膜技術(shù)回收馬鈴薯淀粉廢水中蛋白質(zhì)的中試研究
2014-05-14 18:33:27
admin
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據(jù)中國食品科技網(wǎng)2009年3月26日訊 淀粉在食品與發(fā)酵領(lǐng)域中有非常廣泛的用途，馬鈴薯是生產(chǎn)淀粉的主要原料，在生產(chǎn)工藝中需要大量的水，經(jīng)過分離淀粉后將產(chǎn)生大量的廢水，而廢水中會溶解馬鈴薯中的有機物和無機物，使廢水中的化學(xué)需氧量（COD）可達(dá)10000mg/L以上，將會導(dǎo)致大面積的污染。
由于中國淀粉生產(chǎn)工藝相對落后，資源的利用率較低，淀粉生產(chǎn)過程中大量的植物蛋白未加利用而隨生產(chǎn)廢水排放，這不僅影響了環(huán)境，同時還造成了大量的浪費。而馬鈴薯蛋白是一種極其優(yōu)良的飼料添加劑，它的營養(yǎng)價值高于大豆蛋白。因此回收馬鈴薯淀粉廢水中的蛋白既可充分利用廢棄資源，又能改善環(huán)境污染。目前國內(nèi)采用膜技術(shù)回收馬鈴薯淀粉廢水中蛋白質(zhì)研究很少，只發(fā)現(xiàn)少數(shù)實驗室的研究報道。
本課題采用超濾膜對馬鈴薯淀粉廢水進(jìn)行了回收蛋白質(zhì)的中試實驗，研究了超濾膜在回收工藝中的溫度、壓力、流速、濃度與通量之間的關(guān)系，同時也研究了超濾膜在回收工藝中的溫度、壓力、流速、濃度與蛋白質(zhì)截留率之間的關(guān)系。結(jié)果表明，超濾膜對馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢水中的蛋白質(zhì)的截留率大于90%，COD 的截留率大于50%，清洗效果好。
1 材料與設(shè)備
1.1 設(shè)備
中試設(shè)備采用的是平板超濾膜設(shè)備，膜面積為1m2，膜材料為PE，超濾膜相對切割分子量為20KD。
1.2 原水來源
試驗場地為甘肅省西市某淀粉生產(chǎn)廠，廢水取自該廠淀粉生產(chǎn)工藝中濃縮分離旋流器溢流水，原水水質(zhì)情況如表1。
由實驗數(shù)據(jù)可以看出，原水水質(zhì)波動非常大，給預(yù)處理增加了難度。
1.3 數(shù)據(jù)分析
原液、濃縮液及透過液由蘭州交通大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院分析測試中心檢測。
1.4 工藝流程路線
1.5 超濾工藝流程
當(dāng)超濾膜設(shè)備工作時，打開進(jìn)料閥門開大調(diào)壓閥門，然后開啟供水泵，此時可以通過調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門調(diào)進(jìn)水流量，進(jìn)行流量與膜通量關(guān)系的試驗。通過調(diào)節(jié)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)操作壓力，進(jìn)行操作壓力與膜通量關(guān)系的試驗研究。通過熱交換器調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行溫度，進(jìn)行溫度與通量關(guān)系的試驗研究。
1.6 系統(tǒng)運行過程
中試試驗過程中，原水在循環(huán)泵的作用下平行流過平板式超濾膜表面，根據(jù)錯流過濾原理，平板式超濾膜將原水分離為濃縮液和透過液。透過液通過平板式超濾膜，由透過液出口流出。濃縮液流過平板膜表面進(jìn)行循環(huán)，同時也以較高的流速沖刷膜表面，控制超濾膜面的污染及濃差極化現(xiàn)象，當(dāng)原水被濃縮到一定的倍數(shù)時送到后續(xù)工藝進(jìn)行干燥處理。
1.7 系統(tǒng)運行條件
pH：3～9
溫度（℃）： 5～50
切割分子量： 2萬
膜面積： 1m2
工作壓力： 0～0.4MPa
2 結(jié)果討論
2.1 廢水的預(yù)處理
由于廢水中固形物含量較高，容易堵塞超濾膜。為了防止超濾膜的污染，我們分別采用1μm的袋式過濾器與澄清分離進(jìn)行了預(yù)處理試驗對比。
從分析測試結(jié)果可以看出，采用澄清分離法比過袋式過濾器的結(jié)果要好。其一是蛋白質(zhì)含量沒有減少，經(jīng)袋式過濾器后蛋白質(zhì)有損失。其二是澄清分離去除溶解性總固和濁度都優(yōu)于袋式過濾器，SS的去除效果基本相同。因此在試驗中我們選用了沉淀澄清分離進(jìn)行膜前預(yù)處理。
2.2 超濾膜孔徑大小的選擇
表3是采用不同孔徑大小的超濾膜在同一運行條件下進(jìn)行取樣分析測試數(shù)據(jù)，根據(jù)表中數(shù)據(jù)分析，采用相對切割分子量為2萬的超濾膜進(jìn)行試驗較為合理。因此在中試中我們選用了相對切割分子量為2萬的超濾膜對廢水中蛋白質(zhì)進(jìn)行回收試驗。
2.3 工作壓力與蛋白質(zhì)截留率和膜通量之間的關(guān)系
