专利名称：多级膜并行生产营养糖、风味蔗汁及饲料原料的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用多级膜分离技术清净和浓缩蔗汁，并行生产营养糖、风味蔗汁及饲料原料的方法。
背景技术：
甘蔗压榨汁作为制糖的原料汁，其主要成分是水、蔗糖、有机非糖分(蛋白质、多糖、还原糖、酚类物等)及部分悬浮颗粒(蔗屑和蔗髓等)。尽管有机非糖分具有较高营养价值，但会影响白砂糖的生产及其质量，因此，除去蔗汁中具有营养价值的“杂质”是传统制糖过程的重要内容。我国甘蔗糖厂多采用磷酸-亚硫酸法工艺生产耕地白砂糖，生产过程需耗用大量化学药剂(石灰乳、磷酸、硫磺、聚丙烯酰胺等)以吸附并除去混合汁中的有机非糖分，最后形成成分更为复杂、利用价值低且难以处理的糖厂滤泥和废水，而生产出来的白砂糖除了可以给人体提供热量和甜味外无任何营养价值。此外，甘蔗中的水分含量占70% 以上，一直没有得到有效利用，并且在糖厂蒸发过程中需耗用制糖总耗汽的一半对清汁进行浓缩，能源消耗大。因此，制糖工艺的技术革新和制糖副产物的高附加值利用对制糖企业来说具有重要意义。随着材料科学的发展以及膜过程控制与优化等技术日趋成熟，膜分离过程的运行成本明显降低，单位膜面积处理通量大幅度提高，膜技术已开始大规模进入工业生产领域。 目前，膜分离技术在果汁行业已被成功应用，在甘蔗糖厂制糖生产中的应用研究也有报道， 但制糖工业现有膜技术并未摆脱对传统生产助剂(磷酸、石灰乳、硫磺、聚丙烯酰胺等化学药剂)的依赖，且最终产品仍限于白砂糖，膜分离效能并未得到充分发挥，有些膜过程还需额外添加淀粉酶等辅剂，膜技术目前在糖厂的工业化应用仍难以实现。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种以甘蔗压榨汁或糖厂初压汁为原料，利用多级膜的分离、浓缩和冷灭菌等功能并行生产营养糖、风味蔗汁及饲料原料的方法。本发明以如下技术方案解决上述技术问题本发明的主要工艺步骤为(1)原料汁预处理对甘蔗压榨汁或糖厂初压汁进行过滤，除去蔗汁中所含蔗屑、 蔗髓等大颗粒杂质；预处理的方法可选用滤布过滤或气浮分离；原料汁预处理温度为25 85°C，预处理后用蒸汽对设备进行消毒灭菌；预处理所得滤渣或浮渣作为饲料原料，所得蔗汁泵入第一级膜系统；(2)将预处理后的蔗汁泵入第一级膜分离系统制备清蔗汁第一级膜分离系统的膜组件可以选用微滤膜、超滤膜的一种或两种相结合；当第一级膜系统的透过液达到入料体积的60 75%时，将截留液回送至预处理设备前端与原料汁混合后进行再次过滤分离， 清蔗汁泵送至第二级膜系统；(3)将清蔗汁泵入第二级膜分离系统进行脱水浓缩第二级膜系统选用纳滤膜、反渗透膜的一种或两种相结合，选择全回流形式对清蔗汁进行浓缩处理，当第二级膜系统的透过液达到入料体积的30 60%时，将浓缩蔗汁蒸发进行喷雾干燥处理，获得具有较好溶解度的营养糖固体颗粒；纳滤膜或反渗透膜分离所得的透过液用于生产风味蔗汁或低糖饮料。预处理的方法可选用滤布过滤或气浮分离。滤布过滤可采用压滤机过滤或真空吸滤机过滤。压滤机或真空吸滤机以孔径为38 74 μ m的滤布作为过滤载体。