膜技术回收马铃薯淀粉废水中蛋白质的中试研究
2014-05-14 18:33:27
admin
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据中国食品科技网2009年3月26日讯 淀粉在食品与发酵领域中有非常广泛的用途，马铃薯是生产淀粉的主要原料，在生产工艺中需要大量的水，经过分离淀粉后将产生大量的废水，而废水中会溶解马铃薯中的有机物和无机物，使废水中的化学需氧量（COD）可达10000mg/L以上，将会导致大面积的污染。
由于中国淀粉生产工艺相对落后，资源的利用率较低，淀粉生产过程中大量的植物蛋白未加利用而随生产废水排放，这不仅影响了环境，同时还造成了大量的浪费。而马铃薯蛋白是一种极其优良的饲料添加剂，它的营养价值高于大豆蛋白。因此回收马铃薯淀粉废水中的蛋白既可充分利用废弃资源，又能改善环境污染。目前国内采用膜技术回收马铃薯淀粉废水中蛋白质研究很少，只发现少数实验室的研究报道。
本课题采用超滤膜对马铃薯淀粉废水进行了回收蛋白质的中试实验，研究了超滤膜在回收工艺中的温度、压力、流速、浓度与通量之间的关系，同时也研究了超滤膜在回收工艺中的温度、压力、流速、浓度与蛋白质截留率之间的关系。结果表明，超滤膜对马铃薯淀粉生产废水中的蛋白质的截留率大于90%，COD 的截留率大于50%，清洗效果好。
1 材料与设备
1.1 设备
中试设备采用的是平板超滤膜设备，膜面积为1m2，膜材料为PE，超滤膜相对切割分子量为20KD。
1.2 原水来源
试验场地为甘肃省西市某淀粉生产厂，废水取自该厂淀粉生产工艺中浓缩分离旋流器溢流水，原水水质情况如表1。
由实验数据可以看出，原水水质波动非常大，给预处理增加了难度。
1.3 数据分析
原液、浓缩液及透过液由兰州交通大学环境工程学院分析测试中心检测。
1.4 工艺流程路线
1.5 超滤工艺流程
当超滤膜设备工作时，打开进料阀门开大调压阀门，然后开启供水泵，此时可以通过调节进水阀门调进水流量，进行流量与膜通量关系的试验。通过调节调压阀调节操作压力，进行操作压力与膜通量关系的试验研究。通过热交换器调节系统运行温度，进行温度与通量关系的试验研究。
1.6 系统运行过程
中试试验过程中，原水在循环泵的作用下平行流过平板式超滤膜表面，根据错流过滤原理，平板式超滤膜将原水分离为浓缩液和透过液。透过液通过平板式超滤膜，由透过液出口流出。浓缩液流过平板膜表面进行循环，同时也以较高的流速冲刷膜表面，控制超滤膜面的污染及浓差极化现象，当原水被浓缩到一定的倍数时送到后续工艺进行干燥处理。
1.7 系统运行条件
pH：3～9
温度（℃）： 5～50
切割分子量： 2万
膜面积： 1m2
工作压力： 0～0.4MPa
2 结果讨论
2.1 废水的预处理
由于废水中固形物含量较高，容易堵塞超滤膜。为了防止超滤膜的污染，我们分别采用1μm的袋式过滤器与澄清分离进行了预处理试验对比。
从分析测试结果可以看出，采用澄清分离法比过袋式过滤器的结果要好。其一是蛋白质含量没有减少，经袋式过滤器后蛋白质有损失。其二是澄清分离去除溶解性总固和浊度都优于袋式过滤器，SS的去除效果基本相同。因此在试验中我们选用了沉淀澄清分离进行膜前预处理。
2.2 超滤膜孔径大小的选择
表3是采用不同孔径大小的超滤膜在同一运行条件下进行取样分析测试数据，根据表中数据分析，采用相对切割分子量为2万的超滤膜进行试验较为合理。因此在中试中我们选用了相对切割分子量为2万的超滤膜对废水中蛋白质进行回收试验。
2.3 工作压力与蛋白质截留率和膜通量之间的关系
