精制糖脱色工艺-树脂与活性炭脱色技术经济性对比

BRICHANT Damien，袁 斌，陈贻虎（诺华赛分离技术(上海)有限公司，上海201203）



精制糖脱色工艺-树脂与活性炭脱色技术经济性对比

BRICHANT Damien，袁 斌，陈贻虎
（诺华赛分离技术(上海)有限公司，上海201203）

摘 要：综合精制糖脱色技术领域会议报告与实际运行数据，主要介绍了脱色介质活性炭和离子交换树脂的区别，分析天然色素和糖液加工中产生色素的类型、分子量、色素含量等特性，同时研究和讨论空间结构效应、范德华力、疏水作用、离子交换、氢键作用等不同的脱色原理。在此基础上进行活性炭和离子交换脱色工艺优缺点的全面对比，并作出2种工艺运行成本分析，得出离子交换结合卤水膜回收工艺运行成本为0.85～1.20美元/t糖（1000 t糖/天），同时满足不同进料糖液的色值要求，且设计更灵活、更高效，是制糖工业脱色主流工艺技术。

关键词：精制糖；脱色工艺；离子交换；活性炭

0 前言

法国诺华赛公司是一家专门从事分离纯化技术的专业性工程公司，已经为全世界提供2000多套纯化系统。在中国，也有超过120家工厂采用诺华赛核心分离技术进行工艺生产，其中包括8套精制糖离子交换脱色装置。

在精制糖与液体蔗糖生产领域，诺华赛具有超过40年的工业经验，为全世界提供了1200万t/年的精制糖脱色装置、25万t/年的甜菜糖稀汁软化装置及100万t/年的液体蔗糖生产装置。

本文为诺华赛公司在加拿大温哥华国际糖业会议上的论文翻译稿件，综合了精制糖脱色技术领域大量的会议报告，并结合实际工业运行数据，从技术、经济及环保等方面，对行业应用较广的精制糖脱色工艺-离子交换脱色与活性炭脱色工艺进行较全面的分析及比较。

1 脱色介质

精制糖脱色系统中有很多长期应用的技术，且近年来得到了持续发展。

1.1 活性炭

不同材质和形状的活性炭在市场应用广泛。常用于糖汁脱色的主要有粉末活性炭(PAC: Powdered Activated Carbon)和颗粒活性炭(GAC: Granular Activated Carbon)。

1.2 树脂

树脂主要包括有机合成类的离子交换树脂和吸附树脂。离子交换树脂厂商都有供应不同基体和官能团的脱色树脂，现市场上主要有3种基体类型的树脂（图1）。基于疏水性的差别，苯乙烯基体表现出更强的疏水性，而丙烯酸系和酚醛系基体则表现出较好的亲水性，这种亲、疏水性的特性对脱色效果有着非常重要的影响。除了化学结构，有机吸附剂还有一些非常重要的多孔结构。所有这些特性都是影响树脂在糖汁中脱色的重要因素。

现在大孔吸附树脂（图2）也渐渐开始在工业脱色中得到应用，较大孔径的特性使其能够吸附有机大分子色素。

虽然现行市场上大部分的有机吸附剂和离子交换树脂都是球状，但颗粒状和粉末状有机材料也有相应的应用。

图1 典型的有机聚合物结构

图2 大孔树脂的结构

1.3 其他脱色介质

相关文献资料中也提到用超滤膜(UF: Ultra-filtration)和化学氧化剂作为脱色材料在有机胺脱色中应用，但在精制糖生产领域较少使用这些脱色介质。

2 色素

根据色素自然属性，它们在结晶中或多或少会被脱除一部分。而糖液中的色素来源很广，种类复杂。大量的研究[1]旨在把这些色素分类，它们整体可分为2大类：来自于甘蔗的天然色素和糖汁生产过程中产生的色素。而大量色素是在洗糖步骤（50%质量分数）和澄清步骤（40%质量分数）中被脱除[2]。

色素主要特性是疏水性（无极性），其包括了较大的分子量范围（表1），它们在高pH值下表现出阴离子形态。

3 脱色原理

经过大量研究和讨论，下面的脱色原理被广泛认可。

3.1 空间结构效应

色素分子有着不同的分子量，糖液中甜菜糖的色素分子为5～40 KDa，蔗糖的色素分子为30～100 KDa[3]，而吸附剂孔径是影响脱色效果的重要因素。为了达到较好的脱色效果，吸附剂中微孔、中孔、大孔的比例显得非常重要。这就是为什么脱色运行都在相对较低的流速下进行，其吸附机理主要是液膜扩散原理。表2是不同类型吸附剂的特性。

表1 色素的分类

表2 不同类型吸附剂的典型特性

3.2 疏水效应

活性炭基本上是无极性表面，而有机吸附剂是有极性的（丙烯酸系与苯乙烯系相比有较强的极性）。而大部分色素是非极性分子，它们的疏水部分被吸附在吸附剂上。有机吸附树脂在脱色中能够发挥更好的作用（强疏水性、高比表面积），不含官能团或少量官能团能够使其在高盐含量情况下应用，良好的渗透强度使其能够适应不同的溶液环境（温度、pH、浓度、氧化剂）。由于其对非极性色素分子的吸附效果较强，普通的化学再生比较困难，而且这种有机吸附剂的价格也比其他吸附介质要高，但其对非极性色素分子高效吸附性能使其在抛光阶段发挥重要作用，可以作为粉末活性炭的替代品。

