納濾膜濃縮設(shè)備與三效升膜濃縮設(shè)備生產(chǎn)魚明膠的對(duì)比分析

梁呂保 楊莉莉 唐彩珍 劉梓雯

魚明膠是以脫脂魚皮或脫灰魚鱗為原料，將提取出來(lái)的明膠液純化并濃縮，最后通過(guò)干燥得到干膠的過(guò)程。魚明膠售價(jià)較高，除了原料成本高以外，制造費(fèi)用高也是其中一個(gè)重要原因。因此，對(duì)魚明膠的生產(chǎn)工序進(jìn)行優(yōu)化，以節(jié)能降耗、降低制造成本，有利于魚明膠的推廣應(yīng)用，提高市場(chǎng)占有率。本文對(duì)比了納濾膜濃縮設(shè)備與三效升膜濃縮設(shè)備在魚明膠生產(chǎn)過(guò)程中的濃縮范圍、運(yùn)行溫度、運(yùn)行成本等，以期為相關(guān)企業(yè)節(jié)能改造、改善品質(zhì)等提供參考。

一、納濾膜濃縮設(shè)備

膜濃縮是以膜兩側(cè)的壓差為驅(qū)動(dòng)力，在一定的壓力下，只有水和小分子物質(zhì)能夠通過(guò)，直徑較大的明膠則被截留下來(lái)，就會(huì)變成濃縮液，從而達(dá)到濃縮明膠的目的。膜濃縮與傳統(tǒng)方法相比具有許多優(yōu)勢(shì)，運(yùn)行溫度和壓力均較低，有利于改善明膠的品質(zhì)，去除效率高、機(jī)器緊湊、能耗低。它的缺點(diǎn)是，膜芯是耗材，當(dāng)透過(guò)液流量、濃度不能滿足工藝要求時(shí)就需要及時(shí)予以更換。

用納濾膜濃縮設(shè)備生產(chǎn)魚明膠時(shí)，基本參數(shù)如下：（1）設(shè)計(jì)產(chǎn)能：按2000噸/年魚明膠計(jì)算，設(shè)定一年工作330d，每天運(yùn)行12h，清洗待機(jī)為12h，進(jìn)液濃度5%（w/w）、出液濃度20%（w/w），算得每天須將121m3膠液濃縮至30m3。按納濾膜清洗前最低透過(guò)液通量約為0.33m3/h，處理90m3透過(guò)液需要的納濾膜數(shù)量計(jì)算：90m3÷12h÷0.33m3/h=22.73，因此應(yīng)選用24支膜的設(shè)備（膜殼一般為3支膜芯或4支膜芯的規(guī)格）。（2）濃縮倍數(shù)：進(jìn)液濃度5%（w/w）、出液濃度20%（w/w），設(shè)計(jì)濃縮上限為25%（w/w）。（3）使用工況：明膠液pH為6-8，運(yùn)行膠液溫度為40℃-50℃，CIP清洗時(shí)pH為3-12。（4）采用批次濃縮工藝，即膜濃縮前罐加滿明膠液后，開始循環(huán)濃縮直至達(dá)到目標(biāo)濃度，然后送液到后工序，如此重復(fù)直到生產(chǎn)結(jié)束。

納濾膜濃縮設(shè)備的配置情況如表1所示。由表1可知，納濾膜濃縮設(shè)備的運(yùn)行總功率為29.5kW，耗材為24支型號(hào)為8040的納濾膜。

二、三效升膜濃縮設(shè)備

三效升膜濃縮的原理是利用第一個(gè)蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)行加熱，此時(shí)第一個(gè)蒸發(fā)器的冷凝處就是第二個(gè)蒸發(fā)器的加熱處，在負(fù)壓的作用下膠液沸點(diǎn)降低，膠液在低沸點(diǎn)下將水蒸汽蒸發(fā)出去，以達(dá)到濃縮膠液的目的。其特點(diǎn)是在高速二次蒸汽流和真空作用下，在管壁上形成薄膜并向上運(yùn)動(dòng)，使蒸發(fā)后的料液和二次蒸汽進(jìn)入頂部分離器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)料液與二次蒸汽的分離。三效升膜濃縮在明膠生產(chǎn)中的應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)，工藝成熟、穩(wěn)定，但其運(yùn)行溫度較高，對(duì)明膠的凍力、色澤等品質(zhì)指標(biāo)會(huì)造成一定的影響，另外蒸汽用量也較大，能耗較高。

使用三效升膜濃縮設(shè)備生產(chǎn)魚明膠時(shí)，基本參數(shù)如下：（1）設(shè)計(jì)產(chǎn)能：按照2000噸/年魚明膠計(jì)算，設(shè)定一年工作330d，每天運(yùn)行20h，清洗待機(jī)為4h，進(jìn)液濃度5%（w/w）、出液濃度30%（w/w），算得每天須將121m3的膠液濃縮至20m3。計(jì)算蒸發(fā)掉81m3的水所需的產(chǎn)能：81m3÷20h=4.05m3/h。因此，應(yīng)選用蒸發(fā)量為4.2T/h的三效真空濃縮設(shè)備。（2）濃縮倍數(shù)：進(jìn)液濃度5%（w/w）、出液濃度≥30%（w/w），設(shè)計(jì)濃縮上限為45%（w/w）。（3）使用工況：明膠液pH為6-8，進(jìn)膠溫度為55℃、出膠溫度為55℃，CIP清洗時(shí)pH為3-12。（4）蒸發(fā)形式：采用三效升膜式。

