醇法制備大豆?jié)饪s蛋白大型智能化成套裝備技術開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化

林鳳巖，伊曉麗，郭興鳳，鄭 峰，劉昆侖

(1.山東凱斯達機械制造有限公司，山東 濟寧 272000； 2.河南工業(yè)大學 糧油食品學院，鄭州 450001)

大豆是全世界最主要的油料作物，含有35%～40%的蛋白質(zhì)，是人類和動物最主要的蛋白質(zhì)來源。1985年世界糧農(nóng)組織/世界衛(wèi)生組織(FAO/WHO)提出蛋白質(zhì)攝入量為每日每千克體重0.75 g，目前我國人均攝入量為0.5 g；2017年我國飼料總產(chǎn)量約為2.2億t[1]，按照最低10%蛋白質(zhì)標準計算，需要0.22億t蛋白質(zhì)，其中80%以上來自大豆蛋白，尤其是幼崽飼料、水產(chǎn)飼料、寵物食品等高端飼料中的蛋白質(zhì)均為大豆蛋白。

市場上銷售的大豆蛋白產(chǎn)品主要有大豆分離蛋白(SPI)、大豆?jié)饪s蛋白(SPC)、大豆組織蛋白(STP)、低溫食品級豆粕(LTSM)、飼料用豆粕(FMSM)等產(chǎn)品，其中FMSM主要用于飼料的原料，LTSM主要為SPI、SPC、STP的原料，SPI和STP主要作為食品添加劑，而SPC根據(jù)原料大豆的性質(zhì)不同(是否非轉基因)分為食品級和飼料級兩種。市場上蛋白質(zhì)含量高的產(chǎn)品需求量較大的為SPI和SPC，SPI以堿溶酸沉工藝生產(chǎn)為主，而SPC主要以乙醇萃取工藝生產(chǎn)為主。SPI和SPC的性能及消耗指標均不相同，詳見表1和表2。

表1 SPI和SPC性能指標

注：括號內(nèi)數(shù)據(jù)為SPC改性后的NSI。

表2 SPI和SPC主要消耗指標

注：表中消耗指標均以產(chǎn)品質(zhì)量計。

由表1可以看出：SPI的多項指標均優(yōu)于SPC，其應用范圍較SPC更廣，但改性后的SPC可以替代大部分SPI的用途。SPC具有高纖維的特性，因此其在一些領域比SPI應用得更好，如作為面包添加劑、水產(chǎn)飼料原料等。由表2可以看出：SPI傳統(tǒng)的堿溶酸沉生產(chǎn)工藝能耗極高，并且產(chǎn)生大量高COB和BOD的有機廢水，屬于高耗能、高污染工藝；SPC的醇法生產(chǎn)過程零廢水排放，尾氣達標排放。因此，對于醇法SPC的生產(chǎn)來說，市場潛力很大。

通過多年來在大豆蛋白方面持續(xù)不斷的研究，在總結已建的7條醇法濃縮蛋白生產(chǎn)線經(jīng)驗基礎上，研發(fā)出了符合我國國情的醇法制備大豆?jié)饪s蛋白的技術裝備，該成套技術裝備于2019年7月通過中國糧油學會組織的科學技術成果評價。評價結論為項目開發(fā)的成套裝備技術擁有自主知識產(chǎn)權，經(jīng)濟、社會效益顯著，整體技術水平達到國際領先?，F(xiàn)將該成套技術裝備工藝、技術要點及應用效果進行介紹，僅供參考。

1 醇法濃縮蛋白生產(chǎn)現(xiàn)狀

醇法制備大豆?jié)饪s蛋白工藝采用一定濃度的乙醇水溶液，將豆粕中的可溶性糖類及其他可溶性物質(zhì)溶解去除，達到提高固體物料中蛋白質(zhì)含量的目的。表3、表4分別為我國食品級SPC和飼料級SPC供給現(xiàn)狀。

