多級膜並行生產營養糖、風味蔗汁及飼料原料的方法
2023-06-05 02:35:21
專利名稱：多級膜並行生產營養糖、風味蔗汁及飼料原料的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用多級膜分離技術清淨和濃縮蔗汁，並行生產營養糖、風味蔗汁及飼料原料的方法。
背景技術：
甘蔗壓榨汁作為製糖的原料汁，其主要成分是水、蔗糖、有機非糖分(蛋白質、多糖、還原糖、酚類物等)及部分懸浮顆粒(蔗屑和蔗髓等)。儘管有機非糖分具有較高營養價值，但會影響白砂糖的生產及其質量，因此，除去蔗汁中具有營養價值的「雜質」是傳統製糖過程的重要內容。我國甘蔗糖廠多採用磷酸-亞硫酸法工藝生產耕地白砂糖，生產過程需耗用大量化學藥劑(石灰乳、磷酸、硫磺、聚丙烯醯胺等)以吸附並除去混合汁中的有機非糖分，最後形成成分更為複雜、利用價值低且難以處理的糖廠濾泥和廢水，而生產出來的白砂糖除了可以給人體提供熱量和甜味外無任何營養價值。此外，甘蔗中的水分含量佔70% 以上，一直沒有得到有效利用，並且在糖廠蒸發過程中需耗用製糖總耗汽的一半對清汁進行濃縮，能源消耗大。因此，製糖工藝的技術革新和製糖副產物的高附加值利用對製糖企業來說具有重要意義。隨著材料科學的發展以及膜過程控制與優化等技術日趨成熟，膜分離過程的運行成本明顯降低，單位膜面積處理通量大幅度提高，膜技術已開始大規模進入工業生產領域。 目前，膜分離技術在果汁行業已被成功應用，在甘蔗糖廠製糖生產中的應用研究也有報導， 但製糖工業現有膜技術並未擺脫對傳統生產助劑(磷酸、石灰乳、硫磺、聚丙烯醯胺等化學藥劑)的依賴，且最終產品仍限於白砂糖，膜分離效能並未得到充分發揮，有些膜過程還需額外添加澱粉酶等輔劑，膜技術目前在糖廠的工業化應用仍難以實現。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種以甘蔗壓榨汁或糖廠初壓汁為原料，利用多級膜的分離、濃縮和冷滅菌等功能並行生產營養糖、風味蔗汁及飼料原料的方法。本發明以如下技術方案解決上述技術問題本發明的主要工藝步驟為(1)原料汁預處理對甘蔗壓榨汁或糖廠初壓汁進行過濾，除去蔗汁中所含蔗屑、 蔗髓等大顆粒雜質；預處理的方法可選用濾布過濾或氣浮分離；原料汁預處理溫度為25 85°C，預處理後用蒸汽對設備進行消毒滅菌；預處理所得濾渣或浮渣作為飼料原料，所得蔗汁泵入第一級膜系統；(2)將預處理後的蔗汁泵入第一級膜分離系統製備清蔗汁第一級膜分離系統的膜組件可以選用微濾膜、超濾膜的一種或兩種相結合；當第一級膜系統的透過液達到入料體積的60 75%時，將截留液回送至預處理設備前端與原料汁混合後進行再次過濾分離， 清蔗汁泵送至第二級膜系統；(3)將清蔗汁泵入第二級膜分離系統進行脫水濃縮第二級膜系統選用納濾膜、反滲透膜的一種或兩種相結合，選擇全回流形式對清蔗汁進行濃縮處理，當第二級膜系統的透過液達到入料體積的30 60%時，將濃縮蔗汁蒸發進行噴霧乾燥處理，獲得具有較好溶解度的營養糖固體顆粒；納濾膜或反滲透膜分離所得的透過液用於生產風味蔗汁或低糖飲料。預處理的方法可選用濾布過濾或氣浮分離。濾布過濾可採用壓濾機過濾或真空吸濾機過濾。