連續(xù)離子交換技術(shù)在淀粉糖生產(chǎn)中的應(yīng)用

王靜 儲(chǔ)健

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 自動(dòng)化與電氣學(xué)院，天津 300222）

引言

玉米淀粉通過酸或酶水解生產(chǎn)的各種糖，統(tǒng)稱為淀粉糖。常見產(chǎn)品有F42/F55 果葡糖漿、麥芽糖等。近年來因淀粉糖的應(yīng)用越來越廣泛，國(guó)家力推淀粉糖，伴隨著淀粉糖行業(yè)技術(shù)的不斷革新，生產(chǎn)成本大幅下降，成為食糖市場(chǎng)的重要部分，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了非常重要的作用。

在淀粉糖的制作過程中，最關(guān)鍵的是脫鹽、脫色、去雜質(zhì)。這些雜質(zhì)與產(chǎn)品的甜度、黏度、吸潮性有著密切的關(guān)系，所以產(chǎn)品的精制極其重要。長(zhǎng)期以來，我國(guó)采用的分離方法是間歇式離子交換技術(shù)，此法采用固定床實(shí)現(xiàn)，在交換過程中，當(dāng)活性區(qū)處于工作狀態(tài)時(shí)，另兩個(gè)區(qū)便處于閑置狀態(tài)，導(dǎo)致樹脂的利用率極低。并且操作麻煩、不易控制樹脂再生時(shí)間、浪費(fèi)原料，產(chǎn)品質(zhì)量也極其不穩(wěn)定。[2]

為了改善這些傳統(tǒng)技術(shù)上的問題，本文采用了連續(xù)離子交換技術(shù)，它是一種新型的生產(chǎn)技術(shù)。它完善了傳統(tǒng)方法中的工序，優(yōu)化了設(shè)備的操作，提高了人員的利用率，而且在保證純度和濃度的基礎(chǔ)上，很大程度地減少了原材料、化學(xué)用品、生產(chǎn)用水的損耗及生產(chǎn)中廢水的排放量，較傳統(tǒng)離子交換技術(shù)能更好地分離、提純有效成分。[3]

一、連續(xù)離子交換技術(shù)原理

離子交換技術(shù)，其基本原理是置換反應(yīng)，根據(jù)不同離子的活潑性選用不同的樹脂。當(dāng)需要去除原料中各種無機(jī)鹽電離產(chǎn)生的陰離子（CO32-、SO32-、NO3-等非金屬離子）時(shí)，將糖漿以及化學(xué)用品注入到陰樹脂罐中；去除陽(yáng)離子（Ca2+、Mg2+、Na+等金屬離子)時(shí)，注入到陽(yáng)樹脂罐中。樹脂上的H+和OH-與陰陽(yáng)離子發(fā)生置換反應(yīng)，生成水分子，從而達(dá)到去除雜質(zhì)的目的。[4]

隨著離子交換反應(yīng)的不斷進(jìn)行，罐內(nèi)樹脂上的H+和OH-隨之減少，陰陽(yáng)柱慢慢失效，此刻，我們就需要將樹脂再生。再生就是將強(qiáng)酸和強(qiáng)堿注入到陰陽(yáng)樹脂罐中，當(dāng)這些液體流經(jīng)陰陽(yáng)樹脂時(shí)，樹脂便逐漸恢復(fù)原有的置換能力。

連續(xù)離交相對(duì)于傳統(tǒng)工藝的離子交換系統(tǒng)，每步操作更加細(xì)化，將各步驟整合起來，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)運(yùn)行，不必為了再生停止運(yùn)行，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定控制，更為后續(xù)擴(kuò)產(chǎn)提供了方便，節(jié)省了改造投資資金。

二、在淀粉糖生產(chǎn)中的應(yīng)用

（一）工藝流程

連續(xù)離子交換(ISEP)技術(shù)是一種新型的、連續(xù)式的分離技術(shù)，主要功能是提純、分離雜質(zhì)。為了增大淀粉糖生產(chǎn)產(chǎn)量，提高淀粉糖去除雜質(zhì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平，本文針對(duì)淀粉糖生產(chǎn)中的提純進(jìn)行連續(xù)離子交換法除雜的研究。連續(xù)離子交換法除雜的工藝流程如圖2.1 所示。[5]

淀粉糖行業(yè)常用的連續(xù)離子交換及色譜分離系統(tǒng)應(yīng)用均采用轉(zhuǎn)盤式系統(tǒng)，下面將詳細(xì)介紹連續(xù)離子交換裝置的結(jié)構(gòu)組成。ISEP 系統(tǒng)主要由20個(gè)圓形樹脂樁、一個(gè)轉(zhuǎn)盤、分配閥和控制驅(qū)動(dòng)四大部分組成。[6]

