CN111499017B - 淀粉加工过程废水中蛋白质和淀粉的快速分离装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了淀粉加工过程废水中蛋白质和淀粉的快速分离装置，包括分离装置本体，淀粉收集装置，起沫装置和撇沫装置；分离装置本体包括圆筒段和倒锥段；圆筒段顶端敞开，侧壁上设置有进料口；进料口相对于圆筒段内壁呈切线设置；倒锥段连接于圆筒段底端，并且倒锥段设置有液体排出管；淀粉收集装置连通于倒锥段底端；起沫装置安装于分离装置本体内；撇沫装置设置于分离装置本体顶部。并且公开了相应的分离方法。通过本发明可同时从淀粉加工过程废水中分离蛋白质和淀粉，实现淀粉加工过程废水的低成本资源化利用，能够适应淀粉加工过程废水日处理量大的需求；并且操作简单快捷，条件温和，无需复杂设备，可以获得高质量的淀粉和蛋白质。

Description

淀粉加工过程废水中蛋白质和淀粉的快速分离装置及方法
技术领域
本发明涉及生产废料回收利用技术领域，更具体的说是涉及淀粉加工过程废水中蛋白质和淀粉的快速分离装置及方法。
背景技术
甘薯、谷类及豆类淀粉加工过程中耗水量大，使得废水排放量较大，而该废水属于高浓度酸性有机废水，是食品工业中污染最严重的废水之一。目前，国内外普遍采用厌氧-好氧联合生物处理方式处理淀粉加工过程废水，其他处理技术还包括电絮凝法、电化学法、Fenton-厌氧法等，但这些技术均面临投资费用大、运行成本高的问题。因此，如何对淀粉加工过程废水进行资源化处理，降低处理成本成为科研领域和企业关注的热点问题之一。
淀粉加工过程废水中含有大量淀粉，生产企业一般通过长时间自然沉降的方式回收淀粉加以利用，可回收淀粉可达7.04g/L；但自然沉降方法周期长，占地面积大，生产效率低，处理不当还会造成淀粉酸化，影响淀粉质量。利用有机絮凝剂和无机絮凝剂可回收淀粉可达8.02g/L，处理成本为0.20-1.24元/m3，但回收的淀粉中含有大量絮凝剂，难以再利用。利用胰蛋白酶对淀粉加工过程废水进行处理，淀粉回收量可达8.72g/L，然而处理费用达264元/m3，成本过高。利用离心分离法从马铃薯加工废水中回收淀粉，在工业规模上可回收15-28g/L可溶性淀粉和约10g/L的不溶性淀粉，但需要高速离心设备，运转费用较高，处理量较低，回收的淀粉中含有较多蛋白质，使用前需要进行二次洗涤去除蛋白质。利用微生物法回收淀粉加工过程废水中的残余淀粉，淀粉回收量可达9.58g/L，成本较低，但是周期长。
淀粉加工过程废水中含有大量的植物蛋白，尤其是甘薯类淀粉废水中的蛋白质比例可达33％-41％，绝大部分未经有效利用而随废水排放，造成资源浪费。利用淀粉加工过程废水生产蛋白质主要有2种方法：一是直接从淀粉废水中回收蛋白质，常见的有泡沫分离法、超滤法、酸沉法和混凝法；二是利用发酵法获得菌体蛋白。
泡沫分离法影响因素较多，通常需要外加表面活性剂促进蛋白质发泡，而残留的表面活性剂会影响蛋白质的后期应用；超滤法可实现分级回收，产率高，易于放大，但是膜组件昂贵，膜污染问题严重；酸沉法通过添加廉价无机酸使蛋白质处于等电点而趋于聚集沉淀，期间蛋白质部分变性，产品品质低；混凝法是通过添加化学药剂改变胶态蛋白质的表面特性，使分散的胶体颗粒聚集形成大颗粒物而沉淀(或上浮)，其回收能力强，效果稳定，抗水力负荷能力强、工艺简便、运行费用低廉，但是絮凝剂会带入蛋白产品中，使产品品质降低；发酵法是以淀粉加工过程废水为原料培养微生物获得菌体蛋白，成本高，周期长，且酸性废水中微生物培养较困难，需要外加多种营养物质。
目前对于淀粉加工过程废水的处理，一般是先进行淀粉回收利用，再从废水中提取蛋白质，回收周期长，占地面积大，收得的淀粉中含有大量蛋白质，需要进行二次分离后才能使用；由于淀粉回收消耗时间长，长期的酸性环境易引起蛋白质变性，降低蛋白质的质量。