气浮分离可在气浮澄清器底部充入气体，利用微小气泡来吸附和富集蔗汁中的悬浮物和难溶物并以浮渣形式除去。第一级膜系统微滤膜孔径为0. 1 lym，超滤膜截留分子量(MWCO)为10 IOOkD,操作压力为0. 2 0. 5MPa。第二级膜系统选用纳滤膜、反渗透膜的一种或两种相结合，纳滤膜截留分子量 (MWCO)为 200 300Da，操作压力为 1. 5 5. OMPa0第二级膜系统浓缩蔗汁锤度为25 35° Bx ；将浓缩蔗汁蒸发至60 80° Bx后进行喷雾干燥处理。本发明基于膜过程分离、浓缩及冷灭菌等功能的集成，并行生产营养糖、风味蔗汁和饲料原料，在无需添加化学药剂并且生产能耗较低尤其是蒸发能耗负荷较小的前提下， 实现成品糖天然营养和风味的最大化保存。本发明的技术方法操作简单稳定，能较好适应来料的波动，特别适合中小型制糖企业应用，且基本上无三废排放，生产过程对环境影响极小。采用本发明的技术方案所生产的营养糖属于目前市场上紧缺的特种糖，蔗汁饮品具有甘蔗自然风味及多种营养物质，滤渣或浮渣作为生产饲料的原料，对推进制糖企业产品的优化升级以及糖料资源的综合利用有重要意义。
图1是本发明多级膜并行生产营养糖、风味蔗汁及饲料原料的方法的工艺流程图。
具体实施例方式针对传统制糖工艺中化学药剂耗用量大、副产物难以处理和产品单一的问题，提供一种不添加化学药剂、综合运行成本低、产品多样化的甘蔗制糖方法，既避免了化学药剂的耗用，也无需对甘蔗进行高耗能的反复压榨，以纯物理的方式并行生产营养糖、风味蔗汁和饲料原料，为制糖工业提供一种能源节约、综合利用率较高的新方法。本发明方法的原料为甘蔗压榨汁或糖厂初压汁，所采用的膜分离过程属于纯物理过程，可以同时实现营养糖、风味蔗汁和饲料原料的并行生产，且不涉及化学反应及有害化学药剂的耗用，能较大程度地保留甘蔗本身的营养和风味。通过第一级膜分离系统的选择性截留，除去原料汁中的蛋白质、多糖、多酚、微生物等大分子物质，截留液回送预处理工序形成滤渣或浮渣用于饲料生产，而小分子的蔗糖、还原糖、氨基酸等营养物则通过第一级膜分离系统进入清蔗汁中；利用第二级膜分离系统对清蔗汁进行脱水浓缩，所得透过液用于风味蔗汁或低糖饮料的生产，而浓缩蔗汁则用于制备营养糖。
本发明的工艺步骤是(1)原料汁的预处理预处理的目的是快速除去蔗汁中的悬浮物和难溶物，以减轻膜分离的负荷。预处理的方法可选用滤布过滤或气浮分离。采用滤布过滤时，以滤布孔径为38 74 μ m的压滤机或真空吸滤机对甘蔗压榨汁或糖厂初压汁进行过滤，以除去蔗汁中所含蔗屑、蔗髓等大颗粒杂质；同时对第一级膜分离过程回送的截留液进行再次过滤，排出的滤渣作为原料用于饲料生产。若采用气浮分离法，可在气浮澄清器底部充入气体，利用微小气泡来吸附和富集蔗汁中的悬浮物和难溶物并以浮渣的形式除去。原料汁的预处理温度为25 85°C，并定期用蒸汽对设备进行消毒灭菌。(2)将预处理后的蔗汁泵入第一级膜分离系统制备清蔗汁。第一级膜分离系统的膜组件可选用微滤膜、超滤膜或微滤与超滤串联的膜装置(根据营养糖的质量要求而定)， 微滤膜孔径为0. 1 1 μ m，超滤膜截留分子量(MWCO)为10 100kD，操作压力为0. 2 0. 