葡萄糖酸內(nèi)酯連續(xù)離心分離設(shè)備的研制與應(yīng)用

崔光水　李貴伶　蘇學(xué)勤　胡宗智　王蒙　張偉

摘 要：本文介紹了根據(jù)葡萄糖酸內(nèi)酯結(jié)晶溶液特點(diǎn)，選擇適合其固液分離的連續(xù)式離心機(jī)，研制出連續(xù)進(jìn)出料，用水和酒精兩種洗滌劑同時(shí)洗滌且兩種洗滌液分開，具有防爆功能的新型臥式螺旋離心機(jī)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：機(jī)體內(nèi)設(shè)置水洗區(qū)和酒洗區(qū)；在螺旋體外緣增設(shè)導(dǎo)流槽，液體流通道內(nèi)設(shè)置隔板，水洗液與酒洗液分開；機(jī)體內(nèi)安裝氮?dú)夤茏鳛榉辣b置。加長(zhǎng)轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)度、提高轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、調(diào)整螺距與速比差，增加物料在轉(zhuǎn)鼓中滯留時(shí)間。該設(shè)備經(jīng)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用：運(yùn)行平穩(wěn)、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)成本低、勞動(dòng)效率高、應(yīng)用效果明顯。推廣前景廣闊。

關(guān)鍵詞：臥式螺旋離心機(jī)；洗滌劑；葡萄糖酸內(nèi)酯；轉(zhuǎn)鼓

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.270

1 研制背景

葡萄糖酸內(nèi)酯作為食品添加劑主要用作酸味劑、膨松劑、整合劑，廣泛用于食品、日用化工、醫(yī)藥、化妝品、塑料和樹脂改性、電鍍拋光、金屬清洗加工合成方面、作為穩(wěn)定性和凝固劑用于生產(chǎn)香腸、魚縻劑、豆腐[1] 。生產(chǎn)方法是以葡萄糖酸鈉為原料經(jīng)配料、離子交換、蒸發(fā)、結(jié)晶、離心分離、烘干包裝等工序加工而成。其中，在葡萄糖酸內(nèi)酯結(jié)晶溶液的離心分離工序，采用離心分離設(shè)備將葡萄糖酸內(nèi)酯溶液進(jìn)行固液分離后，用純凈水洗去晶體表面的母液，再用食用無(wú)水酒精洗去晶體表面的水不溶物。分離出的晶體進(jìn)入烘干機(jī)除去水分與揮發(fā)分經(jīng)檢測(cè)合格包裝入庫(kù)，水洗后的母液進(jìn)入儲(chǔ)罐收集后，再次進(jìn)入蒸發(fā)工序，而無(wú)水酒精洗滌后的母液?jiǎn)为?dú)收集處理。

目前國(guó)內(nèi)用于物料分離的設(shè)備按操作方式分為間歇式離心機(jī)和連續(xù)式離心機(jī)[2]，采用間歇式離心機(jī)分離葡萄糖酸內(nèi)酯結(jié)晶溶液時(shí)，能夠滿足上述用水和無(wú)水酒精分別洗滌葡萄糖酸內(nèi)酯晶體的要求，同時(shí)滿足兩種母液分開儲(chǔ)存的要求，但采用間歇式離心機(jī)物料處理量小；人工操作勞動(dòng)量大；設(shè)備數(shù)量多占地面積大；人工用量多費(fèi)用高；同時(shí)很難保證食品衛(wèi)生。因此，在葡萄糖酸內(nèi)酯固液分離時(shí)選用連續(xù)式離心機(jī)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料連續(xù)出料同時(shí)進(jìn)行水和無(wú)水酒精洗滌的自動(dòng)化程度高的連續(xù)離心機(jī)非常必要。然而，目前國(guó)內(nèi)離心機(jī)的生產(chǎn)企業(yè)中，能夠滿足兩種不同洗滌劑同時(shí)洗滌，流出的兩種母液分開儲(chǔ)存的連續(xù)式離心機(jī)尚未開發(fā)，而且，用無(wú)水酒精洗滌時(shí)，酒精在高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)體腔內(nèi)易揮發(fā)，酒精濃度高，設(shè)備防爆裝置是必須考慮的。在此背景下研究開發(fā)滿足葡萄糖酸內(nèi)酯結(jié)晶溶液固液分離的連續(xù)式離心機(jī)是有重要的現(xiàn)實(shí)意義的。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 物料特性分析

