鱼明胶离子交换树脂系统的选型设计

梁吕保 杨莉莉 唐彩珍 刘梓雯

离子交换树脂系统已经在食品工业中应用多年，是鱼明胶生产过程中的一道重要工序，用于吸附前端提胶、固液分离等步骤中加入的酸、碱，起到吸附、脱色、除臭等作用，对于改善产品品质至关重要。离子交换树脂系统再生会用到酸和碱，会腐蚀系统的零部件进而出现故障，影响系统的稳定性、运行效率等。基于此，本文对离子交换树脂系统的一些选型设计的应用实践进行简单介绍，以期为相关研究者及企业提供一定的参考。

一、离子交换树脂在鱼明胶

生产过程中的作用及原理

胶原是大量存在于细胞外基质中、具有三股螺旋结构的蛋白质的统称，是脱脂鱼皮、脱灰鱼鳞的主要组成部分。明胶是胶原经温和但不可逆的断裂后生成的主要产物。目前，鱼明胶的制取大多采用碱法和酸法。具体做法是：先把脱脂鱼皮或脱灰鱼鳞放在热酸（碱）水中，其中的大部分胶原会转变为可溶性的胶原，可溶性胶原溶液再经后端工序的多重纯化、浓缩、干燥、粉碎，最终制得明胶。

在提取及固液分离等前端工序中加入的酸和碱，需要经过离子交换树脂系统进行脱盐处理，以除去明胶液中多余的阳、阴离子，同时起到吸附、脱色、除臭等作用，能够改善明胶产品的品质。

离子交换树脂的解离基团能够与明胶液中的离子发生交换，明胶液中的离子与树脂上电性相反的基团发生亲和，并保留在树脂上，而树脂中解离出来的离子则会溶解在溶液中。当明胶溶液依次通过阴阳离子交换树脂柱时，胶液中的正、负离子杂质会被置换出来，而胶液中的非胶原和离子杂质会吸附在树脂上，从而提高明胶的透明度和纯度。

已经吸附饱和的离子交换树脂，需经过酸、碱再生处理后，恢复吸附能力，才能重新进行循环利用。直接接触再生酸、碱的部位，如罐体、管道、排水帽等处的材料容易损坏，故而这些部位是决定离子交换系统好坏的关键环节，直接影响着离子交换树脂系统的稳定性、运行效率、维护维修的便捷程度等。

二、離子交换树脂系统选型设计

1.罐体材质的选型。离子交换树脂系统所用罐体常见的材质有玻璃钢、碳钢衬橡胶、不锈钢三种，这三种材料适用于不同的使用工况。

玻璃钢（英文缩写为FRP）是以树脂作为塑性粘结材料、以纤维作为骨架增强材料，复合改性而成的一种新型复合材料。这种材料具有轻质、高强度、无毒、耐腐蚀、导热系数小、吸湿性弱低、耐久性强、表面光洁易清洗等特性，在食品行业中适用于制作贮缸、配料桶、搅拌桶、发酵罐、平衡槽、冷却器、过滤器、冷藏冷冻箱、牛奶果酒槽车等设备，以及水箱、水塔、水池等大型设备。这种罐体的优点是耐腐蚀性强、综合造价低、材质轻、强度高、耐腐蚀、热导率低，缺点是维修困难、长期耐温性差、使用过程中有化学物质迁移的风险，如残余苯乙烯等。

碳钢是含碳量在0.0218%-2.11%的铁碳合金，也叫碳素钢，这种材料中一般还含有少量的硅、锰、硫、磷元素。通常情况下，碳钢中含碳量越高，硬度越大，强度也越高，但塑性越低。它的优点是价格便宜、压力加工性能好、切削加工性能好、综合力学性能好。碳钢衬橡胶罐体内部做了天然硬质橡胶衬层，以达到防腐防蚀的目的，天然橡胶衬层工艺的好坏决定了罐体使用的年限，且衬层损坏后维修困难。

不锈钢（Stainless Steel）的主要特点是不生锈、耐腐蚀，铬含量至少为10.5%，且碳含量最大不超过1.2%。不锈钢罐体具有优异的抗点蚀能力，可以安全地应用于含Cl-等卤素离子的环境中，且机械强度高、容易维修，缺点是造价偏高。

