果葡糖浆厂设计和生产

2008年第10期F-55高果葡糖浆厂设计和生产李纪亮(孝感学院生科院,湖北孝感432000)摘要:F-55高果葡糖浆是一种在饮料生产和食品加工中可以部分或全部取代蔗糖的淀粉糖。我们按照相关规范进行新建厂设计,采用科学的原料选取、模拟移动床连续分离工艺、新型薄板式四效浓缩蒸发,严格过滤、离子交换脱色、精准的复配操作工序,配置高效率的CIP清洗系统,分别设置原料、成品和分离工程车间,并通过及时的在线检测,使产品质量得到保证。关键词:高果葡糖浆,模拟移动床,四效浓缩蒸发,CIP清洗系统FactorydesignandproductionofF-55highfructosestarchsyrupLIJi-liang(BiologyScience&TechnologyCollegeofXiaoganUniversity,Xiaogan432000,China)Abstract:F-55highfructosestarchsyrupisalatesttypestarchsugar,whichcansubstitutewithcanesugarpartorwholeinthefieldofdrinkproductionandfoodprocess1Wecarriedoutnewfactorydesignaccordingtocorrelatedstandardandadoptserialtechnology,whichweresciencelyselectedrawmaterial,simulatedmovingbedcontinuousseparatetechnology,new-stylelamellarquadrupleeffectevaporator,filteredrigorously,hydroniumexchangedecoloring,precisedoubleequipmentmanipulateworkingprocedure,equippedwitheffectCIP(cleaninginplace)system1Furthermore,weinstalledworkshopsseparatingincludingrawmaterial,finishedproduct,separateengineeringplant,andguaranteetheproductqualityandquantitybymeansofonlinecheckupintime1Keywords:highfructosestarchsyrup;simulatedmovingbed;quadrupleeffectevaporator;cleaninginplace中图分类号:TS238文献标识码:B文章编号:1002-0306(2008)010-0170-04果葡糖浆简称HFCS,是一种新发展起来的淀粉糖品,因其糖分组成主要是果糖和葡萄糖,故称为果葡糖浆,一般将果糖含量为55%和90%的糖浆叫做高果葡糖浆(HFSS)。工业上生产果葡糖浆一般采用玉米或碎米淀粉为原料,经过双酶液化,糖化,变成葡萄糖溶液(也可用甜菜或菊芋直接制成),经脱色、树脂处理制成糖化液;采用固相异构酶进行异构化反应,得到果糖和葡萄糖的混合液,再经脱色,树脂处理,蒸发浓缩,得到42%的果葡糖浆;采用模拟移动床(simulatedmovingbed,SMB),并以含有Ca2+的离子交换树脂作为分离介质,经过SMB的分离操作后所得产物的果糖含量高达90%,亦即HFSS-90;将HFSS-90与从旁路过来的HFCS-42相混合,即可得HFSS-55,其甜度恰与蔗糖相当[1]。F-55高果葡糖浆具有蔗糖所不具备的优良性能:在口感上越冷越甜;在风味上具有不掩盖性;渗透性强;吸湿保潮性能好;食用后可被人体直接吸收且化学性能稳定。如美国的可口可乐、百事可乐及七喜等饮料都用高果葡糖浆代替蔗糖作为糖源[2]。1应按照GMP相关规定进行工厂设计[3]111厂区环境四周环境保持清洁,地面不得有严重积水、泥泞或污垢;空地上铺设混凝土、柏油或绿化,防尘土飞扬;排水系统应有一定斜度;围墙距离地面至少30cm以下部位用密封性材料。112厂房设施设备与设备、设备与墙之间应该有足够空间,分别设置产品仓库、原料仓库、材料仓库,并配置温度记录。