分離技術(shù)在D90脫鹽乳清液工業(yè)化生產(chǎn)中的集成應(yīng)用

張金東，井雪蓮，張麗萍

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué),黑龍江 大慶163319；2.黑龍江省飛鶴乳業(yè)有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161800)

0 引 言

乳清是干酪生產(chǎn)的液態(tài)副產(chǎn)品，占生產(chǎn)加工乳體積的80%～90%，主要成分是乳清蛋白和乳糖。D90脫鹽乳清粉是將新鮮乳清經(jīng)物理分離技術(shù)脫鹽、低溫濃縮和噴霧干燥制成的灰份質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1.2%的乳清粉[1]。將脫鹽乳清粉加入嬰幼兒配方奶粉中可減輕嬰幼兒腎臟負(fù)擔(dān)，使奶粉更接近母乳水平。目前全球乳清粉產(chǎn)量為400萬t。其中有100萬t是不符合嬰兒配方奶粉使用標(biāo)準(zhǔn)的，主要用作飼料等產(chǎn)品，大大降低了其經(jīng)濟(jì)價(jià)值;還有50萬t是干酪素副產(chǎn)品，由于其乳清蛋白不穩(wěn)定、乳糖變異等原因也是我們不能使用的。

目前國內(nèi)配方奶粉的生產(chǎn)，尤其是嬰幼兒配方奶粉生產(chǎn)中使用的脫鹽乳清粉受原料、工藝、設(shè)備、技術(shù)等因素影響，國內(nèi)行業(yè)無法生產(chǎn)，全部依賴進(jìn)口，原料價(jià)格及生產(chǎn)成本較高[2]。此項(xiàng)目的實(shí)施將實(shí)現(xiàn)我國脫鹽乳清工業(yè)化生產(chǎn)，用于本企業(yè)供應(yīng)同行業(yè)生產(chǎn)使用，打破國際的技術(shù)壁壘，填補(bǔ)國內(nèi)生產(chǎn)空白。

1 材料與設(shè)備

1.1 原料與試劑

甜乳清粉、氫氧化鈉(分析純)、鹽酸(分析純)、離子填充樹脂IEX1.1、IEX1.2(意大利、日本)、純水。

1.2 儀器與設(shè)備

陰陽離子交換柱，納濾系統(tǒng)，電滲析膜堆，鹽水罐，極水罐，PPH閥門和管路，PVC閥門和管路，326L緩存罐，軟水罐，純水罐。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 生產(chǎn)工藝流程

甜乳清粉→化粉→第一次離子交換→納濾脫鹽濃縮→電滲析→第二次離子交換→調(diào)節(jié)pH→冷藏

2.2 離子去除效率測定

樣品的脫鹽率以處理前后電導(dǎo)率的變化為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其公式為:

脫鹽率=處理后電導(dǎo)率/處理前電導(dǎo)率×100%

2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

2.3.1 離子交換進(jìn)料濃度脫鹽效率的影響

按照2.1工藝流程進(jìn)行試驗(yàn)生產(chǎn)，在確定進(jìn)料溫度溫度為12℃,納濾脫鹽過程中的壓力2.5 MPa，電滲析溫度為35℃的條件下，分別設(shè)定起始底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(即進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù))為10%，15%，20%，25%，30%進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并計(jì)算脫鹽效率。

2.3.2 離子交換進(jìn)料溫度對(duì)脫鹽效率的影響

按照2.1工藝流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)，在確定進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，納濾脫鹽過程中的壓力2.5 MPa，電滲析溫度為35 ℃的條件下， 分別設(shè)定進(jìn)料溫度為5，10，15，20，25 ℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并計(jì)算脫鹽效率。

2.3.3 納濾壓力對(duì)脫鹽效率的影響

按照2.1工藝流程進(jìn)行試驗(yàn)生產(chǎn)，在確定進(jìn)料溫度為12℃，進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，電滲析溫度為35℃的條件下，分別設(shè)定納濾過程中的壓力為1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 MPa進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并計(jì)算脫鹽效率。

2.3.4 電滲析溫度對(duì)脫鹽效率的影響

按照2.1工藝流程進(jìn)行試驗(yàn)生產(chǎn)，在確定進(jìn)料溫度為12℃、進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%、納濾脫鹽過程中的壓力2.5 MPa的條件下。分別設(shè)定電滲析電流為10，20，30，40，50℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并計(jì)算脫鹽效率。

2.4 響應(yīng)面設(shè)計(jì)

