基于多效蒸馏技术的籽瓜浓缩浆制备试验研究

◎段维根，吴劲锋，2，孙 川（.甘肃农业大学工学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃靖远银农籽瓜科技有限公司，甘肃 白银 730600）

基于多效蒸馏技术的籽瓜浓缩浆制备试验研究

◎段维根1，吴劲锋1，2，孙 川1
（1.甘肃农业大学工学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃靖远银农籽瓜科技有限公司，甘肃 白银 730600）

运用多效蒸溜技术对籽瓜液进行浓缩，得到总糖量大于60%的籽瓜浓缩浆。通过对籽瓜原液含糖量、进料温度、进料流量、膜侧加热温度及浓缩时间进行研究，分析进料温度、进料流量、膜侧加热温度、浓缩时间对膜通量、造水比、分离因子、回收率等的影响，得出籽瓜浓缩浆制备中各种操作参数对浓缩过程的影响及变化规律。

多效蒸溜；浓缩器；籽瓜；籽瓜浓缩浆

籽瓜中含有多种氨基酸、矿物质、还原糖、膳食纤维等，具有极高的营养价值和药用价值[1]。目前国内外对于籽瓜的研究，大多数是以制造籽瓜罐头和籽瓜饮料为目的的理论研究。只有个别学者涉及籽瓜中的水分、糖分、膳食纤维、瓜籽等利用的理论研究。利用多效蒸馏技术对籽瓜中糖分等的提取还未有过报道[2，3]。该文对经过膜处理后的籽瓜液（以下称籽瓜液）进行试验，考察研究多效蒸馏技术浓缩籽瓜液中糖分的工艺及各操作参数对浓缩效果的影响。浓缩处理后得到总糖量在60%以上的籽瓜浓缩浆，为籽瓜的综合利用、籽瓜产业发展提供理论基础。

1　试验材料与方法

1.1材料

新鲜籽瓜处理液，专用膜处理过的籽瓜液（液含糖量为40 g/L）。

1.2仪器设备

WAY-2S型阿贝折射仪；NDJ系列数字粘度计；SY-601超级恒温水浴；超滤组件；UF4040-PES 膜芯；磁力驱动循环泵。

1.3多效膜蒸溜器的结构与原理

料液中挥发性物质汽化形成蒸汽不断扩散透过膜壁微孔及膜组件管程中实壁管和微孔膜之间的空气间隙，在实壁管外壁处冷凝形成渗透液，冷凝热导入实壁管管程内的冷料液中。多效膜蒸馏过程中，微孔膜内的热料液与实壁管内的冷料液进行逆流换热，两股流体的温度差决定了微孔膜两侧蒸汽分压差，为蒸汽跨膜传质提拱了推动力。在多效膜蒸馏组件中实现了蒸汽冷凝与冷料液加热耦合，即利用蒸汽潜热对料液进行预热，提高传统膜蒸馏过程的热利用率[4-8]。

1.4籽瓜多效蒸溜试验流程

籽瓜鲜瓜经过清洗、打瓜、破碎、过滤之后得到籽瓜沉淀液（试验料液）。料液由磁力泵压入到膜组件的中空纤维实壁管中，在换热器中对料液加热，加热之后的料液流入到中空纤维微孔膜与管管程中的冷料液形成逆流，两股液体存在的温度差，形成膜两侧水蒸气的分压差，水蒸气通过膜孔进行扩散的推动力就来源于膜两侧水蒸气的分压差。从膜微孔扩散出来的水蒸气，在管的外壁进行冷凝，在重力的作用下由壳程出水口排出。浓缩之后的料液通过冷却器降温之后回到原料罐，完成一个循环回路。为了保持料液罐中料液浓度稳定，进料温度、进料流量、膜侧加热温度研究试验中，壳程出水口流出的淡水和膜程流出的料液都要回流到料液罐中，并使之搅拌混匀。而在籽瓜液浓缩时间试验中壳程出水口流出的淡水直接排出收集，不需要回流。记录进出管程、进出膜程的料液温度、膜组件管程出口处的料液流量、壳程出口淡水（渗透液）流量等，通过计算便可获得膜通量、造水比、回收率、分离因子的数据。试验过程中操作参数为：管程料液入口温度T1为20～40 ℃，膜程料液进口温度T3为45～75 ℃，料液流量为20～40 L/h。

2　多效膜蒸馏过程的性能指标

渗透液通量（简称膜通量，J），是指单位时间单位有效膜蒸发面积产生的蒸发冷凝液体积量，其表达式为：

式中，q为单位时间膜组件产生的蒸发冷凝液量（L/ h）；S为有效膜面积（m2）；n为组件中所用膜根数；di为膜内径（m）；l为膜组件的有效长度（m）。

在多效膜蒸馏试验中，采用造水比（GOR，Gained Output Ratio）来衡量膜组件的性能。表示在多效膜蒸馏过程中从料液中汽化一定量的渗透液所需要的热量与使用外部热源把该料液预先升高一定温度而获得过程推动力所需要的热量之比。其表达式为：