5MPa ；当第一级膜分离系统的透过液达到入料体积的60 75%时，将截留液回送至预处理设备前端与原料汁混合后进行再次处理，清蔗汁泵送至第二级膜分离系统。(3)将清蔗汁泵入第二级膜分离系统进行脱水浓缩。第二级膜系统选用纳滤膜、反渗透膜或纳滤与反渗透串联的膜装置(根据风味蔗汁的甜度要求而定)，操作压力为1.5 5. OMPa，选择全回流形式对清蔗汁进行浓缩处理，当第二级膜系统的透过液达到入料体积的30 60%时，浓缩蔗汁的锤度可达25 35° Bx(固形物含量)。将浓缩蔗汁蒸发至 60 80° Bx后进行喷雾干燥处理，获得具有较好溶解度的营养糖固体颗粒；纳滤膜或反渗透膜分离所得的透过液用于生产风味蔗汁或低糖饮料。实施例1利用“超滤-反渗透”并行制备营养糖、风味蔗汁和饲料原料第一步原料汁的预处理及饲料原料的分离将甘蔗压榨汁或糖厂初压汁泵入压滤机，选用孔径为74μπΚ200目)滤布作为过滤载体，以除去原料汁中的蔗屑、蔗髓等大颗粒杂质，并对从第一级膜分离过程(超滤)回送的截留液进行再次过滤，定期排出滤渣用于饲料生产，滤汁用于超滤处理。操作温度为 25°C，过滤结束后用蒸汽消毒原料桶及压滤机。第二步第一级膜分离制备清蔗汁抽取经过预过滤处理的蔗汁100L，泵入第一级膜分离系统进一步分离纯化，以除去微小悬浮颗粒、胶体微粒、微生物及大分子物质，制备清蔗汁。第一级膜分离系统选用截留分子量(MWCO)为50kD的超滤膜组件，操作压力为0. 45MPa,当透过液达到60L(透过液与入料量比为60%，V/V)时，将截留液回送至压滤机前端与原料汁混合进行再次过滤处理， 将清蔗汁泵送至第二级膜系统。第三步第二级膜分离制备浓缩蔗汁和风味蔗汁将清蔗汁泵入第二级膜系统进行浓缩脱水。第二级膜系统选用反渗透膜，操作压力为2. OMPa，选择全回流形式对清蔗汁进行浓缩处理，当透过液体积达36L(透过液与入料量比为60%，V/V)时，浓缩蔗汁的锤度达35° Bx。将浓缩蔗汁蒸发至80° Bx后进行喷雾干燥处理，获得营养糖固体颗粒；所得的透过液用于生产风味蔗汁。实施例2利用“微滤-反渗透”并行制备营养糖、风味蔗汁和饲料原料第一步原料汁的预处理及饲料原料的分离将原料汁升温至85°C后泵入气浮澄清器，以除去原料汁中蔗屑、蔗髓等大颗粒杂质，并对从第一级膜分离过程(微滤)回送的截留液进行再次上浮分离处理，收集浮渣用于饲料生产，经过预处理后的蔗汁用于微滤处理。操作温度85°C，澄清结束后用蒸汽消毒原料桶及气浮澄清器。第二步第一级膜分离制备清蔗汁抽取经过预处理的80°C蔗汁100L泵入第一级膜分离系统进一步纯化，除去微小悬浮颗粒、胶体微粒、微生物及大分子物质，制备清蔗汁。第一级膜分离系统选用孔径为 0. Ium的微滤膜组件，操作压力为0. 30MPa,当透过液达到75L (透过液与入料量比为75 %， V/V)时，将截留液回送至气浮澄清器与原料汁混合后进行再次分离处理，将清蔗汁泵送第二级膜系统。第三步第二级膜分离制备浓缩蔗汁和风味蔗汁将清蔗汁泵入第二级膜系统进行脱水浓缩。第二级膜系统选用反渗透膜，操作压力为4. 8MPa，选择全回流形式对清蔗汁进行浓缩处理，当透过液体积达23L(透过液与入料量比为30%，V/V)，浓缩蔗汁的锤度达30° Bx。