实验操作温度控制在25℃，进料流速控制在160L/min的条件下进行的工作压力与蛋白质截留率和膜通量之间关系的试验。从实验数据中可以看出，随着工作压力的升高，膜通量从110L/h上升到320L/h，说明膜通量随压力有一定的变化。压力与膜通量变化比较明显的阶段在0.05～0.2MPa之间，当工作压力超过0.2MPa之后，膜通量的变化并不大，此时说明压力在0.05～0.2MPa之间时对膜通量的影响较大，再升工作压力高操作压力时对膜通量影响就不大了。随着工作压力的升高超滤膜对蛋白质的截留率有所下降，但是下降的幅度并不大，在0.2MPa以下时对蛋白质的截留率基本没有发生变化，超过0.2MPa以后截留率有相对明显的变化，当压力超过0.35MPa时，超滤膜对蛋白质量截留率已经降低到90%以下。对COD的截留率基本在56%左右。对实验数据的结果进行分析，我们认为采用0.2MPa的工作压力较为合理。
2.4 进料液流量与膜通量的关系
控制水温在25℃，操作压力在0.2MPa的运行条件下进行了进口流量与膜通量关系的试验。从实验数据中可以看出，当进口流量不断加大时，超滤膜的通量也在不断升高，当进口流量超过去160L/min之后，膜通量也就不再升高了，这说明当进口流量超过160L/min后以加大流量提高膜通量已经没有任何意义了。因此，进口流量选择160L/min较为合适。
2.5 运行温度对膜通量的影响
控制操作压力在0.2MPa，进料流速为160L/min，不同温度条件下考察膜通量与截留率的关系。从实验数据中可以看出温度对膜通量和截留率都有一定的影响，膜通量随着温度的升高，通量不断增加，截留率不断下降，但是在20～25℃之间时膜通量与截留率较为合理，因为过此点后膜通量上升减慢而截留率下降却加快。
2.6 超滤膜连续运行膜通量随时间的变化
在压力保持0.2MPa不变，温度保持在25℃不变，膜进口流量保持在160L/min不变时考察膜通量与时间的关系，运行方式采用的是错流式过滤方式。从实验数据中可以看出设备运行相当稳定，经过15h运行时，膜通量才有明显下降。当膜通量下降明显时说明超滤膜已经被污染，此时必需进行化学清洗。从实验数据中可以看到，经过化学清洗后膜通量恢复很好，这说明清洗方法正确。在长期运行的状态下，每隔一段时间就会出现膜通量下降的现象，所以每隔一段时间都要进行一次化学清洗以保证设备长期稳定的运行。
2.7 超滤膜对废水中蛋白质的浓缩试验
对实验数据进行分析可以得出这样一个结论，随着超滤浓缩马铃薯废水倍数的增加，蛋白质的浓缩倍数和蛋白质含量也在不断升高，蛋白质的浓缩倍数与含量的升高与废水的浓缩倍数呈直线关系，可以看出，蛋白质的浓缩倍数与含量的增加与浓缩倍数成正比关系。当超滤浓缩马铃薯废水的倍数达到20倍。蛋白质的含量已达到3%左右，从而有效地实现了浓缩马铃薯淀粉生产工艺废水中的收蛋白质，可以有效进行回收利用。
2.8 超滤膜污染的清洗试验
由于马铃薯淀粉生产废水中含有大量的有机物，超滤膜在运行一段时间后由于膜孔径的堵塞和吸附作用造成了膜的污染，如果不进行化学清洗继续运行会造成膜不可逆损害。因此必需进行化学清洗才能保证超滤的正常运行。根据料液的特性我们选择了先用0.02mol/L的NaOH进行循环运行清洗，清洗时间5min，再用纯净水冲洗10min。清洗效果从实验数据中可以看到，膜通量恢复率达到95%。说明采用此清洗方法清洗效果是较好的，清洗恢复率较高。
3 结论
（1）采用平板式超滤膜回收马铃薯淀粉生产废水中的蛋白质技术上是可行的，蛋白质截留率高，浓缩效果明显，经平板式超滤膜浓缩可将废水中的马铃薯蛋白质浓缩至半固形物状态，非常有利于冷冻或烘干干燥。
（2）采用平板式超滤膜系统回收马铃薯淀粉生产废水中的蛋白质具有运行温度低、生产效率高、可实现自动控制等优点。
（3）污染后的平板式超滤膜的清洗方法简单，清洗效果较好，通量恢复率高。
根据试验研究可以认为采用平板式超滤膜工艺回收马铃薯淀粉生产废水中的蛋白质是一种稳定、浓缩度高、浓缩效果好、安全、可靠、自动化程度高的马铃薯淀粉生产废水中蛋白质回收的新工艺。