◎段維根，吳勁鋒，2，孫 川（.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅靖遠(yuǎn)銀農(nóng)籽瓜科技有限公司，甘肅 白銀 730600）

基于多效蒸餾技術(shù)的籽瓜濃縮漿制備試驗(yàn)研究

◎段維根1，吳勁鋒1，2，孫 川1
（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅靖遠(yuǎn)銀農(nóng)籽瓜科技有限公司，甘肅 白銀 730600）

運(yùn)用多效蒸溜技術(shù)對(duì)籽瓜液進(jìn)行濃縮，得到總糖量大于60%的籽瓜濃縮漿。通過對(duì)籽瓜原液含糖量、進(jìn)料溫度、進(jìn)料流量、膜側(cè)加熱溫度及濃縮時(shí)間進(jìn)行研究，分析進(jìn)料溫度、進(jìn)料流量、膜側(cè)加熱溫度、濃縮時(shí)間對(duì)膜通量、造水比、分離因子、回收率等的影響，得出籽瓜濃縮漿制備中各種操作參數(shù)對(duì)濃縮過程的影響及變化規(guī)律。

多效蒸溜；濃縮器；籽瓜；籽瓜濃縮漿

籽瓜中含有多種氨基酸、礦物質(zhì)、還原糖、膳食纖維等，具有極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值[1]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于籽瓜的研究，大多數(shù)是以制造籽瓜罐頭和籽瓜飲料為目的的理論研究。只有個(gè)別學(xué)者涉及籽瓜中的水分、糖分、膳食纖維、瓜籽等利用的理論研究。利用多效蒸餾技術(shù)對(duì)籽瓜中糖分等的提取還未有過報(bào)道[2，3]。該文對(duì)經(jīng)過膜處理后的籽瓜液（以下稱籽瓜液）進(jìn)行試驗(yàn)，考察研究多效蒸餾技術(shù)濃縮籽瓜液中糖分的工藝及各操作參數(shù)對(duì)濃縮效果的影響。濃縮處理后得到總糖量在60%以上的籽瓜濃縮漿，為籽瓜的綜合利用、籽瓜產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

1　試驗(yàn)材料與方法

1.1材料

新鮮籽瓜處理液，專用膜處理過的籽瓜液（液含糖量為40 g/L）。

1.2儀器設(shè)備

WAY-2S型阿貝折射儀；NDJ系列數(shù)字粘度計(jì)；SY-601超級(jí)恒溫水浴；超濾組件；UF4040-PES 膜芯；磁力驅(qū)動(dòng)循環(huán)泵。

1.3多效膜蒸溜器的結(jié)構(gòu)與原理

料液中揮發(fā)性物質(zhì)汽化形成蒸汽不斷擴(kuò)散透過膜壁微孔及膜組件管程中實(shí)壁管和微孔膜之間的空氣間隙，在實(shí)壁管外壁處冷凝形成滲透液，冷凝熱導(dǎo)入實(shí)壁管管程內(nèi)的冷料液中。多效膜蒸餾過程中，微孔膜內(nèi)的熱料液與實(shí)壁管內(nèi)的冷料液進(jìn)行逆流換熱，兩股流體的溫度差決定了微孔膜兩側(cè)蒸汽分壓差，為蒸汽跨膜傳質(zhì)提拱了推動(dòng)力。在多效膜蒸餾組件中實(shí)現(xiàn)了蒸汽冷凝與冷料液加熱耦合，即利用蒸汽潛熱對(duì)料液進(jìn)行預(yù)熱，提高傳統(tǒng)膜蒸餾過程的熱利用率[4-8]。

1.4籽瓜多效蒸溜試驗(yàn)流程

籽瓜鮮瓜經(jīng)過清洗、打瓜、破碎、過濾之后得到籽瓜沉淀液（試驗(yàn)料液）。料液由磁力泵壓入到膜組件的中空纖維實(shí)壁管中，在換熱器中對(duì)料液加熱，加熱之后的料液流入到中空纖維微孔膜與管管程中的冷料液形成逆流，兩股液體存在的溫度差，形成膜兩側(cè)水蒸氣的分壓差，水蒸氣通過膜孔進(jìn)行擴(kuò)散的推動(dòng)力就來源于膜兩側(cè)水蒸氣的分壓差。從膜微孔擴(kuò)散出來的水蒸氣，在管的外壁進(jìn)行冷凝，在重力的作用下由殼程出水口排出。濃縮之后的料液通過冷卻器降溫之后回到原料罐，完成一個(gè)循環(huán)回路。為了保持料液罐中料液濃度穩(wěn)定，進(jìn)料溫度、進(jìn)料流量、膜側(cè)加熱溫度研究試驗(yàn)中，殼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?dāng)嚢杌靹?。而在籽瓜液濃縮時(shí)間試驗(yàn)中殼程出水口流出的淡水直接排出收集，不需要回流。記錄進(jìn)出管程、進(jìn)出膜程的料液溫度、膜組件管程出口處的料液流量、殼程出口淡水（滲透液）流量等，通過計(jì)算便可獲得膜通量、造水比、回收率、分離因子的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程中操作參數(shù)為：管程料液入口溫度T1為20～40 ℃，膜程料液進(jìn)口溫度T3為45～75 ℃，料液流量為20～40 L/h。