将浓缩蔗汁蒸发至75° Bx后进行喷雾干燥处理，获得营养糖固体颗粒；所得的透过液用于生产风味蔗汁。实施例3利用“超滤-纳滤”并行制备营养糖、风味蔗汁和饲料原料第一步甘蔗压榨汁的预处理及饲料原料的分离将甘蔗压榨汁升温到45°C后泵入压滤机，选用孔径为50μπι(300目)滤布作为过滤载体，以除去原料汁中蔗屑、蔗髓等大颗粒杂质，并对从第一级膜分离过程(超滤)回送的截留液进行再次过滤，排出滤渣用于饲料生产，滤汁用于超滤处理。操作温度45°C，过滤结束后用蒸汽消毒原料桶及压滤机。第二步第一级膜分离制备清蔗汁抽取经过预过滤处理的42°C甘蔗压榨汁100L泵入第一级膜分离系统进一步纯化，除去微小悬浮颗粒、胶体微粒、微生物及大分子物质，制备清蔗汁。第一级膜分离系统选用截留分子量(MWCO)为IOkD的超滤膜组件，操作压力为0. 30MPa，当透过液达70L(透过液与入料量比70%，V/V)时，将截留液回送压滤机前端与原料汁混合后进行再次过滤处理， 将清蔗汁泵送第二级膜系统。第三步第二级膜分离制备浓缩蔗汁和风味蔗汁将40°C清蔗汁泵入第二级膜系统进行浓缩脱水。第二级膜系统选用截留分子量 (MWCO)为300Da的纳滤膜组件，操作压力2. 5MPa，选择全回流形式对清蔗汁进行浓缩处理， 当透过液体积达34L(透过液与入料量比为48%，V/V)，浓缩蔗汁的锤度达Bx。将浓缩蔗汁蒸发至65° Bx后进行喷雾干燥处理，获得营养糖固体颗粒；所得的透过液用于生产风味蔗汁。实施例4利用“微滤-纳滤”并行制备营养糖、风味蔗汁和饲料原料第一步甘蔗原料汁的预处理及饲料原料的分离将原料汁升温到65°C后泵入有滤布真空吸滤机，选用孔径为38 Um(400目)滤布作为过滤载体，以除去原料汁中蔗屑、蔗髓等大颗粒杂质，并对从第一级膜分离过程(微滤)回送的截留液进行再次过滤，排出滤渣用于饲料生产，过滤汁用于超滤处理。操作温度 65°C，过滤结束后用蒸汽消毒原料桶及吸滤机。第二步第一级膜分离制备清蔗汁
抽取经过预过滤处理的62°C蔗汁100L泵入第一级膜分离系统进一步纯化，以除去微小悬浮颗粒、胶体微粒、微生物及大分子物质，制备清蔗汁。第一级膜分离系统选用孔径为0. 5 μ m的微滤膜组件，操作压力为0. 20MPa,当透过液达65L (透过液与入料量比 65%，V/V)时，将截留液回送压滤机前端与原料汁混合后进行再次过滤处理，将清蔗汁泵送第二级膜系统。第三步第二级膜分离制备浓缩蔗汁和风味蔗汁将60°C清蔗汁泵入第二级膜系统进行浓缩脱水。第二级膜系统选用截留分子量 (MWCO)为200Da的纳滤膜组件，操作压力1. 5MPa，选择全回流形式对清蔗汁进行浓缩处理， 当透过液体积达27L (透过液与入料量比45%，V/V)，浓缩蔗汁的锤度达25° Bx。将浓缩蔗汁蒸发至60° Bx后进行喷雾干燥处理，获得营养糖固体颗粒；所得的透过液用于生产风味蔗汁。实施例5利用“微滤-超滤-反渗透”并行制备营养糖、风味蔗汁和饲料原料第一步甘蔗原料汁的预处理及饲料原料的分离将原料汁升温到55°C后泵入有滤布真空吸滤机，选用孔径为50 μ m(300目)滤布作为过滤载体，以除去原料汁中蔗屑、蔗髓等大颗粒杂质，并对从第一级膜分离过程(微滤与超滤相结合)回送的截留液进行再次过滤，排出滤渣用于饲料生产，滤汁进入第一级膜分离系统。