通過單因素試驗(yàn)初步選出最優(yōu)的中心點(diǎn)，采用四因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化乳清脫鹽工藝，考察進(jìn)料濃度、進(jìn)料溫度、納濾壓力、電滲析濃度四個(gè)因素對(duì)感官品質(zhì)和得率的影響，從而尋求最佳的工藝參數(shù)。試驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)如表1所示。聯(lián)網(wǎng)孔收縮，也會(huì)影響離子進(jìn)入孔網(wǎng)[4]。在流速一定時(shí)，溶液濃度越高，溶質(zhì)的流失量越大。綜合圖分析可得在添加量為15%時(shí)，其脫鹽效率達(dá)到最大。

圖1 進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)脫鹽效率的影響

3.1.2 進(jìn)料溫度對(duì)脫鹽效率的影響

圖2為進(jìn)料溫度對(duì)脫鹽效率的影響。由圖2可以看出，發(fā)酵時(shí)間從5℃到12℃之間，脫鹽效率明顯增大，但是在12℃之后到25℃之間，脫鹽效率有所降低，但變化不明顯。這是因?yàn)闇囟仍礁?，離子的熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，導(dǎo)致單位時(shí)間碰撞次數(shù)增加，可加快反應(yīng)速度[5]。但溫度過高，離子的吸附強(qiáng)度會(huì)降低，甚至還會(huì)影響樹脂的穩(wěn)定性，于經(jīng)濟(jì)上不利。綜合圖分析可得，在12℃時(shí)效率是最高的。

表1 乳清脫鹽試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素和水平編碼制

2.5 數(shù)據(jù)分析

所有實(shí)驗(yàn)平行重復(fù)3次，取其平均值，采用Design Expert 8.0軟件對(duì)脫鹽效率進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)脫鹽效率的影響

圖1為進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)脫鹽效率的影響。由圖1可以看出，當(dāng)進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%逐步增加至15%時(shí)，脫鹽率呈現(xiàn)增加趨勢；但隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸增加，超過15%時(shí)，脫鹽率逐漸降低。這是因?yàn)闃渲锌山粨Q的離子與溶液中同性離子既有可能進(jìn)行交換，也有可能相互排斥，液相離子濃度高，與樹脂接觸機(jī)會(huì)多，較易進(jìn)入樹脂孔網(wǎng)內(nèi)；液相濃度低，樹脂交換容量大時(shí)，則相反。但液相離子濃度過高時(shí)會(huì)引起樹脂表面及內(nèi)部交

圖2 進(jìn)料溫度對(duì)脫鹽效率的影響

3.1.3 納濾壓力對(duì)脫鹽效率的影響

圖3為納濾壓力對(duì)脫鹽效率的影響。由圖3可以看出，納濾壓力在1.5～2.5 MPa之間，脫鹽效率增加幅度較大，但是在2.5～3.5 MPa之間，脫鹽效率不在增加。這是因?yàn)楫?dāng)操作壓力比較低時(shí)，克服不了水本身的滲透壓,因此,納濾膜通量效率較低,一旦克服了滲透壓，膜通量會(huì)隨著進(jìn)水壓力的變大而迅速提高,當(dāng)進(jìn)水壓力過大時(shí)，水流對(duì)納濾膜的壓密作用越大，納濾膜濃水側(cè)的濃差極化現(xiàn)象越明顯，使水的透過系數(shù)減小，最終導(dǎo)致納濾通量增大趨勢變緩[6-9]。另外，隨著進(jìn)水壓力的提高，高壓泵的能耗也會(huì)相應(yīng)增大。 因此從納濾膜通量的增長曲線以及節(jié)能方面考慮，納濾膜的工作壓力控制在2.5 MPa左右比較合適。

3.1.4 電滲析溫度對(duì)脫鹽效率的影響

圖4為電滲析溫度對(duì)脫鹽率的影響。由圖4可以看出，電滲析溫度在10～35℃之間，脫鹽效率隨溫度的增加而較大，但是在35～50℃之間，脫鹽效率有所下降，對(duì)于溫度的影響,隨著溫度的升高,單程脫除率會(huì)先增加再降低.這是由于當(dāng)溫度升高時(shí),溶液中離子的水合作用減弱,離子的遷移阻力減小,離子的熱運(yùn)動(dòng)加劇,擴(kuò)散速度加快,離子的濃度增大,同時(shí)膜的溶脹度變大,膜電阻減小等原因造成的[10]。同時(shí)溫度升高,料液的黏度會(huì)降低,會(huì)減小吸附膜的趨勢,在一定程度上減小膜污染[11]。但溫度太高會(huì)破環(huán)膜的穩(wěn)定性,導(dǎo)致分離性能下降。綜合圖分析可得，電滲析溫度為35℃時(shí)脫鹽率最大。