壓濾機或真空吸濾機以孔徑為38 74 μ m的濾布作為過濾載體。氣浮分離可在氣浮澄清器底部充入氣體，利用微小氣泡來吸附和富集蔗汁中的懸浮物和難溶物並以浮渣形式除去。第一級膜系統微濾膜孔徑為0. 1 lym，超濾膜截留分子量(MWCO)為10 IOOkD,操作壓力為0. 2 0. 5MPa。第二級膜系統選用納濾膜、反滲透膜的一種或兩種相結合，納濾膜截留分子量 (MWCO)為 200 300Da，操作壓力為 1. 5 5. OMPa0第二級膜系統濃縮蔗汁錘度為25 35° Bx ；將濃縮蔗汁蒸發至60 80° Bx後進行噴霧乾燥處理。本發明基於膜過程分離、濃縮及冷滅菌等功能的集成，並行生產營養糖、風味蔗汁和飼料原料，在無需添加化學藥劑並且生產能耗較低尤其是蒸發能耗負荷較小的前提下， 實現成品糖天然營養和風味的最大化保存。本發明的技術方法操作簡單穩定，能較好適應來料的波動，特別適合中小型製糖企業應用，且基本上無三廢排放，生產過程對環境影響極小。採用本發明的技術方案所生產的營養糖屬於目前市場上緊缺的特種糖，蔗汁飲品具有甘蔗自然風味及多種營養物質，濾渣或浮渣作為生產飼料的原料，對推進位糖企業產品的優化升級以及糖料資源的綜合利用有重要意義。
圖1是本發明多級膜並行生產營養糖、風味蔗汁及飼料原料的方法的工藝流程圖。
具體實施例方式針對傳統製糖工藝中化學藥劑耗用量大、副產物難以處理和產品單一的問題，提供一種不添加化學藥劑、綜合運行成本低、產品多樣化的甘蔗製糖方法，既避免了化學藥劑的耗用，也無需對甘蔗進行高耗能的反覆壓榨，以純物理的方式並行生產營養糖、風味蔗汁和飼料原料，為製糖工業提供一種能源節約、綜合利用率較高的新方法。本發明方法的原料為甘蔗壓榨汁或糖廠初壓汁，所採用的膜分離過程屬於純物理過程，可以同時實現營養糖、風味蔗汁和飼料原料的並行生產，且不涉及化學反應及有害化學藥劑的耗用，能較大程度地保留甘蔗本身的營養和風味。通過第一級膜分離系統的選擇性截留，除去原料汁中的蛋白質、多糖、多酚、微生物等大分子物質，截留液回送預處理工序形成濾渣或浮渣用於飼料生產，而小分子的蔗糖、還原糖、胺基酸等營養物則通過第一級膜分離系統進入清蔗汁中；利用第二級膜分離系統對清蔗汁進行脫水濃縮，所得透過液用於風味蔗汁或低糖飲料的生產，而濃縮蔗汁則用於製備營養糖。
本發明的工藝步驟是(1)原料汁的預處理預處理的目的是快速除去蔗汁中的懸浮物和難溶物，以減輕膜分離的負荷。預處理的方法可選用濾布過濾或氣浮分離。採用濾布過濾時，以濾布孔徑為38 74 μ m的壓濾機或真空吸濾機對甘蔗壓榨汁或糖廠初壓汁進行過濾，以除去蔗汁中所含蔗屑、蔗髓等大顆粒雜質；同時對第一級膜分離過程回送的截留液進行再次過濾，排出的濾渣作為原料用於飼料生產。若採用氣浮分離法，可在氣浮澄清器底部充入氣體，利用微小氣泡來吸附和富集蔗汁中的懸浮物和難溶物並以浮渣的形式除去。原料汁的預處理溫度為25 85°C，並定期用蒸汽對設備進行消毒滅菌。(2)將預處理後的蔗汁泵入第一級膜分離系統製備清蔗汁。第一級膜分離系統的膜組件可選用微濾膜、超濾膜或微濾與超濾串聯的膜裝置(根據營養糖的質量要求而定)， 微濾膜孔徑為0. 1 1 μ m，超濾膜截留分子量(MWCO)為10 100kD，操作壓力為0. 