纳滤膜浓缩设备与三效升膜浓缩设备生产鱼明胶的对比分析

梁吕保 杨莉莉 唐彩珍 刘梓雯

鱼明胶是以脱脂鱼皮或脱灰鱼鳞为原料，将提取出来的明胶液纯化并浓缩，最后通过干燥得到干胶的过程。鱼明胶售价较高，除了原料成本高以外，制造费用高也是其中一个重要原因。因此，对鱼明胶的生产工序进行优化，以节能降耗、降低制造成本，有利于鱼明胶的推广应用，提高市场占有率。本文对比了纳滤膜浓缩设备与三效升膜浓缩设备在鱼明胶生产过程中的浓缩范围、运行温度、运行成本等，以期为相关企业节能改造、改善品质等提供参考。

一、纳滤膜浓缩设备

膜浓缩是以膜两侧的压差为驱动力，在一定的压力下，只有水和小分子物质能够通过，直径较大的明胶则被截留下来，就会变成浓缩液，从而达到浓缩明胶的目的。膜浓缩与传统方法相比具有许多优势，运行温度和压力均较低，有利于改善明胶的品质，去除效率高、机器紧凑、能耗低。它的缺点是，膜芯是耗材，当透过液流量、浓度不能满足工艺要求时就需要及时予以更换。

用纳滤膜浓缩设备生产鱼明胶时，基本参数如下：（1）设计产能：按2000吨/年鱼明胶计算，设定一年工作330d，每天运行12h，清洗待机为12h，进液浓度5%（w/w）、出液浓度20%（w/w），算得每天须将121m3胶液浓缩至30m3。按纳濾膜清洗前最低透过液通量约为0.33m3/h，处理90m3透过液需要的纳滤膜数量计算：90m3÷12h÷0.33m3/h=22.73，因此应选用24支膜的设备（膜壳一般为3支膜芯或4支膜芯的规格）。（2）浓缩倍数：进液浓度5%（w/w）、出液浓度20%（w/w），设计浓缩上限为25%（w/w）。（3）使用工况：明胶液pH为6-8，运行胶液温度为40℃-50℃，CIP清洗时pH为3-12。（4）采用批次浓缩工艺，即膜浓缩前罐加满明胶液后，开始循环浓缩直至达到目标浓度，然后送液到后工序，如此重复直到生产结束。

纳滤膜浓缩设备的配置情况如表1所示。由表1可知，纳滤膜浓缩设备的运行总功率为29.5kW，耗材为24支型号为8040的纳滤膜。

二、三效升膜浓缩设备

三效升膜浓缩的原理是利用第一个蒸发器产生的二次蒸汽进行加热，此时第一个蒸发器的冷凝处就是第二个蒸发器的加热处，在负压的作用下胶液沸点降低，胶液在低沸点下将水蒸汽蒸发出去，以达到浓缩胶液的目的。其特点是在高速二次蒸汽流和真空作用下，在管壁上形成薄膜并向上运动，使蒸发后的料液和二次蒸汽进入顶部分离器内，实现料液与二次蒸汽的分离。三效升膜浓缩在明胶生产中的应用时间长，工艺成熟、稳定，但其运行温度较高，对明胶的冻力、色泽等品质指标会造成一定的影响，另外蒸汽用量也较大，能耗较高。

使用三效升膜浓缩设备生产鱼明胶时，基本参数如下：（1）设计产能：按照2000吨/年鱼明胶计算，设定一年工作330d，每天运行20h，清洗待机为4h，进液浓度5%（w/w）、出液浓度30%（w/w），算得每天须将121m3的胶液浓缩至20m3。计算蒸发掉81m3的水所需的产能：81m3÷20h=4.05m3/h。因此，应选用蒸发量为4.2T/h的三效真空浓缩设备。（2）浓缩倍数：进液浓度5%（w/w）、出液浓度≥30%（w/w），设计浓缩上限为45%（w/w）。（3）使用工况：明胶液pH为6-8，进胶温度为55℃、出胶温度为55℃，CIP清洗时pH为3-12。（4）蒸发形式：采用三效升膜式。

三效升膜浓缩设备的配置情况如表2所示，由表2可知，三效升膜浓缩设备的运行总功率为46.5kW，其中冷却水系统的功率为17.75kW，浓缩设备的功率为28.75kW。三效升膜浓缩设备运行过程中没有耗材。

三、两种浓缩设备对比分析

1.运行参数对比分析。两种浓缩设备的运行参数详见表3。由表3可知，纳滤膜浓缩设备的运行温度为40℃-50℃，三效升膜浓缩设备的运行温度为55℃-85℃，运行温度高，鱼明胶容易受热继续降解，会影响到产品的冻力及感官指标。

纳滤膜浓缩设备的浓缩范围为5%-25%（w/w），因为随着鱼明胶液浓度的提高，其粘度也逐渐增强，透过液的流量明显变小，生产效率降低。随着浓缩倍数的提高，膜过程中的浓差极化和膜污染现象也在不断增加。目前设备厂家设计的浓缩上限一般在25%以内，如果继续提升浓缩上限，系统运行压力上升会加速导致膜的致密化，大大缩短膜的使用寿命。而三效升膜浓缩设备的浓缩范围为5%-45%（w/w），浓缩范围宽，适用的范围更广，特别适用于鱼鳞明胶不同提取次数的胶液，这是纳滤膜浓缩设备目前无法做到的。

纳滤膜浓缩设备在运行过程中透过液的通量会逐渐下降，这是由膜污染引起的。膜污染主要有膜表面覆盖污染和膜孔内阻塞污染两种形式。膜表面细腻层内的微粒与其他杂质在长时间的相互作用下极易形成凝胶层，导致大量的膜孔被覆盖，从而增大透水阻力。这就要求每运行一段时间就要对膜进行CIP清洗，以恢复膜的性能。因此，纳滤膜浓缩设备的工作方式不是连续的，必须在运行一段时间后就停下来清洗。而三效升膜浓缩设备只要在运行过程中卫生清洁状态没有问题，可以一直连续生产。

膜孔堵塞是指微细粒子塞入膜孔内，或者膜孔内壁因吸附蛋白等杂质形成沉淀而使膜孔变小或者完全堵塞，这种现象的产生一般是不可逆过程。当透过液的通量无法满足生产的要求时就要对膜滤芯进行更换，因此，纳滤膜浓缩设备会产生耗材。

2.运行成本对比分析。两种浓缩设备分别除去1m3水后的运行成本详见表4。由表4可知，设计产能均为2000吨/年鱼明胶的情况下，纳滤膜浓缩设备的蒸汽费用0元、电费5.86元、耗材16元，费用总计21.86元；三效升膜浓缩设备的蒸汽费用76.20元、电费8.08元、耗材0元，费用总计84.28元，远超纳滤膜浓缩设备的运行成本。

四、结论

纳滤膜浓缩设备除去1m3水的能耗加上耗材的总费用仅为三效升膜浓缩设备的25.94%，由此可见，纳滤膜浓缩设备运行成本更低，明胶液从5%（w/w）浓缩到20%（w/w）时，使用纳滤膜浓缩的工艺更加划算。但随着明胶液浓度逐渐提高，其粘度增强，流动性变差，若再使用纳滤膜浓缩设备会损坏膜，提高成本，因此当明胶液从20%（w/w）浓缩到30%（w/w）以上，则应选用三效升膜浓缩设备。