葡萄糖酸內酯連續(xù)離心分離設備的研制與應用

崔光水　李貴伶　蘇學勤　胡宗智　王蒙　張偉

摘 要：本文介紹了根據葡萄糖酸內酯結晶溶液特點，選擇適合其固液分離的連續(xù)式離心機，研制出連續(xù)進出料，用水和酒精兩種洗滌劑同時洗滌且兩種洗滌液分開，具有防爆功能的新型臥式螺旋離心機。其結構特點是：機體內設置水洗區(qū)和酒洗區(qū)；在螺旋體外緣增設導流槽，液體流通道內設置隔板，水洗液與酒洗液分開；機體內安裝氮氣管作為防爆裝置。加長轉鼓長度、提高轉鼓轉速、調整螺距與速比差，增加物料在轉鼓中滯留時間。該設備經生產實際應用：運行平穩(wěn)、產品質量穩(wěn)定、生產成本低、勞動效率高、應用效果明顯。推廣前景廣闊。

關鍵詞：臥式螺旋離心機；洗滌劑；葡萄糖酸內酯；轉鼓

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.270

1 研制背景

葡萄糖酸內酯作為食品添加劑主要用作酸味劑、膨松劑、整合劑，廣泛用于食品、日用化工、醫(yī)藥、化妝品、塑料和樹脂改性、電鍍拋光、金屬清洗加工合成方面、作為穩(wěn)定性和凝固劑用于生產香腸、魚縻劑、豆腐[1] 。生產方法是以葡萄糖酸鈉為原料經配料、離子交換、蒸發(fā)、結晶、離心分離、烘干包裝等工序加工而成。其中，在葡萄糖酸內酯結晶溶液的離心分離工序，采用離心分離設備將葡萄糖酸內酯溶液進行固液分離后，用純凈水洗去晶體表面的母液，再用食用無水酒精洗去晶體表面的水不溶物。分離出的晶體進入烘干機除去水分與揮發(fā)分經檢測合格包裝入庫，水洗后的母液進入儲罐收集后，再次進入蒸發(fā)工序，而無水酒精洗滌后的母液單獨收集處理。

目前國內用于物料分離的設備按操作方式分為間歇式離心機和連續(xù)式離心機[2]，采用間歇式離心機分離葡萄糖酸內酯結晶溶液時，能夠滿足上述用水和無水酒精分別洗滌葡萄糖酸內酯晶體的要求，同時滿足兩種母液分開儲存的要求，但采用間歇式離心機物料處理量小；人工操作勞動量大；設備數量多占地面積大；人工用量多費用高；同時很難保證食品衛(wèi)生。因此，在葡萄糖酸內酯固液分離時選用連續(xù)式離心機，實現連續(xù)進料連續(xù)出料同時進行水和無水酒精洗滌的自動化程度高的連續(xù)離心機非常必要。然而，目前國內離心機的生產企業(yè)中，能夠滿足兩種不同洗滌劑同時洗滌，流出的兩種母液分開儲存的連續(xù)式離心機尚未開發(fā)，而且，用無水酒精洗滌時，酒精在高速旋轉的機體腔內易揮發(fā)，酒精濃度高，設備防爆裝置是必須考慮的。在此背景下研究開發(fā)滿足葡萄糖酸內酯結晶溶液固液分離的連續(xù)式離心機是有重要的現實意義的。

2 現狀分析

2.1 物料特性分析

葡萄糖酸內酯為白色結晶或結晶性粉末，幾乎無臭，味先甜后酸（與葡萄糖酸的味道不同）。易溶于水（60g/100mL），稍溶于乙醇（1g/100mL），幾乎不溶于乙醚，在水中水解為葡萄糖酸及其δ-內酯和r-內醋的平衡混合物。1%水溶液pH等于3.5，2h后變?yōu)閜H2.5[3]。

葡萄糖酸內酯結晶溶液固形物含量在 90--106%（w/w）；固液比55-65%；比重： ≤1.5t/m3；晶體粒度：0.42—1.1 ㎜占60%；離心機進料溫度≤50℃時，其溶液粘度3000—3500cp；離心分離后的濕晶體水分≤2.5%。

