梁呂保 楊莉莉 唐彩珍 劉梓雯

離子交換樹(shù)脂系統(tǒng)已經(jīng)在食品工業(yè)中應(yīng)用多年，是魚(yú)明膠生產(chǎn)過(guò)程中的一道重要工序，用于吸附前端提膠、固液分離等步驟中加入的酸、堿，起到吸附、脫色、除臭等作用，對(duì)于改善產(chǎn)品品質(zhì)至關(guān)重要。離子交換樹(shù)脂系統(tǒng)再生會(huì)用到酸和堿，會(huì)腐蝕系統(tǒng)的零部件進(jìn)而出現(xiàn)故障，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性、運(yùn)行效率等?；诖?，本文對(duì)離子交換樹(shù)脂系統(tǒng)的一些選型設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，以期為相關(guān)研究者及企業(yè)提供一定的參考。

一、離子交換樹(shù)脂在魚(yú)明膠

生產(chǎn)過(guò)程中的作用及原理

膠原是大量存在于細(xì)胞外基質(zhì)中、具有三股螺旋結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)的統(tǒng)稱，是脫脂魚(yú)皮、脫灰魚(yú)鱗的主要組成部分。明膠是膠原經(jīng)溫和但不可逆的斷裂后生成的主要產(chǎn)物。目前，魚(yú)明膠的制取大多采用堿法和酸法。具體做法是：先把脫脂魚(yú)皮或脫灰魚(yú)鱗放在熱酸（堿）水中，其中的大部分膠原會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘哪z原，可溶性膠原溶液再經(jīng)后端工序的多重純化、濃縮、干燥、粉碎，最終制得明膠。

在提取及固液分離等前端工序中加入的酸和堿，需要經(jīng)過(guò)離子交換樹(shù)脂系統(tǒng)進(jìn)行脫鹽處理，以除去明膠液中多余的陽(yáng)、陰離子，同時(shí)起到吸附、脫色、除臭等作用，能夠改善明膠產(chǎn)品的品質(zhì)。

離子交換樹(shù)脂的解離基團(tuán)能夠與明膠液中的離子發(fā)生交換，明膠液中的離子與樹(shù)脂上電性相反的基團(tuán)發(fā)生親和，并保留在樹(shù)脂上，而樹(shù)脂中解離出來(lái)的離子則會(huì)溶解在溶液中。當(dāng)明膠溶液依次通過(guò)陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂柱時(shí)，膠液中的正、負(fù)離子雜質(zhì)會(huì)被置換出來(lái)，而膠液中的非膠原和離子雜質(zhì)會(huì)吸附在樹(shù)脂上，從而提高明膠的透明度和純度。

已經(jīng)吸附飽和的離子交換樹(shù)脂，需經(jīng)過(guò)酸、堿再生處理后，恢復(fù)吸附能力，才能重新進(jìn)行循環(huán)利用。直接接觸再生酸、堿的部位，如罐體、管道、排水帽等處的材料容易損壞，故而這些部位是決定離子交換系統(tǒng)好壞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響著離子交換樹(shù)脂系統(tǒng)的穩(wěn)定性、運(yùn)行效率、維護(hù)維修的便捷程度等。

二、離子交換樹(shù)脂系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

1.罐體材質(zhì)的選型。離子交換樹(shù)脂系統(tǒng)所用罐體常見(jiàn)的材質(zhì)有玻璃鋼、碳鋼襯橡膠、不銹鋼三種，這三種材料適用于不同的使用工況。

玻璃鋼（英文縮寫為FRP）是以樹(shù)脂作為塑性粘結(jié)材料、以纖維作為骨架增強(qiáng)材料，復(fù)合改性而成的一種新型復(fù)合材料。這種材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、無(wú)毒、耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸濕性弱低、耐久性強(qiáng)、表面光潔易清洗等特性，在食品行業(yè)中適用于制作貯缸、配料桶、攪拌桶、發(fā)酵罐、平衡槽、冷卻器、過(guò)濾器、冷藏冷凍箱、牛奶果酒槽車等設(shè)備，以及水箱、水塔、水池等大型設(shè)備。這種罐體的優(yōu)點(diǎn)是耐腐蝕性強(qiáng)、綜合造價(jià)低、材質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、熱導(dǎo)率低，缺點(diǎn)是維修困難、長(zhǎng)期耐溫性差、使用過(guò)程中有化學(xué)物質(zhì)遷移的風(fēng)險(xiǎn)，如殘余苯乙烯等。

碳鋼是含碳量在0.0218%-2.11%的鐵碳合金，也叫碳素鋼，這種材料中一般還含有少量的硅、錳、硫、磷元素。通常情況下，碳鋼中含碳量越高，硬度越大，強(qiáng)度也越高，但塑性越低。它的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜、壓力加工性能好、切削加工性能好、綜合力學(xué)性能好。碳鋼襯橡膠罐體內(nèi)部做了天然硬質(zhì)橡膠襯層，以達(dá)到防腐防蝕的目的，天然橡膠襯層工藝的好壞決定了罐體使用的年限，且襯層損壞后維修困難。

不銹鋼（Stainless Steel）的主要特點(diǎn)是不生銹、耐腐蝕，鉻含量至少為10.5%，且碳含量最大不超過(guò)1.2%。不銹鋼罐體具有優(yōu)異的抗點(diǎn)蝕能力，可以安全地應(yīng)用于含Cl-等鹵素離子的環(huán)境中，且機(jī)械強(qiáng)度高、容易維修，缺點(diǎn)是造價(jià)偏高。

表1對(duì)比了相同規(guī)格不同材質(zhì)罐體在耐腐蝕性、維修便捷性、價(jià)格等方面的特性，發(fā)現(xiàn)魚(yú)明膠離子交換樹(shù)脂系統(tǒng)宜選用不銹鋼罐體。

