連續離子交換技術在淀粉糖生產中的應用

王靜 儲健

（天津職業技術師范大學 自動化與電氣學院，天津 300222）

引言

玉米淀粉通過酸或酶水解生產的各種糖，統稱為淀粉糖。常見產品有F42/F55 果葡糖漿、麥芽糖等。近年來因淀粉糖的應用越來越廣泛，國家力推淀粉糖，伴隨著淀粉糖行業技術的不斷革新，生產成本大幅下降，成為食糖市場的重要部分，在我國國民經濟發展中起到了非常重要的作用。

在淀粉糖的制作過程中，最關鍵的是脫鹽、脫色、去雜質。這些雜質與產品的甜度、黏度、吸潮性有著密切的關系，所以產品的精制極其重要。長期以來，我國采用的分離方法是間歇式離子交換技術，此法采用固定床實現，在交換過程中，當活性區處于工作狀態時，另兩個區便處于閑置狀態，導致樹脂的利用率極低。并且操作麻煩、不易控制樹脂再生時間、浪費原料，產品質量也極其不穩定。[2]

為了改善這些傳統技術上的問題，本文采用了連續離子交換技術，它是一種新型的生產技術。它完善了傳統方法中的工序，優化了設備的操作，提高了人員的利用率，而且在保證純度和濃度的基礎上，很大程度地減少了原材料、化學用品、生產用水的損耗及生產中廢水的排放量，較傳統離子交換技術能更好地分離、提純有效成分。[3]

一、連續離子交換技術原理

離子交換技術，其基本原理是置換反應，根據不同離子的活潑性選用不同的樹脂。當需要去除原料中各種無機鹽電離產生的陰離子（CO32-、SO32-、NO3-等非金屬離子）時，將糖漿以及化學用品注入到陰樹脂罐中；去除陽離子（Ca2+、Mg2+、Na+等金屬離子)時，注入到陽樹脂罐中。樹脂上的H+和OH-與陰陽離子發生置換反應，生成水分子，從而達到去除雜質的目的。[4]

隨著離子交換反應的不斷進行，罐內樹脂上的H+和OH-隨之減少，陰陽柱慢慢失效，此刻，我們就需要將樹脂再生。再生就是將強酸和強堿注入到陰陽樹脂罐中，當這些液體流經陰陽樹脂時，樹脂便逐漸恢復原有的置換能力。

連續離交相對于傳統工藝的離子交換系統，每步操作更加細化，將各步驟整合起來，實現了連續運行，不必為了再生停止運行，有利于產品質量的穩定控制，更為后續擴產提供了方便，節省了改造投資資金。

二、在淀粉糖生產中的應用

（一）工藝流程

連續離子交換(ISEP)技術是一種新型的、連續式的分離技術，主要功能是提純、分離雜質。為了增大淀粉糖生產產量，提高淀粉糖去除雜質的技術經濟水平，本文針對淀粉糖生產中的提純進行連續離子交換法除雜的研究。連續離子交換法除雜的工藝流程如圖2.1 所示。[5]

淀粉糖行業常用的連續離子交換及色譜分離系統應用均采用轉盤式系統，下面將詳細介紹連續離子交換裝置的結構組成。ISEP 系統主要由20個圓形樹脂樁、一個轉盤、分配閥和控制驅動四大部分組成。[6]

這20 個小的樹脂柱呈環形排列在轉盤上，通過PLC 程序控制驅動轉盤運行，樹脂樁隨之轉動。在轉盤中心有一個分配閥，共有兩個端口，一端固定與材料管連接，它的作用是與運料管吻合；另一端是活動的，可以旋轉，將這端與各個樹脂柱連接。當轉盤向前運轉時，樹脂柱便會接到固定端的凹槽上。為了簡化操作，將樹脂樁劃分為幾個功能不同的區域，在設備生產時，不同用途的液體流經樹樁，各司其職，執行相應的程序。當樹脂柱旋轉一周后，每個樹脂柱都執行了一次吸附、再生及洗滌等程序，完成了一次離子交換過程。[7]

連續離子交換技術省去了一些繁瑣的工序，把各個工藝統一在一起，使其能循環運行、不需阻斷正常運行、提高了樹脂的利用率，大大節省了時間。該法采用的也是常見的吸附劑，但比傳統技術更穩定、持續、高效、便捷。可以將雜質過多的物料進行精細的處理，進一步保證了產品的有效成分和純度。此外，離子交換樹脂的用量及再生劑和各種原料的消耗量也顯著減少。

（二）實例應用

在淀粉糖的生產過程中，因存在大量雜質無機鹽離子、金屬離子，嚴重影響產品的質量。為了去除這些離子，如今大部分工廠均選用連續離子交換系統。在生產工藝中采用兩臺ISEP裝置，串聯運行，兩裝置分別裝載陽、陰離子交換樹脂如上圖2.2.1 所示。工作流程如下:

圖2.2.1 連續離子交換系統人機界面

1.吸附。通過加壓泵將糖液注入到陽樹脂罐中，接著進入到陰樹脂罐，將流出的糖液進行加壓泵加壓，最后再返回陽樹脂罐，糖液即完成除雜與精制。[8]

2.水洗。將需進行再生的樹脂柱中的糖液頂出，置換出來的糖液進入給料管；

3.再生。將強酸強堿溶液通入陽陰樹脂罐中，對失效的樹脂進行再生；

4.沖洗。將流動水通入樹脂罐，反復沖洗去除殘留的稀鹽酸和稀堿。

系統充分發揮了WINCC 的強大功能，畫面具有直觀性和易懂性，有利于操作人員理解工藝流程，掌握生產過程，同時在操作畫面中加入了反饋與報警提示，可以及時有效對警戒情況有效監督。

如上圖2.2.2 所示為多單元連續離子交換系統結合國內外的先進節水技術，采用了脫糖與再生串聯的方法。通過對樹脂樁的改進將整個離交系統分成20 個小的工藝單元。將20 個樹脂柱分成吸附、水洗、再生、沖洗等功能區，改變了傳統固定床的生產工序，將時間問題巧妙地轉化為空間問題。當樹脂單元到達指定區域時，通過自動化程序操作，便執行相應的工藝過程，每個過程可以認為是獨立執行的。通過此技術生產周期大幅縮短，輕松且方便地實現了離子交換系統的各種優化操作。[9]

圖2.2.2 連續離交20 柱

三、結論

區別于傳統的間歇式離子交換技術，連續離子交換技術(ISEP)有很大的創新點，改進了工藝運行模式，將樹脂樁聯合起來，解決了很多問題。通過連續離子交換技術得到的產品質量更加穩定，消耗的費用也更低，系統簡化便于操作，減少了污水的排放量，使得該技術受到很大的歡迎和支持，更加符合當代社會的綠色理念。[10]

因此，連續離子交換技術(ISEP)的應用不論是從工藝流程、生態環保，還是社會價值方面，都是一次重大的，十分有意義的改革。