CN1849909B - 一种黄姜清洁生产加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种黄姜清洁生产加工方法，其以多元化产品替代单一产品，以现代膜浓缩技术和酶解技术替代传统发酵酸解技术的技术路线，不但可以大幅降低加工成本、提升产品的附加值，并实现了工艺污水零排放，从而可以彻底解决该行业的污染问题。本发明包括以下工艺步骤：黄姜原料清洗；粉碎；超声波辅助磨浆；压榨；离心；第一次膜浓缩；水解；压滤；萃取；中和；第二次膜浓缩。

Description

一种黄姜清洁生产加工方法

一、技术领域：

本发明涉及一种黄姜生产加工方法，尤其是涉及一种黄姜清洁生产加工方法，是横跨食品加工、药物中间体提取和环保工程多学科的综合技术。

二、背景技术：

黄姜是一种药用价值极高的经济作物。其学名盾叶薯蓣，是薯蓣科薯蓣属植物。黄姜的根茎内含薯蓣皂素，以薯蓣皂素作前体可以合成290多种具有抗炎、避孕、治疗心血管疾病等功效的药物，是合成甾体激素类药的重要的医药中间体，被医药界誉为“药用黄金”、“激素之母”，由皂素延伸的医药产品产值全球大约有200亿美元。秦岭和大巴山区是黄姜的最佳适生区，我国每年由黄姜生产的皂素，已占了世界总量的60％。据统计，皂素在我国每年的需求量大约在3000吨左右，按100亩黄姜生产1吨皂素计算，实际上只要30万亩左右的黄姜就足够了，然而，由于盲目种植，仅湖北、陕西、河南三地的黄姜种植面积就高达200多万亩。

黄姜加工号称“废水之王”，目前的生产工艺要求使用大量的水、盐酸、汽油等物才能将黄姜进行水解加工，最终出来的产品皂素，占黄姜总量的不到1％，其它水解物均进入废水排掉。据统计，每生产1吨的皂素需消耗黄姜130～180吨，盐酸15～20吨，汽油3～6吨，燃煤40～50吨，水400～500吨。生产排放的废水中COD含量高达数万，相当于造纸废水的10倍多。据有关部门调查，目前湖北和陕西两省的黄姜加工企业共有100多家，大多设备简陋，生产工艺落后，在加工过程中产生的废水和废渣被大量储存在厂区内，尽管大多数企业建有治污设施，但偷排直排现象时有发生。据陕西省环保部门统计，就算是治污设施正常运转，陕西省内由60多家黄姜企业排放的污水量仍然可占到全省工业污水排放总量的1/3！对于黄姜行业的污染排放，国家目前还没有制订出相应的排放标准，环保部门目前参照的是国家污水综合排放一级标准。由于污水处理量太大，要使其中的COD含量由数万降到100，达到国家污水综合排放一级标准，国内目前还没有这样成熟的技术，国内的黄姜加工企业也还没有一家能够达到。由此造成的后果就是，黄姜行业提取皂素加工排放出大量超标的废水已对南水北调中线的水源地造成了严重威胁。

原料种植严重过剩的局面，再加上黄姜生产过程中严重的环境污染还没能得到有效解决，黄姜行业现在正面临着艰难抉择。近年来关于黄姜行业废水污染问题已经造成广泛而恶劣的影响，越来越受到社会各界的关注，全面关停加工企业的呼声时有所闻。由于该行业牵涉到上百万姜农的切身利益，党和国家领导人给予了高度重视，要求各级环保部门拿出切实措施，限期解决黄姜行业污染问题。

黄姜提取皂素在我国已有相当长的历史，产业规模约占全球60％，已经成为陕西、湖北两省农产品加工的重要产业。由于国内现有100多家皂素提取加工企业大多采用沿袭50多年传统的发酵油提工艺路线，工艺技术落后、装备低劣、加工方式几近原始，特别是加工过程产生的大量高浓度污水对环境造成严重的污染，如不加以有效管理，势必严重威胁我国走持续发展道路的宏观战略和子孙后代的休养生息。但由于该行业涉及到数百万农户的切身利益乃至国计民生，稍微处置不当将带来难以预料的后果甚至诱发社会动荡。只有走科学发展道路，以现代加工技术推动该行业的产业升级，才能真正实现产业持续发展、环境有效保护和社会长治久安的多赢。通过技术改造，达到高产出、低成本、低污染是本发明的既定目标。