葡萄糖酸內(nèi)酯為白色結(jié)晶或結(jié)晶性粉末，幾乎無(wú)臭，味先甜后酸（與葡萄糖酸的味道不同）。易溶于水（60g/100mL），稍溶于乙醇（1g/100mL），幾乎不溶于乙醚，在水中水解為葡萄糖酸及其δ-內(nèi)酯和r-內(nèi)醋的平衡混合物。1%水溶液pH等于3.5，2h后變?yōu)閜H2.5[3]。

葡萄糖酸內(nèi)酯結(jié)晶溶液固形物含量在 90--106%（w/w）；固液比55-65%；比重： ≤1.5t/m3；晶體粒度：0.42—1.1 ㎜占60%；離心機(jī)進(jìn)料溫度≤50℃時(shí)，其溶液粘度3000—3500cp；離心分離后的濕晶體水分≤2.5%。

2.2 現(xiàn)有離心機(jī)結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 間歇式離心機(jī)

根據(jù)以上物料特性分析，滿足分離葡萄糖酸內(nèi)酯結(jié)晶溶液的分離設(shè)備按結(jié)構(gòu)可選用間歇式離心機(jī)，如三足式離心機(jī)、上懸式離心機(jī)、刮刀卸料式離心機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)：

⑴ 對(duì)物料適應(yīng)性強(qiáng)，可用于固液分離、成品脫液、濾餅洗滌。

⑵ 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、安裝、維修、使用成本低。

⑶ 運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)密閉和防爆。

缺點(diǎn)：卸料要停車，效率低。

因此，間歇式離心機(jī)不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料連續(xù)出料，自動(dòng)化程度低；連續(xù)式離心機(jī)，如活塞卸料式離心機(jī)、活塞卸料式離心機(jī)、離心卸料式離心機(jī)、振動(dòng)卸料式離心機(jī)、臥式螺旋式離心機(jī)、進(jìn)動(dòng)卸料式離心機(jī)都能實(shí)現(xiàn)連續(xù)加料、分離、洗滌、卸料各道工序在同一時(shí)間內(nèi)完成。但滿足兩種不同洗滌劑同時(shí)洗滌且母液分開，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例，只能根據(jù)連續(xù)式離心機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn)加以改進(jìn)。

2.2.2 連續(xù)式離心機(jī)

連續(xù)式離心機(jī)如離心卸料式離心機(jī)、振動(dòng)卸料式離心機(jī)、臥式螺旋篩網(wǎng)式離心機(jī)、進(jìn)動(dòng)卸料式離心機(jī)。加料、分離、卸料各道工序在同一時(shí)間內(nèi)完成。臥式螺旋離心機(jī)構(gòu)造特點(diǎn)是：它由兩部分組成：一部分是轉(zhuǎn)鼓，另一部分是螺旋輸送器。螺旋在轉(zhuǎn)鼓里面，且兩者同軸，轉(zhuǎn)鼓與螺旋之間有 1.2---2mm的間隙。工作原理：轉(zhuǎn)鼓與螺旋轉(zhuǎn)向相同，螺旋轉(zhuǎn)速比轉(zhuǎn)鼓略高或略低， 轉(zhuǎn)速差由差速器調(diào)節(jié)。當(dāng)要分離的懸浮液進(jìn)入離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓后，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力把比液相密度大的固相顆粒沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，由于螺旋和轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速不同，二者存在有相對(duì)運(yùn)動(dòng)（即轉(zhuǎn)速差），利用螺旋和轉(zhuǎn)鼓的相對(duì)運(yùn)動(dòng)把沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁的固相推向轉(zhuǎn)鼓小端出口處排出，分離后的清液從離心機(jī)另一端排出。差速器（齒輪箱）的作用是使轉(zhuǎn)鼓和螺旋之間形成一定的轉(zhuǎn)速差。當(dāng)漿液由供料端進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓中，泥漿液隨同轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)，這時(shí)固體顆粒在離心力的作用下便沉降到轉(zhuǎn)鼓的篩網(wǎng)上，在螺旋輸送器的作用下，將沉降到轉(zhuǎn)鼓壁上的固體顆粒排出。這樣就實(shí)現(xiàn)了固—液兩相的分離。而分離出來(lái)的液體經(jīng)導(dǎo)流槽匯集到出料口進(jìn)入物料儲(chǔ)罐。其構(gòu)造如圖1示。