圖3 納濾壓力對(duì)脫鹽效率的影響

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

圖4 電滲析溫度對(duì)脫鹽率的影響

3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⑴c分析

采用四因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合的響應(yīng)曲面，分析進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)(X1)、進(jìn)料溫度(X2)、納濾壓力(X3)以及電滲析溫度(X4)對(duì)D90乳清液產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)線脫鹽率(Y)的影響如表2所示。

3.3 對(duì)脫鹽率進(jìn)行多元回歸分析

利用Design Expert 8.0軟件對(duì)脫鹽率進(jìn)行多元回歸分析。通過軟件模擬，得到進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)、進(jìn)料溫度、納濾壓力以及電滲析溫度對(duì)脫鹽率(Y)的二次多項(xiàng)回歸模型方程，即

其中，模型的決定系數(shù)R2=0.9688，模型的校正決定系數(shù)Radj2=0.9479，說明模型能解釋94.79%響應(yīng)值的變化，與實(shí)際試驗(yàn)擬合良好，實(shí)驗(yàn)誤差小，證明應(yīng)用四元二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)優(yōu)化進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)、進(jìn)料溫度、納濾壓力、電滲析溫度對(duì)產(chǎn)品脫鹽率的影響是可行的[3]。

表3 回歸模型各因素方差分析

對(duì)該模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果分析如表3所示。

表3說明方程的顯著性分析得F1=46.53，相應(yīng)的概率值P﹤0.0001，由方程的顯著性檢驗(yàn)可知，該方程的模型達(dá)到極顯著；從此方差分析表可以得出因素的所有一次項(xiàng)、二次項(xiàng)、交互項(xiàng)(X1，X4)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是顯著的。失擬性檢驗(yàn)分析得F2=2.67，相應(yīng)的P值等于0.0612，大于0.05。失擬項(xiàng)分析表明，該回歸方程無失擬因素存在，回歸模型與實(shí)測值能較好的擬合。

3.4 感官評(píng)分響應(yīng)面分析

為了觀察某兩個(gè)因素同時(shí)脫鹽率的影響，還可以進(jìn)行降維分析。圖5為通過多元回歸方程所做的等高線圖及其響應(yīng)曲面圖，所擬合的等高線圖及其響應(yīng)曲面圖能比較直觀的反應(yīng)各因素和各因素間的交互作用。等高線圖直觀地反映出各因素交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響。

圖5 Y=f(X2，X4)的響應(yīng)面圖等高線圖及其響應(yīng)曲面

由圖5可以看出，響應(yīng)曲面圖開口向下、凸面，可以看出響應(yīng)值的大小會(huì)隨著自變量的大小而改變，而且增減幅度也不一樣。隨著各個(gè)自變量的增大，響應(yīng)值逐漸增大；但當(dāng)響應(yīng)值增大到某極值后，隨著自變量的增大，響應(yīng)值有減小的趨勢；另外，由圖可知該模型在試驗(yàn)范圍內(nèi)存在穩(wěn)定點(diǎn)，且穩(wěn)定點(diǎn)是最大值。

3.5 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果與驗(yàn)證

綜合處理結(jié)果，得出最大脫鹽率如表4所示。

表4 D90脫鹽乳清工藝優(yōu)化值及最優(yōu)條件下最大的脫鹽率

為檢驗(yàn)結(jié)果的可靠性，采用響應(yīng)面優(yōu)化的最佳條件進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得出的平均脫鹽率為91.58%，與預(yù)測值相近，其最大相對(duì)誤差約為2%，故該模型合理，實(shí)驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果可行。

4 結(jié) 論

本研究采用響應(yīng)面法研究了進(jìn)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)、進(jìn)料溫度、納濾壓力、電滲析溫度D90乳清液生產(chǎn)線脫鹽效率的影響，得到相應(yīng)的脫鹽乳清液產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的最佳工藝條件：進(jìn)料濃度16.03%，進(jìn)料溫度11.59℃，納濾壓力2.65 MPa，電滲析溫度36.79℃。此時(shí)所制得的乳清液脫鹽效率達(dá)到92.53%，且生產(chǎn)工藝成熟、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，能夠滿足大批量的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化。

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