三、发明内容：

本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种黄姜清洁生产加工方法，以精加工替代粗加工，其以多元化产品替代单一产品，以现代膜浓缩技术和酶解技术替代传统发酵酸解技术的技术路线，不但可以大幅降低加工成本、提升产品的附加值，并实现了工艺污水零排放，从而可以彻底解决该行业的污染问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种黄姜清洁生产加工方法，其特殊之处在于包括以下工艺步骤：黄姜原料清洗；粉碎；超声波辅助磨浆；压榨；离心；第一次膜浓缩；水解；压滤；萃取；中和；第二次膜浓缩。

上述工艺步骤包括：

(1)黄姜原料清洗，保证过程产品特别是作为食品用途的黄姜淀粉的品质符合相关法规及标准要求；

(2)粉碎，粒度为3～5mm；

(3)超声波辅助磨浆，对黄姜组织细胞进行破壁，粒度达到0.2～0.5mm；

(4)120～190bar压榨，将木质纤维素与其他成分分离得到木质纤维素产品；

(5)500～1500转/分钟速度离心，将淀粉从料液中分离出并形成黄姜淀粉产品，进一步烘干；

(6)第一次膜浓缩，在浓缩压力25～35bar，温度不超过40℃下，将料液中大部分水分用反渗透膜浓缩的方式分离出来，分离出的水可以循环到前段工艺使用；

(7)在硫酸含量2～5％，温度121℃，压力1～2kg下水解，将与皂素结合的寡聚糖链用硫酸水解，皂素分子以不溶性分子的形式析出；

(8)压滤，通过压滤将包括皂素在内的不溶性固体成分过滤出来，经洗滤到中性后可干燥成皂素水解物产品；

(9)萃取，用有机溶剂萃取等方式对皂素进行纯化提取，使符合医用前体的产品指标要求。

(10)中和，压滤出的水解液和洗滤后的残液经氧化钙中和后可分离出二水硫酸钙产品；

(11)第二次膜浓缩，将分离二水硫酸钙的水解糖液进一步用反渗透膜浓缩，在浓缩压力35～60bar，温度不超过40℃下，将水解糖浓度提高到25Brix以上，可以以浓缩水解糖产品形式作为非食品用途，其分离出的纯净水可以循环到前面工艺使用。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

1、本发明从设计思路开始，就本着以始端综合开发模式替代末端被动反应模式的宗旨，提出了充分利用有限资源，以精加工替代粗加工，以多元化产品替代单一产品，以现代膜浓缩技术和酶解技术替代传统发酵酸解技术的技术路线。通过本发明对黄姜的资源化开发利用的成套技术，可以将黄姜原料加工成包括皂素、黄姜淀粉、黄姜木质纤维和水解糖浓缩液等四种主要产品。本工艺经过实验室研究、中间试验和小规模产业化试运行，从结果来看，不但可以大幅降低加工成本、提升产品的附加值，并实现了工艺污水零排放，从而可以彻底解决该行业的污染问题。

2、本发明将循环经济和清洁生产的理念始终贯彻在工艺开发和应用中，力求在经济可行的前提下，最充分地利用黄姜资源，避免二次污染，便于大规模推广；

3、本发明设计并研究了酸解前用一系列物理分离技术分离黄姜淀粉和木质纤维素的技术路径，成功地在生产规模上得到了验证和应用，实现了工业化的连续生产；首创的超声波辅助磨浆工艺不但可以大幅提高传统磨浆机的效率，而且可以有效降低该工艺段的功耗达50％以上；同时也提高了皂素和淀粉回收率分别为0.1％和2％以上；

4、本发明系统地研究和筛选了满足加工工艺目的和适合加工工艺要求的膜浓缩设备及工艺，有效实现了生产过程物料消耗及能耗的大幅度降低，该技术属国内首创；

5、本发明以皂素催化酸解新工艺替代沿用多年的自然发酵工艺，提高了皂素回收率(比传统工艺提高约5-7％)和产品纯度(水解物皂素含量从传统的12-14％提高到45-50％)，节省处理时间(将原有发酵时间从48小时，缩短到2小时)，大幅度提高了土地和设备利用效率，减少了酸的用量，杜绝了发酵产生的气体对周边环境的影响。在皂素纯化过程中，还可大幅度降少溶剂(汽油)的消耗量(可减少50％以上)，为企业增加了明显的经济效益。

