魚明膠離子交換樹脂系統(tǒng)的選型設(shè)計

梁呂保 楊莉莉 唐彩珍 劉梓雯

離子交換樹脂系統(tǒng)已經(jīng)在食品工業(yè)中應(yīng)用多年，是魚明膠生產(chǎn)過程中的一道重要工序，用于吸附前端提膠、固液分離等步驟中加入的酸、堿，起到吸附、脫色、除臭等作用，對于改善產(chǎn)品品質(zhì)至關(guān)重要。離子交換樹脂系統(tǒng)再生會用到酸和堿，會腐蝕系統(tǒng)的零部件進而出現(xiàn)故障，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性、運行效率等?；诖耍疚膶﹄x子交換樹脂系統(tǒng)的一些選型設(shè)計的應(yīng)用實踐進行簡單介紹，以期為相關(guān)研究者及企業(yè)提供一定的參考。

一、離子交換樹脂在魚明膠

生產(chǎn)過程中的作用及原理

膠原是大量存在于細胞外基質(zhì)中、具有三股螺旋結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)的統(tǒng)稱，是脫脂魚皮、脫灰魚鱗的主要組成部分。明膠是膠原經(jīng)溫和但不可逆的斷裂后生成的主要產(chǎn)物。目前，魚明膠的制取大多采用堿法和酸法。具體做法是：先把脫脂魚皮或脫灰魚鱗放在熱酸（堿）水中，其中的大部分膠原會轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘哪z原，可溶性膠原溶液再經(jīng)后端工序的多重純化、濃縮、干燥、粉碎，最終制得明膠。

在提取及固液分離等前端工序中加入的酸和堿，需要經(jīng)過離子交換樹脂系統(tǒng)進行脫鹽處理，以除去明膠液中多余的陽、陰離子，同時起到吸附、脫色、除臭等作用，能夠改善明膠產(chǎn)品的品質(zhì)。

離子交換樹脂的解離基團能夠與明膠液中的離子發(fā)生交換，明膠液中的離子與樹脂上電性相反的基團發(fā)生親和，并保留在樹脂上，而樹脂中解離出來的離子則會溶解在溶液中。當(dāng)明膠溶液依次通過陰陽離子交換樹脂柱時，膠液中的正、負離子雜質(zhì)會被置換出來，而膠液中的非膠原和離子雜質(zhì)會吸附在樹脂上，從而提高明膠的透明度和純度。

已經(jīng)吸附飽和的離子交換樹脂，需經(jīng)過酸、堿再生處理后，恢復(fù)吸附能力，才能重新進行循環(huán)利用。直接接觸再生酸、堿的部位，如罐體、管道、排水帽等處的材料容易損壞，故而這些部位是決定離子交換系統(tǒng)好壞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響著離子交換樹脂系統(tǒng)的穩(wěn)定性、運行效率、維護維修的便捷程度等。

二、離子交換樹脂系統(tǒng)選型設(shè)計

1.罐體材質(zhì)的選型。離子交換樹脂系統(tǒng)所用罐體常見的材質(zhì)有玻璃鋼、碳鋼襯橡膠、不銹鋼三種，這三種材料適用于不同的使用工況。

玻璃鋼（英文縮寫為FRP）是以樹脂作為塑性粘結(jié)材料、以纖維作為骨架增強材料，復(fù)合改性而成的一種新型復(fù)合材料。這種材料具有輕質(zhì)、高強度、無毒、耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸濕性弱低、耐久性強、表面光潔易清洗等特性，在食品行業(yè)中適用于制作貯缸、配料桶、攪拌桶、發(fā)酵罐、平衡槽、冷卻器、過濾器、冷藏冷凍箱、牛奶果酒槽車等設(shè)備，以及水箱、水塔、水池等大型設(shè)備。這種罐體的優(yōu)點是耐腐蝕性強、綜合造價低、材質(zhì)輕、強度高、耐腐蝕、熱導(dǎo)率低，缺點是維修困難、長期耐溫性差、使用過程中有化學(xué)物質(zhì)遷移的風(fēng)險，如殘余苯乙烯等。

碳鋼是含碳量在0.0218%-2.11%的鐵碳合金，也叫碳素鋼，這種材料中一般還含有少量的硅、錳、硫、磷元素。通常情況下，碳鋼中含碳量越高，硬度越大，強度也越高，但塑性越低。它的優(yōu)點是價格便宜、壓力加工性能好、切削加工性能好、綜合力學(xué)性能好。碳鋼襯橡膠罐體內(nèi)部做了天然硬質(zhì)橡膠襯層，以達到防腐防蝕的目的，天然橡膠襯層工藝的好壞決定了罐體使用的年限，且襯層損壞后維修困難。

不銹鋼（Stainless Steel）的主要特點是不生銹、耐腐蝕，鉻含量至少為10.5%，且碳含量最大不超過1.2%。不銹鋼罐體具有優(yōu)異的抗點蝕能力，可以安全地應(yīng)用于含Cl-等鹵素離子的環(huán)境中，且機械強度高、容易維修，缺點是造價偏高。

