薄膜蒸發技術在低聚糖生產中的應用

李云霄，羅立新，朱唯唯

（武漢大學化學與分子科學學院，湖北 武漢 430072）

葡甘露低聚糖具有抗氧化性[1]、促進益生菌群生長[2]、降低血糖血脂[3-4]的功效，同時可以提高免疫力與抵抗力[5]，應用廣泛。而綜合現有研究論文來看，對葡甘露低聚糖溶液的后續處理工藝研究較少。許多文獻對低聚糖的制備工藝著重于得到低聚糖提取液，而對后續的干燥工藝則不甚看重。在工業常用干燥工藝中[6]，噴霧干燥溫度較高，一般為150℃左右，處理速度快，但易產生褐變；冷凍干燥技術操作溫度低，褐變反應得到有效抑制，但成本較高。因此，找到一種能處理較大批量物料、操作溫度相對較低、速度相對較快、成本相對合適的干燥方法是很有必要的。

刮膜式薄膜蒸發器有著物料停留時間短、適合處理熱敏物料及黏性物料、分離效率高等特點[7-8]，理論上較適合處理低聚糖提取液。本文研究了薄膜蒸發器單步干燥低聚糖提取液的可行性，擬合得到了單位面積蒸發速率與溫度、壓強、進料速度等因素間的關系模型方程，并驗證了模型的可靠性。這也為以后的中試及工業化生產提供了一定參考。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

（1）原料 魔芋葡甘露低聚糖提取液[9]。按照100U/g 的比例，稱取魔芋粉與β-葡甘露聚糖酶，按照每24g 魔芋粉加入100mL 水的比例加入蒸餾水，55℃水浴5h，滅酶，取上清液，經離子交換柱除鹽以及大孔吸附樹脂脫色，加入一倍體積的乙醇沉降，取上清液，即得魔芋葡甘露低聚糖提取液。

（2）試劑 魔芋粉，武漢纖濃生物科技有限公司；無水乙醇，分析純，國藥集團；β-葡甘露聚糖酶，江蘇銳陽生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

（1）儀器 2X-8A 型真空泵，上海奧利泵業制造有限公司；CS501A 超級恒溫器，重慶實驗設備廠；SSY-H 不銹鋼恒溫水浴鍋，上海三申醫療器械有限公司；HDL-4 離心機，金壇市鴻科儀器廠；電熱恒溫真空干燥箱，國營創新醫療器械廠。

（2）設備 BM100 型玻璃薄膜蒸發器，由武漢大學與武大電力科技有限公司合作生產，主要部件如圖1 所示。原料貯存于原料罐。蒸發器采用導熱油夾套加熱，導熱油的加熱與循環由超級恒溫器提供。刮板與料液分布器由電機通過聯軸器系統帶動。蒸發面內徑100mm，高度200mm。刮板系統 由4 根聚四氟乙烯柱組合而成，每根柱子上有9 個刮板單元，每個刮板單元高20mm。蒸發產物逐漸匯集并收集于產品罐。蒸出蒸氣通過真空系統不斷抽走，在冷凝系統中冷凝，并儲存于冷凝液回收罐。冷凝系統采用冰鹽混合物作為制冷劑，溫度為-20℃。

圖1 刮膜式薄膜蒸發裝置及流程圖

1.3 實驗方法

1.3.1 溫度上限的選擇

在0.50L/h 的進料速度、常壓、刮膜器轉速120r/min 條件，在不同溫度下處理物料。以吸光度與得到物料糖濃度（g/L）的比值為色度標準，對溫度作圖如圖2 所示。

圖2 色度與溫度的關系

實驗表明，隨著溫度的增加，色度緩慢上升。其中，50～70℃時色度變化平緩，超過70℃時色度急劇上升。這是因為過高的溫度誘發了褐變反應，物料顏色加深。因此，為了保證產品的質量，將溫度上限設置為70℃為宜。