2.2 現有離心機結構分析

2.2.1 間歇式離心機

根據以上物料特性分析，滿足分離葡萄糖酸內酯結晶溶液的分離設備按結構可選用間歇式離心機，如三足式離心機、上懸式離心機、刮刀卸料式離心機。其優(yōu)點：

⑴ 對物料適應性強，可用于固液分離、成品脫液、濾餅洗滌。

⑵ 結構簡單，制造、安裝、維修、使用成本低。

⑶ 運轉平穩(wěn)，易于實現密閉和防爆。

缺點：卸料要停車，效率低。

因此，間歇式離心機不能實現連續(xù)進料連續(xù)出料，自動化程度低；連續(xù)式離心機，如活塞卸料式離心機、活塞卸料式離心機、離心卸料式離心機、振動卸料式離心機、臥式螺旋式離心機、進動卸料式離心機都能實現連續(xù)加料、分離、洗滌、卸料各道工序在同一時間內完成。但滿足兩種不同洗滌劑同時洗滌且母液分開，目前國內尚無先例，只能根據連續(xù)式離心機的構造特點加以改進。

2.2.2 連續(xù)式離心機

連續(xù)式離心機如離心卸料式離心機、振動卸料式離心機、臥式螺旋篩網式離心機、進動卸料式離心機。加料、分離、卸料各道工序在同一時間內完成。臥式螺旋離心機構造特點是：它由兩部分組成：一部分是轉鼓，另一部分是螺旋輸送器。螺旋在轉鼓里面，且兩者同軸，轉鼓與螺旋之間有 1.2---2mm的間隙。工作原理：轉鼓與螺旋轉向相同，螺旋轉速比轉鼓略高或略低， 轉速差由差速器調節(jié)。當要分離的懸浮液進入離心機轉鼓后，高速旋轉的轉鼓產生強大的離心力把比液相密度大的固相顆粒沉降到轉鼓內壁，由于螺旋和轉鼓的轉速不同，二者存在有相對運動（即轉速差），利用螺旋和轉鼓的相對運動把沉積在轉鼓內壁的固相推向轉鼓小端出口處排出，分離后的清液從離心機另一端排出。差速器（齒輪箱）的作用是使轉鼓和螺旋之間形成一定的轉速差。當漿液由供料端進入轉鼓中，泥漿液隨同轉鼓旋轉，這時固體顆粒在離心力的作用下便沉降到轉鼓的篩網上，在螺旋輸送器的作用下，將沉降到轉鼓壁上的固體顆粒排出。這樣就實現了固—液兩相的分離。而分離出來的液體經導流槽匯集到出料口進入物料儲罐。其構造如圖1示。

2.3 分析結論與需要解決的問題

根據上述物料特性和離心機的工作原理與構造特點，結論是：臥式螺旋離心機最適合葡萄糖酸內酯溶液的分離要求。需要解決的問題是： 連續(xù)進料、兩種洗滌劑水和無水酒精同時進行洗滌；母液分開；設備防爆問題。另外，葡萄糖酸內酯結晶溶液粘度大，分離困難；結晶顆粒在轉鼓與螺旋之間卸出時不被破壞，都應在設計時得到解決。

3 設計方案

根據普通臥式螺旋離心機構造（改造前）特點（構造見圖1）與

工作原理，實現葡萄糖酸內酯結晶溶液分離工藝要求，解決問題的計方案是：在螺旋錐筒上設計水洗區(qū)與酒洗區(qū)；在液體流出通道內設置隔板；在離心機腔體內設置氮氣管。調整螺距和減小速比使物料在轉鼓內停留的時間越長。臥式螺旋離心機改造后結構如圖2所示。

3.1 在螺旋錐筒上設計水洗區(qū)與酒洗區(qū)