2 0. 5MPa ；當第一級膜分離系統的透過液達到入料體積的60 75%時，將截留液回送至預處理設備前端與原料汁混合後進行再次處理，清蔗汁泵送至第二級膜分離系統。(3)將清蔗汁泵入第二級膜分離系統進行脫水濃縮。第二級膜系統選用納濾膜、反滲透膜或納濾與反滲透串聯的膜裝置(根據風味蔗汁的甜度要求而定)，操作壓力為1.5 5. OMPa，選擇全回流形式對清蔗汁進行濃縮處理，當第二級膜系統的透過液達到入料體積的30 60%時，濃縮蔗汁的錘度可達25 35° Bx(固形物含量)。將濃縮蔗汁蒸發至 60 80° Bx後進行噴霧乾燥處理，獲得具有較好溶解度的營養糖固體顆粒；納濾膜或反滲透膜分離所得的透過液用於生產風味蔗汁或低糖飲料。實施例1利用「超濾-反滲透」並行製備營養糖、風味蔗汁和飼料原料第一步原料汁的預處理及飼料原料的分離將甘蔗壓榨汁或糖廠初壓汁泵入壓濾機，選用孔徑為74μπΚ200目)濾布作為過濾載體，以除去原料汁中的蔗屑、蔗髓等大顆粒雜質，並對從第一級膜分離過程(超濾)回送的截留液進行再次過濾，定期排出濾渣用於飼料生產，濾汁用於超濾處理。操作溫度為 25°C，過濾結束後用蒸汽消毒原料桶及壓濾機。第二步第一級膜分離製備清蔗汁抽取經過預過濾處理的蔗汁100L，泵入第一級膜分離系統進一步分離純化，以除去微小懸浮顆粒、膠體微粒、微生物及大分子物質，製備清蔗汁。第一級膜分離系統選用截留分子量(MWCO)為50kD的超濾膜組件，操作壓力為0. 45MPa,當透過液達到60L(透過液與入料量比為60%，V/V)時，將截留液回送至壓濾機前端與原料汁混合進行再次過濾處理， 將清蔗汁泵送至第二級膜系統。第三步第二級膜分離製備濃縮蔗汁和風味蔗汁將清蔗汁泵入第二級膜系統進行濃縮脫水。第二級膜系統選用反滲透膜，操作壓力為2. OMPa，選擇全回流形式對清蔗汁進行濃縮處理，當透過液體積達36L(透過液與入料量比為60%，V/V)時，濃縮蔗汁的錘度達35° Bx。將濃縮蔗汁蒸發至80° Bx後進行噴霧乾燥處理，獲得營養糖固體顆粒；所得的透過液用於生產風味蔗汁。實施例2利用「微濾-反滲透」並行製備營養糖、風味蔗汁和飼料原料第一步原料汁的預處理及飼料原料的分離將原料汁升溫至85°C後泵入氣浮澄清器，以除去原料汁中蔗屑、蔗髓等大顆粒雜質，並對從第一級膜分離過程(微濾)回送的截留液進行再次上浮分離處理，收集浮渣用於飼料生產，經過預處理後的蔗汁用於微濾處理。操作溫度85°C，澄清結束後用蒸汽消毒原料桶及氣浮澄清器。第二步第一級膜分離製備清蔗汁抽取經過預處理的80°C蔗汁100L泵入第一級膜分離系統進一步純化，除去微小懸浮顆粒、膠體微粒、微生物及大分子物質，製備清蔗汁。第一級膜分離系統選用孔徑為 0. Ium的微濾膜組件，操作壓力為0. 30MPa,當透過液達到75L (透過液與入料量比為75 %， V/V)時，將截留液回送至氣浮澄清器與原料汁混合後進行再次分離處理，將清蔗汁泵送第二級膜系統。第三步第二級膜分離製備濃縮蔗汁和風味蔗汁將清蔗汁泵入第二級膜系統進行脫水濃縮。第二級膜系統選用反滲透膜，操作壓力為4. 8MPa，選擇全回流形式對清蔗汁進行濃縮處理，當透過液體積達23L(透過液與入料量比為30%，V/V)，濃縮蔗汁的錘度達30° Bx。