導(dǎo)語：大豆乳清廢水處理研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：研究了MVR技術(shù)在大豆乳清廢水處理中的應(yīng)用。通過單因素試驗(yàn)及對大豆乳清廢水的分析，基于保證乳清蛋白活性的目的得到MVR處理大豆乳清廢水最佳工藝條件為：壓縮機(jī)頻率100Hz，加熱溫度65℃。在最佳條件下回收1t大豆乳清廢水用電13kW•h。

關(guān)鍵詞：MVR；大豆乳清廢水；乳清蛋白

目前大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的大豆分離蛋白的主流生產(chǎn)工藝是堿溶酸沉法，該方法生產(chǎn)過程每生產(chǎn)1t大豆分離蛋白會排放30～50m3的乳清廢水［1］。大豆乳清廢水含有大量的乳清蛋白、灰分、低聚糖，其中乳清蛋白主要由2S和7S組分組成，主要包括胰蛋白酶抑制劑（其中代表性的有兩種，即Ku－Nitz抑制劑和Bowman－Birk抑制劑）、大豆血球凝集素、脂肪氧化酶、β－淀粉酶、細(xì)胞色素C等多種生理活性物質(zhì)［2－4］。大豆低聚糖主要是蔗糖、棉子糖和水蘇糖。大豆分離蛋白廢水量大，處理困難，耗費(fèi)水資源多成為制約大豆分離蛋白發(fā)展的最大瓶頸問題。如何解決大豆乳清廢水成為當(dāng)前大豆分離蛋白工業(yè)急需解決的問題。而大豆乳清廢水中固形物含量很低，水分含量達(dá)到97％以上，對大豆乳清蛋白及低聚糖等的分離難度較大，因此需要對大豆乳清廢水進(jìn)行濃縮，同時(shí)提高有益成分的濃度，便于進(jìn)一步分離和提純?，F(xiàn)有常用的濃縮方法包括：沉淀法、吸附法、超濾膜法、透析法、蒸餾法以及冰凍干燥法等。其中，沉淀法、吸附法以及透析法都需要在溶液中加入相應(yīng)試劑，以分離溶質(zhì)與溶劑，這些方法在物料純度要求較高以及具有食品安全要求的工業(yè)領(lǐng)域中很難得以推廣應(yīng)用；超濾膜法存在膜易堵，清洗困難，投資高等缺點(diǎn)；蒸餾法與冰凍干燥法由于操作相對簡單，且對溶質(zhì)本身的物理化學(xué)性質(zhì)影響較小，因此在食品工業(yè)中應(yīng)用較為廣泛，但這兩種濃縮方法能耗均較大。機(jī)械蒸汽再壓縮（Mechanicalvaporrecompression，簡稱MVR）技術(shù)是一種高效節(jié)能的蒸發(fā)系統(tǒng)。MVR技術(shù)在化工蒸發(fā)濃縮精餾［5］過程、乳制品及果汁濃縮［6］、食品發(fā)酵液處理［7］、海水淡化行業(yè)［8］以及廢水處理［9］等領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用。本研究結(jié)合乳清蛋白中活性物質(zhì)回收的需要，應(yīng)用MVR技術(shù)對大豆乳清廢水進(jìn)行回收利用，實(shí)現(xiàn)水資源再利用，同時(shí)保證蛋白類活性物質(zhì)便于進(jìn)一步分離提純。

1材料與方法

1．1實(shí)驗(yàn)材料。大豆乳清廢水（固形物含量2．5％，粗蛋白質(zhì)含量（干基）20％，pH4．6±0．1），臨邑禹王植物蛋白有限公司。食品用液體氫氧化鈉。Kjeltec8200凱氏定氮儀；AL204－2C電子天平；MVR中試系統(tǒng)，德州清大禹王能源技術(shù)研究院有限公司。MVR中試系統(tǒng)原理：換熱器內(nèi)稀溶液被高溫?zé)嵩醇訜?，產(chǎn)生的水蒸氣被壓縮機(jī)吸入，經(jīng)過升溫加壓后變成高溫高壓水蒸氣，再次返回?fù)Q熱器中，作為高溫?zé)嵩醇訜嵯∪芤海∪芤菏軣釋⑺魵夥蛛x出來，由此便可實(shí)現(xiàn)溶液的濃縮，高溫水蒸氣與稀溶液換熱后變成冷凝水排出系統(tǒng)，完成系統(tǒng)循環(huán)。MVR中試系統(tǒng)示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)的處理量為50kg，其中壓縮機(jī)型號為RVC－1羅茨式壓縮機(jī)；換熱器面積為3．3m2；電加熱器功率為3kW；真空泵、循環(huán)泵均為2BV2060液環(huán)式真空泵。1．2實(shí)驗(yàn)方法。具體操作方法為：①接通電源，開啟真空泵，打開進(jìn)料閥，將50kg大豆乳清廢水通過進(jìn)料口吸入至蒸發(fā)罐中。②進(jìn)料完畢后，關(guān)閉進(jìn)料閥，開啟電加熱器，通過控制面板設(shè)定加熱溫度；待控制面板顯示的系統(tǒng)各參數(shù)穩(wěn)定后，關(guān)閉真空泵。③開啟溶液循環(huán)泵及壓縮機(jī)，開始溶液循環(huán)噴淋，實(shí)現(xiàn)溶液濃縮。本研究在一定的進(jìn)料量、pH下，分析了壓縮機(jī)頻率、加熱溫度對大豆乳清廢水濃縮處理系統(tǒng)的影響，并對最佳壓縮機(jī)頻率和加熱溫度下的系統(tǒng)處理能力進(jìn)行了分析。