2　多效膜蒸餾過程的性能指標(biāo)

滲透液通量（簡(jiǎn)稱膜通量，J），是指單位時(shí)間單位有效膜蒸發(fā)面積產(chǎn)生的蒸發(fā)冷凝液體積量，其表達(dá)式為：

式中，q為單位時(shí)間膜組件產(chǎn)生的蒸發(fā)冷凝液量（L/ h）；S為有效膜面積（m2）；n為組件中所用膜根數(shù)；di為膜內(nèi)徑（m）；l為膜組件的有效長(zhǎng)度（m）。

在多效膜蒸餾試驗(yàn)中，采用造水比（GOR，Gained Output Ratio）來衡量膜組件的性能。表示在多效膜蒸餾過程中從料液中汽化一定量的滲透液所需要的熱量與使用外部熱源把該料液預(yù)先升高一定溫度而獲得過程推動(dòng)力所需要的熱量之比。其表達(dá)式為：

ρq為滲透液密度，單位kg/L；ρf為進(jìn)料液密度，單位kg/L；Δ HV為水的蒸發(fā)焓，取T3與T4的對(duì)數(shù)平均溫度下的蒸發(fā)焓；CP為籽瓜液的比熱容，取其值與水的比熱容相差不大，取其值為4.2×103J/（kg·℃）；F為料液流量，單位L/h；Δ T為料液被加熱升高的溫度，單位℃；在該試驗(yàn)中取膜側(cè)進(jìn)口溫度T3與管出口溫度溫度T2之差。

回收率R，表征多效膜蒸餾過程中籽瓜液中糖分的損失情況，其計(jì)算公式為：

Cp為滲透液n中的糖分的濃度，Cr為進(jìn)料液中糖分的濃度，q為單位時(shí)間膜組件產(chǎn)生的蒸發(fā)冷凝液量，F(xiàn)為料液流量。

膜的平均分離因子，其計(jì)算公式為：

式中，yw和yt分別為水和籽瓜糖分在滲透液中的摩爾分?jǐn)?shù)，xw和xt分別為進(jìn)料液中水和籽瓜糖分的摩爾分?jǐn)?shù)。

3　濃縮過程分析

影響多效膜蒸餾過程的影響因素有很多，包括料液進(jìn)料溫度T1、進(jìn)料流量F和料液濃度、膜側(cè)熱料液進(jìn)口溫度T3、濃縮時(shí)間等。該試驗(yàn)中分別考察了上述因素對(duì)多效膜蒸餾過程的膜通量、造水比、分離因子和回收率的影響，選取進(jìn)料溫度T1、膜側(cè)熱料液進(jìn)口溫度T3和進(jìn)料流量F、濃縮時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)，在濃縮試驗(yàn)中考察料液濃度的影響和濃縮效果。

3.1籽瓜多效蒸餾試驗(yàn)

該試驗(yàn)操作過程中所有滲透液和濃縮液均全部返回至料液槽，以保證進(jìn)料濃度的恒定。料液初始體積為30.0 L，待試驗(yàn)操作條件穩(wěn)定2 h后開始測(cè)定數(shù)據(jù)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

3.1.1料液進(jìn)口溫度T1的影響

料液糖分的濃度為40 g/L，進(jìn)料流量F為30.0 L/ h，膜側(cè)進(jìn)口溫度T3為75 ℃的情況下，考察進(jìn)料溫度T1對(duì)多效膜蒸餾過程性能的影響。

膜通量隨著進(jìn)料溫度T1的升高而減小，而造水比則隨著進(jìn)料溫度T1的升高而增大。這是因?yàn)樵谠囼?yàn)過程中隨著T1溫度的升高，T2、T4溫度升高變化相對(duì)較小，實(shí)壁管管程中自上向下各點(diǎn)處的冷料液主體溫度均升高，微孔膜管程中從上至下變化較小，在整個(gè)過程中料液之間的溫差減小。膜兩側(cè)的飽和蒸汽壓差降低，導(dǎo)致膜通量下降。故可知膜通量隨著T1溫度的升高而減小。T2隨著T1升高而升高，在T3保持不變的情況下，T3-T2的差值減小，即減少了外部換熱器提供的熱量，由于水的飽和蒸汽壓與溫度呈指數(shù)變化，所以膜通量下降的幅度遠(yuǎn)小于外部提供的熱量降低的程度，故可知造水比GOR隨T1升高而增大。

3.1.2膜程進(jìn)口溫度T3的影響

籽瓜糖分濃度為40 g/L，進(jìn)料液流量為30.0 L/h，冷料液在實(shí)壁管管程進(jìn)口溫度T1為30 ℃ 的情況下，考察料液加熱后微孔膜管程熱料液側(cè)進(jìn)口溫度T3對(duì)多效膜蒸餾過程性能的影響。