因此，如何简化淀粉加工过程废水的处理工艺，获得回收附加值高的淀粉和蛋白产品是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了淀粉加工过程废水中蛋白质和淀粉的快速分离装置及方法，可同时从淀粉加工过程废水中分离蛋白质和淀粉，实现淀粉加工过程废水的资源化利用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
淀粉加工过程废水中蛋白质和淀粉的快速分离装置，包括分离装置本体，淀粉收集装置，起沫装置和撇沫装置；
分离装置本体包括圆筒段和倒锥段；
圆筒段顶端敞开，侧壁上设置有进料口；进料口相对于圆筒段内壁呈切线设置；
倒锥段连接于圆筒段底端，并且倒锥段设置有液体排出管；
淀粉收集装置连通于倒锥段底端；
起沫装置安装于分离装置本体内，用于使废水中的蛋白形成泡沫；
撇沫装置设置于分离装置本体顶部，用于将分离装置本体顶部的泡沫撇除。
分离装置本体设置成圆筒段和倒锥段，进料口相对于圆筒段内壁呈切线设置，使得废水呈切线进料，并沿分离装置本体内壁向下回旋；随着不断进料，分离装置本体内废水可形成回旋流；高速回旋过程中，在离心力的作用下，淀粉逐渐沿内壁沉降，落入淀粉收集装置，实现淀粉的快速自动收集。
废水回旋过程中，其所含蛋白质容易发泡；并且起沫装置的设置进一步促进气泡的形成，蛋白质吸附在气泡的表面，形成稳定的泡沫，浮于液面之上；随着不断进料，液面不断升高，泡沫量不断增加，可从分离装置本体顶部溢出；而撇沫装置的设置可促进泡沫快速撇除，避免影响分离装置本体中的回旋流。撇除的泡沫即用于进一步回收蛋白。
优选地，分离装置本体内的装液高度不超过圆筒段高度的3/4，并且进料口高于装液面5-50cm。
装液过高，影响回旋流的形成；装液过低，泡沫不易排除。
当分离装置本体内的装液高度达到相应适宜高度时可开启液体排出管，边进料边排液，提高分离效率。
优选地，液体排出管的进水口位于倒锥段内底部位置，该位置处废水中的淀粉已沿内壁沉降，蛋白已充分起沫浮至液面；液体排出管的出水口由倒锥段侧壁1/3-2/3高度处伸出，出水口设置在适宜高度一方面保证处理后的废水顺利排出，一方面使液体向上回流，避免排出时将淀粉带出。
优选地，液体排出管进水口处的管壁外侧缠绕有螺旋状格挡，螺旋状格挡填充于倒锥段侧壁与液体排出管之间，形成螺旋状通路。
优选地，液体排出管设置阀门或盖子。
螺旋状格挡的设置可进一步促进废水中淀粉的沉降，避免液体排出时将淀粉带出。
优选地，螺旋状格挡可设置为螺旋状片、螺旋状槽、螺旋状管等形式。
优选地，圆筒段径高比为1:1-1:5，使废水在到达圆筒段和倒锥段的交接高度之前其中淀粉基本上已沿内壁沉降；倒锥段母线与顶面之间的夹角大于干淀粉休止角，利于淀粉沉降。
进一步地，本发明中的倒锥段不是严格意义上的具有尖端的倒圆锥体，倒锥段底部为了进行淀粉收集装置的连接和淀粉的沉降可设置一定长度的连通路径。
优选地，起沫装置设置于圆筒段和倒锥段的交接高度；废水在到达该高度之前其中淀粉基本上已沿内壁沉降，因此，起沫装置设置在此处可减少泡沫中淀粉的带入。
起沫装置可选用文丘里喷射器、喷射混合器等液体喷射器(形成的泡沫更细密，适用于蛋白含量较高的废水处理)，或采用能够通气或鼓泡的结构，如具有多个通气孔的气管(外部引入气源)等。
优选地，还包括吹沫装置；吹沫装置设置于分离装置本体内稍低于装液面的位置，并且吹沫装置具有多个朝向装液面吹气的吹气口。
吹沫装置可选用具有多个吹气口的气管(外部引入气源)，可将液面上方的泡沫吹离液面，结合撇沫装置进行泡沫的分离。
优选地，撇沫装置包括撇沫刷、撇沫板等能够将泡沫从分离装置本体顶部刮下的部件，撇沫刷或撇沫板经驱动装置驱动，在分离装置本体顶部做旋转或往复运动，以撇除分离装置本体顶部的泡沫。