將濃縮蔗汁蒸發至75° Bx後進行噴霧乾燥處理，獲得營養糖固體顆粒；所得的透過液用於生產風味蔗汁。實施例3利用「超濾-納濾」並行製備營養糖、風味蔗汁和飼料原料第一步甘蔗壓榨汁的預處理及飼料原料的分離將甘蔗壓榨汁升溫到45°C後泵入壓濾機，選用孔徑為50μπι(300目)濾布作為過濾載體，以除去原料汁中蔗屑、蔗髓等大顆粒雜質，並對從第一級膜分離過程(超濾)回送的截留液進行再次過濾，排出濾渣用於飼料生產，濾汁用於超濾處理。操作溫度45°C，過濾結束後用蒸汽消毒原料桶及壓濾機。第二步第一級膜分離製備清蔗汁抽取經過預過濾處理的42°C甘蔗壓榨汁100L泵入第一級膜分離系統進一步純化，除去微小懸浮顆粒、膠體微粒、微生物及大分子物質，製備清蔗汁。第一級膜分離系統選用截留分子量(MWCO)為IOkD的超濾膜組件，操作壓力為0. 30MPa，當透過液達70L(透過液與入料量比70%，V/V)時，將截留液回送壓濾機前端與原料汁混合後進行再次過濾處理， 將清蔗汁泵送第二級膜系統。第三步第二級膜分離製備濃縮蔗汁和風味蔗汁將40°C清蔗汁泵入第二級膜系統進行濃縮脫水。第二級膜系統選用截留分子量 (MWCO)為300Da的納濾膜組件，操作壓力2. 5MPa，選擇全回流形式對清蔗汁進行濃縮處理， 當透過液體積達34L(透過液與入料量比為48%，V/V)，濃縮蔗汁的錘度達Bx。將濃縮蔗汁蒸發至65° Bx後進行噴霧乾燥處理，獲得營養糖固體顆粒；所得的透過液用於生產風味蔗汁。實施例4利用「微濾-納濾」並行製備營養糖、風味蔗汁和飼料原料第一步甘蔗原料汁的預處理及飼料原料的分離將原料汁升溫到65°C後泵入有濾布真空吸濾機，選用孔徑為38 Um(400目)濾布作為過濾載體，以除去原料汁中蔗屑、蔗髓等大顆粒雜質，並對從第一級膜分離過程(微濾)回送的截留液進行再次過濾，排出濾渣用於飼料生產，過濾汁用於超濾處理。操作溫度 65°C，過濾結束後用蒸汽消毒原料桶及吸濾機。第二步第一級膜分離製備清蔗汁
抽取經過預過濾處理的62°C蔗汁100L泵入第一級膜分離系統進一步純化，以除去微小懸浮顆粒、膠體微粒、微生物及大分子物質，製備清蔗汁。第一級膜分離系統選用孔徑為0. 5 μ m的微濾膜組件，操作壓力為0. 20MPa,當透過液達65L (透過液與入料量比 65%，V/V)時，將截留液回送壓濾機前端與原料汁混合後進行再次過濾處理，將清蔗汁泵送第二級膜系統。第三步第二級膜分離製備濃縮蔗汁和風味蔗汁將60°C清蔗汁泵入第二級膜系統進行濃縮脫水。第二級膜系統選用截留分子量 (MWCO)為200Da的納濾膜組件，操作壓力1. 5MPa，選擇全回流形式對清蔗汁進行濃縮處理， 當透過液體積達27L (透過液與入料量比45%，V/V)，濃縮蔗汁的錘度達25° Bx。將濃縮蔗汁蒸發至60° Bx後進行噴霧乾燥處理，獲得營養糖固體顆粒；所得的透過液用於生產風味蔗汁。實施例5利用「微濾-超濾-反滲透」並行製備營養糖、風味蔗汁和飼料原料第一步甘蔗原料汁的預處理及飼料原料的分離將原料汁升溫到55°C後泵入有濾布真空吸濾機，選用孔徑為50 μ m(300目)濾布作為過濾載體，以除去原料汁中蔗屑、蔗髓等大顆粒雜質，並對從第一級膜分離過程(微濾與超濾相結合)回送的截留液進行再次過濾，排出濾渣用於飼料生產，濾汁進入第一級膜分離系統。