ρq为渗透液密度，单位kg/L；ρf为进料液密度，单位kg/L；Δ HV为水的蒸发焓，取T3与T4的对数平均温度下的蒸发焓；CP为籽瓜液的比热容，取其值与水的比热容相差不大，取其值为4.2×103J/（kg·℃）；F为料液流量，单位L/h；Δ T为料液被加热升高的温度，单位℃；在该试验中取膜侧进口温度T3与管出口温度温度T2之差。

回收率R，表征多效膜蒸馏过程中籽瓜液中糖分的损失情况，其计算公式为：

Cp为渗透液n中的糖分的浓度，Cr为进料液中糖分的浓度，q为单位时间膜组件产生的蒸发冷凝液量，F为料液流量。

膜的平均分离因子，其计算公式为：

式中，yw和yt分别为水和籽瓜糖分在渗透液中的摩尔分数，xw和xt分别为进料液中水和籽瓜糖分的摩尔分数。

3　浓缩过程分析

影响多效膜蒸馏过程的影响因素有很多，包括料液进料温度T1、进料流量F和料液浓度、膜侧热料液进口温度T3、浓缩时间等。该试验中分别考察了上述因素对多效膜蒸馏过程的膜通量、造水比、分离因子和回收率的影响，选取进料温度T1、膜侧热料液进口温度T3和进料流量F、浓缩时间进行试验，在浓缩试验中考察料液浓度的影响和浓缩效果。

3.1籽瓜多效蒸馏试验

该试验操作过程中所有渗透液和浓缩液均全部返回至料液槽，以保证进料浓度的恒定。料液初始体积为30.0 L，待试验操作条件稳定2 h后开始测定数据，每组试验重复3次。

3.1.1料液进口温度T1的影响

料液糖分的浓度为40 g/L，进料流量F为30.0 L/ h，膜侧进口温度T3为75 ℃的情况下，考察进料温度T1对多效膜蒸馏过程性能的影响。

膜通量随着进料温度T1的升高而减小，而造水比则随着进料温度T1的升高而增大。这是因为在试验过程中随着T1温度的升高，T2、T4温度升高变化相对较小，实壁管管程中自上向下各点处的冷料液主体温度均升高，微孔膜管程中从上至下变化较小，在整个过程中料液之间的温差减小。膜两侧的饱和蒸汽压差降低，导致膜通量下降。故可知膜通量随着T1温度的升高而减小。T2随着T1升高而升高，在T3保持不变的情况下，T3-T2的差值减小，即减少了外部换热器提供的热量，由于水的饱和蒸汽压与温度呈指数变化，所以膜通量下降的幅度远小于外部提供的热量降低的程度，故可知造水比GOR随T1升高而增大。

3.1.2膜程进口温度T3的影响

籽瓜糖分浓度为40 g/L，进料液流量为30.0 L/h，冷料液在实壁管管程进口温度T1为30 ℃ 的情况下，考察料液加热后微孔膜管程热料液侧进口温度T3对多效膜蒸馏过程性能的影响。

图1　膜侧入口温度T3对膜通量和造水比的影响图

图2　膜侧入口温度T3对分离因子和回收率的影响图

由图1可以看出，随着籽瓜液进入膜管程温度T3的升高，膜通量和造水比均呈现上升趋势。膜通量增加的原因是，随着温度T3的升高，籽瓜液在管管程和膜管程中的温度均升高，由于水与籽瓜液溶液的蒸汽压与温度呈指数关系变化，其结果随着温度T3的升高，膜管程料液的蒸汽压与管程外壁处蒸汽压差值变大，即传质推动力变大，导致膜通量随之变大。

由图2可以看出，随着籽瓜液进入膜管程温度T3的升高，分离因子呈下降趋势，回收率变化基本保持不变。随着膜侧进口温度的升高，微孔膜管程内各点处的料液温度随之升高，料液温度升高，降低了水与籽瓜液的相对挥发度。分离因子随籽瓜液进入膜管程温度T3的升高呈下降趋势。

3.2料液浓度时间的影响

浓缩试验的操作条件选择为T1=30 ℃，T3=75 ℃，F=30.0 L/h。对料液初始浓度为40 g/L的籽瓜糖分进行浓缩试验，料液初始体积为30 L。在浓缩试验过程中，渗透液排出收集，而浓缩液返回自带搅拌装置的料液槽内，料液在整个试验装置中循环且不断被浓缩。浓缩过程中冷料液进口浓度为料液槽内的平均料液浓度。

