淀粉分離用超重力微旋流裝置分離性能研究

俞建峰 - 傅 劍 謝耀聰 - 鄭向陽 - 趙 江 g

(1. 江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122；2. 江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122) (1. School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi, Jiangsu 214122, China; 2. Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment & Technology, Wuxi, Jiangsu 214122, China)

淀粉分離用超重力微旋流裝置分離性能研究

俞建峰1,2YUJian-feng1,2傅 劍1,2FUJian1,2謝耀聰1,2XIEYao-cong1,2鄭向陽1,2ZHENGXiang-yang1,2趙 江1,2ZHAOJiang1,2

(1. 江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122；2. 江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122) (1.SchoolofMechanicalEngineering,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China; 2.JiangsuKeyLaboratoryofAdvancedFoodManufacturingEquipment&Technology,Wuxi,Jiangsu214122,China)

設計了一種新型超重力微旋流裝置。采用單因素和雙因素試驗方法，研究進料流量、底流分率、進料濃度和溢流口直徑對大米淀粉和馬鈴薯淀粉分離性能的影響。結果表明：在單因素試驗中，進料流量、底流分率和進料濃度對淀粉的分離總效率的影響較明顯；在雙因素試驗中，進料濃度、溢流口直徑和底流分率對大米淀粉分離總效率的主效應極顯著；進料濃度和底流分率的交互效應極顯著，溢流口直徑和底流分率的交互效應極顯著。

淀粉分離；微旋流裝置；分離效率；雙因素方差分析

淀粉是以碳水化合物的形式存儲在高等植物內部，為人類和動物提供營養，是食品和非食品行業常用的重要原材料之一[1]。由于淀粉具有制備容易、價格低廉和使用性能良好等優點，因此在包裝薄膜、生物塑料和納米填充材料等領域均得到了應用[2-3]。工業中常以大米為原料制備大米淀粉[4]，大米淀粉顆粒比較小，粒徑一般分布在2～8 μm，常應用于造紙、醫藥合成、嬰兒和胃癌患者食品生產等領域[5]。馬鈴薯淀粉主要從成熟馬鈴薯中獲得，其顆粒比較大，一般分布在10～100 μm[6]。

工業生產中一般采用浸漬→磨漿→分離→漂洗→干燥等工藝分離提取大米淀粉[7]，采用磨碎→流槽分離→漂洗→干燥等工藝分離提取馬鈴薯淀粉[8]，其中淀粉漿料的分離是生產中重要的單元操作。旋流分離技術是基于離心沉降和密度差分原理的一種高效的非均相混合物分離技術[9]，已經廣泛應用于化工、石油、制藥、食品等許多行業，在分離、澄清、濃縮、顆粒的分級與分選等生產過程中應用良好，生產效率高[10]。旋流分離設備無運動部件，具有結構簡單、設備緊湊、占地面積小和設備成本低等優點，在淀粉加工領域廣泛應用[11-12]。

旋流裝置分離性能的影響因素主要包含物料參數、操作參數和結構參數[13-14]。許多研究關注于應用10 mm直徑微旋流裝置分離微細顆粒。Hwang等[15]應用10 mm直徑微旋流裝置從水中分離碳酸鈣顆粒，在進料壓力為0.4 MPa時切割粒徑達到3 μm。Cilliers等[16]利用10 mm直徑微旋流裝置來分離微細顆粒，在進料壓力為0.35 MPa時切割粒徑達到2.8 μm。旋流管直徑越小，微旋流裝置的分離性能越好[17]。目前，在不同的物料參數和結構參數條件下應用旋流管直徑為8 mm的微旋流裝置進行淀粉分離的研究尚未見報道。本研究分別以大米淀粉和馬鈴薯淀粉為試驗材料，采用單因素試驗方法，探究進料流量、底流分率以及進料濃度對2種淀粉分離總效率的影響；然后采用雙因素方差分析法[18-20]，對大米淀粉分離總效率的影響因素(進料濃度、溢流口直徑和底流分率)進行顯著性分析。旨在為微旋流裝置在淀粉生產中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大米淀粉：安徽省聯合米業有限公司；

馬鈴薯淀粉：凱宏淀粉有限責任公司；

超重力微旋流裝置(見圖1)：旋流管直徑為8 mm，筆者所在單位自主研發；

1. 攪拌器 2. 手動球閥 3. 泵 4. 壓力表 5. 旋流管腔圖1 超重力微旋流裝置示意圖Figure 1 The diagram of the ultra-high-gravity mini-hydrocyclone

