沈石妍，胡瑞云，李艷芳，李雪珍，郭家文

（云南省農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究所，云南開遠661699）

膜過濾在蔗汁清凈中的運用研究

沈石妍，胡瑞云，李艷芳，李雪珍，郭家文*

（云南省農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究所，云南開遠661699）

為研究不同材質(zhì)、不同孔徑濾膜在蔗汁清凈中的效果，選用4種不同孔徑的陶瓷膜和2種不同截留分子量的有機管式膜對蔗汁進行過濾處理。結果表明，不同孔徑膜管過濾蔗汁后膜通量差別較大，蔗汁透過液的質(zhì)量指標也有較大的差異，200nm孔徑的陶瓷膜對蔗汁色素物質(zhì)去除率可達90%以上，混濁度去除率可達99.9%以上，清凈效果優(yōu)于傳統(tǒng)亞硫酸法澄清汁。

蔗汁；膜過濾；膜通量；清凈效果

蔗汁是甘蔗經(jīng)過壓榨后的產(chǎn)物，是制糖過程的主要原料。蔗汁中除含有蔗糖、還原糖等糖類物質(zhì)外還含有許多非糖雜質(zhì)，如色素、蛋白質(zhì)、淀粉、膠體、多酚類化合物、葡聚糖、蔗酯蔗蠟以及蔗屑泥砂等[1]，成分非常復雜，使得蔗汁呈混濁不透明狀，制糖生產(chǎn)過程中需要盡可能地將其除去。目前大部分甘蔗糖廠均采用亞硫酸法生產(chǎn)工藝，需加入石灰、磷酸、二氧化硫、絮凝劑等化學助劑進行澄清和脫色處理，工藝過程復雜且容易造成化學添加劑在最終產(chǎn)品中的殘留。膜分離技術是一種高效的物理分離技術，使用微濾或超濾可得到澄清效果更好、色值更低的清汁，且能避免或減少化學澄清劑的使用[2]，提高了產(chǎn)品的安全性。無機陶瓷膜具有耐高溫、壽命長、化學穩(wěn)定性好、允許苛刻的清洗條件等優(yōu)點[3]，使得在工業(yè)化生產(chǎn)中更有運用優(yōu)勢。本試驗的目的在于比較不同孔徑的陶瓷膜及有機管式膜在蔗汁過濾過程中的膜通量及清凈效果，為實際生產(chǎn)選擇較適合的過濾膜提供技術依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

樣品1和樣品2選用云南省農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究所第一試驗基地種植的甘蔗。

1.2 主要儀器

陶瓷膜/管式膜實驗室小試設備： 型號，CeraMem-0100，1.5kW，膜的過濾方式為切向流過濾，膜過濾裝置流程圖如圖1所示，廈門世達膜科技有限公司生產(chǎn)。

圖1 陶瓷膜過濾裝置流程

陶瓷膜：孔徑800 nm、500 nm、200 nm、100 nm、50 nm各一支，外形尺寸：φ30×500mm、膜過濾面積0.12m2，膜管通道數(shù)19個，上?？片樐ぜ夹g有限公司生產(chǎn)。

有機管式膜：截留分子量100 KD、50 KD各一支，外形尺寸：φ30×500 mm、膜過濾面積0.084 m2，膜管通道數(shù)7個，北京特里高膜技術有限公司生產(chǎn)。

數(shù)顯pH計（BenverUB-7，德國賽多利斯股份公司）；電導儀（DDSJ-308A，上海儀電科學儀器股份有限公司）；紫外/可見分光光度計（UV754N型，上海精密科學儀器有限公司）；自動折光儀（Rudolph J257，美國魯?shù)婪蚬荆?/p>

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品預處理 將試驗用甘蔗經(jīng)小型壓榨機榨汁，蔗汁經(jīng)200目篩網(wǎng)過濾后放入料液桶中待用。

1.3.2 試驗步驟 將膜管安裝到膜過濾設備上，啟動設備，調(diào)節(jié)電機頻率為50 Hz，控制進膜壓力0.3 MPa，當設備運行平穩(wěn)后，每隔5 min測定膜通量一次，并收集濾出液100 mL于燒杯中，每15 min截樣一次，測定樣品的pH值、錘度、電導灰分、色值、混濁度、膠體含量。每支膜管測定4組樣品，以平均值作為測定結果。

1.3.3 檢測方法 水通量檢測方法[4]：將待測膜管安裝到陶瓷膜小試設備上，在料液桶中裝入純水，啟動設備，調(diào)節(jié)適宜的流量和壓力，平穩(wěn)運行10min后，每5min測定膜管滲透液的體積。為便于比較不同試驗條件下的水通量值，通常將其換算為標準水通量，用WFR125表示，即在溫度25℃、操作壓力0.1MPa（1bar）下，單位面積每小時透過膜管的滲透液體積升數(shù)。

WFR125=Q×K/（TMP×S）；TMP=（P1+P2）/2-P3；實測通量=Q/S

式中：TMP—操作壓力，bar；P1—為物料進口壓力，bar；P2—為物料循環(huán)壓力，bar；P3—滲透側出口壓力，bar，通常情況下可視為0；Q—滲透側滲透液流量，L/h；K—溫度校正系數(shù)；S—膜過濾面積，m2

