精制糖脫色工藝-樹脂與活性炭脫色技術經濟性對比

BRICHANT Damien，袁 斌，陳貽虎（諾華賽分離技術(上海)有限公司，上海201203）

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精制糖脫色工藝-樹脂與活性炭脫色技術經濟性對比

BRICHANT Damien，袁 斌，陳貽虎
（諾華賽分離技術(上海)有限公司，上海201203）

摘 要：綜合精制糖脫色技術領域會議報告與實際運行數據，主要介紹了脫色介質活性炭和離子交換樹脂的區別，分析天然色素和糖液加工中產生色素的類型、分子量、色素含量等特性，同時研究和討論空間結構效應、范德華力、疏水作用、離子交換、氫鍵作用等不同的脫色原理。在此基礎上進行活性炭和離子交換脫色工藝優缺點的全面對比，并作出2種工藝運行成本分析，得出離子交換結合鹵水膜回收工藝運行成本為0.85～1.20美元/t糖（1000 t糖/天），同時滿足不同進料糖液的色值要求，且設計更靈活、更高效，是制糖工業脫色主流工藝技術。

關鍵詞：精制糖；脫色工藝；離子交換；活性炭

0 前言

法國諾華賽公司是一家專門從事分離純化技術的專業性工程公司，已經為全世界提供2000多套純化系統。在中國，也有超過120家工廠采用諾華賽核心分離技術進行工藝生產，其中包括8套精制糖離子交換脫色裝置。

在精制糖與液體蔗糖生產領域，諾華賽具有超過40年的工業經驗，為全世界提供了1200萬t/年的精制糖脫色裝置、25萬t/年的甜菜糖稀汁軟化裝置及100萬t/年的液體蔗糖生產裝置。

本文為諾華賽公司在加拿大溫哥華國際糖業會議上的論文翻譯稿件，綜合了精制糖脫色技術領域大量的會議報告，并結合實際工業運行數據，從技術、經濟及環保等方面，對行業應用較廣的精制糖脫色工藝-離子交換脫色與活性炭脫色工藝進行較全面的分析及比較。

1 脫色介質

精制糖脫色系統中有很多長期應用的技術，且近年來得到了持續發展。

1.1 活性炭

不同材質和形狀的活性炭在市場應用廣泛。常用于糖汁脫色的主要有粉末活性炭(PAC: Powdered Activated Carbon)和顆?；钚蕴?GAC: Granular Activated Carbon)。

1.2 樹脂

樹脂主要包括有機合成類的離子交換樹脂和吸附樹脂。離子交換樹脂廠商都有供應不同基體和官能團的脫色樹脂，現市場上主要有3種基體類型的樹脂（圖1）。基于疏水性的差別，苯乙烯基體表現出更強的疏水性，而丙烯酸系和酚醛系基體則表現出較好的親水性，這種親、疏水性的特性對脫色效果有著非常重要的影響。除了化學結構，有機吸附劑還有一些非常重要的多孔結構。所有這些特性都是影響樹脂在糖汁中脫色的重要因素。

現在大孔吸附樹脂（圖2）也漸漸開始在工業脫色中得到應用，較大孔徑的特性使其能夠吸附有機大分子色素。

雖然現行市場上大部分的有機吸附劑和離子交換樹脂都是球狀，但顆粒狀和粉末狀有機材料也有相應的應用。

圖1 典型的有機聚合物結構

圖2 大孔樹脂的結構

1.3 其他脫色介質

相關文獻資料中也提到用超濾膜(UF: Ultra-filtration)和化學氧化劑作為脫色材料在有機胺脫色中應用，但在精制糖生產領域較少使用這些脫色介質。

2 色素

根據色素自然屬性，它們在結晶中或多或少會被脫除一部分。而糖液中的色素來源很廣，種類復雜。大量的研究[1]旨在把這些色素分類，它們整體可分為2大類：來自于甘蔗的天然色素和糖汁生產過程中產生的色素。而大量色素是在洗糖步驟（50%質量分數）和澄清步驟（40%質量分數）中被脫除[2]。