2.排水帽的選型。多孔板位于離子交換罐體的底部，起到支撐樹(shù)脂及膠液重量的作用，上面安裝排水帽，其作用是攔截樹(shù)脂并讓膠液通過(guò)。離子交換柱子中常見(jiàn)的排水帽有不銹鋼繞絲排水帽、ABS塔形排水帽、ABS疊片式排水帽幾種，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

不銹鋼繞絲排水帽的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)孔率高、過(guò)濾面積大，約為同規(guī)格塑料縫隙式水帽的2-3倍，抗老化、耐壓性能好；缺點(diǎn)是造價(jià)高，頂部與底部焊接部位在酸、堿環(huán)境下長(zhǎng)期使用容易脫焊導(dǎo)致樹(shù)脂泄漏，耐酸堿性能比ABS材質(zhì)的水帽差一些。ABS塔形排水帽的優(yōu)點(diǎn)是耐酸堿性能強(qiáng)，造價(jià)便宜；缺點(diǎn)是耐壓性能差，抗老化能力較弱，過(guò)濾面積比不銹鋼繞絲水帽要小。ABS疊片排水帽的優(yōu)點(diǎn)是耐酸堿性能強(qiáng)，耐壓強(qiáng)度比ABS塔形排水帽高，過(guò)濾面積可以根據(jù)實(shí)際需要增減疊片，造價(jià)便宜；缺點(diǎn)是耐壓強(qiáng)度比不銹鋼繞絲水帽要弱。不銹鋼繞絲排水帽、ABS塔形排水帽、ABS疊片式排水帽在過(guò)濾面積、耐酸堿腐蝕、運(yùn)行壓力等方面的數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表2。

離子交換罐體內(nèi)填充有數(shù)立方的樹(shù)脂，每次使用后都需要用稀酸稀堿液進(jìn)行再生。316L不銹鋼繞絲排水帽雖然具有良好的耐壓性能，但是長(zhǎng)期在酸堿條件下使用容易使焊口脫焊造成漏樹(shù)脂。而ABS塔形排水帽的耐壓性能比不上不銹鋼繞絲排水帽和ABS疊片式排水帽，綜合考慮下來(lái)。離子交換罐體內(nèi)的排水帽宜選用ABS疊片式排水帽，因?yàn)檫@種排水帽既耐酸堿，又兼顧了耐壓強(qiáng)度。

3.離子交換系統(tǒng)管道及閥門高度的設(shè)計(jì)。（1）管道材質(zhì)的確定。通常管道所用材質(zhì)有不銹鋼、PVC、PPR、PE、碳鋼襯塑等，由PVC、PPR、PE材質(zhì)制成的管道在50℃溫度條件下長(zhǎng)期使用容易變形，并且溫度高更容易發(fā)生化學(xué)物質(zhì)遷移，造成食品安全隱患，因此不適宜使用。碳鋼襯塑管需要廠家按圖紙定制，內(nèi)襯的壽命決定了管道的使用壽命，一旦使用過(guò)程中出現(xiàn)損壞，只能重新定制后才能更換，不利于快捷維修。不銹鋼則可以長(zhǎng)期在80℃以下使用，并且維修便捷。樹(shù)脂再生會(huì)用到稀酸、稀堿，管道直接與產(chǎn)品接觸，因此整體管道材質(zhì)須采用316L厚度1.5mm的不銹鋼管道。陽(yáng)離子樹(shù)脂再生要用到稀鹽酸，而長(zhǎng)年累月下來(lái)，稀鹽酸也會(huì)對(duì)不銹鋼材料產(chǎn)生腐蝕作用，罐體厚度為6mm但管道厚度只有1.5mm，管道會(huì)比罐體更容易出現(xiàn)腐蝕穿孔問(wèn)題。而陽(yáng)柱子排再生酸水的管道沒(méi)有直接接觸產(chǎn)品，所以可以采用C-PVC材質(zhì)，閥門采用法蘭對(duì)夾式蝶閥，蝶閥故障只須松開(kāi)4個(gè)螺栓就可快速更換，與不銹鋼管道部分用法蘭連接，可以大幅延長(zhǎng)整套管道的使用壽命，見(jiàn)圖2。

圖2：離子交換系統(tǒng)管道及閥門高度設(shè)計(jì)圖

（2）閥門操作高度的確定。按車間平均身高166.5cm進(jìn)行設(shè)計(jì)，伸手可以觸摸到的高度為210cm左右，因此，最低的閥門高度為40cm，彎腰俯身可以觸及，最高的手動(dòng)閥門高度為176cm，不用步梯也可以觸及進(jìn)行操作或維修。

（3）管道、閥門布置設(shè)計(jì)。管道敷設(shè)須遵循“橫平豎直”基本要求，設(shè)計(jì)時(shí)盡量少拐彎、少交叉，整體布置要求整齊、緊湊、美觀。管與管、管與閥、閥與閥之間須留有維修空間。另外，管道上的電導(dǎo)率計(jì)、壓力表的安裝高度要便于現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行觀察操作。

作者簡(jiǎn)介：梁呂保（1982-），男，廣東茂名人，助理工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)轸~(yú)膠原蛋白肽、魚(yú)明膠生產(chǎn)工藝。

楊莉莉（1985-），女，湖北大冶人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)轸~(yú)膠原蛋白肽、魚(yú)明膠生產(chǎn)工藝及其應(yīng)用。

唐彩珍（1986-），女，壯族，廣西南寧人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称芳庸ぜ案碑a(chǎn)物高值化應(yīng)用。

劉梓雯（1983-），女，漢族，廣東陽(yáng)江人，助理工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称芳庸づc安全。