一种对甜菜制糖清汁提纯浓缩的方法以及采用该方法的制糖方法
技术领域 [0001] 本发明涉及一种膜分离技术应用于甜菜制糖清汁提纯浓缩的方法以及采用该方 法的制糖方法，属于甜菜制糖加工技术领域。 背景技术 [0002] 糖用甜菜是制糖工业的主要原料之一，其块根中含糖量较高。中国甜菜主要种植 在北炜40°以北，包括西北、华北和东北三大产区。其中，西北产区因具有日照长的特点，甜 菜单产和含糖量均较高。 [0003] 甜菜制糖过程主要包括洗菜、切丝、提汁、澄清、蒸发浓缩、蒸发结晶、分离糖蜜、白 砂糖装包等工序。因甜菜渗出汁中的非糖成分（包括悬浮颗粒、色素物质、盐类物质、还原 糖、果胶、甜菜碱等）会影响糖品质量，并增加废蜜量和糖分损失，因此在进行糖汁浓缩和 结晶之前，需要对渗出汁进行澄清，除去一部分非糖杂质，以得到更纯净的糖汁。甜菜制糖 澄清工艺的目的是将非糖杂质尽可能多的去除，以使糖汁纯度提高、粘度和色值降低，为煮 糖（结晶）制备优质的原料糖浆。糖汁澄清工序是制糖过程中*重要的工序，澄清效果的 好坏直接决定白砂糖的品质和得率。 [0004] 糖汁澄清通过加入澄清剂来实现，常用的澄清剂有生石灰（CaO)、二氧化碳和二氧 化硫。按照所用主要澄清剂的不同，糖汁澄清工艺有碳酸法、亚硫酸法和石灰法三类。目前， 甜菜糖厂通常采用碳酸法对糖汁进行澄清。 [0005] 如图1所示，碳酸法澄清工艺首先对渗出汁进行预加灰（以石灰乳形式加入，向渗 出汁中加入对甜菜重量0. 12-0. 24Ca0%的石灰，使pH值达到8. 5-11左右），以中和酸度并 促进胶体（蛋白质、果胶质等）凝聚，同时沉淀浸出汁中的酸根离子（包括草酸根、酒石酸 根、柠檬酸根等），*大限度地凝聚和沉淀非糖成分（主要是胶体等高分子物质）。随后调 整温度至80°C_85°C，再加入相对于甜菜重量2-3Ca0%的石灰乳，即主加灰。主加灰使碱度 达到1. 6-2. 4CaO% /100ml糖汁），作用时间是15-20分钟，其作用是：1)使非糖成分在强 碱高温作用下分解，提高糖汁的热稳定性；2)为后续碳酸饱充时产生一定数量的碳酸钙沉 淀而提供足够的氢氧化钙。经过上述过程之后，得到主灰汁。 [0006] 该主灰汁经加热到90°C后，进行C02饱充（本文中，有时也简称为"碳酸饱充"）。 第一次充入二氧化碳气（本发明中，也简称为"一碳饱充"）至pH值达到10. 8-11.0左右， 使氢氧化钙生成不溶解的碳酸钙，从而除去石灰和石灰盐。新生成的碳酸钙对非糖成分具 有良好的吸附作用，与饱充至watechliuhede碱度下凝聚的非糖成分结成颗粒沉淀，并且具有助滤的 作用。经板框过滤除去非糖成分沉淀（滤泥）后，将糖浆加热到95°C以上，并进行第二次碳 酸饱充（本发明中，也简称为"二碳饱充"）至pH值9. 0-9. 2左右，以使糖汁中剩余的氢氧 化钙和钙盐量降至*低限度。糖浆中非糖成分含量的降低有助于在蒸发结晶过程中结晶出 更多的蔗糖，而且能降低废蜜量，减少工艺糖分损失。二碳饱充完成后，经板框或其他过滤 方式过滤后得到的糖汁即为清汁。在本发明中，所述清汁是指如上所述的双碳酸饱充（本 文中，有时进一步简称为"双碳饱充"）和过滤之后、硫漂之前的糖汁。通过之前的加灰、加 热和双碳饱充工序，甜菜渗出汁中的多种非糖杂质（包括悬浮颗粒、色素物质、还原糖、甜 菜碱、果胶等）得到了有效去除。 [0007] 如上所述的双碳饱充澄清法通常能够除去渗出汁中30wt% -45wt%的非糖成分， 尽管澄清效率仍然有限，但通过非糖成分的去除，已可满足结晶工序对糖汁的要求。双碳饱 充法的简明工艺流程如图1所示。 [0008] 通过上述工艺制备得到的甜菜制糖清汁的典型成分如表1所示，由表1可知，经双 碳饱充澄清和过滤工艺后，清汁中的水分和主要非糖成分（包括无机盐、含氮物质、还原糖 等）的分子量均明显低于蔗糖的分子量。另外，清汁经过滤后，其不溶沉淀物、悬浮物等指 标已经达到纳滤膜的进料标准，因此无需增加预处理工序。 [0009] 表1甜菜制糖清汁典型成分表 [0010] [0011] 在目前的传统制糖工艺中，将如上得到的清汁进行硫漂脱色后，即可进行后续的 蒸发浓缩和结晶（如图3第一列所示），*终得到糖产品。 [0012] 然而，上述传统制糖工艺的缺点在于：清汁中的锤度（Brix)、糖度以及纯度均不 够高，后续蒸发负荷重、能耗高、制糖效率低，因此，有必要对这一传统工艺进行改进。 发明内容 [0013] 本发明提供一种采用纳滤技术对甜菜制糖清汁进行提纯和浓缩的方法，所述方法 能耗低，得到的糖产品品质高。 [0014] 本发明所提供的采用纳滤技术对甜菜制糖清汁进行提纯和浓缩的方法，包括如下 步骤： [0015] (1)获得适于纳滤的甜菜制糖清汁； [0016] (2)将所述清汁温度从90°C左右降低至不低于30°C; [0017] (3)使用截留分子量220Da-500Da的纳滤膜，在10Bar-40Bar压力下对所述清汁进 行过滤浓缩，得到浓缩提纯后的甜菜制糖清汁。 [0018] 本发明还涉及一种制糖方法，所述方法包括： [0019] (1)获得适于纳滤的甜菜制糖清汁； [0020] (2)将所述清汁的温度从90°C左右降低至不低于30°C; [0021] (3)使用截留分子量220Da-500Da的纳滤膜，在10Bar-40Bar压力下对所述清汁进 行过滤浓缩，得到浓缩提纯后的甜菜制糖清汁； [0022] (4)将得到的所述甜菜制糖清汁进行硫漂脱色，蒸发浓缩，结晶，得到糖产品。 [0023] 本发明提供的甜菜制糖清汁提纯浓缩方法对传统工艺改变较小，所需设备改造工 作较小，方法简单可靠、操作方便、无环境污染。与纳滤处理前的甜菜制糖清汁相比，得到的 浓缩清汁锤度（Brix)提高4Brix-7Brix，糖度提高4wt% -7wt%，同时，纯度提高1-2个百 分点。同时，锤度的提高可使蒸发负荷降低百分比达30% -50%。 附图说明 [0024] 图1表示双碳饱充澄清法的工艺流程图。 [0025]图2表示甜菜制糖清汁膜分离操作的一种实施方式的示意图。 [0026] 图3表示相比于传统提纯浓缩制糖工艺，本发明的清汁纳滤提纯浓缩制糖新工艺 示意图（上列为传统提纯浓缩工艺，下列为本发明的清汁纳滤提纯浓缩制糖新工艺）。 具体实施方式 [0027] 本发明所提供的一种对甜菜制糖清汁进行提纯浓缩的方法，包括如下步骤： [0028] (1)获得适于纳滤的甜菜制糖清汁； [0029] (2)将所述清汁温度从90°C左右降低至不低于30°C; [0030] (3)使用截留分子量220Da-500Da的纳滤膜，在10Bar-40Bar压力下对所述清汁进 行过滤浓缩，得到浓缩提纯后的甜菜制糖清汁。 [0031] 本发明中，所述的"纳滤"为一种膜分离技术，其截留分子量通常在150-1000Da左 右，膜的孔径为几个纳米，因此，称为"纳滤"。 [0032] 其中，步骤（1)中，所述适于纳滤的甜菜制糖清汁中，鹿糖占10wt% -15wt%，水分 占84wt% -89wt%，蔗糖纯度为85wt% -92wt% (其中，蔗糖纯度指清汁中蔗糖成分占可溶 固形物的重量比）。 [0033] 如上文所述，经双碳饱充澄清和过滤工艺后，清汁中的水分和主要非糖成分（包 括无机盐、含氮物质、还原糖）的分子量均明显低于蔗糖的分子量。