電子精密天平：ARB120型，奧豪斯國際貿易(上海)有限公司；

激光衍射粒度分析儀：Mastersizer2000型，英國馬爾文儀器有限公司；

恒溫鼓風烘干干燥箱：DHG-9076A型，上海精宏實驗設備有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 淀粉漿料的制備 將大米淀粉分散到自來水中，進行預攪拌，配成質量濃度為0.5%的淀粉漿料；進行大米淀粉分離試驗時，將預混合的大米淀粉漿料倒入微旋流裝置攪拌罐，攪拌10 min，充分混合均勻后即可開始試驗；其他濃度的淀粉漿料制備方法同上。馬鈴薯淀粉漿料制備與大米淀粉漿料制備方法相同。圖2為大米淀粉和馬鈴薯淀粉粒度分布曲線，所測大米淀粉的平均粒徑d50為7.2 μm，馬鈴薯淀粉的平均粒徑d50為33.8 μm。

圖2 大米淀粉和馬鈴薯淀粉粒度分布曲線Figure 2 The particle size distribution of rice and potato starch

1.2.2 淀粉分離總效率的測定

(1) 底流分率測定：采用稱量—計時法測量微旋流裝置溢流質量流量和底流質量流量，由恒定流連續性方程計算進料流量。采用式(1)計算微旋流裝置的底流分率。

(1)

式中：

Rf——微旋流裝置的底流分率，%；

Qu——微旋流裝置的底流質量流量，kg/h；

Qo——微旋流裝置的溢流質量流量，kg/h。

(2) 底流質量濃度測定：對每個試驗點底流取3個樣，分別進行烘干，用烘干稱重法計算微旋流裝置底流質量濃度，最后取3組平均值為最終底流質量濃度。采用式(2)計算底流質量濃度。

(2)

式中：

Cu——微旋流裝置的底流質量濃度，%；

m0——空的烘干器皿的質量，g；

m1——取樣漿料和烘干器皿的總質量，g；

m2——烘干后的淀粉顆粒和烘干器皿的總質量，g。

(3) 分離總效率：微旋流裝置的分離總效率是反映其分離性能的一項重要參數。根據底流淀粉回收率定義旋流裝置的分離總效率，為底流中的固含量與進料中的固含量的比值。采用式(3)計算分離總效率。

(3)

式中：

ET——微旋流裝置的分離總效率，%；

Cu——微旋流裝置的底流質量濃度，%；

Ci——微旋流裝置的進料質量濃度，g/g；

Qu——微旋流裝置的底流質量流量，kg/h；

Qi——微旋流裝置的進料質量流量，kg/h。

1.2.3 淀粉分離級效率E(x)的測定

(1) 粒度測定：采用Mastersizer2000型激光衍射粒度分析儀對漿料中淀粉顆粒粒徑進行測定，從而獲得淀粉漿料的粒度分布曲線(見圖1)，單位μm。

(2) 分離級效率：分離級效率是結合分離總效率和粒度分布規律，評判微旋流裝置分離性能的一個綜合指標。采用式(4)計算分離級效率。

(4)

式中：

E(x)——大小為xμm的顆粒的分離總效率，%；

Cu——微旋流裝置的底流質量濃度，%；

Ci——微旋流裝置的進料質量濃度，g/g；

Qu——微旋流裝置的底流質量流量，kg/h；

Qi——微旋流裝置的進料質量流量，kg/h；

fu(x)——底流中大小為xμm的顆粒體積粒度分布頻率，%；

fi(x)——進料中大小為xμm的顆粒體積粒度分布頻率，%。

1.2.4 進料流量對淀粉分離總效率的影響 分別以大米淀粉和馬鈴薯淀粉漿料為材料進行試驗。試驗條件：溢流口直徑2.0 mm，進料濃度0.5%，底流分率35%。通過調節進料閥門改變進料流量，通過調節底流閥門和溢流閥門固定底流分率。分別記錄每個進料流量及與試驗點相應的溢流流量和底流流量，并同時取3個底流樣品用于濃度測定。

1.2.5 底流分率對淀粉分離總效率的影響 分別以大米淀粉和馬鈴薯淀粉漿料為材料進行以下試驗。試驗條件：溢流口直徑2.0 mm，進料流量1 440 kg/h，進料濃度0.5%。通過調節底流閥門和溢流閥門來改變底流分率，通過調節進料閥門固定進料流量。分別記錄每個底流分率試驗點相應的溢流流量和底流流量，并同時取3個底流樣品用于濃度測定。

1.2.6 進料濃度對淀粉分離總效率的影響 分別以大米淀粉和馬鈴薯淀粉漿料為材料進行試驗。試驗條件：溢流口直徑2.0 mm，進料流量1 440 kg/h和底流分率32%。通過制備質量濃度不同的淀粉漿料來改變進料濃度。分別記錄每個進料濃度及試驗點相應的溢流流量和底流流量，并同時取3個底流樣品用于濃度測定。