1.3.2 濃縮過程單因素實驗

采用單因素實驗的方法，以初步了解導熱油溫度、刮膜器轉速、壓力以及進料速度對蒸發速度的影響。以濃縮倍率作為考察對象。實驗選取因子與水平見表1。

初始操作條件為刮膜器轉速120r/min，操作壓力5.0kPa，導熱油溫度60.0℃，進料速度0.50L/h。實驗中，僅單因素實驗因素水平發生改變，其余條件保持初始操作條件。測定濃縮倍率，每組實驗測定3 次，取均值處理。

表1 濃縮過程單因素實驗因素及選取水平

1.3.3 干燥過程

通過改變進料速度，可以使得物料在未經到達蒸發器底部之前即已蒸發殆盡。此時，薄膜蒸發器分為兩個部分：蒸發物料的蒸發段以及下部刮除已匯集的干燥物料的干燥段。進入干燥段的物料被刮板刮下，收集于產品罐。結合濃縮過程單因素實驗結果，在刮膜器轉速保持恒定120r/min 的狀況下，設計因素水平，如表2 所示。考察單位面積蒸發速率隨因素水平的變化規律。

表2 干燥過程單因素實驗設計及選取水平

1.3.4 干燥過程響應面設計及模型的建立

以單位面積蒸發速率作為響應值，考察溫度區間60.0～70.0℃、壓強區間1.0～7.0kPa、進料速度區間 0.21～0.32L/h 條件下的響應值變化，以Design-Expert 軟件中Box-Behnken 方法設計實驗并分析，得出最終模型。

1.3.5 濃縮倍率計算 依照式（1）計算濃縮工藝中的濃縮倍率。

式中，K 為濃縮倍率；Cout、Cin分別為出料糖濃度和進料糖濃度，g/L。

1.3.6 含水率計算

將物料置于60℃真空干燥箱烘干至恒重，依照式（2）計算干燥工藝中物料的含水率。

式中，md、m0分別為烘干后質量和失重質量，g。

1.3.7 單位面積蒸發速率計算

依照式（3）計算干燥工藝中單位面積蒸發速率。

式中，Gv為單位面積蒸發速率，L/(h·m2)；qv為進料速度，L/h；D 為蒸發面直徑，m；h 為蒸發面高度，m。

2 結果與分析

2.1 濃縮工藝的單因素實驗

實驗結果如圖3 所示。實驗表明，當進料速度升高時，濃縮效果也迅速降低，從0.50L/h 時的7.10倍降低至2.02L/h 時的2.34 倍。隨著溫度升高，濃縮效果從50.0℃時的4.12 倍增至70.0℃時的19.87倍。隨著刮膜器轉速的增加，濃縮效果變好，但當刮膜器轉速超過120r/min 后，濃縮效果基本不變。

溫度的升高直接導致液體的蒸氣壓隨之升高，液面上壓力的降低，導致離開液面的液體分子更難以回到液體表面。這兩種情況都有利于液體的蒸發。刮膜器轉速的升高使得液體物料更均勻地分布在加熱壁表面，料液分布更薄，湍流現象更加明顯。但當轉速繼續升高時，湍流作用達到最大，繼續增加轉速，料液厚度也不會發生更明顯的改變，濃縮倍率幾乎不變。

在實驗中注意到，黏稠度較大的下層高濃度液體，也可以很好地在蒸發壁成膜，不會有因黏附而導致難以流動的現象發生。這也為單步干燥低聚糖提供了實驗依據。

2.2 干燥工藝

2.2.1 干燥工藝實驗

實驗結果如圖4 所示。溫度和壓強對蒸發速率的影響較大，隨著溫度的提高或者是壓強的降低，蒸發速率急劇增加。流速的改變對蒸發速率的影響較小，當流速增加時，蒸發速率會有小幅度減小。

德博爾等[10]以及張以忱等[11]指出，表觀蒸發速率可以用式（4）表示。

式中，Mv為表觀質量蒸發速率，g/(s·cm2)；α為凝結系數或反射系數；pv為溫度T 時的飽和蒸氣壓，Pa；p0為液面上方蒸氣分壓，Pa；μ 為摩爾質量，g/mol。