色素主要特性是疏水性（無極性），其包括了較大的分子量范圍（表1），它們在高pH值下表現出陰離子形態。

3 脫色原理

經過大量研究和討論，下面的脫色原理被廣泛認可。

3.1 空間結構效應

色素分子有著不同的分子量，糖液中甜菜糖的色素分子為5～40 KDa，蔗糖的色素分子為30～100 KDa[3]，而吸附劑孔徑是影響脫色效果的重要因素。為了達到較好的脫色效果，吸附劑中微孔、中孔、大孔的比例顯得非常重要。這就是為什么脫色運行都在相對較低的流速下進行，其吸附機理主要是液膜擴散原理。表2是不同類型吸附劑的特性。

表1 色素的分類

表2 不同類型吸附劑的典型特性

3.2 疏水效應

活性炭基本上是無極性表面，而有機吸附劑是有極性的（丙烯酸系與苯乙烯系相比有較強的極性）。而大部分色素是非極性分子，它們的疏水部分被吸附在吸附劑上。有機吸附樹脂在脫色中能夠發揮更好的作用（強疏水性、高比表面積），不含官能團或少量官能團能夠使其在高鹽含量情況下應用，良好的滲透強度使其能夠適應不同的溶液環境（溫度、pH、濃度、氧化劑）。由于其對非極性色素分子的吸附效果較強，普通的化學再生比較困難，而且這種有機吸附劑的價格也比其他吸附介質要高，但其對非極性色素分子高效吸附性能使其在拋光階段發揮重要作用，可以作為粉末活性炭的替代品。

3.3 范德華力效應

范德華力是化學基團間雙極的相互作用力，活性炭表面的吸附機理主要就是這種鍵合的范德華力[4]。

3.4 離子交換

色素分子在偏堿性的pH條件下以陰離子形態存在，可以通過取代Cl-離子而被樹脂吸附，使色素陰離子與樹脂中陽離子以離子鍵形式結合從而達到去除色素的目的，但這不是主要的脫色機理。

3.5 氫鍵

氫鍵是分子中H元素與多電子元素間(O或N)形成的靜電吸引力。顆粒活性炭(GAC)吸附機理主要是范德華力，離子交換樹脂吸附機理結合了離子交換、范德華力、氫鍵等（圖3）。

4 脫色工藝

離子交換樹脂(IER: Ion-exchange Resin)和顆?；钚蕴?GAC)在工藝上大部分是相似的，但樹脂系統設計更靈活，可以根據進料的色素情況和所要脫色的目標進行相應的調整、變化，從而得到更為優化的工藝方案。

4.1 離子交換工藝

逆流再生能夠獲得低泄漏、品質良好的出料。而脫色樹脂的密度一般在1.05～1.08 g/cm3之間，能夠懸浮在糖漿中，為了解決這個問題在其脫色過程中采用逆流運行，而再生則采用順流再生。由于進料糖漿中色素千變萬化，這就決定了系統設計有單床系統和復床系統。當然進料色素同樣決定了樹脂的選型，考慮多方面因素我們選擇了芳香族基體的聚合樹脂，其表現出更好的吸附色素特性。但此類型樹脂表現出比脂肪族丙烯酸系基體的樹脂更多不可逆的有機物污染[5]。所以當進料糖漿色素較低的情況下（1000 IU以下）傾向于選擇苯乙烯系樹脂，而進料糖漿色素較高時選擇丙烯酸系樹脂。目前大部分工藝結合了2種樹脂類型以滿足進料色素波動的要求，從而得到理想的脫色效果。圖4為離子交換脫色工藝流程。

圖3 離交樹脂吸附色素的機理

圖4 典型的離交脫色工藝流程圖

離子交換脫色工藝主要缺點在于樹脂再生將產生廢液（廢水、廢酸、廢堿）。為了克服傳統離交脫色工藝的缺陷，諾華賽通過創新設計了納濾膜鹵水回收系統，該脫色工藝技術最大限度減少了水的消耗，且再生劑可被回收80%～90%（質量分數）。這種組合了樹脂脫色與納濾膜鹵水回收的技術很好地滿足了工廠環保要求，尤其對于那些廢水排放有嚴格要求的客戶，圖5是鹵水回收的工藝概況。

圖5 離交脫色廢液再生劑回收系統

4.2 活性炭脫色工藝

活性炭系統基本上有3種方式：固定床、脈動床和移動床，但目前主要應用的系統為固定床和脈動床。

顆?；钚蕴?GAC)和離子交換樹脂(IER)有很多相似的地方，例如操作程序：進糖-出糖-反洗都相同，也可以設計串聯或并聯操作方式。但別的方面還是有些明顯區別，例如活性炭的運行流速很低，只有0.3～0.5 BV/h，糖漿在脫色系統中有很長的停留時間，另外，活性炭的再生需要專門的活化爐再生裝置或化學再生。