表1對比了相同規(guī)格不同材質(zhì)罐體在耐腐蝕性、維修便捷性、價格等方面的特性，發(fā)現(xiàn)魚明膠離子交換樹脂系統(tǒng)宜選用不銹鋼罐體。

2.排水帽的選型。多孔板位于離子交換罐體的底部，起到支撐樹脂及膠液重量的作用，上面安裝排水帽，其作用是攔截樹脂并讓膠液通過。離子交換柱子中常見的排水帽有不銹鋼繞絲排水帽、ABS塔形排水帽、ABS疊片式排水帽幾種，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

不銹鋼繞絲排水帽的優(yōu)點是開孔率高、過濾面積大，約為同規(guī)格塑料縫隙式水帽的2-3倍，抗老化、耐壓性能好；缺點是造價高，頂部與底部焊接部位在酸、堿環(huán)境下長期使用容易脫焊導(dǎo)致樹脂泄漏，耐酸堿性能比ABS材質(zhì)的水帽差一些。ABS塔形排水帽的優(yōu)點是耐酸堿性能強，造價便宜；缺點是耐壓性能差，抗老化能力較弱，過濾面積比不銹鋼繞絲水帽要小。ABS疊片排水帽的優(yōu)點是耐酸堿性能強，耐壓強度比ABS塔形排水帽高，過濾面積可以根據(jù)實際需要增減疊片，造價便宜；缺點是耐壓強度比不銹鋼繞絲水帽要弱。不銹鋼繞絲排水帽、ABS塔形排水帽、ABS疊片式排水帽在過濾面積、耐酸堿腐蝕、運行壓力等方面的數(shù)據(jù)詳見表2。

離子交換罐體內(nèi)填充有數(shù)立方的樹脂，每次使用后都需要用稀酸稀堿液進行再生。316L不銹鋼繞絲排水帽雖然具有良好的耐壓性能，但是長期在酸堿條件下使用容易使焊口脫焊造成漏樹脂。而ABS塔形排水帽的耐壓性能比不上不銹鋼繞絲排水帽和ABS疊片式排水帽，綜合考慮下來。離子交換罐體內(nèi)的排水帽宜選用ABS疊片式排水帽，因為這種排水帽既耐酸堿，又兼顧了耐壓強度。

3.離子交換系統(tǒng)管道及閥門高度的設(shè)計。（1）管道材質(zhì)的確定。通常管道所用材質(zhì)有不銹鋼、PVC、PPR、PE、碳鋼襯塑等，由PVC、PPR、PE材質(zhì)制成的管道在50℃溫度條件下長期使用容易變形，并且溫度高更容易發(fā)生化學(xué)物質(zhì)遷移，造成食品安全隱患，因此不適宜使用。碳鋼襯塑管需要廠家按圖紙定制，內(nèi)襯的壽命決定了管道的使用壽命，一旦使用過程中出現(xiàn)損壞，只能重新定制后才能更換，不利于快捷維修。不銹鋼則可以長期在80℃以下使用，并且維修便捷。樹脂再生會用到稀酸、稀堿，管道直接與產(chǎn)品接觸，因此整體管道材質(zhì)須采用316L厚度1.5mm的不銹鋼管道。陽離子樹脂再生要用到稀鹽酸，而長年累月下來，稀鹽酸也會對不銹鋼材料產(chǎn)生腐蝕作用，罐體厚度為6mm但管道厚度只有1.5mm，管道會比罐體更容易出現(xiàn)腐蝕穿孔問題。而陽柱子排再生酸水的管道沒有直接接觸產(chǎn)品，所以可以采用C-PVC材質(zhì)，閥門采用法蘭對夾式蝶閥，蝶閥故障只須松開4個螺栓就可快速更換，與不銹鋼管道部分用法蘭連接，可以大幅延長整套管道的使用壽命，見圖2。

圖2：離子交換系統(tǒng)管道及閥門高度設(shè)計圖

（2）閥門操作高度的確定。按車間平均身高166.5cm進行設(shè)計，伸手可以觸摸到的高度為210cm左右，因此，最低的閥門高度為40cm，彎腰俯身可以觸及，最高的手動閥門高度為176cm，不用步梯也可以觸及進行操作或維修。

（3）管道、閥門布置設(shè)計。管道敷設(shè)須遵循“橫平豎直”基本要求，設(shè)計時盡量少拐彎、少交叉，整體布置要求整齊、緊湊、美觀。管與管、管與閥、閥與閥之間須留有維修空間。另外，管道上的電導(dǎo)率計、壓力表的安裝高度要便于現(xiàn)場操作人員進行觀察操作。

作者簡介：梁呂保（1982-），男，廣東茂名人，助理工程師，碩士研究生，研究方向為魚膠原蛋白肽、魚明膠生產(chǎn)工藝。

楊莉莉（1985-），女，湖北大冶人，工程師，碩士研究生，研究方向為魚膠原蛋白肽、魚明膠生產(chǎn)工藝及其應(yīng)用。

唐彩珍（1986-），女，壯族，廣西南寧人，工程師，碩士研究生，研究方向為食品加工及副產(chǎn)物高值化應(yīng)用。

劉梓雯（1983-），女，漢族，廣東陽江人，助理工程師，碩士研究生，研究方向為食品加工與安全。