表3 我國食品級SPC供給現(xiàn)狀

表4 我國飼料級SPC供給現(xiàn)狀

食品級SPC方面：表3中所列生產(chǎn)線，除了山東長潤、秦皇島、德州、山東萬得福、吉林豐正、黑龍江陽霖等公司7條生產(chǎn)線還在生產(chǎn)，其他公司的產(chǎn)品未見在市場上銷售。飼料級SPC方面：表4中所列生產(chǎn)線均正常生產(chǎn)產(chǎn)品，山東中陽的6萬t/年飼用SPC生產(chǎn)線為國內(nèi)外最大SPC生產(chǎn)線。

2 醇法濃縮蛋白工藝路線

本工藝是用大豆高蛋白粕(或低溫豆粕)作為原材料，采用乙醇水溶液作為溶劑，通過醇提、烘干、粉碎、蒸發(fā)、濃縮等工序處理，得到醇法濃縮蛋白粉和糖漿，并對糖漿進行了綜合開發(fā)利用，生產(chǎn)出適應市場需求的噴涂豆皮產(chǎn)品[2]。圖1為醇法制備大豆?jié)饪s蛋白工藝路線圖。

圖1 醇法制備大豆?jié)饪s蛋白工藝路線圖

3 技術特點

醇法制備大豆?jié)饪s蛋白工藝過程中，豆粕中可溶物萃取、提取糖漿后的濕蛋白脫溶、混合液的蒸發(fā)、尾氣中乙醇回收、豆皮噴涂中設備的選型、整套裝備的節(jié)能降耗、智能化控制是整個大豆?jié)饪s蛋白工藝中的關鍵工序，我公司對上述關鍵工序進行了針對性的研發(fā)創(chuàng)新。

3.1 豆粕萃取

采用預混器+箱鏈式浸出器工藝。預混器采用螺旋式全密閉預混器，豆粕和乙醇混合，豆粕提前溶脹，溶脹后的豆粕孔隙率增加，減少柵板堵塞，提高溶劑滲透效果，從而提高浸出器的萃取效率。箱鏈式浸出器的推料刮板高度超過料層高度，兩塊推料板與兩側箱體形成相對獨立的料箱，混合液在料箱內(nèi)對豆粕進行浸泡和噴淋，延長了豆粕與混合液接觸時間，提高了萃取率。浸出器柵板下面采用反沖洗裝置，定時沖洗柵板，解決了柵板縫隙堵塞，乙醇滲透效果差的問題，提高了萃取效率；混合油全部收集到下部集油格，并減小集油格體積，增大集油格錐度，從而增加了混合油流速，解決了集油格積料問題。通過已經(jīng)完成的大豆?jié)饪s蛋白項目驗證，該型浸出器達到了預期目的，效果良好。

3.2 濕粕脫溶

采用擠壓機、臥式圓盤干燥機和立式脫溶干燥機組合工藝。濕粕采用我公司針對醇法濃縮蛋白開發(fā)的雙螺桿擠壓機，擠出部分乙醇溶液，乙醇溶液回流到浸出器替代部分新鮮溶劑。臥式圓盤干燥機為我公司針對醇法濃縮蛋白開發(fā)的烘干設備[3]。臥式圓盤干燥機出料采用側出料+底部出料相結合的出料方式，可根據(jù)需要調(diào)整筒體內(nèi)物料的料層高度以達到最佳干燥效果。立式脫溶干燥機[4]具有干燥面積大、料層薄、烘干速度快、蛋白熱變性小的特點，對濕粕進行最后的脫溶和烘干。

3.3 混合液蒸發(fā)