顆?；钚蕴?GAC)和離子交換樹脂(IER)對某種特定色素的吸附是有區別的（表3），不過，在合理設計下，活性炭(GAC)和離子交換系統(IER)都能夠達到相同的脫色效果（離交復床系統能夠達到80%～85%的脫色效果）。

表3 不同介質對不同色素的去除效率

5 操作成本對比

因為世界各國的能源及基礎化學品價格不同，因此很難得到普適性的確切操作成本。但根據已發表文獻[6]的研究、評價、產品的供應，可以得到以下初步評估。

從運行成本計算來看（表4），各個地方的情況并不完全一樣（新建、改造、環保要求等），能源成本、基礎材料成本也有較大差距，要根據每個工廠的實際情況，具體分析論證。

表4 活性炭系統與離子交換系統運行成本對比

6 總結

活性炭和離子交換樹脂脫色在精制糖脫色工藝過程中都有大量應用，但過去20年中，離子交換樹脂脫色結合納濾膜鹵水回收的技術應用已經成為主流，并將得到更多的發展。

值得一提的是，目前在國際糖市上有有另外一種新的蔗糖產品，即液體蔗糖，因為它的獨特優勢，逐漸被終端客戶接受。因為可以直接從脫色糖漿或耕地白糖作為起點，不需要經過煮糖、結晶與干燥，因此它不但價格上具有競爭性，還有使用方便、易于消毒、干凈衛生和不需溶解設備等優點。

高品質液體蔗糖可以更好地滿足食品工業不同的最終用戶，如飲料、糖果、糕點、奶制品生產商等，不但保證了食品安全，還可以明顯減少客戶的綜合成本。

參考文獻

[1] HOYNAK P X. This is liquid sugar[J]. Bollenback, 1966(11)：24-28.

[2] XAVIER L, DANIEL H. Recent trends in the use of ion exchange in the sugar industry[J]. Sugar Technology Review, 1988(15): 23-24.

[3] BUSSIERE G, NOWAK P, COTILLON M. Invert Sugars[J]. IAA juillet/ao?t, 1990(8)：31-33.

[4] TAMAYE R. New liquid sugar plant at AIEA, Hawaii[J]. California and Hawaiian Sugar Company, 1993(11)：29-34.

[5] DE LATAILLADE J, ROUSSET F. Ion-exchange decolorization: a flexible way to modernization and capacity extension[J]. Taipei: SIT, 2001(1)：123-126.

[6] PAILLAT D, ROUSSET F. Efficient production of liquid sugar in cane sugar mills and cane sugar refineries[J]. Delray Beach: SIT, 2002(1)：136-138.(本篇責任編校：朱滌荃)

Refinery Sugar Decolor Process: Comparision between Ion Exchanger and Active Carbon Process

BRICHANT Damien, YUAN Bin, CHEN Yi-hu
(Novasep Asia Co. Ltd., Shanghai 201203)

Abstract:This article combined lots of decolorization technology of refinery sugar and real production data, mainly introduced decolor intermediate on active carbon and ion exchange resin, analyzed color type, mole weight, color contents in natural color and sugar producing byproduct color, and discussed the different decolor principle on space structure effect, intermolecular force, hydrophobic interaction, ion exchange, H bond interaction. Compared technology advantage and disadvantage of two different decolorization process on active carbon and ion exchange resin, ion exchange resin integrate with salts recovery NF (Nano-filtration) system could get running cost to 0.85~1.20 dollar/t-sugar(1000 t/d sugar), and ion exchange decolor process was more flexible and efficiency technical to be a global refinery sugar main employed technology.

Keywords:Refinery sugar; Decolor process; Ion exchange; Active carbon

作者簡介：BRICHANT Damien (1976-)，工藝總經理，研究方向：工業生物技術領域分離純化

收稿日期：2015-11-09；修回日期：2016-01-17

中圖分類號：TS244+.5

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9695(2016)01-0016-06

引文格式：BRICHANT Damien，袁斌，陳貽虎. 精制糖脫色工藝：樹脂與活性炭脫色技術經濟性對比[J]. 甘蔗糖業，2016(1)：16-21.