操作溫度^°c，過濾結束後用蒸汽消毒原料桶及吸濾機。第二步第一級膜分離製備清蔗汁採用「微濾-超濾」串聯膜裝置進行第一級膜分離。抽取經過預過濾處理的蔗汁 100L，泵入「微濾-超濾」串聯膜裝置進一步分離純化，除去微小懸浮顆粒、膠體微粒、微生物及大分子物質，製備清蔗汁。第一級膜系統中的微濾膜分離過程選用孔徑為Iym的膜組件，操作壓力0. 20MPa，微濾膜截留液回送至吸濾機前端與原料汁混合，透過液作為超濾膜分離的入料液；超濾膜分離過程選用截留分子量(MWCO)為IOOkD的膜組件，操作壓力為 0. 35MPa，當超濾膜的透過液達到60L(透過液與入料量比為60%，V/V)時，將超濾截留液回送至微濾膜裝置前端與經過預處理的原料汁混合後進行再次微濾處理，將清蔗汁泵送至第二級膜系統。第三步第二級膜分離製備濃縮蔗汁和風味蔗汁將清蔗汁泵入第二級膜系統進行濃縮脫水。第二級膜系統選用截留分子量(MWCO) 為300Da的納濾膜，操作壓力為3. OMPa，選擇全回流形式對清蔗汁進行濃縮處理，當透過液體積達36L(透過液與入料量比60%，V/V)時，濃縮蔗汁的錘度達34° Bx。將濃縮蔗汁蒸發至80° Bx後進行噴霧乾燥處理，獲得營養糖固體顆粒；所得的透過液用於生產風味蔗汁。實施例6利用「微濾-納濾-反滲透」並行製備營養糖、風味蔗汁和飼料原料第一步甘蔗原料汁的預處理及飼料原料的分離將原料汁升溫至65 °C泵入壓濾機，選用孔徑為50 μ m(300目)濾布作為過濾載體， 以除去原料汁中的蔗屑、蔗髓等大顆粒雜質，並對從第一級膜分離過程(微濾)回送的截留液進行再次過濾，定期排出濾渣用於飼料生產，濾汁用於微濾處理。操作溫度為65°C，過濾結束後用蒸汽消毒原料桶及壓濾機。第二步第一級膜分離製備清蔗汁抽取經過預過濾處理的蔗汁100L，泵入第一級膜分離系統進一步分離純化，除去微小懸浮顆粒、膠體微粒、微生物及大分子物質，製備清蔗汁。第一級膜分離系統選用孔徑為0. 3μπι的微濾膜組件，操作壓力0. 20MPa,當透過液達到75L(透過液與入料量比為 75%，V/V)時，將截留液回送壓濾機前端與原料汁混合後進行再次過濾處理，將清蔗汁泵送第二級膜系統。第三步第二級膜分離製備濃縮蔗汁和風味蔗汁採用「納濾-反滲透」串聯膜裝置進行第二級膜分離。將清蔗汁泵入「納濾-反滲透」串聯膜裝置進行濃縮脫水。納濾處理選用截留分子量(MWCO)為300Da的納濾膜，操作壓力為2. 2MPa，選擇全回流形式對清蔗汁進行濃縮處理，當透過液體積達45L(透過液與入料量比60%，V/V)，濃縮蔗汁的錘度達Bx。將濃縮蔗汁蒸發至65° Bx後進行噴霧乾燥處理，獲得營養糖固體顆粒；納濾膜透過液用作反滲透處理的入料液，反滲透操作壓力 3. 5MPa，選擇全回流形式對納濾膜的透過液進行反滲透濃縮脫水處理，截留液為濃縮型風味蔗汁，透過液用於製備低糖飲料。
權利要求