因此，清汁体系的物料 特性适于采用本发明的纳滤技术对其进行提纯浓缩。虽然，双碳饱充澄清法为现有技术，但 为了制备得到适于纳滤的甜菜制糖清汁，使用双碳饱充澄清法是优选的步骤。经过双碳饱 充澄清法处理后获得的甜菜制糖清汁是特别适于纳滤的甜菜制糖清汁，因而是特别优选的 获得本发明的甜菜制糖清汁的途径。 [0034] 步骤（2)中，优选将所述清汁温度从90°C左右降低至不低于30°C，优选降低至 40°C_45°C。一方面，从工艺角度来说，为避免造成不必要的热损失，将温度降至过低并不优 选。另一方面，从纳滤膜的过滤特性和稳定性的角度考虑，适合的温度范围是40°C-90°C、 优选 40°C-60°C，特别优选 40°C-45°C。 [0035] 步骤（3)中，在纳滤提纯浓缩处理时，需要使用截留分子量与蔗糖分子量相接近 的纳滤膜分离技术，在截留蔗糖的同时，使水分子和小分子非糖成分杂质透过纳滤膜，从 而实现清汁的提纯和浓缩。若选择的截留分子量过大，则会造成更多糖分透过纳滤膜进 入到透过水中，使糖分损失增大；若截留分子量过小，则会降低非糖分的滤出比率，降低 提纯效果。基于上述考虑，所述纳滤膜的截留分子量优选为220Da-500Da，进一步优选为 350Da-450Da，进一步优选 400Da。 [0036] 对纳滤压力，可以使用适合于纳滤工艺的通常的压力范围，优选为10Bar-40Bar 之间。若压力过大，连接管件受力过大，会对设备造成损害。所述过滤压力优选为 10Bar_40Bar，进一步优选为 20Bar。 [0037]图2表示甜菜制糖清汁膜分离操作的一种实施方式的示意图。本方法采用纳滤技 术对清汁进行处理，一方面可将大量水分透过，从而实现清汁的预浓缩；另一方面，则可通 过截留分子量的选择，使分子量比蔗糖小的小分子杂质（如还原糖、甜菜碱等）选择性透 过，从而实现对清汁的提纯。 [0038] 所述纳滤膜为有机纳滤膜或者陶瓷纳滤膜，但从降低成本和实际过滤效果的角度 考虑，优选卷式有机纳滤膜或管式有机纳滤膜。 [0039] 在本发明的一个优选实施方式中，使用截留分子量400Da的卷式有机纳滤膜进行 纳滤。 [0040] 步骤（3)中，所得截留液完全回流至清汁储罐，纳滤透过液中因含有小分子非糖 杂质，并且蔗糖纯度较低（35wt%以下），因此可收集后用作甜菜清洗用水，也可作为废水 直接排放。考虑到纳滤透过液中含有小分子非糖杂质，如果循环利用于甜菜清洗后的制糖 工艺中，则后续仍然需要去除这些小分子非糖杂质，因此，并不适合进行这样的循环利用。 [0041 ] 纳滤过程中，膜过滤通量会逐渐下降。为了能重复使用纳滤膜，优选对纳滤膜进行 清洗。具体而言，当膜过滤通量下降至初始通量的70%左右时，可以停止过滤，对膜进行清 洗。可以采用现有技术中常用的膜清洗流程进行所述膜清洗。当清洗后的膜纯水透过通量 达到首次使用时纯水透过通量的80%以上时，即认为清洗完成。 [0042] 为了保证浓缩提纯过程连续进行，本发明的方法优选采用多组纳滤膜设备进行过 滤，以便膜设备的轮流清洗。 [0043] 清汁经纳滤提纯浓缩后，所得截留液直接进入后续稀汁硫漂和蒸发结晶。 [0044] 本发明还涉及一种制糖方法，所述方法包括： [0045] (1)获得适于纳滤的甜菜制糖清汁； [0046] (2)将所述清汁的温度从90°C左右降低至不低于30°C; [0047] (3)使用截留分子量220Da_500Da的纳滤膜，在10Bar_40Bar压力下对所述清汁进 行过滤浓缩，得到浓缩提纯后的甜菜制糖清汁； [0048] (4)将得到的所述甜菜制糖清汁进行硫漂脱色，蒸发浓缩，结晶，得到糖产品。 [0049] 由甜菜制糖的整体工艺而言，传统制糖工艺流程与改进后的制糖新工艺流程对比 如图3所示。从图3看出，本发明所采用的制糖工艺流程加入了纳滤处理工序。因此，该工 艺路线对传统制糖工艺的改动较小，推广应用的难度较低。 [0050] 传统制糖工艺中，采用多效蒸发将清汁锤度浓缩至60Brix左右，该过程为糖厂的 主要耗能步骤；然而，采用纳滤进行预浓缩，可有效减少后续蒸发浓缩的能耗。清汁中蔗糖 纯度的提高，能够增加后续蒸发浓缩工艺中蔗糖的结晶率，减少糖蜜量；根据理论计算，当 清汁纯度值增加1%时，蔗糖产量能够增加1. 5%左右，因此清汁纯度的提高对糖厂增收意 义重大。 [0051] 实施例 [0052] 下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所 用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。 [0053] 本发明中，所述"锤度"又称"白利度"，是指糖汁中可溶性固形物（包括蔗糖和其 他可溶性非糖成分）质量占糖汁总质量的百分比，是蔗糖生产过程中的重要检测指标。通 常，使用折光计在20°C测定锤度，单位为Brix。 [0054] 所述糖度是指糖汁中的鹿糖的质量百分比，即，糖度=鹿糖质量/糖汁总质 量X100%，单位:wt%。通常采用一次旋光法测定糖度，检测设备为自动旋光仪。其测试 原理为：利用蔗糖的旋光性质（具有使偏振光平面向右旋转的性质），其偏转角度与蔗糖的 浓度成正比，因此，可以用旋光仪测定溶液中蔗糖的浓度。 [0055] 所述纯度是指糖汁中的蔗糖质量占可溶性固形物质量的百分比，纯度的计算公式 为：纯度=蔗糖质量/可溶性固形物质量X100 % =糖度/锤度X100 %，单位:wt%。其中， 所述可溶性固形物是指糖汁中的蔗糖分以及非糖分（除蔗糖、水之外的其他可溶性成分）。 [0056] 如下实施例中，测定锤度所使用的折光锤度计为ATAGORX-5000α折光计；测定 糖度所使用的自动旋光仪为上海申光SGWzz-Ι自动旋光仪。测定时，直接取纳滤处理前的 甜菜制糖清汁、纳滤透过液以及纳滤浓缩液，使用上述仪器进行测定。 [0057] 实施例1 [0058] 膜类型：卷式膜 [0059] 截流分子量：400Da左右，膜面积2. 6m2 [0060] 设备：卷式膜（型号SPPM-25S-1，三达膜环境技术股份有限公司）表2卷式膜设 备运行参数表 [0061] [0062] 表3纳滤加工物料参数表 [0063] [0064] 表4物料特性参数表 [0065] [0066] 与纳滤处理前的甜菜制糖清汁相比，得到的浓缩清汁锤度提高6.IBrix，糖度提高 5. 6wt%，同时提高纯度1. 38个百分点；经计算，纳滤可使蒸发负荷降低百分比达37. 9%。 本发明中，所述的"蒸发负荷降低百分比" =[1_(纳滤处理之后浓缩液中的水含量+纳滤 处理之前清汁中的水含量）]X100 %。 [0067] 实施例2 [0068] 膜类型：卷式膜 [0069] 截流分子量：400Da左右，膜面积2. 6m2 [0070] 设备：卷式膜（型号SPPM-25S-1，三达膜环境技术股份有限公司） [0071] 表5卷式膜设备运行参数表 [0072] [0073] 表6纳滤加工物料参数表 [0074] [0075] 表7物料特性参数表 [0076] [0077] 与纳滤处理前的甜菜制糖清汁相比，得到的浓缩清汁锤度提高4. 9Brix，糖度提高 4. 55wt%，同时提高纯度1. 03个百分点；经计算，纳滤可使蒸发负荷降低百分比达34. 3%。