蔗汁指標檢測方法[5]：錘度用折光法、電導灰分用電導法、pH值用電位法、色值用在制品色值測定法、混濁度用在制品混濁度測定方法、膠體用酒精沉淀法。

2 結果與分析

2.1 試驗樣品指標情況

試驗樣品指標情況如表1所示。

2.2 溫度、壓力對膜通量的影響

以100nm陶瓷膜為試驗材料，調(diào)節(jié)膜過濾設備電機功率50 Hz，以純水為過濾介質(zhì)，測定不同進膜壓力和溫度條件下膜通量的變化，圖2所示為恒定溫度30℃下膜通量隨進膜壓力變化情況，圖3所示為恒定壓力0.3MPa下，膜通量隨溫度變化情況。

表1 蔗汁指標情況

圖2 溫度對水通量的影響

圖3 進膜壓力對水通量的影響

從圖2可以看出，相同進膜壓力下，隨著溫度的升高膜的通量呈冪指數(shù)上升，當溫度從30℃升至65℃時，實測水通量提高了1倍，而標準水通量值則維持相對穩(wěn)定。從圖3也可看出，在恒定溫度條件下，濾膜的實測水通量隨進膜壓力的升高呈冪指數(shù)上升，當進膜壓力從0.075 MPa升高至0.3 MPa時，實測水通量提高了2倍，而標準水通量值則相對穩(wěn)定，說明不同的操作條件下測得的膜通量值也各不相同，為便于比較不同膜管的過濾通量，后面試驗中通量均換算為標準通量進行比較。

2.3 膜孔徑對蔗汁通量的影響

從圖4可看出，兩個蔗汁樣品錘度較為接近，在通過相同孔徑的膜管時，其標準通量值也比較接近的，說明試驗過程中膜的性能較為穩(wěn)定，通量測定結果重現(xiàn)性較好。同一蔗汁通過不同孔徑的膜管時，膜通量值隨膜孔徑的減小而減小，在膜孔徑從500 nm下降至200 nm時，膜的標準通量下降速度最快，從32 L/（h·m2）下降至17 L/（h·m2）。截留分子量為100 kD和50 kD的有機管式膜通量僅為9 L/（h·m2），較孔徑較大的陶瓷膜明顯要低很多，通量效果不太理想。

2.4 過膜前后電導灰分變化情況

電導法測定溶液的電導率可反映樣品中鹽類、游離酸等離子型物質(zhì)的含量，通過折算可計算出蔗汁電導灰分[5]。從圖5可以看出，蔗汁在經(jīng)過不同孔徑的膜管過濾后，電導灰分基本保持穩(wěn)定，這是因為蔗汁中的鹽類和游離有機酸大多為小分子物質(zhì)，在過濾過程中絕大部分可通過膜孔進入到透過液中，僅有少量大分子有機酸及有機物鹽類在過濾過程中被除去，電導灰分會略有降低，但是變化不明顯，因此，要減少蔗汁的灰分需要采用膜孔更小的超濾膜或采用離子交換法進行處理。

2.5 過膜前后色值變化情況

圖4 膜孔徑對蔗汁通量的影響

圖5 過膜后蔗汁電導灰分變化情況

蔗汁中色素物質(zhì)的種類及含量因甘蔗品種的不同有較大差異，試驗中兩個蔗汁樣品的色值分別為55346 IU和33462 IU，過膜后蔗汁的色值變化情況如圖6、圖7所示。同一蔗汁經(jīng)不同孔徑的膜過濾后，總體來說色值隨膜孔徑的減小呈下降趨勢，但孔徑較大的800 nm和500 nm陶瓷膜對色素物質(zhì)的去除效果比較接近，樣品1約為800 IU，樣品2約為1300 IU，當濾膜孔徑減小到200 nm時，透過液色值明顯降低，樣品1和樣品2的色值基本穩(wěn)定在600 IU左右，色值去除率可達到98%以上，之后隨著濾膜孔徑再減小，色值下降速度變緩，說明使用200nm孔徑的濾膜即可達到較好的脫色效果。

圖6 過膜后蔗汁色值變化情況

圖7 過膜后蔗汁色值去除率變化情況

2.6 過膜前后混濁度變化情況

試驗中兩個蔗汁樣品的混濁度分別為265127 MAU和329757 MAU，經(jīng)膜過濾后的效果如圖8、圖9所示，從圖中可以看出，蔗汁經(jīng)800nm膜管過濾后混濁度降低至700 MAU以下，混濁度去除率達到99.7%以上；當膜徑降低至500nm以下時，混濁度降至100 MAU以下，混濁度去除率達到99.9%以上，蔗汁呈清亮透明液體，澄清效果優(yōu)于常規(guī)亞硫酸法澄清汁。膜徑再降低，混濁度下降變緩，說明500 nm陶瓷膜即可達到較好的除雜效果。

