L/h、浓水糖度为41%。
实施例2
蔗糖液膜浓缩系统
（1）将浓水糖分质量分数为22%的蔗糖溶液以2.5m3/h直接经过80bar纳滤卷式膜浓缩，蔗糖溶液进膜后逐步升高压力，达到稳定运行后，将膜内压力稳定控制在72bar，温度为37℃，连续运行120小时后，产水流量为72L/h、产水糖分为0，外排浓水流量为100L/h、糖分为35%；
（2）经80bar纳滤卷式膜处理后产生的浓水进入120bar纳滤卷式膜，逐步提高压力至120bar，并在120bar状态下连续稳定运行35h，温度为36℃，产水流量72L/h、产水糖度为0，浓水流量100L/h、浓水糖度为44%。
实施例3
蔗糖液膜浓缩系统
（1）将浓水糖分质量分数为35%的蔗糖溶液以2.5m3/h直接经过80bar纳滤卷式膜浓缩，蔗糖溶液进膜后逐步升高压力，达到稳定运行后，将膜内压力稳定控制在72bar，温度为37℃，连续运行120小时后，产水流量为72L/h、产水糖分为0，外排浓水流量为100L/h、糖分为35%；
（2）经80bar纳滤卷式膜处理后产生的浓水进入120bar纳滤卷式膜，逐步提高压力至115bar，并在115bar状态下连续稳定运行35h，温度为37℃，产水流量72L/h、产水糖度为0，浓水流量72L/h、浓水糖度为42%。
实施例4
将经过实施例1-3中蔗糖液膜浓缩系统用清水清洗，控制进膜压力为6bar，用36℃的清水冲洗30min后，产水流量为70L/h；
在试验前就该膜系统使用清水冲洗，控制进膜压力为6bar，用36℃的清水冲洗30min。产水流量为120L/h；
对比试验前后发现，试验后的膜系统产水流量相对于之前有明显下降，实际产水流量下降了41.67%。
为了解决实施例4中产水流量下降的问题，本发明人进行了一系列的用于膜浓缩后膜浓缩系统清洗的试验，并进行相关论证。
2、用于蔗糖液浓缩后膜浓缩系统清洗试验
（1）物品
a.质量分数为1%HCl溶液；
b.质量分数为1%的NaOH溶液；
c.一水柠檬酸。
（2）一水柠檬酸溶液的配置
加入蒸馏水分别配置成质量分数为0.5%、1%、1.2%、1.5%、2%、2.5%一系列的一水柠檬酸溶液。
对比试验1
用热水清洗蔗糖液膜浓缩系统
将40%的蔗糖溶液打入蔗糖液膜浓缩系统浓缩4h，控制第一级纳滤卷式膜（80bar纳滤卷式膜）压力为70～72bar、温度为36～37℃，第二级纳滤卷式膜（120bar纳滤卷式膜）压力为100～110bar、温度为36℃。
用36～37℃的温水冲洗该膜浓缩系统30min，操作压力为6bar，期间可观察到产水流量逐步上升，直至100L/h后不再上升，停止冲洗，用常温（28～29℃）清水外排冲洗并升压至6bar观察产水量，产水量仍然是100L/h。
对比试验2
用1%的HCl溶液清洗蔗糖液膜浓缩系统
将40%的蔗糖溶液打入蔗糖液膜浓缩系统浓缩4h，控制第一级纳滤卷式膜（80bar纳滤卷式膜）压力为70～72bar、温度为36～37℃，第二级纳滤卷式膜（120bar纳滤卷式膜）压力为100～110bar、温度为36℃。
加热质量分数为1%HCl溶液至36～37℃用于冲洗该膜浓缩系统30min，操作压力为6bar，期间可观察到产水流量逐步上升，达到90L/h，停止冲洗，用常温（28～29℃）清水外排冲洗并升压至6bar观察产水量，产水量上升至120L/h。
对比试验3
用1%的NaOH溶液清洗蔗糖液膜浓缩系统
将40%的蔗糖溶液打入蔗糖液膜浓缩系统浓缩4h，控制第一级纳滤卷式膜（80bar纳滤卷式膜）压力为70～72bar、温度为36～37℃，第二级纳滤卷式膜（120bar纳滤卷式膜）压力为100～110bar、温度为36℃。
加热质量分数为1%NaOH溶液至36～37℃用于冲洗该膜浓缩系统30min，操作压力为6bar，期间可观察到产水流量逐步上升，达到90L/h，停止冲洗，用常温（28～29℃）清水外排冲洗并升压至6bar观察产水量，产水量上升至110L/h。
对比试验3
用1%的NaOH溶液清洗蔗糖液膜浓缩系统
将40%的蔗糖溶液打入蔗糖液膜浓缩系统浓缩4h，控制第一级纳滤卷式膜（80bar纳滤卷式膜）压力为70～72bar、温度为36～37℃，第二级纳滤卷式膜（120bar纳滤卷式膜）压力为100～110bar、温度为36℃。
加热质量分数为1%NaOH溶液至36～37℃用于冲洗该膜浓缩系统30min，操作压力为6bar，期间可观察到产水流量逐步上升，达到90L/h，停止冲洗，用常温（28～29℃）清水外排冲洗并升压至6bar观察产水量，产水量上升至110L/h。
用前述配置的一系列一水柠檬酸溶液进行试验测试，具体试验如下：
试验1
将40%的蔗糖溶液打入蔗糖液膜浓缩系统浓缩4h，控制第一级纳滤卷式膜（80bar纳滤卷式膜）压力为70～72bar、温度为36～37℃，第二级纳滤卷式膜（120bar纳滤卷式膜）压力为100～110bar、温度为36℃。
