膜過濾在蔗汁清凈中的運(yùn)用研究

沈石妍，胡瑞云，李艷芳，李雪珍，郭家文

（云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，云南開遠(yuǎn)661699）

膜過濾在蔗汁清凈中的運(yùn)用研究

沈石妍，胡瑞云，李艷芳，李雪珍，郭家文*

（云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，云南開遠(yuǎn)661699）

為研究不同材質(zhì)、不同孔徑濾膜在蔗汁清凈中的效果，選用4種不同孔徑的陶瓷膜和2種不同截留分子量的有機(jī)管式膜對(duì)蔗汁進(jìn)行過濾處理。結(jié)果表明，不同孔徑膜管過濾蔗汁后膜通量差別較大，蔗汁透過液的質(zhì)量指標(biāo)也有較大的差異，200nm孔徑的陶瓷膜對(duì)蔗汁色素物質(zhì)去除率可達(dá)90%以上，混濁度去除率可達(dá)99.9%以上，清凈效果優(yōu)于傳統(tǒng)亞硫酸法澄清汁。

蔗汁；膜過濾；膜通量；清凈效果

蔗汁是甘蔗經(jīng)過壓榨后的產(chǎn)物，是制糖過程的主要原料。蔗汁中除含有蔗糖、還原糖等糖類物質(zhì)外還含有許多非糖雜質(zhì)，如色素、蛋白質(zhì)、淀粉、膠體、多酚類化合物、葡聚糖、蔗酯蔗蠟以及蔗屑泥砂等[1]，成分非常復(fù)雜，使得蔗汁呈混濁不透明狀，制糖生產(chǎn)過程中需要盡可能地將其除去。目前大部分甘蔗糖廠均采用亞硫酸法生產(chǎn)工藝，需加入石灰、磷酸、二氧化硫、絮凝劑等化學(xué)助劑進(jìn)行澄清和脫色處理，工藝過程復(fù)雜且容易造成化學(xué)添加劑在最終產(chǎn)品中的殘留。膜分離技術(shù)是一種高效的物理分離技術(shù)，使用微濾或超濾可得到澄清效果更好、色值更低的清汁，且能避免或減少化學(xué)澄清劑的使用[2]，提高了產(chǎn)品的安全性。無機(jī)陶瓷膜具有耐高溫、壽命長、化學(xué)穩(wěn)定性好、允許苛刻的清洗條件等優(yōu)點(diǎn)[3]，使得在工業(yè)化生產(chǎn)中更有運(yùn)用優(yōu)勢(shì)。本試驗(yàn)的目的在于比較不同孔徑的陶瓷膜及有機(jī)管式膜在蔗汁過濾過程中的膜通量及清凈效果，為實(shí)際生產(chǎn)選擇較適合的過濾膜提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

樣品1和樣品2選用云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所第一試驗(yàn)基地種植的甘蔗。

1.2 主要儀器

陶瓷膜/管式膜實(shí)驗(yàn)室小試設(shè)備： 型號(hào)，CeraMem-0100，1.5kW，膜的過濾方式為切向流過濾，膜過濾裝置流程圖如圖1所示，廈門世達(dá)膜科技有限公司生產(chǎn)。

圖1 陶瓷膜過濾裝置流程

陶瓷膜：孔徑800 nm、500 nm、200 nm、100 nm、50 nm各一支，外形尺寸：φ30×500mm、膜過濾面積0.12m2，膜管通道數(shù)19個(gè)，上海科瑯膜技術(shù)有限公司生產(chǎn)。

有機(jī)管式膜：截留分子量100 KD、50 KD各一支，外形尺寸：φ30×500 mm、膜過濾面積0.084 m2，膜管通道數(shù)7個(gè)，北京特里高膜技術(shù)有限公司生產(chǎn)。

數(shù)顯pH計(jì)（BenverUB-7，德國賽多利斯股份公司）；電導(dǎo)儀（DDSJ-308A，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）；紫外/可見分光光度計(jì)（UV754N型，上海精密科學(xué)儀器有限公司）；自動(dòng)折光儀（Rudolph J257，美國魯?shù)婪蚬荆?/p>

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品預(yù)處理 將試驗(yàn)用甘蔗經(jīng)小型壓榨機(jī)榨汁，蔗汁經(jīng)200目篩網(wǎng)過濾后放入料液桶中待用。