圖1　膜側(cè)入口溫度T3對(duì)膜通量和造水比的影響圖

圖2　膜側(cè)入口溫度T3對(duì)分離因子和回收率的影響圖

由圖1可以看出，隨著籽瓜液進(jìn)入膜管程溫度T3的升高，膜通量和造水比均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。膜通量增加的原因是，隨著溫度T3的升高，籽瓜液在管管程和膜管程中的溫度均升高，由于水與籽瓜液溶液的蒸汽壓與溫度呈指數(shù)關(guān)系變化，其結(jié)果隨著溫度T3的升高，膜管程料液的蒸汽壓與管程外壁處蒸汽壓差值變大，即傳質(zhì)推動(dòng)力變大，導(dǎo)致膜通量隨之變大。

由圖2可以看出，隨著籽瓜液進(jìn)入膜管程溫度T3的升高，分離因子呈下降趨勢(shì)，回收率變化基本保持不變。隨著膜側(cè)進(jìn)口溫度的升高，微孔膜管程內(nèi)各點(diǎn)處的料液溫度隨之升高，料液溫度升高，降低了水與籽瓜液的相對(duì)揮發(fā)度。分離因子隨籽瓜液進(jìn)入膜管程溫度T3的升高呈下降趨勢(shì)。

3.2料液濃度時(shí)間的影響

濃縮試驗(yàn)的操作條件選擇為T1=30 ℃，T3=75 ℃，F(xiàn)=30.0 L/h。對(duì)料液初始濃度為40 g/L的籽瓜糖分進(jìn)行濃縮試驗(yàn)，料液初始體積為30 L。在濃縮試驗(yàn)過程中，滲透液排出收集，而濃縮液返回自帶攪拌裝置的料液槽內(nèi)，料液在整個(gè)試驗(yàn)裝置中循環(huán)且不斷被濃縮。濃縮過程中冷料液進(jìn)口濃度為料液槽內(nèi)的平均料液濃度。

隨著濃縮時(shí)間的延長(zhǎng)，籽瓜液糖分的濃度和濃縮液黏度隨之增大，當(dāng)糖分濃度達(dá)到180～500 g/L，糖分濃度增大趨勢(shì)變化明顯，濃縮黏度2～8時(shí)，黏度增大趨勢(shì)變化明顯于其他區(qū)段。濃縮初始階段膜通量為4.4 L/（m2·h），造水比為8.3，剛開始幾個(gè)小時(shí)內(nèi)膜滲透通量和造水比變化較小，但當(dāng)濃度達(dá)到340～500 g/L時(shí)，膜通量和造水比的下降趨勢(shì)十分明顯，這是因?yàn)榱弦禾欠譂舛鹊脑龃笤斐赡す艹踢吔鐚雍穸仍黾?，從而傳熱傳質(zhì)阻力增大，造成管管程邊界層厚度增加，從而傳熱阻力增大，其結(jié)果是膜通量和造水比均減小。

4　結(jié)論

從試驗(yàn)結(jié)果的分析可知，多效膜蒸餾法濃縮籽瓜液，具有多級(jí)閃蒸、多效蒸發(fā)等過程中高效節(jié)能的特點(diǎn)，同時(shí)具有一些膜分離技術(shù)操作條件溫和的優(yōu)點(diǎn)。①多效膜蒸餾過程中膜通量和造水比受操作參數(shù)的影響顯著，呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，膜通量隨著料液的進(jìn)口溫度T1的升高隨之降低，隨著料液流量F的增加而增加；②造水比隨著料液的進(jìn)口溫度T1的升高而隨之升高，隨著料液流量F的增加而減??；③膜通量和造水比均隨著膜管程的料液溫度T3的升高而升高；④籽瓜糖分保持較高的回收率，回收率維持在99.5%左右；⑤操作溫度T3為75 ℃時(shí)，對(duì)于籽瓜液濃縮過程的膜通量最大為4.4 L/（m2·h），造水比可達(dá)8.3；⑥隨著籽瓜料液濃度的增加和黏度的增大，多效膜蒸餾過程的膜通量和造水比降低，當(dāng)籽瓜液糖分濃度達(dá)到340 g/L時(shí)，膜通量和造水比下降趨勢(shì)均最明顯，當(dāng)濃度達(dá)到620 g/L時(shí)，膜通量最低降為2.1 L/（m2·h），造水比仍大于4.6?；谝陨显囼?yàn)數(shù)據(jù)，多效膜蒸餾技術(shù)可應(yīng)用于籽瓜糖分的濃縮。多效蒸餾過程具有易操作、高效節(jié)能、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，并且隨著膜和膜組件制造技術(shù)的發(fā)展，在籽瓜糖分的濃縮乃至于食品工業(yè)中有廣闊的應(yīng)用前景。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：51065001）；甘肅省教育廳資助項(xiàng)目（編號(hào)：1002-10）；科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金（立項(xiàng)代碼：14C26216203527）。

段維根（1987-），男，甘肅省靖遠(yuǎn)縣人，碩士研究生，主要研究方向：籽瓜產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的集成技術(shù)研究。

吳勁鋒，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備制造的研究與教學(xué)。