进一步地，撇沫刷或撇沫板可为多个，组合成扇叶状，由电机驱动旋转撇除泡沫。
进一步地，撇沫刷或撇沫板可由丝杠、气缸等驱动，悬设于分离装置本体顶部进行往复运动。
进一步地，撇沫装置还可设置成吹气型装置或吸气型装置，将泡沫吹下或吸除。
优选地，还包括接沫容器，用于接收撇沫装置撇除的泡沫。
接沫容器可设置在分离装置本体外壁，或直接将分离装置本体架设在一接沫容器上方。
淀粉加工过程废水中蛋白质和淀粉的快速分离方法，使用上述装置对淀粉加工过程产生的废水进行处理，废水通过泵加速，以切线方向进料并产生回旋，回旋过程中淀粉逐渐沉降至淀粉收集装置内；起沫装置使废水中的蛋白质形成泡沫，浮于液面上，泡沫被撇沫装置撇除后收集、进行破泡处理，回收蛋白质；分离完淀粉和蛋白的后的废水经液体排出管流出。
优选地，废水以2-20m/s线速度泵入分离装置本体。
进一步地，可先使废水形成泡沫，再将带沫废水切线进料形成回旋流加速回旋分离；也可直接切线进料形成回旋流加速回旋分离，同时使用起沫装置起沫。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果是：
1.本发明以产业化生产为目标，构建了适合于从淀粉加工过程废水中快速回收淀粉和蛋白质的处理装置及方法，实现加工废水的资源化利用和无废处理。本发明可适应不同种类淀粉加工过程废水的特点、水质及当地的经济状况,流程简单，容易操作，基建费和运行费低，便于管理。尤其适用于淀粉提取废水和淀粉清洗废水中淀粉和蛋白质的回收处理。
2.本发明采用纯物理法从淀粉加工过程废水中快速、高效回收淀粉和蛋白质，整个过程仅向废水中通入空气，无任何添加剂加入，回收得到的淀粉和蛋白质质量高，可直接用于食品、饲料等行业。
3.本发明可适应淀粉加工过程废水日处理量大的需求，快速从中分离回收淀粉和蛋白质，降低废水中营养成分及COD值，减少后续废水处理压力。
4.本发明采用回旋沉淀法分离淀粉，不需要专用设备，可就地取材，减少了设备投资；通过切线进料结合分离装置本体形状使废水获得高离心力，实现淀粉与液体的分离；与高速离心法相比，本发明不需要专用设备，也没有高速离心的动力消耗，仅依靠普通液体输送设备给废水提供一定流速即可，动力消耗大大降低。
5.本发明通入气体使蛋白质形成泡沫，与淀粉废水分离，降低了液体粘度，也减少了对淀粉沉降处理的干扰，使淀粉沉降更容易。与现行的沉降法回收淀粉技术相比，本发明装置占地面积小，淀粉回收率高，回收得到的淀粉纯度较沉降法高，基本不需要进行蛋白质的二次洗涤分离，淀粉回收综合成本可降低50-90％。
6.淀粉和蛋白质回收分离后的液体营养物质含量低，COD可降至处理前的10-40％，基本满足城市污水处理厂的废水排放要求，其中残余的营养物质可作为污水处理厂生物法处理废水的营养来源。
7.本发明还有效解决马铃薯淀粉加工废水泡沫严重的问题，在进入后续废水处理工艺之前，通过气浮、撇沫法将泡沫分离去除，使后续处理单元正常运行。
8.本发明也可与淀粉加工企业现行废水处理技术联合使用，提高废水处理效率，降低处理成本。
附图说明
图1所示为本发明装置结构示意图。
图中，1.进料口；2.通气管；3.圆筒段；4.倒锥段；5.撇沫装置；6.装液面；7.第一气管；8.第二气管；9.液体排出管；10.淀粉收集装置；11.螺旋状格挡。
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、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
淀粉加工过程废水中蛋白质和淀粉的快速分离装置，包括分离装置本体(不锈钢材料)，淀粉收集装置10，起沫装置，吹沫装置和撇沫装置。
分离装置本体包括圆筒段3和倒锥段4.