1.3.2 試驗(yàn)步驟 將膜管安裝到膜過濾設(shè)備上，啟動(dòng)設(shè)備，調(diào)節(jié)電機(jī)頻率為50 Hz，控制進(jìn)膜壓力0.3 MPa，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)后，每隔5 min測定膜通量一次，并收集濾出液100 mL于燒杯中，每15 min截樣一次，測定樣品的pH值、錘度、電導(dǎo)灰分、色值、混濁度、膠體含量。每支膜管測定4組樣品，以平均值作為測定結(jié)果。

1.3.3 檢測方法 水通量檢測方法[4]：將待測膜管安裝到陶瓷膜小試設(shè)備上，在料液桶中裝入純水，啟動(dòng)設(shè)備，調(diào)節(jié)適宜的流量和壓力，平穩(wěn)運(yùn)行10min后，每5min測定膜管滲透液的體積。為便于比較不同試驗(yàn)條件下的水通量值，通常將其換算為標(biāo)準(zhǔn)水通量，用WFR125表示，即在溫度25℃、操作壓力0.1MPa（1bar）下，單位面積每小時(shí)透過膜管的滲透液體積升數(shù)。

WFR125=Q×K/（TMP×S）；TMP=（P1+P2）/2-P3；實(shí)測通量=Q/S

式中：TMP—操作壓力，bar；P1—為物料進(jìn)口壓力，bar；P2—為物料循環(huán)壓力，bar；P3—滲透側(cè)出口壓力，bar，通常情況下可視為0；Q—滲透側(cè)滲透液流量，L/h；K—溫度校正系數(shù)；S—膜過濾面積，m2

蔗汁指標(biāo)檢測方法[5]：錘度用折光法、電導(dǎo)灰分用電導(dǎo)法、pH值用電位法、色值用在制品色值測定法、混濁度用在制品混濁度測定方法、膠體用酒精沉淀法。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)樣品指標(biāo)情況

試驗(yàn)樣品指標(biāo)情況如表1所示。

2.2 溫度、壓力對(duì)膜通量的影響

以100nm陶瓷膜為試驗(yàn)材料，調(diào)節(jié)膜過濾設(shè)備電機(jī)功率50 Hz，以純水為過濾介質(zhì)，測定不同進(jìn)膜壓力和溫度條件下膜通量的變化，圖2所示為恒定溫度30℃下膜通量隨進(jìn)膜壓力變化情況，圖3所示為恒定壓力0.3MPa下，膜通量隨溫度變化情況。

表1 蔗汁指標(biāo)情況

圖2 溫度對(duì)水通量的影響

圖3 進(jìn)膜壓力對(duì)水通量的影響

從圖2可以看出，相同進(jìn)膜壓力下，隨著溫度的升高膜的通量呈冪指數(shù)上升，當(dāng)溫度從30℃升至65℃時(shí)，實(shí)測水通量提高了1倍，而標(biāo)準(zhǔn)水通量值則維持相對(duì)穩(wěn)定。從圖3也可看出，在恒定溫度條件下，濾膜的實(shí)測水通量隨進(jìn)膜壓力的升高呈冪指數(shù)上升，當(dāng)進(jìn)膜壓力從0.075 MPa升高至0.3 MPa時(shí)，實(shí)測水通量提高了2倍，而標(biāo)準(zhǔn)水通量值則相對(duì)穩(wěn)定，說明不同的操作條件下測得的膜通量值也各不相同，為便于比較不同膜管的過濾通量，后面試驗(yàn)中通量均換算為標(biāo)準(zhǔn)通量進(jìn)行比較。

2.3 膜孔徑對(duì)蔗汁通量的影響

從圖4可看出，兩個(gè)蔗汁樣品錘度較為接近，在通過相同孔徑的膜管時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)通量值也比較接近的，說明試驗(yàn)過程中膜的性能較為穩(wěn)定，通量測定結(jié)果重現(xiàn)性較好。同一蔗汁通過不同孔徑的膜管時(shí)，膜通量值隨膜孔徑的減小而減小，在膜孔徑從500 nm下降至200 nm時(shí)，膜的標(biāo)準(zhǔn)通量下降速度最快，從32 L/（h·m2）下降至17 L/（h·m2）。截留分子量為100 kD和50 kD的有機(jī)管式膜通量僅為9 L/（h·m2），較孔徑較大的陶瓷膜明顯要低很多，通量效果不太理想。