加热质量分数为0.5%一水柠檬酸溶液至36～37℃用于冲洗该膜浓缩系统30min，操作压力为6bar，期间可观察到产水流量逐步上升，达到80L/h，停止冲洗，用常温（28～29℃）清水外排冲洗并升压至6bar观察产水量，产水量上升至105L/h。
试验2
将40%的蔗糖溶液打入蔗糖液膜浓缩系统浓缩4h，控制第一级纳滤卷式膜（80bar纳滤卷式膜）压力为70～72bar、温度为36～37℃，第二级纳滤卷式膜（120bar纳滤卷式膜）压力为100～110bar、温度为36℃。
加热质量分数为1%一水柠檬酸溶液至36～37℃用于冲洗该膜浓缩系统30min，操作压力为6bar，期间可观察到产水流量逐步上升，达到90L/h，停止冲洗，用常温（28～29℃）清水外排冲洗并升压至6bar观察产水量，产水量上升至112L/h。
试验3
将40%的蔗糖溶液打入蔗糖液膜浓缩系统浓缩4h，控制第一级纳滤卷式膜（80bar纳滤卷式膜）压力为70～72bar、温度为36～37℃，第二级纳滤卷式膜（120bar纳滤卷式膜）压力为100～110bar、温度为36℃。
加热质量分数为1.2%一水柠檬酸溶液至36～37℃用于冲洗该膜浓缩系统30min，操作压力为6bar，期间可观察到产水流量逐步上升，达到90L/h，停止冲洗，用常温（28～29℃）清水外排冲洗并升压至6bar观察产水量，产水量上升至118L/h。
试验4
将40%的蔗糖溶液打入蔗糖液膜浓缩系统浓缩4h，控制第一级纳滤卷式膜（80bar纳滤卷式膜）压力为70～72bar、温度为36～37℃，第二级纳滤卷式膜（120bar纳滤卷式膜）压力为100～110bar、温度为36℃。
加热质量分数为1.5%一水柠檬酸溶液至36～37℃用于冲洗该膜浓缩系统30min，操作压力为6bar，期间可观察到产水流量逐步上升，达到90L/h，停止冲洗，用常温（28～29℃）清水外排冲洗并升压至6bar观察产水量，产水量上升至120L/h。
试验5
将40%的蔗糖溶液打入蔗糖液膜浓缩系统浓缩4h，控制第一级纳滤卷式膜（80bar纳滤卷式膜）压力为70～72bar、温度为36～37℃，第二级纳滤卷式膜（120bar纳滤卷式膜）压力为100～110bar、温度为36℃。
加热质量分数为2.0%一水柠檬酸溶液至36～37℃用于冲洗该膜浓缩系统30min，操作压力为6bar，期间可观察到产水流量逐步上升，达到90L/h，停止冲洗，用常温（28～29℃）清水外排冲洗并升压至6bar观察产水量，产水量上升至120L/h。
试验6
将40%的蔗糖溶液打入蔗糖液膜浓缩系统浓缩4h，控制第一级纳滤卷式膜（80bar纳滤卷式膜）压力为70～72bar、温度为36～37℃，第二级纳滤卷式膜（120bar纳滤卷式膜）压力为100～110bar、温度为36℃。
加热质量分数为2.5%一水柠檬酸溶液至36～37℃用于冲洗该膜浓缩系统30min，操作压力为6bar，期间可观察到产水流量逐步上升，达到90L/h，停止冲洗，用常温（28～29℃）清水外排冲洗并升压至6bar观察产水量，产水量上升至120L/h。
对比对比试验1-3和试验1-6可知，热水冲洗对膜通量恢复具有一定效果，但是没有达到彻底清洗的程度；1%HCl溶液虽然对膜通量恢复效果较好，完全可以恢复初始膜通量，但是其引入会给食品造成污染，导致食品品质不好；1%NaOH溶液对膜通量的恢复效果较好，同样其使用后用该膜系统处理蔗糖类食品受到污染。一水柠檬酸的可食用性，解决了用于蔗糖液浓缩系统膜清洗的难题。
从经济性来看，优先一水柠檬酸的质量分数为1.5%～2.5%的溶液，减少过多使用一水柠檬酸造成的资源浪费且清洗效果达到最佳。

Claims (8)

1.蔗糖液膜浓缩系统，其特征在于，
将浓水糖分质量分数≤40%的蔗糖液依次经过两级纳滤卷式膜浓缩，其中：
第一级纳滤卷式膜压力≤80bar,温度≤40℃；
第二级纳滤卷式膜压力≤120bar，温度≤40℃。
2.根据权利要求1所述的蔗糖液膜浓缩系统，其特征在于，所述第一级纳滤卷式膜为80bar纳滤卷式膜。
3.根据权利要求1所述的蔗糖液膜浓缩系统，其特征在于，所述第二级纳滤卷式膜为120bar纳滤卷式膜。
4.根据权利要求1或2所述的蔗糖液膜浓缩系统，其特征在于，所述第一级纳滤卷式膜操作条件：压力70-72bar，温度≤40℃。
5.根据权利要求1或3所述的蔗糖液膜浓缩系统，其特征在于，所述第二级纳滤卷式膜操作条件：压力100-120bar，温度≤40℃。
6.用于如权利要求1-5任一所述的蔗糖液膜浓缩系统的清洗方法，其特征在于，使用质量分数为0.5-2.5%的一水柠檬酸溶液冲洗进行蔗糖液膜浓缩后的膜浓缩系统。
7.根据权利要求6所述的一种蔗糖液膜浓缩系统的清洗方法，其特征在于，所述的清洗过程中温度控制在35～40℃。
8.根据权利要求6所述的一种蔗糖液膜浓缩系统的清洗方法，其特征在于，所述的一水柠檬酸溶液为质量分数为2%一水柠檬酸溶液。
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