圆筒段3高度3m，直径1.5m，顶端敞开，侧壁上距顶端0.70m处设置有进料口1；进料口1相对于圆筒段3内壁呈切线设置。
倒锥段4母线与顶面之间的夹角为60°，倒锥段4顶端与圆筒段3底端一体成型，倒锥段4底端连通淀粉收集装置10。
倒锥段4内设置有液体排出管9；
液体排出管9呈“L”型，进水口位于倒锥段4内底部位置，出水口由倒锥段4侧壁约2/3高度处伸出；液体排出管9设置有阀门。
液体排出管9进水口处的管壁外侧缠绕有螺旋状格挡11，螺旋状格挡11为螺旋状片，填充于倒锥段4侧壁与液体排出管9之间，形成螺旋状通路。
吹沫装置包括多根第一气管7，多根第一气管7呈辐射状悬于分离装置本体内稍低于装液面的位置，每根第一气管7上均匀分布有多个朝向装液面吹气的吹气口。
起沫装置包括多根第二气管8，多根第二气管8呈辐射状悬于圆筒段3和倒锥段4的交接高度附近，每根第二气管8上均匀分布有多个通气孔。
分离装置本体顶部架设有通气管2，通气管2伸入分离装置本体，与第一气管7及第二气管8连接，用于固定第一气管7及第二气管8，并为第一气管7及第二气管8供气。
撇沫装置5设置于分离装置本体顶部，包括多个撇沫板，组合成扇叶状，由电机驱动旋转撇除泡沫。
进一步地，分离装置本体架设在一接沫容器上方。
分离装置本体内的装液高度不超过圆筒段高度的3/4，并且装液面6低于进料口15-50cm。
实施例2
甘薯淀粉加工时间短，日产量大，通过实施例1装置可对甘薯淀粉加工过程中产生的废水进行快速处理。
使甘薯淀粉提取废水以10m3/h的速度进入液体喷射器，气体带入并均匀分布于甘薯淀粉提取废水中，形成较稳定的蛋白质泡沫。
将含泡沫废液以5m/s线速度沿切线方向泵入分离装置本体内。由通气管2通入空气。待装液面达到进料口以下0.2m时，打开液体排出管9。
使用撇沫装置5撇除泡沫，收集后进行破乳后得到蛋白质产品。
淀粉沉降落入淀粉收集装置10内。
分离完淀粉和蛋白的后的废水经液体排出管9流出。
处理后废水COD为4500mg/L左右，起始COD为12000mg/L左右，COD去除率为62.5％。废水中淀粉回收率为85.2％，蛋白质回收率高于86％。
实施例3
使用实施例1装置对豌豆淀粉加工过程废水处理。
在豌豆淀粉提取废水中按10％(体积比)通入0.05MPa压缩空气，形成较稳定的蛋白质泡沫。
将含泡沫废水以8m/s的线速度沿切线方向泵入分离装置本体内。由通气管2通入空气。待装液面达到进料口以下0.4m时，打开液体排出管9。
使用撇沫装置5撇除泡沫，收集后进行破乳后得到蛋白质产品。
淀粉沉降落入淀粉收集装置10内。
分离完淀粉和蛋白的后的废水经液体排出管9流出。
所处理废水起始COD为15000mg/L左右，处理后COD降至5500mg/L左右，COD去除率为63.3％。废水中淀粉回收率为84.1％，蛋白质回收率87.2％。
实施例4
使用实施例1装置对马铃薯淀粉加工废水处理。