操作温度^°c，过滤结束后用蒸汽消毒原料桶及吸滤机。第二步第一级膜分离制备清蔗汁采用“微滤-超滤”串联膜装置进行第一级膜分离。抽取经过预过滤处理的蔗汁 100L，泵入“微滤-超滤”串联膜装置进一步分离纯化，除去微小悬浮颗粒、胶体微粒、微生物及大分子物质，制备清蔗汁。第一级膜系统中的微滤膜分离过程选用孔径为Iym的膜组件，操作压力0. 20MPa，微滤膜截留液回送至吸滤机前端与原料汁混合，透过液作为超滤膜分离的入料液；超滤膜分离过程选用截留分子量(MWCO)为IOOkD的膜组件，操作压力为 0. 35MPa，当超滤膜的透过液达到60L(透过液与入料量比为60%，V/V)时，将超滤截留液回送至微滤膜装置前端与经过预处理的原料汁混合后进行再次微滤处理，将清蔗汁泵送至第二级膜系统。第三步第二级膜分离制备浓缩蔗汁和风味蔗汁将清蔗汁泵入第二级膜系统进行浓缩脱水。第二级膜系统选用截留分子量(MWCO) 为300Da的纳滤膜，操作压力为3. OMPa，选择全回流形式对清蔗汁进行浓缩处理，当透过液体积达36L(透过液与入料量比60%，V/V)时，浓缩蔗汁的锤度达34° Bx。将浓缩蔗汁蒸发至80° Bx后进行喷雾干燥处理，获得营养糖固体颗粒；所得的透过液用于生产风味蔗汁。实施例6利用“微滤-纳滤-反渗透”并行制备营养糖、风味蔗汁和饲料原料第一步甘蔗原料汁的预处理及饲料原料的分离将原料汁升温至65 °C泵入压滤机，选用孔径为50 μ m(300目)滤布作为过滤载体， 以除去原料汁中的蔗屑、蔗髓等大颗粒杂质，并对从第一级膜分离过程(微滤)回送的截留液进行再次过滤，定期排出滤渣用于饲料生产，滤汁用于微滤处理。操作温度为65°C，过滤结束后用蒸汽消毒原料桶及压滤机。第二步第一级膜分离制备清蔗汁抽取经过预过滤处理的蔗汁100L，泵入第一级膜分离系统进一步分离纯化，除去微小悬浮颗粒、胶体微粒、微生物及大分子物质，制备清蔗汁。第一级膜分离系统选用孔径为0. 3μπι的微滤膜组件，操作压力0. 20MPa,当透过液达到75L(透过液与入料量比为 75%，V/V)时，将截留液回送压滤机前端与原料汁混合后进行再次过滤处理，将清蔗汁泵送第二级膜系统。第三步第二级膜分离制备浓缩蔗汁和风味蔗汁采用“纳滤-反渗透”串联膜装置进行第二级膜分离。将清蔗汁泵入“纳滤-反渗透”串联膜装置进行浓缩脱水。纳滤处理选用截留分子量(MWCO)为300Da的纳滤膜，操作压力为2. 2MPa，选择全回流形式对清蔗汁进行浓缩处理，当透过液体积达45L(透过液与入料量比60%，V/V)，浓缩蔗汁的锤度达Bx。将浓缩蔗汁蒸发至65° Bx后进行喷雾干燥处理，获得营养糖固体颗粒；纳滤膜透过液用作反渗透处理的入料液，反渗透操作压力 3. 5MPa，选择全回流形式对纳滤膜的透过液进行反渗透浓缩脱水处理，截留液为浓缩型风味蔗汁，透过液用于制备低糖饮料。
权利要求