3.3 范德华力效应

范德华力是化学基团间双极的相互作用力，活性炭表面的吸附机理主要就是这种键合的范德华力[4]。

3.4 离子交换

色素分子在偏碱性的pH条件下以阴离子形态存在，可以通过取代Cl-离子而被树脂吸附，使色素阴离子与树脂中阳离子以离子键形式结合从而达到去除色素的目的，但这不是主要的脱色机理。

3.5 氢键

氢键是分子中H元素与多电子元素间(O或N)形成的静电吸引力。颗粒活性炭(GAC)吸附机理主要是范德华力，离子交换树脂吸附机理结合了离子交换、范德华力、氢键等（图3）。

4 脱色工艺

离子交换树脂(IER: Ion-exchange Resin)和颗粒活性炭(GAC)在工艺上大部分是相似的，但树脂系统设计更灵活，可以根据进料的色素情况和所要脱色的目标进行相应的调整、变化，从而得到更为优化的工艺方案。

4.1 离子交换工艺

逆流再生能够获得低泄漏、品质良好的出料。而脱色树脂的密度一般在1.05～1.08 g/cm3之间，能够悬浮在糖浆中，为了解决这个问题在其脱色过程中采用逆流运行，而再生则采用顺流再生。由于进料糖浆中色素千变万化，这就决定了系统设计有单床系统和复床系统。当然进料色素同样决定了树脂的选型，考虑多方面因素我们选择了芳香族基体的聚合树脂，其表现出更好的吸附色素特性。但此类型树脂表现出比脂肪族丙烯酸系基体的树脂更多不可逆的有机物污染[5]。所以当进料糖浆色素较低的情况下（1000 IU以下）倾向于选择苯乙烯系树脂，而进料糖浆色素较高时选择丙烯酸系树脂。目前大部分工艺结合了2种树脂类型以满足进料色素波动的要求，从而得到理想的脱色效果。图4为离子交换脱色工艺流程。

图3 离交树脂吸附色素的机理

图4 典型的离交脱色工艺流程图

离子交换脱色工艺主要缺点在于树脂再生将产生废液（废水、废酸、废碱）。为了克服传统离交脱色工艺的缺陷，诺华赛通过创新设计了纳滤膜卤水回收系统，该脱色工艺技术最大限度减少了水的消耗，且再生剂可被回收80%～90%（质量分数）。这种组合了树脂脱色与纳滤膜卤水回收的技术很好地满足了工厂环保要求，尤其对于那些废水排放有严格要求的客户，图5是卤水回收的工艺概况。

图5 离交脱色废液再生剂回收系统

4.2 活性炭脱色工艺

活性炭系统基本上有3种方式：固定床、脉动床和移动床，但目前主要应用的系统为固定床和脉动床。

颗粒活性炭(GAC)和离子交换树脂(IER)有很多相似的地方，例如操作程序：进糖-出糖-反洗都相同，也可以设计串联或并联操作方式。但别的方面还是有些明显区别，例如活性炭的运行流速很低，只有0.3～0.5 BV/h，糖浆在脱色系统中有很长的停留时间，另外，活性炭的再生需要专门的活化炉再生装置或化学再生。

颗粒活性炭(GAC)和离子交换树脂(IER)对某种特定色素的吸附是有区别的（表3），不过，在合理设计下，活性炭(GAC)和离子交换系统(IER)都能够达到相同的脱色效果（离交复床系统能够达到80%～85%的脱色效果）。

表3 不同介质对不同色素的去除效率

5 操作成本对比

因为世界各国的能源及基础化学品价格不同，因此很难得到普适性的确切操作成本。但根据已发表文献[6]的研究、评价、产品的供应，可以得到以下初步评估。

从运行成本计算来看（表4），各个地方的情况并不完全一样（新建、改造、环保要求等），能源成本、基础材料成本也有较大差距，要根据每个工厂的实际情况，具体分析论证。

表4 活性炭系统与离子交换系统运行成本对比

6 总结

活性炭和离子交换树脂脱色在精制糖脱色工艺过程中都有大量应用，但过去20年中，离子交换树脂脱色结合纳滤膜卤水回收的技术应用已经成为主流，并将得到更多的发展。

值得一提的是，目前在国际糖市上有有另外一种新的蔗糖产品，即液体蔗糖，因为它的独特优势，逐渐被终端客户接受。因为可以直接从脱色糖浆或耕地白糖作为起点，不需要经过煮糖、结晶与干燥，因此它不但价格上具有竞争性，还有使用方便、易于消毒、干净卫生和不需溶解设备等优点。

高品质液体蔗糖可以更好地满足食品工业不同的最终用户，如饮料、糖果、糕点、奶制品生产商等，不但保证了食品安全，还可以明显减少客户的综合成本。

参考文献

[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/août, 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.(本篇责任编校：朱涤荃)

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

作者简介：BRICHANT Damien (1976-)，工艺总经理，研究方向：工业生物技术领域分离纯化

收稿日期：2015-11-09；修回日期：2016-01-17

中图分类号：TS244+.5

文献标识码：A

文章编号：1005-9695(2016)01-0016-06

引文格式：BRICHANT Damien，袁斌，陈贻虎. 精制糖脱色工艺：树脂与活性炭脱色技术经济性对比[J]. 甘蔗糖业，2016(1)：16-21.