6、本发明在黄姜酸解前首先分离出淀粉、纤维素等大分子有机成分，既回收利用了黄姜中淀粉、纤维素资源，变废为宝，避免皂素损失(分离的纤维中皂素损失低于总量的2％，综合考虑前面提到的皂素回收率增加的5-7％，本工艺将比传统工艺提高皂素回收率3-5％)，提高了企业经济效益，更在很大程度上有效地降低了生产过程中水解物产生废水的CODcr，同时由于利用先进膜浓缩技术及设备大幅度减少了酸解物加工料总量和用酸量，大幅度减少了生产中废水产生的总量，显著降低了污水处理难度与费用，而且还等比例削减了酸解过程中的能耗；从而找到了减轻黄姜生产水解物产生废水污染环境的有效解决办法，为从源头上控制污水的产生、发展循环经济、保护环境提供了坚实的技术保证。

7、本发明还开发了资源化利用水解糖从而实现污水零排放的新工艺，该工艺将水解液浓缩后，转变成浓缩水解糖产品(水解糖可作为酒精等生产工艺的原料)，可以进一步扩大产品的延伸范围，既节约了环境投入，又增加了收益，从根本上实现全面的清洁生产，资源利用率接近了100％。该工艺也属于国内首创。利用该发明工艺及技术，黄姜产业可省却环保投资数亿元，每年可省却环保设施运行费用上亿元。

8、依照本发明工艺路线可在生产规模上对现有皂素加工企业进行技术改造和产业升级，从而实现真正意义上的黄姜资源的合理化综合利用，可衍生出木质纤维素、黄姜淀粉、含量超过45％的皂素水解物、皂素产品和二水硫酸钙、浓缩水解糖等副产品，黄姜资源利用率接近100％，工艺污水排放为零(即清洗用水之外的用水)。可为企业提供产品附加值一倍以上，如果全国所有企业全部按照本发明工艺实现清洁生产改造，仅黄姜淀粉产值一项即可超过目前皂素产业的现有产值，可为企业节约生产成本50％以上，增加效益150％以上。

9、通过本发明对黄姜的资源化开发利用的成套技术，可以将黄姜原料加工成包括皂素、黄姜淀粉、黄姜木质纤维和水解糖浓缩液四种主要产品并实现工艺污水零排放。依照本发明工艺路线可在生产规模上对现有皂素加工企业进行技术改造和产业升级，从而实现真正意义上的黄姜资源的合理化综合利用，从根本上解决困扰黄姜产业的高能耗、高消耗、高成本、效益低下和环境污染等一系列问题。采用的部分工艺及技术可替代现有黄姜产业环保设施。可节省黄姜产业环保投入数亿元，每年可为该产业节省环保设施运行费用数亿元。

四、附图说明：

附图为本发明的工艺流程图。

五、具体实施方式：

本发明将黄姜所有成分依照物料特性进行分步分离和提取从而实现完全的资源化利用，黄姜资源化综合利用涉及到的关键分离工艺及技术。包括：通过超声波辅助磨浆实现黄姜组织细胞的破壁；通过高压喷淋式带式过滤机压榨实现木质纤维素的回收并达到淀粉和皂素的最少流失；通过控制分离因素获得最大的淀粉回收率和最少的皂素流失；反渗透膜浓缩料液技术；替代天然发酵的酶促发酵工艺和酶促水解工艺；皂素单体富集工艺及技术；本发明采用反渗透膜浓缩回收水解糖工艺及技术等。浓缩水解糖应用于饲料添加剂、肥料或者生物能源发酵等领域；

本发明的工艺步骤为：

1、黄姜原料清洗，保证过程产品特别是作为食品用途的黄姜淀粉的品质符合相关法规及标准要求；

2、粉碎，粒度为3～5mm，保证产品适合后续加工工艺要求；

3、超声波辅助磨浆，对黄姜组织细胞进行破壁，粒度达到0.2～0.5mm，以符合后续工艺分离木质纤维素、黄姜淀粉和含皂素浆料的相互分离工艺要求；

4、120～190bar压榨，将木质纤维素与其他成分分离得到木质纤维素产品，其工艺要求及参数设置需保证皂素损失率低于工艺限值；

5、500～1500转/分钟速度离心，将淀粉从料液中分离出并形成黄姜淀粉产品，经进一步烘干后符合相关产品标准；

6、第一次膜浓缩，在浓缩压力25～35bar，温度不超过40℃下，将料液中大部分水分用反渗透膜浓缩的方式分离出来，可以大幅降低后续水解工艺段酸的用量，降低设备占用率和能耗，分离出的水可以循环到前段工艺使用；