1.一种多级膜并行生产营养糖、风味蔗汁及饲料原料的方法，其特征是工艺步骤如下(1)原料汁预处理对甘蔗压榨汁或糖厂初压汁进行过滤，除去蔗汁中所含蔗屑、蔗髓等大颗粒杂质；预处理的方法可选用滤布过滤或气浮分离；原料汁预处理温度为25 85°C，预处理后用蒸汽对设备进行消毒灭菌；预处理所得滤渣或浮渣作为饲料原料，所得蔗汁泵入第一级膜系统；(2)将预处理后的蔗汁泵入第一级膜分离系统制备清蔗汁第一级膜分离系统的膜组件可以选用微滤膜、超滤膜的一种或两种相结合；当第一级膜系统的透过液达到入料体积的60 75%时，将截留液回送至预处理设备前端与原料汁混合后进行再次过滤分离，清蔗汁泵送至第二级膜系统；(3)将清蔗汁泵入第二级膜分离系统进行脱水浓缩第二级膜系统选用纳滤膜、反渗透膜的一种或两种相结合，选择全回流形式对清蔗汁进行浓缩处理，当第二级膜系统的透过液达到入料体积的30 60%时，将浓缩蔗汁蒸发进行喷雾干燥处理，获得具有较好溶解度的营养糖固体颗粒；纳滤膜或反渗透膜分离所得的透过液用于生产风味蔗汁或低糖饮料。
2.如权利要求1所述的多级膜并行生产营养糖、风味蔗汁及饲料原料的方法，其特征是预处理的方法可选用滤布过滤或气浮分离。
3.如权利要求2所述的多级膜并行生产营养糖、风味蔗汁及饲料原料的方法，其特征是原料汁预处理的滤布过滤可利用压滤机或真空吸滤机。
4.如权利要求2或3所述的多级膜并行生产营养糖、风味蔗汁及饲料原料的方法，其特征是压滤机或真空吸滤机以孔径为38 74 μ m的滤布作为过滤载体。
5.如权利要求2所述的多级膜并行生产营养糖、风味蔗汁及饲料原料的方法，其特征是原料汁预处理的气浮分离可在气浮澄清器底部充入气体，利用微小气泡来吸附和富集蔗汁中的悬浮物和难溶物并以浮渣形式除去。
6.如权利要求1所述的多级膜并行生产营养糖、风味蔗汁及饲料原料的方法，其特征是第一级膜系统的微滤膜孔径为0. 1 1 μ m，超滤膜截留分子量MWCO为10 100kD，操作压力为0. 2 0. 5MPa。
7.如权利要求1所述的多级膜并行生产营养糖、风味蔗汁及饲料原料的方法，其特征是第二级膜系统选用纳滤膜、反渗透膜的一种或两种相结合，纳滤膜截留分子量MWCO为 200 300Da，操作压力为1. 5 5. OMPa0
8.如权利要求1所述的多级膜并行生产营养糖、风味蔗汁及饲料原料的方法，其特征是第二级膜系统浓缩蔗汁锤度为25 35° Bx;将浓缩蔗汁蒸发至60 80° Bx后进行喷雾干燥处理。
全文摘要
一种多级膜并行生产营养糖、风味蔗汁及饲料原料的方法，原料汁经过预处理除去蔗屑、蔗髓等大颗粒杂质，所得滤渣或浮渣用作饲料原料，所得蔗汁泵入第一级膜分离系统得到清蔗汁，清蔗汁进入第二级膜分离系统进行脱水浓缩，透过液用于生产风味蔗汁或低糖饮料，浓缩蔗汁经蒸发和喷雾干燥处理得营养糖。本发明基于膜过程分离、浓缩及冷灭菌等功能的集成，并行生产营养糖、风味蔗汁和饲料原料，无需添加化学药剂，生产耗能较低，实现成品糖天然营养和风味的最大化保存，且操作简单稳定，基本上无三废排放，适应性广，利于制糖产品优化升级以及糖料资源的综合利用。
文档编号A23K1/14GK102489155SQ20111036096
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者刘玫, 浦媛媛, 王晓, 王清, 邹青松, 陈山, 黄磊 申请人:广西大学