表1对比了相同规格不同材质罐体在耐腐蚀性、维修便捷性、价格等方面的特性，发现鱼明胶离子交换树脂系统宜选用不锈钢罐体。

2.排水帽的选型。多孔板位于离子交换罐体的底部，起到支撑树脂及胶液重量的作用，上面安装排水帽，其作用是拦截树脂并让胶液通过。离子交换柱子中常见的排水帽有不锈钢绕丝排水帽、ABS塔形排水帽、ABS叠片式排水帽几种，其具体结构如图1所示。

不锈钢绕丝排水帽的优点是开孔率高、过滤面积大，约为同规格塑料缝隙式水帽的2-3倍，抗老化、耐压性能好；缺点是造价高，顶部与底部焊接部位在酸、碱环境下长期使用容易脱焊导致树脂泄漏，耐酸碱性能比ABS材质的水帽差一些。ABS塔形排水帽的优点是耐酸碱性能强，造价便宜；缺点是耐压性能差，抗老化能力较弱，过滤面积比不锈钢绕丝水帽要小。ABS叠片排水帽的优点是耐酸碱性能强，耐压强度比ABS塔形排水帽高，过滤面积可以根据实际需要增减叠片，造价便宜；缺点是耐压强度比不锈钢绕丝水帽要弱。不锈钢绕丝排水帽、ABS塔形排水帽、ABS叠片式排水帽在过滤面积、耐酸碱腐蚀、运行压力等方面的数据详见表2。

离子交换罐体内填充有数立方的树脂，每次使用后都需要用稀酸稀碱液进行再生。316L不锈钢绕丝排水帽虽然具有良好的耐压性能，但是长期在酸碱条件下使用容易使焊口脱焊造成漏树脂。而ABS塔形排水帽的耐压性能比不上不锈钢绕丝排水帽和ABS叠片式排水帽，综合考虑下来。离子交换罐体内的排水帽宜选用ABS叠片式排水帽，因为这种排水帽既耐酸碱，又兼顾了耐压强度。

3.离子交换系统管道及阀门高度的设计。（1）管道材质的确定。通常管道所用材质有不锈钢、PVC、PPR、PE、碳钢衬塑等，由PVC、PPR、PE材质制成的管道在50℃温度条件下长期使用容易变形，并且温度高更容易发生化学物质迁移，造成食品安全隐患，因此不适宜使用。碳钢衬塑管需要厂家按图纸定制，内衬的寿命决定了管道的使用寿命，一旦使用过程中出现损坏，只能重新定制后才能更换，不利于快捷维修。不锈钢则可以长期在80℃以下使用，并且维修便捷。树脂再生会用到稀酸、稀碱，管道直接与产品接触，因此整体管道材质须采用316L厚度1.5mm的不锈钢管道。阳离子树脂再生要用到稀盐酸，而长年累月下来，稀盐酸也会对不锈钢材料产生腐蚀作用，罐体厚度为6mm但管道厚度只有1.5mm，管道会比罐体更容易出现腐蚀穿孔问题。而阳柱子排再生酸水的管道没有直接接触产品，所以可以采用C-PVC材质，阀门采用法兰对夹式蝶阀，蝶阀故障只须松开4个螺栓就可快速更换，与不锈钢管道部分用法兰连接，可以大幅延长整套管道的使用寿命，见图2。

图2：离子交换系统管道及阀门高度设计图

（2）阀门操作高度的确定。按车间平均身高166.5cm进行设计，伸手可以触摸到的高度为210cm左右，因此，最低的阀门高度为40cm，弯腰俯身可以触及，最高的手动阀门高度为176cm，不用步梯也可以触及进行操作或维修。

（3）管道、阀门布置设计。管道敷设须遵循“横平竖直”基本要求，设计时尽量少拐弯、少交叉，整体布置要求整齐、紧凑、美观。管与管、管与阀、阀与阀之间须留有维修空间。另外，管道上的电导率计、压力表的安装高度要便于现场操作人员进行观察操作。

作者简介：梁吕保（1982-），男，广东茂名人，助理工程师，硕士研究生，研究方向为鱼胶原蛋白肽、鱼明胶生产工艺。

杨莉莉（1985-），女，湖北大冶人，工程师，硕士研究生，研究方向为鱼胶原蛋白肽、鱼明胶生产工艺及其应用。

唐彩珍（1986-），女，壮族，广西南宁人，工程师，硕士研究生，研究方向为食品加工及副产物高值化应用。

刘梓雯（1983-），女，汉族，广东阳江人，助理工程师，硕士研究生，研究方向为食品加工与安全。