2.3 分析結(jié)論與需要解決的問(wèn)題

根據(jù)上述物料特性和離心機(jī)的工作原理與構(gòu)造特點(diǎn)，結(jié)論是：臥式螺旋離心機(jī)最適合葡萄糖酸內(nèi)酯溶液的分離要求。需要解決的問(wèn)題是： 連續(xù)進(jìn)料、兩種洗滌劑水和無(wú)水酒精同時(shí)進(jìn)行洗滌；母液分開；設(shè)備防爆問(wèn)題。另外，葡萄糖酸內(nèi)酯結(jié)晶溶液粘度大，分離困難；結(jié)晶顆粒在轉(zhuǎn)鼓與螺旋之間卸出時(shí)不被破壞，都應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)得到解決。

3 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)普通臥式螺旋離心機(jī)構(gòu)造（改造前）特點(diǎn)（構(gòu)造見圖1）與

工作原理，實(shí)現(xiàn)葡萄糖酸內(nèi)酯結(jié)晶溶液分離工藝要求，解決問(wèn)題的計(jì)方案是：在螺旋錐筒上設(shè)計(jì)水洗區(qū)與酒洗區(qū)；在液體流出通道內(nèi)設(shè)置隔板；在離心機(jī)腔體內(nèi)設(shè)置氮?dú)夤堋Ｕ{(diào)整螺距和減小速比使物料在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)停留的時(shí)間越長(zhǎng)。臥式螺旋離心機(jī)改造后結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 在螺旋錐筒上設(shè)計(jì)水洗區(qū)與酒洗區(qū)

在離心機(jī)殼上部裝有水洗管、酒洗管直接伸入離心機(jī)腔內(nèi)的螺旋導(dǎo)料錐筒側(cè)部，螺旋導(dǎo)料錐筒內(nèi)側(cè)前部設(shè)兩個(gè)水洗管，后側(cè)部設(shè)一個(gè)酒洗管。物料管直接進(jìn)入螺旋導(dǎo)料錐筒內(nèi)側(cè)中心。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了物料甩干、晶體水洗去除母液、酒洗去除水不溶物的連續(xù)進(jìn)料洗滌的設(shè)計(jì)要求。

其工藝過(guò)程及原理是：葡萄糖酸內(nèi)酯結(jié)晶溶液通過(guò)螺旋導(dǎo)料錐筒內(nèi)側(cè)中心進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)側(cè)篩網(wǎng)上，轉(zhuǎn)鼓與螺旋同向轉(zhuǎn)動(dòng)，高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力使粘度3500cp左右的葡萄糖酸內(nèi)酯結(jié)晶溶液進(jìn)行固液分離，洗滌進(jìn)入液體流出通道，晶體留在篩網(wǎng)內(nèi)側(cè)，由于螺旋和轉(zhuǎn)鼓在差速器的作用下形成一定的轉(zhuǎn)速差，將晶體推向后面的水洗區(qū)與酒洗區(qū)，經(jīng)洗滌后晶體甩出轉(zhuǎn)鼓進(jìn)入下料口。這樣連續(xù)進(jìn)料、水洗、酒洗同時(shí)進(jìn)行的工藝要求得以實(shí)現(xiàn)。