1.2.7 不同進料濃度底流分率對大米淀粉分離總效率的影響 以大米淀粉漿料為材料進行試驗。試驗條件：溢流口直徑2.0 mm，進料流量1 440 kg/h。分別制備質量濃度為0.3%，0.5%，1.0% 3種淀粉漿料。通過調節底流閥門和溢流閥門改變底流分率，通過調節進料閥門固定進料流量。分別記錄每個底流分率及試驗點相應的溢流流量和底流流量，并同時取3個底流樣品用于濃度測定。

1.2.8 不同溢流口直徑底流分率對大米淀粉分離總效率的影響 以大米淀粉漿料為材料進行試驗。試驗條件：進料濃度0.5%，進料流量1 440 kg/h。選用溢流口直徑2.0，2.2，2.4 mm 3種8 mm旋流管。通過調節底流閥門和溢流閥門改變底流分率，通過調節進料閥門固定進料流量。分別記錄每個底流分率及試驗點相應的溢流流量和底流流量，并同時取3個底流樣品用于濃度測定。

1.2.9 底流分率對大米淀粉分離總效率的影響 以大米淀粉漿料為材料進行試驗。試驗條件：溢流口直徑2.0 mm，進料流量1 440 kg/h，進料濃度0.5%。通過調節底流閥門和溢流閥門來改變底流分率，通過調節進料閥門固定進料流量。分別記錄每個底流分率及試驗點相應的溢流流量和底流流量，并同時取3個底流樣品用于濃度測定，取一個進料樣品和一個底流樣品用于粒度測定。

2 結果與分析

2.1 進料流量對淀粉分離總效率的影響

由圖3可知，隨著進料流量的增加，大米淀粉和馬鈴薯淀粉的分離總效率均呈先增加后下降的趨勢，且馬鈴薯淀粉的分離總效率高于大米淀粉的分離總效率。大米淀粉最優進料流量1 152 kg/h時，分離總效率為80.7%；馬鈴薯淀粉最優進料流量1 260 kg/h，分離總效率為82.2%。試驗結果表明，馬鈴薯淀粉的最佳進料流量要大于大米淀粉的，可能是馬鈴薯淀粉顆粒一般比大米淀粉顆粒大，所以分離時需要更大的進料流量來產生更大的離心力。馬鈴薯淀粉的分離總效率要高于大米淀粉的，可能是相同試驗條件下，大顆粒較小顆粒更容易分離。

圖3 進料流量對淀粉分離總效率的影響Figure 3 Effect of the feed flow rate on the total separation efficiency

2.2 底流分率對淀粉分離總效率的影響

由圖4可知，隨著底流分率的增加，大米淀粉和馬鈴薯淀粉的分離總效率均呈先升后降的趨勢，且馬鈴薯淀粉的分離總效率高于大米淀粉的。大米淀粉最佳底流分率(38%)的分離總效率為72.5%；馬鈴薯淀粉最佳底流分率(36%)的分離總效率為78.0%。馬鈴薯淀粉的最佳底流分率比大米淀粉的小2%，但馬鈴薯淀粉的分離總效率卻比大米淀粉的高出5.5%。

圖4 底流分率對淀粉分離總效率的影響Figure 4 Effect of the split ratio on the total separation efficiency

2.3 進料濃度對淀粉分離總效率的影響

由圖5可知，隨著進料濃度的增加，大米淀粉和馬鈴薯淀粉的分離總效率均呈先升后降的趨勢；進料濃度為0.5%時，大米淀粉和馬鈴薯淀粉的分離總效率均達到最高，分別為77.3%，82.6%。進料濃度在0.5%～0.6%時，2種淀粉的分離總效率都明顯高于其他濃度條件下的；當進料濃度>0.6%時，2種淀粉的分離總效率都顯著降低，可能是超過了旋流裝置的分離能力。

圖5 進料濃度對淀粉分離總效率的影響Figure 5 Effect of the feed concentration on the total separation efficiency

2.4 不同進料濃度底流分率對大米淀粉分離總效率的影響

由圖6可知，在不同進料濃度下，大米淀粉的分離總效率隨著底流分率的增加呈先升后降的趨勢。進料濃度為0.5%時，大米淀粉的分離總效率大于進料濃度為0.3%和1.0%的，與圖5中結果相符。進料濃度0.3%，底流分率30%時，大米淀粉的分離總效率達到最大(69.2%)；進料濃度0.5%，底流分率29%時，大米淀粉的分離總效率達到最大(72.4%)；進料濃度1.0%，底流分率35%時，大米淀粉的分離總效率達到最大(64.5%)；由以上分析可知，進料濃度變大，所需的底流分率也變大。