2.4 過膜前后電導(dǎo)灰分變化情況

電導(dǎo)法測定溶液的電導(dǎo)率可反映樣品中鹽類、游離酸等離子型物質(zhì)的含量，通過折算可計(jì)算出蔗汁電導(dǎo)灰分[5]。從圖5可以看出，蔗汁在經(jīng)過不同孔徑的膜管過濾后，電導(dǎo)灰分基本保持穩(wěn)定，這是因?yàn)檎嶂械柠}類和游離有機(jī)酸大多為小分子物質(zhì)，在過濾過程中絕大部分可通過膜孔進(jìn)入到透過液中，僅有少量大分子有機(jī)酸及有機(jī)物鹽類在過濾過程中被除去，電導(dǎo)灰分會(huì)略有降低，但是變化不明顯，因此，要減少蔗汁的灰分需要采用膜孔更小的超濾膜或采用離子交換法進(jìn)行處理。

2.5 過膜前后色值變化情況

圖4 膜孔徑對(duì)蔗汁通量的影響

圖5 過膜后蔗汁電導(dǎo)灰分變化情況

蔗汁中色素物質(zhì)的種類及含量因甘蔗品種的不同有較大差異，試驗(yàn)中兩個(gè)蔗汁樣品的色值分別為55346 IU和33462 IU，過膜后蔗汁的色值變化情況如圖6、圖7所示。同一蔗汁經(jīng)不同孔徑的膜過濾后，總體來說色值隨膜孔徑的減小呈下降趨勢(shì)，但孔徑較大的800 nm和500 nm陶瓷膜對(duì)色素物質(zhì)的去除效果比較接近，樣品1約為800 IU，樣品2約為1300 IU，當(dāng)濾膜孔徑減小到200 nm時(shí)，透過液色值明顯降低，樣品1和樣品2的色值基本穩(wěn)定在600 IU左右，色值去除率可達(dá)到98%以上，之后隨著濾膜孔徑再減小，色值下降速度變緩，說明使用200nm孔徑的濾膜即可達(dá)到較好的脫色效果。

圖6 過膜后蔗汁色值變化情況

圖7 過膜后蔗汁色值去除率變化情況

2.6 過膜前后混濁度變化情況

試驗(yàn)中兩個(gè)蔗汁樣品的混濁度分別為265127 MAU和329757 MAU，經(jīng)膜過濾后的效果如圖8、圖9所示，從圖中可以看出，蔗汁經(jīng)800nm膜管過濾后混濁度降低至700 MAU以下，混濁度去除率達(dá)到99.7%以上；當(dāng)膜徑降低至500nm以下時(shí)，混濁度降至100 MAU以下，混濁度去除率達(dá)到99.9%以上，蔗汁呈清亮透明液體，澄清效果優(yōu)于常規(guī)亞硫酸法澄清汁。膜徑再降低，混濁度下降變緩，說明500 nm陶瓷膜即可達(dá)到較好的除雜效果。

圖8 過膜后蔗汁混濁度變化情況

圖9 過膜后蔗汁混濁度去除率變化情況

2.7 過膜前后pH值變化情況

從表2可以看出，蔗汁過膜后pH值基本保持穩(wěn)定，略有上升趨勢(shì)。這可能因?yàn)檎嶂乃岫仁怯烧嶂腥樗?、草酸、烏頭酸、檸檬酸等游離有機(jī)酸的存在而形成，這些有機(jī)酸大多為小分子有機(jī)酸，蔗汁在過濾過程中小分子有機(jī)酸可通過膜孔進(jìn)入透過液中，而大分子有機(jī)酸則被濾膜阻隔，隨著膜孔徑的減小，被阻隔的有機(jī)酸量增加，導(dǎo)致樣品1和樣品2透過液的pH值較過膜前的5.37和5.30均略微上升。

表2 濾膜孔徑對(duì)pH 值及膠體含量的影響

2.8 過膜前后蔗汁膠體含量變化情況

從表2可以看出，蔗汁過膜后，膠體含量（%錘度）隨濾膜孔徑的減小逐漸下降，蔗汁通過800 nm膜管后膠體降低了3.08%，經(jīng)200 nm濾膜后降低了8.96%，當(dāng)使用截留分子量為100 kD的有機(jī)管式膜后，膠體含量降低了23.53%。這是因?yàn)?，蔗汁中的蛋白質(zhì)和膠體物質(zhì)分子直徑多在1~200 nm間，因此陶瓷膜過濾對(duì)膠體物質(zhì)的去除率不高，需要通過截留分子量更低的超濾膜方可除去。