厂房应坚固耐用,维持干净,便于清洗维修。厂房入口应有防鼠板、风幕及鞋底清洁设备,房门保持常闭。窗户应配置纱窗防虫。排风口需要配丝网防鼠,下水道同样要求。地面使用非吸收性、不透水、易清洗材料铺设。地面有适当排水斜度。天花板应使用防水材料构筑,墙面涂料应选用防霉抗菌、耐擦洗、耐老化、耐腐蚀、粘结力强的化学涂料。蒸汽、水、电等配管不得直接裸露在成品上空。厂房应依消防法令在适当地方设置急救材料和设备,同时配备紧急照明系统。制造用水应合饮用水标准,且不与物料接触的非饮用水管路系统要与制造用水管路完全分离,并标识区分,不得有逆流或相互交叉现象。提供洗手和干手设备及洗手液,水龙头用脚踩式或自动感应式,而非手接触式。113物料输送设备物料接触面应该平滑,其接触材料应满足食品容器材料要求,输送管路设计应无死角。其它机器设备在生产过程中应保持封闭状态,不得对外界敞开。114人员管理作业人员必须穿戴整洁工作衣帽及发网。工作前、如厕后应清洗手部,必要时消毒。直接接触物料人员不得蓄留指甲、涂指甲油或佩戴饰物。2工艺和设备设计211原料选择和上游处理生产F-55高果葡糖浆原料选择有三种:一是以玉米或碎米淀粉为原料;二是选购42%果葡糖浆作原料;三是直接购买工业级一水结晶葡萄糖进行异构。21111采用玉米或碎米淀粉为原料的上游处理2111111以玉米淀粉为原料的加工流程选料去杂→水洗浸泡→分离取胚→沉流淀粉具体制作工艺如下:选料去杂:选用干净、无霉烂、含水量小于14%的玉米作原料,用三层振荡筛振荡筛选,去掉尘土和杂质,使玉米粒的净度达到9815%以上。水洗浸泡:先用清水将玉米籽粒冲洗干净,再送入池中浸泡72h,浸泡水中加入适量的亚硫酸钠(约012%),促其软化。分离取胚:将泡软的玉米粒送入立磨中进行粉碎,使玉米胚和胚乳分离,再将胚乳送入卧磨粉碎成浆。沉流淀粉:将玉米胚浆及时送入流板沉淀4h,得到湿玉米淀粉。剩下的黄浆可作提取蛋白用。上述制作主要设备有:三层振荡筛,立式、卧式粉碎机。2111112以碎米淀粉为原料的加工流程单纯地以大米为原料来制取淀粉是不经济的。在稻谷加工中产生的碎米通常用作饲料,其经济价值比整粒米低1/3～1/2。但经过精选、研磨,可加工成所需要的淀粉,但碎米中的淀粉和蛋白质结合很紧密,用简单的水洗方法是不能将它们分离开来的。由于大米蛋白的营养价值高,并且是一种很好的植物蛋白质,对人体十分有益,它的氨基酸配比很适合人体保健需要。在用碎米制取淀粉的同时提取大米蛋白是一举两得的好办法。为使结合紧密的大米蛋白质与淀粉分离,采用大米蛋白质溶解的方法,一般用碱液进行处理。具体制作工艺如下:浸渍:先将碎米放入浸渍槽中,加入碎米用量5倍的013%～015%氢氧化钠(苛性钠)溶液,浸渍24h,使碎米软化和萃取蛋白质,浸渍温度常为50℃。然后排出碱液,用清水洗涤一次,再加入新碱液浸渍36～38h。磨浆:碎米经过浸渍处理之后,吸水膨胀,以用手指捏压即碎为度。用磨子或锤片粉碎机湿磨成浆,磨时不断加入适量的013%～015%的氢氧化钠溶液。分离:将米浆沉淀或送入离心机中分离,所得的湿淀粉再用清水多次漂洗干净。回收蛋白质:剩下的氢氧化钠浸渍液用酸或二氧化硫中和到蛋白质的pH等电点(pH614),经脱水和离心机分离处理后,可回收其中的蛋白质。上述制作主要设备有:磨子或锤片粉碎机,离心机,蛋白干燥设备。212液化添加Na2CO3溶液,将30%～40%淀粉乳的pH调到615,再向淀粉乳中添加三分之一量的液化酶,然后将其送去一次喷射液化。在一次喷射液化中,直接蒸汽使淀粉乳的温度迅速升高到110℃。大约015h后,进行二次喷射液化,在二次喷射液化中,直接蒸汽将水解液的温度迅速提升到135℃,补加三分之二量的液化酶,重新加入的液化酶在合适的温度下发挥出了强大的效力,水解液中的所有糖类分子因而都得以降解得比较彻底,每个分子中含有的葡萄糖单元数几乎都变成了10个以下。整个液化工段大约2h。上述液化工段主要设备有:酶制剂计量泵,液化喷射器,维持罐,闪蒸罐,板式冷凝器。213糖化加入盐酸将液化液pH调到415,通过板式换热器,使用冷却水降温糖化罐到45～50℃,然后添加复合糖化酶,糖化酶将会在72h左右完成液化液中糖类的最终水解过程,得到95DE,1～2cP粗的糖化液。