對進料濃度和底流分率進行雙因素方差分析，結果見表1。

由表1可知，進料濃度和底流分率2個因素對大米淀粉分離總效率均有極顯著性影響(P<0.001)，且交互作用效應極顯著(P<0.001)。

圖6 不同進料濃度底流分率對大米淀粉分離 總效率的影響

Figure 6 Effect of the split ratio on the total separation efficiency of rice starch with different feed concentration

表1 進料濃度和底流分率的方差分析Table 1 Analysis of variance for feed concentration and split ratio

2.5 不同溢流口直徑底流分率對大米淀粉分離總效率的影響

由圖7可知，在不同溢流口直徑下，大米淀粉的分離總效率隨著底流分率的增加呈先升后降的趨勢。溢流口直徑為2.0，2.2，2.4 mm，大米淀粉分離的最優底流分率在30%～35%。溢流口直徑為2.2 mm時，大米淀粉的分離總效率最大(76.3%)。故選擇2.2 mm為最優溢流口直徑。

圖7 不同溢流口直徑底流分率對大米淀粉 分離總效率的影響

Figure 7 Effect of the split ratio on the total separation efficiency of rice starch with different vortex finder diameter

對溢流口直徑和底流分率進行雙因素方差分析，結果見表2。

表2 溢流口直徑和底流分率的方差分析Table 2 Analysis of variance for vortex finder diameter and split ratio

由表2可知，溢流口直徑和底流分率2個因素對大米淀粉分離總效率均有極顯著性影響(P<0.001)，且交互作用效應極顯著(P=0.005 2<0.01)。

2.6 底流分率對大米淀粉分離總效率的影響

由圖8可知，大米淀粉顆粒<2 μm時，大米淀粉的分離總效率隨著淀粉顆粒粒徑的增大不斷減小；大米淀粉顆粒>2 μm時，大米淀粉的分離總效率隨著淀粉顆粒粒徑的增大不斷增大。主要由于“魚鉤效應”，即大顆粒攜帶部分小顆粒進入底流，造成小顆粒的分離總效率偏大[21-22]。可以得出，若忽略“魚鉤效應”的影響，大顆粒的分離效率要大于小顆粒的分離效率。以上結論符合單因素試驗中馬鈴薯淀粉的分離總效率高于大米淀粉的。底流分率為30%時，大米淀粉的分離總效率大于底流分率為10%和20%時的，與圖6、7中的結果相符。

圖8 底流分率對大米淀粉分離總效率的影響Figure 8 Effect of the split ratio on the grade separation efficiency of rice starch

3 結論

淀粉旋流分離試驗結果表明，馬鈴薯淀粉和大米淀粉的最佳操作工藝參數有所差異，因此選擇旋流分離裝置時，應考慮物料種類和顆粒大小對淀粉分離性能的影響。通過單因素試驗可知，進料流量、底流分率和進料濃度對淀粉的分離總效率均有較大影響。通過雙因素方差分析可知，進料濃度、溢流口直徑和底流分率對大米淀粉分離總效率的主效應影響極顯著；同時進料濃度和底流分率的交互效應極顯著，溢流口直徑和底流分率的交互效應極顯著。因此，物料種類、顆粒大小、進料濃度、底流分率、進料流量和微旋流裝置溢流口直徑對旋流分離效果影響較大。以期為微旋流裝置在淀粉生產中的工業化應用提供理論依據。

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Studyonseparationperformanceofanultra-high-gravitymini-hydrocycloneforstarchproduction

A novel ultra-high-gravity mini-hydrocyclone was designed. One-factor experiments and two-factor experiments were conducted to study the effects of the feed flow rate, split ratio, feed concentration and vortex finder diameter on separation performance of rice starch and potato starch, respectively. The results indicated that the effects of the feed flow rate, split ratio and feed concentration on the total separation efficiency for rice and potato starch were remarkable in the one-factor experiments; the feed flow rate, split ratio and vortex finder diameter significantly affected the total separation efficiency in the two-factor experiments. The interaction effects between the feed flow rate and split ratio significantly affected on the total separation efficiency, and the interaction effect between the feed flow rate and split ratio had a high significance to the total separation efficiency.

starch separation; mini-hydrocyclone; separation efficiency; two-way analysis of variance

中央高校基本科研業務費專項(編號：JUSRP51634B)；江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室開放課題(編號：FM-2015-09)；江蘇省研究生科研與實踐創新計劃項目(編號：SJCX17_0484)

俞建峰(1974—)，男，江南大學副教授，博士。

E-mail: robotmcu@126.com

2017—04—19

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.09.021