3 結(jié)論與討論

3.1 蔗汁經(jīng)膜過濾后，色值、混濁度均發(fā)生較大的變化，使用孔徑為500 nm的陶瓷膜進(jìn)行過濾時(shí)，透過液質(zhì)量優(yōu)于常規(guī)亞硫酸法澄清工藝澄清汁質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)樣品的色值達(dá)到1300 IU以下，混濁度達(dá)到100 MAU以下，色值去除率可達(dá)到90%以上，混濁度去除率達(dá)到99.98%以上；200 nm孔徑的陶瓷膜可以使透過液色值降低至600 IU以下，混濁度控制在100 MAU以下，優(yōu)于原糖回溶糖漿的色值，達(dá)到了一次結(jié)晶提純的效果，經(jīng)蒸發(fā)煮煉可得到色值較低的高品質(zhì)白砂糖或通過進(jìn)一步脫色直接用于精制白砂糖的生產(chǎn)。

3.2 蔗汁經(jīng)膜過濾后，透過液pH值及電導(dǎo)灰分變化不大，說明通過截留分子量為50 kD以上的濾膜對(duì)蔗汁的pH值影響不大，對(duì)降低蔗汁的灰分效果也不明顯，要得到較低灰分的蔗汁可使用孔徑更小的超濾膜或進(jìn)行離子交換方可取得更好的除鹽效果。

3.3 濾膜孔徑越小，透過液的質(zhì)量越好，但膜的通量也會(huì)變小，通量過小不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求及產(chǎn)品質(zhì)量的定位選擇合適孔徑的膜管，在滿足工藝要求的同時(shí)保證較大的過濾通量值。

[1]霍漢鎮(zhèn).制糖工藝與裝備的新概念與新實(shí)踐[M].北京：全國甘蔗糖業(yè)信息中心，2002：1-38.

[2]于淑娟.膜分離技術(shù)在制糖工業(yè)中的應(yīng)用[J].中國甜菜糖業(yè)，1999（1）：11-14.

[3]熊小兵，曾祥燕，林慶生.膜技術(shù)在制糖工業(yè)上的研究和應(yīng)用[J].中國甜菜糖業(yè)，2004（3）：21-25.

[4]廈門世達(dá)膜科技有限公司.陶瓷膜/管式膜小試設(shè)備使用說明書[Z].

[5]李墉，鄭長庚.甘蔗制糖化學(xué)管理分析方法[M].廣州：中國輕工總會(huì)甘蔗糖業(yè)質(zhì)量監(jiān)督檢測中心，1995.

Research of Sugarcane Juice Cleansing Using Membrane Filtration

SHEN Shi-yan,HU Rui-yun,LI Yan-fang,LI Xue-zhen,GUO Jia-wen*
(Sugarcane Research Institute,Yunnan Academy of Agricultural Sciences，Kaiyuan Yunnan 661699)

The 4 different aperture of ceramic membrane and 2 different molecular weight cutoff of tubular polymeric membrane were used to filter the sugarcane juice to determine the cane juice purifying effect of different materials and aperture membrane.The result showed that,there were large differences in the membrane flux while using different aperture of ceramic membrane and the quality index of filter liquor has large differences,too.The removal efficiency of pigment in sugarcane juice could be achieved more than 90%,and the opacity could be achieved 99.9%.The purifying effect was superior to the traditional sulfurous process.

sugarcane juice;membrane filtration;membrane flux,purifying effect

S566.1；TS244

A

1007－2624（2017）01－0020－04

10.13570/j.cnki.scc.2017.01.007

2016-08-17

2015云南省蔗糖專項(xiàng)：蔗糖精深加工技術(shù)的研究及功能性產(chǎn)品的開發(fā)。

沈石妍（1968-），女，高級(jí)工程師，主要從事蔗糖深加工及副產(chǎn)物綜合利用方面研究。E-mail：okmlshshy@sina.com

郭家文（1979-），男，研究員，從事甘蔗產(chǎn)業(yè)綜合技術(shù)研究。E-mail：79jwguo@163.com