圖8 過膜后蔗汁混濁度變化情況

圖9 過膜后蔗汁混濁度去除率變化情況

2.7 過膜前后pH值變化情況

從表2可以看出，蔗汁過膜后pH值基本保持穩(wěn)定，略有上升趨勢。這可能因為蔗汁的酸度是由蔗汁中乳酸、草酸、烏頭酸、檸檬酸等游離有機酸的存在而形成，這些有機酸大多為小分子有機酸，蔗汁在過濾過程中小分子有機酸可通過膜孔進入透過液中，而大分子有機酸則被濾膜阻隔，隨著膜孔徑的減小，被阻隔的有機酸量增加，導致樣品1和樣品2透過液的pH值較過膜前的5.37和5.30均略微上升。

表2 濾膜孔徑對pH 值及膠體含量的影響

2.8 過膜前后蔗汁膠體含量變化情況

從表2可以看出，蔗汁過膜后，膠體含量（%錘度）隨濾膜孔徑的減小逐漸下降，蔗汁通過800 nm膜管后膠體降低了3.08%，經(jīng)200 nm濾膜后降低了8.96%，當使用截留分子量為100 kD的有機管式膜后，膠體含量降低了23.53%。這是因為，蔗汁中的蛋白質(zhì)和膠體物質(zhì)分子直徑多在1~200 nm間，因此陶瓷膜過濾對膠體物質(zhì)的去除率不高，需要通過截留分子量更低的超濾膜方可除去。

3 結論與討論

3.1 蔗汁經(jīng)膜過濾后，色值、混濁度均發(fā)生較大的變化，使用孔徑為500 nm的陶瓷膜進行過濾時，透過液質(zhì)量優(yōu)于常規(guī)亞硫酸法澄清工藝澄清汁質(zhì)量，實驗樣品的色值達到1300 IU以下，混濁度達到100 MAU以下，色值去除率可達到90%以上，混濁度去除率達到99.98%以上；200 nm孔徑的陶瓷膜可以使透過液色值降低至600 IU以下，混濁度控制在100 MAU以下，優(yōu)于原糖回溶糖漿的色值，達到了一次結晶提純的效果，經(jīng)蒸發(fā)煮煉可得到色值較低的高品質(zhì)白砂糖或通過進一步脫色直接用于精制白砂糖的生產(chǎn)。

3.2 蔗汁經(jīng)膜過濾后，透過液pH值及電導灰分變化不大，說明通過截留分子量為50 kD以上的濾膜對蔗汁的pH值影響不大，對降低蔗汁的灰分效果也不明顯，要得到較低灰分的蔗汁可使用孔徑更小的超濾膜或進行離子交換方可取得更好的除鹽效果。

3.3 濾膜孔徑越小，透過液的質(zhì)量越好，但膜的通量也會變小，通量過小不能滿足實際生產(chǎn)的需求，應根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求及產(chǎn)品質(zhì)量的定位選擇合適孔徑的膜管，在滿足工藝要求的同時保證較大的過濾通量值。

[1]霍漢鎮(zhèn).制糖工藝與裝備的新概念與新實踐[M].北京：全國甘蔗糖業(yè)信息中心，2002：1-38.

[2]于淑娟.膜分離技術在制糖工業(yè)中的應用[J].中國甜菜糖業(yè)，1999（1）：11-14.

[3]熊小兵，曾祥燕，林慶生.膜技術在制糖工業(yè)上的研究和應用[J].中國甜菜糖業(yè)，2004（3）：21-25.

[4]廈門世達膜科技有限公司.陶瓷膜/管式膜小試設備使用說明書[Z].

[5]李墉，鄭長庚.甘蔗制糖化學管理分析方法[M].廣州：中國輕工總會甘蔗糖業(yè)質(zhì)量監(jiān)督檢測中心，1995.

Research of Sugarcane Juice Cleansing Using Membrane Filtration

SHEN Shi-yan,HU Rui-yun,LI Yan-fang,LI Xue-zhen,GUO Jia-wen*
(Sugarcane Research Institute,Yunnan Academy of Agricultural Sciences，Kaiyuan Yunnan 661699)

The 4 different aperture of ceramic membrane and 2 different molecular weight cutoff of tubular polymeric membrane were used to filter the sugarcane juice to determine the cane juice purifying effect of different materials and aperture membrane.The result showed that,there were large differences in the membrane flux while using different aperture of ceramic membrane and the quality index of filter liquor has large differences,too.The removal efficiency of pigment in sugarcane juice could be achieved more than 90%,and the opacity could be achieved 99.9%.The purifying effect was superior to the traditional sulfurous process.

sugarcane juice;membrane filtration;membrane flux,purifying effect

S566.1；TS244

A

1007－2624（2017）01－0020－04

10.13570/j.cnki.scc.2017.01.007

2016-08-17

2015云南省蔗糖專項：蔗糖精深加工技術的研究及功能性產(chǎn)品的開發(fā)。

沈石妍（1968-），女，高級工程師，主要從事蔗糖深加工及副產(chǎn)物綜合利用方面研究。E-mail：okmlshshy@sina.com

郭家文（1979-），男，研究員，從事甘蔗產(chǎn)業(yè)綜合技術研究。E-mail：79jwguo@163.com