1.一種多級膜並行生產營養糖、風味蔗汁及飼料原料的方法，其特徵是工藝步驟如下(1)原料汁預處理對甘蔗壓榨汁或糖廠初壓汁進行過濾，除去蔗汁中所含蔗屑、蔗髓等大顆粒雜質；預處理的方法可選用濾布過濾或氣浮分離；原料汁預處理溫度為25 85°C，預處理後用蒸汽對設備進行消毒滅菌；預處理所得濾渣或浮渣作為飼料原料，所得蔗汁泵入第一級膜系統；(2)將預處理後的蔗汁泵入第一級膜分離系統製備清蔗汁第一級膜分離系統的膜組件可以選用微濾膜、超濾膜的一種或兩種相結合；當第一級膜系統的透過液達到入料體積的60 75%時，將截留液回送至預處理設備前端與原料汁混合後進行再次過濾分離，清蔗汁泵送至第二級膜系統；(3)將清蔗汁泵入第二級膜分離系統進行脫水濃縮第二級膜系統選用納濾膜、反滲透膜的一種或兩種相結合，選擇全回流形式對清蔗汁進行濃縮處理，當第二級膜系統的透過液達到入料體積的30 60%時，將濃縮蔗汁蒸發進行噴霧乾燥處理，獲得具有較好溶解度的營養糖固體顆粒；納濾膜或反滲透膜分離所得的透過液用於生產風味蔗汁或低糖飲料。
2.如權利要求1所述的多級膜並行生產營養糖、風味蔗汁及飼料原料的方法，其特徵是預處理的方法可選用濾布過濾或氣浮分離。
3.如權利要求2所述的多級膜並行生產營養糖、風味蔗汁及飼料原料的方法，其特徵是原料汁預處理的濾布過濾可利用壓濾機或真空吸濾機。
4.如權利要求2或3所述的多級膜並行生產營養糖、風味蔗汁及飼料原料的方法，其特徵是壓濾機或真空吸濾機以孔徑為38 74 μ m的濾布作為過濾載體。
5.如權利要求2所述的多級膜並行生產營養糖、風味蔗汁及飼料原料的方法，其特徵是原料汁預處理的氣浮分離可在氣浮澄清器底部充入氣體，利用微小氣泡來吸附和富集蔗汁中的懸浮物和難溶物並以浮渣形式除去。
6.如權利要求1所述的多級膜並行生產營養糖、風味蔗汁及飼料原料的方法，其特徵是第一級膜系統的微濾膜孔徑為0. 1 1 μ m，超濾膜截留分子量MWCO為10 100kD，操作壓力為0. 2 0. 5MPa。
7.如權利要求1所述的多級膜並行生產營養糖、風味蔗汁及飼料原料的方法，其特徵是第二級膜系統選用納濾膜、反滲透膜的一種或兩種相結合，納濾膜截留分子量MWCO為 200 300Da，操作壓力為1. 5 5. OMPa0
8.如權利要求1所述的多級膜並行生產營養糖、風味蔗汁及飼料原料的方法，其特徵是第二級膜系統濃縮蔗汁錘度為25 35° Bx;將濃縮蔗汁蒸發至60 80° Bx後進行噴霧乾燥處理。
全文摘要
一種多級膜並行生產營養糖、風味蔗汁及飼料原料的方法，原料汁經過預處理除去蔗屑、蔗髓等大顆粒雜質，所得濾渣或浮渣用作飼料原料，所得蔗汁泵入第一級膜分離系統得到清蔗汁，清蔗汁進入第二級膜分離系統進行脫水濃縮，透過液用於生產風味蔗汁或低糖飲料，濃縮蔗汁經蒸發和噴霧乾燥處理得營養糖。本發明基於膜過程分離、濃縮及冷滅菌等功能的集成，並行生產營養糖、風味蔗汁和飼料原料，無需添加化學藥劑，生產耗能較低，實現成品糖天然營養和風味的最大化保存，且操作簡單穩定，基本上無三廢排放，適應性廣，利於製糖產品優化升級以及糖料資源的綜合利用。
文檔編號A23K1/14GK102489155SQ20111036096
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者劉玫, 浦媛媛, 王曉, 王清, 鄒青松, 陳山, 黃磊 申請人:廣西大學