上述液化工段主要设备有:糖化罐,pH调节罐。214真空转鼓过滤真空转鼓过滤主要是滤除水解液当中悬浮或沉积的不溶于水的杂质,连续旋转的转鼓以及预涂好的硅藻土助滤剂使得过滤操作的劳动强度减到了最低程度,且获得了最高的过滤速度。上述工序主要设备有:真空过滤机,滤液分离器,转鼓真空泵。215脱色、压力过滤我们往糖液中添加对有机杂质具有强吸附能力且本身不溶于水的粉末活性炭,然后利用压力过滤器将活性炭滤除的同时也就除去了糖液当中的有机杂质。上述工序主要设备有:活性炭罐,脱色罐,叶片过滤机,精密过滤机,废碳收集罐,板框过滤机。216离交工段糖液中的水不溶性杂质和有机杂质除去后,仍含有许多溶于水中的无机杂质,这些杂质在水中以阳离子和阴离子的形式存在,离子交换的目的就是除去这些水溶性的无机杂质,糖液中的阳离子与阳离子交换树脂上的H+发生交换,糖液中的阴离子与阴离子交换树脂上的OH-发生交换,最后交换入糖液中的H+和OH-结合成水,糖液中的无机杂质都变成了相应量的水得以除去。当离子交换树脂的交换能力下降的时候,分别利用酸和碱对阳离子交换树脂和阴离子交换树脂进行再生。上述离交工段主要设备有:糖浆罐,离子交换器,阴、阳离子交换柱。217葡萄糖异构化工段加入硫酸将混合糖溶液pH调到715～718。将异构化酶装于直立保温反应塔中,葡萄糖浆由柱顶进料,流经酶柱,发生异构化反应,由柱底部出料,连续操作。混合糖液进入装有固定化异构酶的异构柱,其中葡萄糖量的42%被异构成果糖,得到F-42果葡糖浆。进料糖浆工艺控制条件[2]:DX:>96;pH:715～718;DS:45%～50%;T=55～60℃;Ca2+<2mg/kg;Mg2+>45mg/kg;SO2:>100mg/kg;电导率:<20μs/cm;OD280<013(30%)。出料糖浆标准:pH714～716;F>42%。218再次离子交换经碳柱脱色后的糖液依次通过阳离子交换柱和阴离子交换柱,溶液中的阳离子和阴离子分别被除去,糖液中的无机杂质基本被去除。219蒸发浓缩工段纯净的糖浆进入蒸发工段进料罐中,用泵送到糖浆预热器,经Ⅳ效蒸发器、预热器、Ⅰ效蒸发器、Ⅱ效蒸发器,再经Ⅳ、Ⅲ效蒸发器蒸发后,由Ⅲ效蒸发器底部出料。检测合格进行罐装;检测不合格,返回蒸发进料罐。蒸发凝结水送污水处理场处理。在果葡糖浓缩工序中:通过三效浓缩将果葡糖液浓度由40%调整至60%;一部分即可成为F-42-72%果葡糖浆成品;另一部分通过离子吸附色谱,分离出果糖、葡萄糖;分离出的葡萄糖浆返回化糖系统。上述蒸发浓缩工段主要设备:四效降膜蒸发器。2110模拟移动床(SMB)色谱分离系统近年来,化工和食品工业的离子排斥系统较多采用模拟移动床。在食品工业中,它先成功应用于高果糖浆生产中,将葡萄糖和果糖分离,现已成为该行业的一种标准装备。SMB分离效率和生产能力高于固定床吸附设备,又避免了移动床吸附剂磨损、粉尘堵塞和沟流现象。SMB色谱分离系统参照移动床的工作原理,但树脂不移动,用6～10个(常为6个)树脂柱串联工作,物料和洗水分别从不同的柱进入,分离后的糖液和废液分别从它们之间的柱排出。它以逆流连续操作方式,通过变换固定床吸附设备的物料进出口位置,产生相当于吸附剂连续向下移动,而物料连续向上移动的效果[4～6]。由于果糖能与钙盐形成稳定的络合物,而其它组分不会形成此种络合物,于是,果糖通过SMB时的保留时间长,而葡萄糖则短,此系葡萄糖和果糖得以分离的机理。经过SMB的分离操作后所得产物的果糖含量高达90%,亦即HFSS-90。将HFSS-90与从旁路过来的HFCS-42相混合,即可得HFSS-55,其甜度恰与蔗糖相当。SMB连续色谱分离设备的特点:采用移动床连续色谱分离,树脂利用率高;基本实现葡萄糖与功能性低聚糖等其他杂糖之间的完全分离;生产过程全自动化,劳动强度低,设备占地少;生产成本低,分离每立方米葡萄糖母液,仅需要2～6m3水和少量电;生产过程中不使用任何化学品,没有任何污染产生。2111采购42%果葡糖浆作原料F-42果葡糖浆是国内生产和应用的主要品种,是用淀粉糖化成葡萄糖液再异构化制取的,虽然酶种不同或异构化工艺不同,但其生产技术基本要求相同。淀粉糖化成葡萄糖液的纯度必须达到95%～96%,并经除杂、脱色、净化交换,再蒸发到浓度40%～60%。