當進料速度增加時，液面上方的液體蒸氣不能被立刻抽走，液體上方蒸氣分壓增大，造成表觀蒸發速率的略微降低。

2.2.2 干燥工藝響應面因素設計與結果

進行響應面設計，水平設計與編碼值列于表3。設計并進行因素實驗，實驗設計與實驗結果列于表4。對結果進行回歸分析與方差分析，分析結果列于表5。可以看出，X1、X2以及X12項對模型的影響是顯著的，且均在99%的水平上對模型有著顯著影響。X3項、X1X3項、X2X3項、X1X2項、X22項及X32項的Prob＞F 值大于0.0500，說明其對模型的影響不顯 著。模型的方差分析表明，F=242.73，p＜0.0001，模型顯著，失擬項F=1.17，表明失擬項不顯著，這說明模型與結果吻合較高。去掉系數過小的項，可得模型擬合式：

圖3 濃縮過程單因素實驗結果

圖4 干燥過程單因素實驗結果

Y=85.97537-2.84627X1+0.35667X2+1.39667X3- 0.020000X1X3-0.16667X2X3+0.025400X12+ 0.011667X22-2.00000X32

表3 擬合實驗水平設計及編碼值

表4 因素實驗設計及結果

表5 實驗結果的回歸分析與方差分析

2.2.3 干燥過程響應面圖

圖5 顯示了不同進料速度下，隨溫度和壓強的變化得到的響應面擬合值。與干燥過程單因素實驗結果比較可知，兩者吻合程度較高。這說明，模型在實驗區間內能夠很好的符合實際實驗情況。

2.3 設備生產性能

由圖5 可知，溫度和壓強對物料處理速率影響較大。當溫度設置為最高70℃時，壓強的大小直接決定著設備的生產能力。

當蒸發段高度設定為150mm 時，如忽略掉進料速度對蒸發速率的些微影響，可計算出當溫度與壓強分別設置為70.0℃、1.0kPa 時，設備處理能力為0.50L/h。在70℃、0.50L/h 進料速度，不同壓強下，對物料進行處理，計算單位面積蒸發速率，并測量此時真空系統能耗。將能耗與單位面積蒸發速率的比值作為單位能耗，單位能耗和單位面積蒸發速率分別對壓強作圖，數據列于圖6。

圖5 干燥過程響應面

圖6 單位能耗和單位面積蒸發速率與壓強的關系

數據表明，隨著壓強的降低，單位能耗增加明顯，且在壓強低于1.0kPa 時增加迅速；物料蒸發速率逐漸增加，從1.5kPa 時的9.41L/(h·m2)增加至0.5kPa 時的9.55 L/(h·m2)，變化較小。綜合考慮設備能耗以及處理能力，將壓強設置為1.0kPa 較為 合理。

在70℃、1.0kPa、0.50L/h 下進料，蒸發面高度為160mm，與預測的150mm 十分接近，制得的低聚糖產品含水率2.1%。這說明，薄膜蒸發設備用于單步干燥低聚糖可以取得較好的效果，同時說明，在超出區間不大的情況下，模型仍有較好的預測 能力。

3 結 論

利用刮膜式薄膜蒸發設備對低聚糖提取液進行了單步干燥操作。現今工業中一般是根據經驗式或者生產實際，來預測高真空下液體物料的蒸發行為。實驗得到設備對應的蒸發擬合模型。根據模型設計干燥方案，實驗結果與模型預測值十分吻合，在溫度、壓強、進料速度分別設定為70℃、1.0kPa、 0.50L/h 時設備達到最佳條件，此條件下最終得到了含水率為2.1%的低聚糖產品。這表明，用刮膜式薄膜蒸發設備單步干燥低聚糖提取液是可行的。實驗也為后續中試提供了重要的參考參數。

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