3.2 在螺旋體外緣增設(shè)導(dǎo)流槽液體流通道內(nèi)設(shè)置隔板

如圖2所示，在轉(zhuǎn)鼓外腔設(shè)置一圈隔板，將固液分離后的液體和水洗液匯集一起經(jīng)隔板隔離進(jìn)入母液通道單獨(dú)收集；而酒洗后的液體經(jīng)隔板隔離單獨(dú)收集，這樣兩種洗滌劑的母液就實(shí)現(xiàn)單獨(dú)收集儲(chǔ)存。

3.3 離心機(jī)腔內(nèi)安裝防爆管--氮?dú)夤?/p>

當(dāng)葡萄糖酸內(nèi)酯結(jié)晶溶液經(jīng)固液分離后，晶體推進(jìn)到水洗區(qū)，經(jīng)水洗后的晶體進(jìn)入酒洗區(qū)，晶體含有部分水份無(wú)水酒精洗滌后，部分酒精在離心機(jī)腔內(nèi)揮發(fā)，使離心機(jī)腔內(nèi)酒精氣體濃度增大易造成爆炸隱患，設(shè)置惰性氣體防爆管--氮?dú)夤埽ㄈ氲獨(dú)夂螅耆凭珰獗[患。

3.4 設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整

通過(guò)對(duì)普通臥式螺旋離心機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行上述改造后，解決了連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)水洗酒洗、水洗液與酒洗液分開、設(shè)備防爆問(wèn)題。但由于葡萄糖酸內(nèi)酯結(jié)晶溶液粘度大，分離困難，同時(shí)要求離心分離后的萄糖酸內(nèi)酯晶體不被破壞，因此，對(duì)普通臥式螺旋離心機(jī)的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整參數(shù)如下：

3.4.1 提高離心機(jī)轉(zhuǎn)速

普通臥式螺旋離心機(jī)轉(zhuǎn)速一般在2600轉(zhuǎn)/分，調(diào)整到2800轉(zhuǎn)/分；由于轉(zhuǎn)速調(diào)高，臥式螺旋離心機(jī)的離心力增大，在萄糖酸內(nèi)酯結(jié)晶溶液粘度大的情況下也能快速進(jìn)行固液分離。

3.4.2 調(diào)整螺距和減小速比差增加物料在篩中滯留時(shí)間

通過(guò)調(diào)整螺距和減小速比使物料在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)停留的時(shí)間越長(zhǎng)，固液分離時(shí)間加長(zhǎng)，排出晶體慢，晶體水份減小。

3.4.3 適當(dāng)提高轉(zhuǎn)鼓與螺旋之間的間隙

根據(jù)萄糖酸內(nèi)酯結(jié)晶溶液中晶體顆粒大小，在普通臥式螺旋離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓與螺旋之間1--1.2mm的正常間隙調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，調(diào)整到1-- 2mm區(qū)間范圍，解決和防止萄糖酸內(nèi)酯晶體的晶型受到破壞。

4 應(yīng)用效果

按照上述設(shè)計(jì)方案研制的臥式螺旋離心機(jī)，經(jīng)在工廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，與傳統(tǒng)的間歇離心機(jī)相比：運(yùn)行平穩(wěn)、檢修率低、安全可靠；同時(shí)具有自動(dòng)化程度高、節(jié)省人工、產(chǎn)品質(zhì)量好、 生產(chǎn)成本低的效果。具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王博彥，金其榮等.發(fā)酵有機(jī)酸生產(chǎn)與應(yīng)用手冊(cè)[M].中國(guó)輕工業(yè)出版社，2000（09）：503-523.

基金項(xiàng)目：山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 （2014YD2121）

作者簡(jiǎn)介：崔光水（1964-），男，山東日照人，工程師，主要從事：生物化工技術(shù)與新產(chǎn)品開發(fā)。