7、在硫酸含量2～5％，温度121℃，压力1～2kg下水解，将与皂素结合的寡聚糖链用硫酸水解，皂素分子以不溶性分子的形式析出；

8、压滤，通过压滤将包括皂素在内的不溶性固体成分过滤出来，经洗滤到中性后可干燥成皂素水解物产品销售给其他深加工企业进一步萃取纯化；

9、萃取，用有机溶剂萃取等方式对皂素进行纯化提取，使符合医用前体的产品指标要求。

10、中和，压滤出的水解液和洗滤后的残液经氧化钙中和后可分离出二水硫酸钙产品；

11、第二次膜浓缩，在浓缩压力35～60bar，温度不超过40℃下，将分离二水硫酸钙后的水解糖液进一步用反渗透膜浓缩，将水解糖浓度提高到25Brix以上甚至更高，可以以浓缩水解糖产品形式作为非食品用途，包括饲料添加剂、肥料或者生物能源发酵用原料使用。其分离出的纯净水可以循环到前面工艺使用。

实施例：

1、黄姜原料清洗，保证过程产品特别是作为食品用途的黄姜淀粉的品质符合相关法规及标准要求；

2、粉碎，粒度为4mm，保证产品适合后续加工工艺要求；

3、超声波辅助磨浆，对黄姜组织细胞进行破壁，粒度达到0.3mm，以符合后续工艺分离木质纤维素、黄姜淀粉和含皂素浆料的相互分离工艺要求；

4、150bar压榨，将木质纤维素与其他成分分离得到木质纤维素产品，其工艺要求及参数设置需保证皂素损失率低于工艺限值；

5、1000转/分钟速度离心，将淀粉从料液中分离出并形成黄姜淀粉产品，经进一步烘干后符合相关产品标准；

6、第一次膜浓缩，在浓缩压力30bar，温度不超过40℃下，将料液中大部分水分用反渗透膜浓缩的方式分离出来，可以大幅降低后续水解工艺段酸的用量，降低设备占用率和能耗，分离出的水可以循环到前段工艺使用；

7、在硫酸含量4％，温度121℃，压力2kg下水解，将与皂素结合的寡聚糖链用硫酸水解，皂素分子以不溶性分子的形式析出；

8、压滤，通过压滤将包括皂素在内的不溶性固体成分过滤出来，经洗滤到中性后可干燥成皂素水解物产品销售给其他深加工企业进一步萃取纯化；

9、萃取，用有机溶剂萃取等方式对皂素进行纯化提取，使符合医用前体的产品指标要求。

10、中和，压滤出的水解液和洗滤后的残液经氧化钙中和后可分离出二水硫酸钙产品；

11、第二次膜浓缩，在浓缩压力50bar，温度不超过40℃下，将分离二水硫酸钙的水解糖液进一步用反渗透膜浓缩，将水解糖浓度提高到25Brix以上甚至更高，可以以浓缩水解糖产品形式作为非食品用途，包括饲料添加剂、肥料或者生物能源发酵用原料使用，其分离出的纯净水可以循环到前面工艺使用。

Claims (1)

1.一种黄姜清洁生产加工方法，其特征在于包括以下工艺步骤：黄姜原料清洗；粉碎；超声波辅助磨浆；压榨；离心；第一次膜浓缩；水解；压滤；萃取；中和；第二次膜浓缩：

(1)黄姜原料清洗，保证过程产品特别是作为食品用途的黄姜淀粉的品质符合相关法规及标准要求；

(2)粉碎，粒度为3～5mm；

(3)超声波辅助磨浆，对黄姜组织细胞进行破壁，粒度达到0.2～0.5mm；

(4)120～190bar压榨，将木质纤维素与其他成分分离得到木质纤维素产品；

(5)500～1500转/分钟速度离心，将淀粉从料液中分离出并形成黄姜淀粉产品，进一步烘干；

(6)第一次膜浓缩，在浓缩压力25～35bar，温度不超过40℃下，将料液中大部分水分用反渗透膜浓缩的方式分离出来，分离出的水可以循环到前段工艺使用；

(7)在硫酸含量2～5％，温度121℃，压力1～2kg下水解，将与皂素结合的寡聚糖链用硫酸水解，皂素分子以不溶性分子的形式析出；

(8)压滤，通过压滤将包括皂素在内的不溶性固体成分过滤出来，经洗滤到中性后可干燥成皂素水解物产品；

(9)萃取，用有机溶剂萃取方式对皂素进行纯化提取，使符合医用前体的产品指标要求；

(10)中和，压滤出的水解液和洗滤后的残液经氧化钙中和后可分离出二水硫酸钙产品； 

(11)第二次膜浓缩，在浓缩压力35～60bar，温度不超过40℃下，将分离二水硫酸钙的水解糖液进一步用反渗透膜浓缩，将水解糖浓度提高到25Brix以上，以浓缩水解糖产品形式作为非食品用途，其分离出的纯净水循环到前面工艺使用。 

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