将马铃薯淀粉提取废水中以10m/s的速度沿切线方向泵入分离装置本体内。由通气管2通入空气。待装液面达到进料口以下0.5m时，打开液体排出管9。
使用撇沫装置5撇除泡沫，收集后进行破乳后得到蛋白质产品。
淀粉沉降落入淀粉收集装置10内。
分离完淀粉和蛋白的后的废水经液体排出管9流出。
所处理废水起始COD为10000mg/L左右，处理后COD降至3200mg/L左右，COD去除率为68％。废水中淀粉回收率为85.6％，蛋白质回收率88.5％。
本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.淀粉加工过程废水中蛋白质和淀粉的快速分离装置，其特征在于，
包括分离装置本体，淀粉收集装置，起沫装置，吹沫装置和撇沫装置；
所述分离装置本体包括圆筒段和倒锥段；
所述圆筒段顶端敞开，侧壁上设置有进料口；所述进料口相对于所述圆筒段内壁呈切线设置；
所述分离装置本体内的装液高度不超过所述圆筒段高度的3/4，并且装液面低于所述进料口5-50cm；
所述倒锥段连接于所述圆筒段底端，并且所述倒锥段设置有液体排出管；所述液体排出管的进水口位于所述倒锥段内底部位置，所述液体排出管的出水口由所述倒锥段侧壁1/3-2/3高度处伸出；
所述液体排出管进水口处的管壁外侧缠绕有螺旋状格挡，所述螺旋状格挡填充于所述倒锥段侧壁与所述液体排出管之间，形成螺旋状通路；
所述圆筒段径高比为1:1-1:5；
所述倒锥段母线与顶面之间的夹角大于干淀粉休止角；
所述淀粉收集装置连通于所述倒锥段底端；
在所述分离装置本体内所述圆筒段和所述倒锥段的交接高度安装有所述起沫装置，用于使废水中的蛋白形成泡沫；
所述吹沫装置设置于所述分离装置本体内稍低于装液面的位置，并且所述吹沫装置具有多个朝向所述装液面吹气的吹气口；
所述撇沫装置设置于所述分离装置本体顶部，用于将所述分离装置本体顶部的泡沫撇除。
2.根据权利要求1所述的淀粉加工过程废水中蛋白质和淀粉的快速分离装置，其特征在于，
所述起沫装置为能够通气的结构。
3.根据权利要求1所述的淀粉加工过程废水中蛋白质和淀粉的快速分离装置，其特征在于，
所述撇沫装置包括撇沫刷或撇沫板，所述撇沫刷或撇沫板经驱动装置驱动，在所述分离装置本体顶部做旋转或往复运动，以撇除所述分离装置本体顶部的泡沫。
4.根据权利要求3所述的淀粉加工过程废水中蛋白质和淀粉的快速分离装置，其特征在于，
还包括接沫容器，用于接收所述撇沫装置撇除的泡沫。
5.淀粉加工过程废水中蛋白质和淀粉的快速分离方法，其特征在于，使用权利要求1-4中任意一项所述的装置对淀粉加工过程产生的废水进行处理，废水通过泵加速，以切线方向进料并产生回旋，回旋过程中淀粉逐渐沉降至淀粉收集装置内；起沫装置使废水中的蛋白质形成泡沫，浮于液面上，泡沫被撇沫装置撇除后收集、进行破泡处理，回收蛋白质；分离完淀粉和蛋白后的废水经液体排出管流出。
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