這20 個(gè)小的樹脂柱呈環(huán)形排列在轉(zhuǎn)盤上，通過PLC 程序控制驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤運(yùn)行，樹脂樁隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)盤中心有一個(gè)分配閥，共有兩個(gè)端口，一端固定與材料管連接，它的作用是與運(yùn)料管吻合；另一端是活動(dòng)的，可以旋轉(zhuǎn)，將這端與各個(gè)樹脂柱連接。當(dāng)轉(zhuǎn)盤向前運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，樹脂柱便會(huì)接到固定端的凹槽上。為了簡(jiǎn)化操作，將樹脂樁劃分為幾個(gè)功能不同的區(qū)域，在設(shè)備生產(chǎn)時(shí)，不同用途的液體流經(jīng)樹樁，各司其職，執(zhí)行相應(yīng)的程序。當(dāng)樹脂柱旋轉(zhuǎn)一周后，每個(gè)樹脂柱都執(zhí)行了一次吸附、再生及洗滌等程序，完成了一次離子交換過程。[7]

連續(xù)離子交換技術(shù)省去了一些繁瑣的工序，把各個(gè)工藝統(tǒng)一在一起，使其能循環(huán)運(yùn)行、不需阻斷正常運(yùn)行、提高了樹脂的利用率，大大節(jié)省了時(shí)間。該法采用的也是常見的吸附劑，但比傳統(tǒng)技術(shù)更穩(wěn)定、持續(xù)、高效、便捷。可以將雜質(zhì)過多的物料進(jìn)行精細(xì)的處理，進(jìn)一步保證了產(chǎn)品的有效成分和純度。此外，離子交換樹脂的用量及再生劑和各種原料的消耗量也顯著減少。

（二）實(shí)例應(yīng)用

在淀粉糖的生產(chǎn)過程中，因存在大量雜質(zhì)無機(jī)鹽離子、金屬離子，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。為了去除這些離子，如今大部分工廠均選用連續(xù)離子交換系統(tǒng)。在生產(chǎn)工藝中采用兩臺(tái)ISEP裝置，串聯(lián)運(yùn)行，兩裝置分別裝載陽(yáng)、陰離子交換樹脂如上圖2.2.1 所示。工作流程如下:

圖2.2.1 連續(xù)離子交換系統(tǒng)人機(jī)界面

1.吸附。通過加壓泵將糖液注入到陽(yáng)樹脂罐中，接著進(jìn)入到陰樹脂罐，將流出的糖液進(jìn)行加壓泵加壓，最后再返回陽(yáng)樹脂罐，糖液即完成除雜與精制。[8]

2.水洗。將需進(jìn)行再生的樹脂柱中的糖液頂出，置換出來的糖液進(jìn)入給料管；

3.再生。將強(qiáng)酸強(qiáng)堿溶液通入陽(yáng)陰樹脂罐中，對(duì)失效的樹脂進(jìn)行再生；

4.沖洗。將流動(dòng)水通入樹脂罐，反復(fù)沖洗去除殘留的稀鹽酸和稀堿。

系統(tǒng)充分發(fā)揮了WINCC 的強(qiáng)大功能，畫面具有直觀性和易懂性，有利于操作人員理解工藝流程，掌握生產(chǎn)過程，同時(shí)在操作畫面中加入了反饋與報(bào)警提示，可以及時(shí)有效對(duì)警戒情況有效監(jiān)督。

如上圖2.2.2 所示為多單元連續(xù)離子交換系統(tǒng)結(jié)合國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)節(jié)水技術(shù)，采用了脫糖與再生串聯(lián)的方法。通過對(duì)樹脂樁的改進(jìn)將整個(gè)離交系統(tǒng)分成20 個(gè)小的工藝單元。將20 個(gè)樹脂柱分成吸附、水洗、再生、沖洗等功能區(qū)，改變了傳統(tǒng)固定床的生產(chǎn)工序，將時(shí)間問題巧妙地轉(zhuǎn)化為空間問題。當(dāng)樹脂單元到達(dá)指定區(qū)域時(shí)，通過自動(dòng)化程序操作，便執(zhí)行相應(yīng)的工藝過程，每個(gè)過程可以認(rèn)為是獨(dú)立執(zhí)行的。通過此技術(shù)生產(chǎn)周期大幅縮短，輕松且方便地實(shí)現(xiàn)了離子交換系統(tǒng)的各種優(yōu)化操作。[9]

圖2.2.2 連續(xù)離交20 柱

三、結(jié)論

區(qū)別于傳統(tǒng)的間歇式離子交換技術(shù)，連續(xù)離子交換技術(shù)(ISEP)有很大的創(chuàng)新點(diǎn)，改進(jìn)了工藝運(yùn)行模式，將樹脂樁聯(lián)合起來，解決了很多問題。通過連續(xù)離子交換技術(shù)得到的產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定，消耗的費(fèi)用也更低，系統(tǒng)簡(jiǎn)化便于操作，減少了污水的排放量，使得該技術(shù)受到很大的歡迎和支持，更加符合當(dāng)代社會(huì)的綠色理念。[10]

因此，連續(xù)離子交換技術(shù)(ISEP)的應(yīng)用不論是從工藝流程、生態(tài)環(huán)保，還是社會(huì)價(jià)值方面，都是一次重大的，十分有意義的改革。