在離心機殼上部裝有水洗管、酒洗管直接伸入離心機腔內的螺旋導料錐筒側部，螺旋導料錐筒內側前部設兩個水洗管，后側部設一個酒洗管。物料管直接進入螺旋導料錐筒內側中心。

通過上述設計，實現了物料甩干、晶體水洗去除母液、酒洗去除水不溶物的連續(xù)進料洗滌的設計要求。

其工藝過程及原理是：葡萄糖酸內酯結晶溶液通過螺旋導料錐筒內側中心進入轉鼓內側篩網上，轉鼓與螺旋同向轉動，高速轉動時產生的離心力使粘度3500cp左右的葡萄糖酸內酯結晶溶液進行固液分離，洗滌進入液體流出通道，晶體留在篩網內側，由于螺旋和轉鼓在差速器的作用下形成一定的轉速差，將晶體推向后面的水洗區(qū)與酒洗區(qū)，經洗滌后晶體甩出轉鼓進入下料口。這樣連續(xù)進料、水洗、酒洗同時進行的工藝要求得以實現。

3.2 在螺旋體外緣增設導流槽液體流通道內設置隔板

如圖2所示，在轉鼓外腔設置一圈隔板，將固液分離后的液體和水洗液匯集一起經隔板隔離進入母液通道單獨收集；而酒洗后的液體經隔板隔離單獨收集，這樣兩種洗滌劑的母液就實現單獨收集儲存。

3.3 離心機腔內安裝防爆管--氮氣管

當葡萄糖酸內酯結晶溶液經固液分離后，晶體推進到水洗區(qū)，經水洗后的晶體進入酒洗區(qū)，晶體含有部分水份無水酒精洗滌后，部分酒精在離心機腔內揮發(fā)，使離心機腔內酒精氣體濃度增大易造成爆炸隱患，設置惰性氣體防爆管--氮氣管，通入氮氣后，完全消除酒精氣爆炸隱患。

3.4 設備運行參數進行調整

通過對普通臥式螺旋離心機結構進行上述改造后，解決了連續(xù)進料、連續(xù)水洗酒洗、水洗液與酒洗液分開、設備防爆問題。但由于葡萄糖酸內酯結晶溶液粘度大，分離困難，同時要求離心分離后的萄糖酸內酯晶體不被破壞，因此，對普通臥式螺旋離心機的設備運行參數進行調整。調整參數如下：

3.4.1 提高離心機轉速

普通臥式螺旋離心機轉速一般在2600轉/分，調整到2800轉/分；由于轉速調高，臥式螺旋離心機的離心力增大，在萄糖酸內酯結晶溶液粘度大的情況下也能快速進行固液分離。

3.4.2 調整螺距和減小速比差增加物料在篩中滯留時間

通過調整螺距和減小速比使物料在轉鼓內停留的時間越長，固液分離時間加長，排出晶體慢，晶體水份減小。

3.4.3 適當提高轉鼓與螺旋之間的間隙

根據萄糖酸內酯結晶溶液中晶體顆粒大小，在普通臥式螺旋離心機轉鼓與螺旋之間1--1.2mm的正常間隙調節(jié)范圍內，調整到1-- 2mm區(qū)間范圍，解決和防止萄糖酸內酯晶體的晶型受到破壞。

4 應用效果

按照上述設計方案研制的臥式螺旋離心機，經在工廠現場實際應用，與傳統的間歇離心機相比：運行平穩(wěn)、檢修率低、安全可靠；同時具有自動化程度高、節(jié)省人工、產品質量好、 生產成本低的效果。具有廣闊的推廣應用前景。

參考文獻：

[1]汪炯.葡萄糖酸以及葡萄糖酸內酯制備工藝研究--[D].暨南大學 2012，TS202.3.

[2]金綠松，林元喜.《離心分離（現代分離科學與技術叢書）》[M].化學工業(yè)出版社出版，2008（08） ISBN：9787122030368.

[3]王博彥，金其榮等.發(fā)酵有機酸生產與應用手冊[M].中國輕工業(yè)出版社，2000（09）：503-523.

基金項目：山東省科技發(fā)展計劃項目 （2014YD2121）

作者簡介：崔光水（1964-），男，山東日照人，工程師，主要從事：生物化工技術與新產品開發(fā)。