还应注意葡萄糖液中的不溶性颗粒物,会污染固定化异构化酶,降低异构化的效率。总之,必须有高质量的葡萄糖液进行异构化,这一点十分重要[4]。2112采购工业级一水结晶葡萄糖作原料结晶葡萄糖依制造工艺的不同可分为一水葡萄糖(C6H12O6·H2O)和无水葡萄糖(C6H12O6)。一水结晶葡萄糖分为食品级葡萄糖和医药葡萄糖,食品级葡萄糖主要用于食品加工业及蔬菜保鲜行业,医药级一水葡萄糖主要做为口服医药的原(辅)料。一水结晶葡萄糖再继续加工可以制造无水葡萄糖,无水葡萄糖主要用于制造医药针剂和输液。对于美国的可口可乐、百事可乐及七喜等饮料公司,使用F-55高果葡糖浆,其产品规格和关键指标控制要求如表1。我们采表1F-55高果葡糖浆规格和控制指标[3]参量固形物(%)电导率(%)糖干基(%)色度(RBU)氯化物(mg/kg)乙醛(mg/kg)SO2(mg/kg)Fe(mg/kg)Cu(mg/kg)SiO2(mg/kg)Coca-Cola7710+015≤010355～58≤20≤50≤3≤80≤110≤110≤20GB≥7710≤010555～57≤50用工业级一水结晶葡萄糖作原料,从表1中可看出,对电导率、色泽、氯化物、二氧化硫、铁、铜、二氧化硅等指标含量很容易控制在可口可乐饮料公司规定的范围。特别是糠醛指标,如果是用玉米或碎米淀粉生产,或用42%果葡糖浆作原料生产,该指标很难达到要求。一水结晶葡萄糖,经固定化异构酶异构化获得F-42果葡糖浆,F-42果葡糖浆直接经色谱分离可以获得果糖占90%的F-90高果糖浆。将HFSS-90与从旁路过来的HFCS-42相混合,即可得HFSS-55。2113储存HFSS-55成品储存可分两种形式:一是用防光塑料桶包装,仓库不仅要干燥、通风好,而且室温必须控制在26～30℃的范围内;二是储存在带夹套和保温层的储罐中,温度同样控制在26～30℃的范围内。2114CIP清洗系统就地清洗系统(CleaningInPlace)是指设备(罐体、管道、泵等)及整个生产线在无须人工拆开或打开的前提下,在闭合的回路中进行循环清洗、消毒,以保证严格的卫生要求。该系统由酸、碱、热水、纯水罐、浓酸、浓碱罐及换热器组成。可根据清洗对象设定自动配置酸碱浓度,可选择不同的清洗流程、不同的清洗温度、清洗时间。就地清洗系统具有工作效率高,清洗效果可靠,损耗少等特点,操作过程均在密闭的管路内进行,卫生要求高,操作方便,降低了工人的劳动强度。211411全自动控制清洗液浓度,浓酸浓碱的添加,清洗液温度,清洗效果检测,清洗时间等均采用PLC程序自动控制。211412半自动控制温度自动控制,浓度,浓酸,浓碱的添加,清洗效果检测,清洗时间等均采用人工控制。211413手动控制清洗液浓度,浓酸浓碱的添加,清洗液温度,清洗效果检测,清洗时间等均采用人工控制。3物料恒算和平面布置图根据F-90高果葡糖浆生产工艺框图及物料恒算,如按照年产10000tF-90(浓度82°Bx)高果葡糖浆计算,需处理F-42(浓度71°Bx)果葡糖浆24748t,计算按年实际工作天数(不包含设备检修与再生)260d,每小时计算工作流量为24748/260×24=31966t/h,折合成具体产品年产HFSS-90为4384t,HFSS-55为17017t。图1年产2万tF-55高果葡糖浆总平面布置图4化验室化验室承担对生产用水、F-55高果葡糖浆生产过程的理化检测及在线诊断等任务。为此,产区应设置样品记录室、品质室、微生物检测室、理化检测室、空桶、空罐检测室、新产品试制室[7]。化验室主要设备有:密度仪,折光仪,液相色谱,分光光度计,pH计,气相色谱,微生物测试设备。5污水处理本项目废水主要来源:淀粉车间蛋白分离浓缩工艺水进竖流沉淀池循环利用后多余的排水,淀粉浆蒸发冷凝水,淀粉糖蒸发冷凝水,锅炉排污水及生活污水等。511废水污染控制目标[8]作好本项目的废水治理及排水方案论证,提出合理可行的方案作为设计依据,使项目实施后实现“污污分治”、“清污分流”;并遵照“一水多用,节约用水”的原则,确保本项目废水达标排放。512化学水处理系统[8]锅炉补给水处理系统为高效过滤器加一级除盐系统,工艺流程为:生水→高效机械过滤器→阳床→除二氧化碳器→中间水箱→中间水泵→阴床→除盐水箱→除盐水泵→主厂