混合液蒸發(fā)采用多效蒸發(fā)和濃縮工藝。蒸發(fā)段采用負壓并用二次蒸氣作為熱源的蒸發(fā)工藝。部分臥式圓盤干燥機二次蒸氣為濃混合液預熱，一效二次蒸氣作為二效熱源，部分臥式圓盤干燥機二次蒸氣和立式脫溶干燥機二次蒸氣作為三效加熱熱源，有效利用生產(chǎn)余熱，節(jié)約了大量熱能源，并解決糖漿掛壁的難題。濃縮采用的是立式薄膜蒸發(fā)器，糖漿在立式薄膜蒸發(fā)器內(nèi)形成薄膜，同時采用高真空操作環(huán)境，達到去除糖漿中乙醇和水分的目的。立式薄膜蒸發(fā)器的熱源由水蒸氣改為熱水，降低了溫差，脫溶更穩(wěn)定，極大地減少了糖漿掛壁糊化問題。以上措施極大提高了蒸發(fā)效率，減少了糖漿掛壁糊化問題，蒸發(fā)系統(tǒng)停機清理間隔由最初的半個月延長到3～6個月或更長。

3.4 尾氣回收

尾氣采用水吸收方式。冷凝器排出的尾氣中還含有一定量的乙醇，該部分乙醇采用冷水循環(huán)吸收工藝，水中乙醇達到一定濃度后，自動換水，含有乙醇的水參與新鮮乙醇濃度配比，有效地降低外排尾氣中乙醇濃度，同時降低了乙醇的消耗。

3.5 糖漿噴涂豆皮

噴涂糖漿的豆皮烘干采用了平板烘干機+氣流干燥+立式烘干滅酶機工藝。糖漿和豆皮經(jīng)過混合機混合均勻后進入平板烘干機去除大部分水分；從平板烘干機出來的糖漿豆皮經(jīng)過氣流干燥并輸送到立式烘干滅酶機，進一步去水和滅酶，直至達到產(chǎn)品要求。

3.6 節(jié)能降耗

本工藝技術均采用化工過程能量綜合技術的方法論——夾點技術，運用相關軟件進行逐一反復運算，力求所有能量都能夠充分發(fā)揮作用，具體成果如表5所示。

表5 節(jié)能降耗成果(4萬t/年)

注：熱源為200℃過熱水蒸氣，汽耗潛熱按2 225 kJ/kg計算，原料處理量8 t/h。

由表5可知，全流程能量平衡后水蒸氣消耗節(jié)約900 kg/t(以原料計)，節(jié)能降耗效果顯著。

3.7 智能化控制

本技術裝備電控部分是在西門子的PLC控制系統(tǒng)上進行了二次開發(fā)。本系統(tǒng)實現(xiàn)了全智能化運行，系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況自主調(diào)整全套生產(chǎn)線的工作狀態(tài)，有效降低人為操作的干擾，提高生產(chǎn)穩(wěn)定性和安全性，可以實現(xiàn)對溫度、壓力、流量、液位、物位等參數(shù)的現(xiàn)場檢測、遠程控制及管理。當系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障現(xiàn)場無法有效解決時，工程技術人員可通過遠程的方式，及時對整個控制系統(tǒng)進行監(jiān)控和操作，及時對故障作出分析和判斷，迅速高效地排除故障，保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。

4 應用效果

將該工藝用于4萬t/年SPC 生產(chǎn)線上，主要消耗指標見表6。

表6 主要消耗指標

注：表中消耗指標以原料質(zhì)量計。

5 結束語

綜上所述，開發(fā)的醇法制備大豆?jié)饪s蛋白工藝技術裝備生產(chǎn)的大豆?jié)饪s蛋白產(chǎn)品指標能夠滿足市場要求，各項消耗指標均為國際領先水平，智能化程度高；廢水零排放，環(huán)境友好，副產(chǎn)品得到綜合利用；產(chǎn)品市場需求巨大，有廣闊的發(fā)展前景。目前我們已經(jīng)聯(lián)合相關企業(yè)和大專院校在裝備超大型化、進一步優(yōu)化工藝、進一步節(jié)能降耗、進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量、進一步拓展市場等方面進行更加深入的創(chuàng)新研究。