三效升膜濃縮設(shè)備的配置情況如表2所示，由表2可知，三效升膜濃縮設(shè)備的運(yùn)行總功率為46.5kW，其中冷卻水系統(tǒng)的功率為17.75kW，濃縮設(shè)備的功率為28.75kW。三效升膜濃縮設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有耗材。

三、兩種濃縮設(shè)備對(duì)比分析

1.運(yùn)行參數(shù)對(duì)比分析。兩種濃縮設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)詳見(jiàn)表3。由表3可知，納濾膜濃縮設(shè)備的運(yùn)行溫度為40℃-50℃，三效升膜濃縮設(shè)備的運(yùn)行溫度為55℃-85℃，運(yùn)行溫度高，魚明膠容易受熱繼續(xù)降解，會(huì)影響到產(chǎn)品的凍力及感官指標(biāo)。

納濾膜濃縮設(shè)備的濃縮范圍為5%-25%（w/w），因?yàn)殡S著魚明膠液濃度的提高，其粘度也逐漸增強(qiáng)，透過(guò)液的流量明顯變小，生產(chǎn)效率降低。隨著濃縮倍數(shù)的提高，膜過(guò)程中的濃差極化和膜污染現(xiàn)象也在不斷增加。目前設(shè)備廠家設(shè)計(jì)的濃縮上限一般在25%以內(nèi)，如果繼續(xù)提升濃縮上限，系統(tǒng)運(yùn)行壓力上升會(huì)加速導(dǎo)致膜的致密化，大大縮短膜的使用壽命。而三效升膜濃縮設(shè)備的濃縮范圍為5%-45%（w/w），濃縮范圍寬，適用的范圍更廣，特別適用于魚鱗明膠不同提取次數(shù)的膠液，這是納濾膜濃縮設(shè)備目前無(wú)法做到的。

納濾膜濃縮設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中透過(guò)液的通量會(huì)逐漸下降，這是由膜污染引起的。膜污染主要有膜表面覆蓋污染和膜孔內(nèi)阻塞污染兩種形式。膜表面細(xì)膩層內(nèi)的微粒與其他雜質(zhì)在長(zhǎng)時(shí)間的相互作用下極易形成凝膠層，導(dǎo)致大量的膜孔被覆蓋，從而增大透水阻力。這就要求每運(yùn)行一段時(shí)間就要對(duì)膜進(jìn)行CIP清洗，以恢復(fù)膜的性能。因此，納濾膜濃縮設(shè)備的工作方式不是連續(xù)的，必須在運(yùn)行一段時(shí)間后就停下來(lái)清洗。而三效升膜濃縮設(shè)備只要在運(yùn)行過(guò)程中衛(wèi)生清潔狀態(tài)沒(méi)有問(wèn)題，可以一直連續(xù)生產(chǎn)。

膜孔堵塞是指微細(xì)粒子塞入膜孔內(nèi)，或者膜孔內(nèi)壁因吸附蛋白等雜質(zhì)形成沉淀而使膜孔變小或者完全堵塞，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生一般是不可逆過(guò)程。當(dāng)透過(guò)液的通量無(wú)法滿足生產(chǎn)的要求時(shí)就要對(duì)膜濾芯進(jìn)行更換，因此，納濾膜濃縮設(shè)備會(huì)產(chǎn)生耗材。

2.運(yùn)行成本對(duì)比分析。兩種濃縮設(shè)備分別除去1m3水后的運(yùn)行成本詳見(jiàn)表4。由表4可知，設(shè)計(jì)產(chǎn)能均為2000噸/年魚明膠的情況下，納濾膜濃縮設(shè)備的蒸汽費(fèi)用0元、電費(fèi)5.86元、耗材16元，費(fèi)用總計(jì)21.86元；三效升膜濃縮設(shè)備的蒸汽費(fèi)用76.20元、電費(fèi)8.08元、耗材0元，費(fèi)用總計(jì)84.28元，遠(yuǎn)超納濾膜濃縮設(shè)備的運(yùn)行成本。

四、結(jié)論

納濾膜濃縮設(shè)備除去1m3水的能耗加上耗材的總費(fèi)用僅為三效升膜濃縮設(shè)備的25.94%，由此可見(jiàn)，納濾膜濃縮設(shè)備運(yùn)行成本更低，明膠液從5%（w/w）濃縮到20%（w/w）時(shí)，使用納濾膜濃縮的工藝更加劃算。但隨著明膠液濃度逐漸提高，其粘度增強(qiáng)，流動(dòng)性變差，若再使用納濾膜濃縮設(shè)備會(huì)損壞膜，提高成本，因此當(dāng)明膠液從20%（w/w）濃縮到30%（w/w）以上，則應(yīng)選用三效升膜濃縮設(shè)備。