實驗操作溫度控制在25℃，進(jìn)料流速控制在160L/min的條件下進(jìn)行的工作壓力與蛋白質(zhì)截留率和膜通量之間關(guān)系的試驗。從實驗數(shù)據(jù)中可以看出，隨著工作壓力的升高，膜通量從110L/h上升到320L/h，說明膜通量隨壓力有一定的變化。壓力與膜通量變化比較明顯的階段在0.05～0.2MPa之間，當(dāng)工作壓力超過0.2MPa之后，膜通量的變化并不大，此時說明壓力在0.05～0.2MPa之間時對膜通量的影響較大，再升工作壓力高操作壓力時對膜通量影響就不大了。隨著工作壓力的升高超濾膜對蛋白質(zhì)的截留率有所下降，但是下降的幅度并不大，在0.2MPa以下時對蛋白質(zhì)的截留率基本沒有發(fā)生變化，超過0.2MPa以后截留率有相對明顯的變化，當(dāng)壓力超過0.35MPa時，超濾膜對蛋白質(zhì)量截留率已經(jīng)降低到90%以下。對COD的截留率基本在56%左右。對實驗數(shù)據(jù)的結(jié)果進(jìn)行分析，我們認(rèn)為采用0.2MPa的工作壓力較為合理。
2.4 進(jìn)料液流量與膜通量的關(guān)系
控制水溫在25℃，操作壓力在0.2MPa的運行條件下進(jìn)行了進(jìn)口流量與膜通量關(guān)系的試驗。從實驗數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)進(jìn)口流量不斷加大時，超濾膜的通量也在不斷升高，當(dāng)進(jìn)口流量超過去160L/min之后，膜通量也就不再升高了，這說明當(dāng)進(jìn)口流量超過160L/min后以加大流量提高膜通量已經(jīng)沒有任何意義了。因此，進(jìn)口流量選擇160L/min較為合適。
2.5 運行溫度對膜通量的影響
控制操作壓力在0.2MPa，進(jìn)料流速為160L/min，不同溫度條件下考察膜通量與截留率的關(guān)系。從實驗數(shù)據(jù)中可以看出溫度對膜通量和截留率都有一定的影響，膜通量隨著溫度的升高，通量不斷增加，截留率不斷下降，但是在20～25℃之間時膜通量與截留率較為合理，因為過此點后膜通量上升減慢而截留率下降卻加快。
2.6 超濾膜連續(xù)運行膜通量隨時間的變化
在壓力保持0.2MPa不變，溫度保持在25℃不變，膜進(jìn)口流量保持在160L/min不變時考察膜通量與時間的關(guān)系，運行方式采用的是錯流式過濾方式。從實驗數(shù)據(jù)中可以看出設(shè)備運行相當(dāng)穩(wěn)定，經(jīng)過15h運行時，膜通量才有明顯下降。當(dāng)膜通量下降明顯時說明超濾膜已經(jīng)被污染，此時必需進(jìn)行化學(xué)清洗。從實驗數(shù)據(jù)中可以看到，經(jīng)過化學(xué)清洗后膜通量恢復(fù)很好，這說明清洗方法正確。在長期運行的狀態(tài)下，每隔一段時間就會出現(xiàn)膜通量下降的現(xiàn)象，所以每隔一段時間都要進(jìn)行一次化學(xué)清洗以保證設(shè)備長期穩(wěn)定的運行。
2.7 超濾膜對廢水中蛋白質(zhì)的濃縮試驗
對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出這樣一個結(jié)論，隨著超濾濃縮馬鈴薯廢水倍數(shù)的增加，蛋白質(zhì)的濃縮倍數(shù)和蛋白質(zhì)含量也在不斷升高，蛋白質(zhì)的濃縮倍數(shù)與含量的升高與廢水的濃縮倍數(shù)呈直線關(guān)系，可以看出，蛋白質(zhì)的濃縮倍數(shù)與含量的增加與濃縮倍數(shù)成正比關(guān)系。當(dāng)超濾濃縮馬鈴薯廢水的倍數(shù)達(dá)到20倍。蛋白質(zhì)的含量已達(dá)到3%左右，從而有效地實現(xiàn)了濃縮馬鈴薯淀粉生產(chǎn)工藝廢水中的收蛋白質(zhì)，可以有效進(jìn)行回收利用。
2.8 超濾膜污染的清洗試驗
由于馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢水中含有大量的有機物，超濾膜在運行一段時間后由于膜孔徑的堵塞和吸附作用造成了膜的污染，如果不進(jìn)行化學(xué)清洗繼續(xù)運行會造成膜不可逆損害。因此必需進(jìn)行化學(xué)清洗才能保證超濾的正常運行。根據(jù)料液的特性我們選擇了先用0.02mol/L的NaOH進(jìn)行循環(huán)運行清洗，清洗時間5min，再用純凈水沖洗10min。清洗效果從實驗數(shù)據(jù)中可以看到，膜通量恢復(fù)率達(dá)到95%。說明采用此清洗方法清洗效果是較好的，清洗恢復(fù)率較高。
3 結(jié)論
（1）采用平板式超濾膜回收馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢水中的蛋白質(zhì)技術(shù)上是可行的，蛋白質(zhì)截留率高，濃縮效果明顯，經(jīng)平板式超濾膜濃縮可將廢水中的馬鈴薯蛋白質(zhì)濃縮至半固形物狀態(tài)，非常有利于冷凍或烘干干燥。
（2）采用平板式超濾膜系統(tǒng)回收馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢水中的蛋白質(zhì)具有運行溫度低、生產(chǎn)效率高、可實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點。
（3）污染后的平板式超濾膜的清洗方法簡單，清洗效果較好，通量恢復(fù)率高。
根據(jù)試驗研究可以認(rèn)為采用平板式超濾膜工藝回收馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢水中的蛋白質(zhì)是一種穩(wěn)定、濃縮度高、濃縮效果好、安全、可靠、自動化程度高的馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢水中蛋白質(zhì)回收的新工藝。