随着浓缩时间的延长，籽瓜液糖分的浓度和浓缩液黏度随之增大，当糖分浓度达到180～500 g/L，糖分浓度增大趋势变化明显，浓缩黏度2～8时，黏度增大趋势变化明显于其他区段。浓缩初始阶段膜通量为4.4 L/（m2·h），造水比为8.3，刚开始几个小时内膜渗透通量和造水比变化较小，但当浓度达到340～500 g/L时，膜通量和造水比的下降趋势十分明显，这是因为料液糖分浓度的增大造成膜管程边界层厚度增加，从而传热传质阻力增大，造成管管程边界层厚度增加，从而传热阻力增大，其结果是膜通量和造水比均减小。

4　结论

从试验结果的分析可知，多效膜蒸馏法浓缩籽瓜液，具有多级闪蒸、多效蒸发等过程中高效节能的特点，同时具有一些膜分离技术操作条件温和的优点。①多效膜蒸馏过程中膜通量和造水比受操作参数的影响显著，呈现出一定的规律性，膜通量随着料液的进口温度T1的升高随之降低，随着料液流量F的增加而增加；②造水比随着料液的进口温度T1的升高而随之升高，随着料液流量F的增加而减小；③膜通量和造水比均随着膜管程的料液温度T3的升高而升高；④籽瓜糖分保持较高的回收率，回收率维持在99.5%左右；⑤操作温度T3为75 ℃时，对于籽瓜液浓缩过程的膜通量最大为4.4 L/（m2·h），造水比可达8.3；⑥随着籽瓜料液浓度的增加和黏度的增大，多效膜蒸馏过程的膜通量和造水比降低，当籽瓜液糖分浓度达到340 g/L时，膜通量和造水比下降趋势均最明显，当浓度达到620 g/L时，膜通量最低降为2.1 L/（m2·h），造水比仍大于4.6。基于以上试验数据，多效膜蒸馏技术可应用于籽瓜糖分的浓缩。多效蒸馏过程具有易操作、高效节能、占地面积小等优点，并且随着膜和膜组件制造技术的发展，在籽瓜糖分的浓缩乃至于食品工业中有广阔的应用前景。

[1]梁琪，蒋玉梅，张盛贵，等.甘肃省不同产地籽瓜瓤皮成分分析[J].甘肃农业大学学报，1999（1）：79-83.

[2]张锋伟，韩正晟，张志文，等.籽瓜籽汁分离机的设计[J].农业机械化，2010（3）：133-134.

[3]朱宗光，吴劲锋，黄晓鹏，等.籽瓜破碎取籽机皮瓤分离装置试验研究[J].南京农业大学学报，2014，37 （5）：159-166.

[4]王焕，秦英杰，刘立强，等.多效膜蒸馏技术用于果汁浓缩[J].化学工业与工程，2012，29（4）：50-57.

[5]王丽玲.几种膜分离技术在果汁浓缩中的应用[J].中国食品添加剂，2005（2）：94-99.

[6]吴庸烈.膜蒸馏技术及其应用进[J].膜科学与技术，2003，23（4）：67-79.

[7]苏学素，焦必宁.膜分离技术在果汁浓缩中应用的研究进展[J].核农学报，2008，22（5）：679-685.

[8]范建兵.多效降膜式蒸发器的工作原理及相关要点[J].装备应用与研究，2009（11）：46-49.

Experimental Study on Seed-used Watermelon Concentrate Slurry Preparation based on Multi Effect Distillation Technology

Duan Weigen1，Wu Jinfeng1，2，Sun Chuan1
（1.College of Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China；
2. Jingyuan Gansu Silver Seed Watermelon Technology Co. Ltd.，Baiyin 730600，China）

The application of multi effect distillation technology in the concentration of seed melon solution，the concentration of seed-used Watermelon with sugar content more than 60% was obtained. In this paper，based on the research of seed-used Watermelon liquid sugar，feed temperature，feed flow rate，membrane side heating temperature，and concentration time study，the effects of feed temperature，feed fl ow rate，membrane side heating temperature and concentration time on membrane fl ux，making the water ratio，the separation factor and recovery rate were analyzed，the influence of various operating parameters on the concentration process and the variation law of the concentration of seed melon were obtained.

Multi effect distillation； Concentrator； Watermelon； Seed-used Watermelon

TS255.44

10.16736/j.cnki.cn41-1434/ts.2016.04.011

国家自然科学基金资助项目（编号：51065001）；甘肃省教育厅资助项目（编号：1002-10）；科技型中小企业技术创新基金（立项代码：14C26216203527）。

段维根（1987-），男，甘肃省靖远县人，硕士研究生，主要研究方向：籽瓜产业化生产的集成技术研究。

吴劲锋，男，博士，教授，硕士生导师，主要研究方向：农业机械装备制造的研究与教学。