2結(jié)果與分析

2．1壓縮機(jī)頻率對乳清蛋白回收系統(tǒng)的影響。通過預(yù)處理調(diào)節(jié)大豆乳清廢水的蛋白質(zhì)含量為1％，pH7．3±0．1，控制加熱溫度為50℃，溶液流量為0．39kg／s，為保證進(jìn)口溶液濃度不變，將冷凝液罐與濃溶液罐之間的連接管打開，使蒸發(fā)出的冷凝液迅速返回濃溶液中，再將稀釋后的溶液循環(huán)噴淋，以保證溶液進(jìn)口濃度近似不變。調(diào)節(jié)壓縮機(jī)頻率，待系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定后進(jìn)行記錄，進(jìn)而得到不同壓縮機(jī)頻率下對應(yīng)的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況。通過調(diào)整壓縮機(jī)頻率，分析了過程中的吸氣流量、吸排氣壓力、吸排氣溫度、換熱量、壓縮機(jī)功率、傳熱溫差與傳熱系數(shù)的變化，結(jié)果如圖2～圖6所示。由圖2可知，壓縮機(jī)頻率升高，吸氣流量增大，受電加熱器控制，吸氣密度不變，蒸汽量增大，線性關(guān)系明顯。由圖3、圖4可知，壓縮機(jī)頻率升高，吸氣流量增大，受電加熱器控制，吸氣溫度不變，吸氣壓力不變，由于吸氣流量增大，導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣壓力增大，排氣溫度上升明顯。由圖5、圖6可知，壓縮機(jī)頻率升高，蒸汽量增大，換熱量與壓縮機(jī)耗電量均隨之增大，由于排氣壓力、排氣溫度升高，換熱器內(nèi)傳熱溫差增大，溫差的增大利于傳熱傳質(zhì)的運(yùn)行，同時(shí)傳熱系數(shù)也有所提高。綜上所述，提高壓縮機(jī)的頻率能夠有效地提高排氣壓力和排氣溫度，從而提高傳熱溫差及傳熱系數(shù)，進(jìn)而提高了傳熱效率，降低熱損失，提高處理能力和效率。2．2加熱溫度對大豆乳清廢水回收系統(tǒng)的影響。通過預(yù)處理調(diào)節(jié)大豆乳清廢水的蛋白質(zhì)含量為1％，pH7．3±0．1，控制溶液流量為0．39kg／s，壓縮機(jī)頻率控制在100Hz，為保證進(jìn)口溶液濃度不變，將冷凝液罐與濃溶液罐之間的連接管打開，使蒸發(fā)出的冷凝液迅速返回濃溶液中，再將稀釋后的溶液循環(huán)噴淋，以保證溶液進(jìn)口濃度近似不變。調(diào)節(jié)電加熱器的溫度，使溶液溫度即壓縮機(jī)的加熱溫度發(fā)生變化，待系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定后進(jìn)行記錄，進(jìn)而得到不同加熱溫度下對應(yīng)的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況。通過調(diào)整加熱溫度，分析了過程中的吸氣流量、乳清蛋白含量、吸排氣壓力、排氣溫度、冷凝水溫度、換熱量、壓縮機(jī)功率、傳熱溫差與傳熱系數(shù)的變化，結(jié)果如圖7～圖12所示。由圖7、圖8可知，隨著加熱溫度升高，吸氣密度變大，出口蛋白質(zhì)含量變大；有利于提高濃縮速度，增加處理量，分析認(rèn)為加熱溫度的提升提高了蒸汽量和內(nèi)能。由圖9、圖10可知，加熱溫度升高，壓縮機(jī)的吸氣壓力升高，排氣壓力也隨之升高，排氣溫度上升，同時(shí)提高排氣熱能，進(jìn)而提高熱效率。分析認(rèn)為加熱溫度提高增加了蒸發(fā)量，直接增加了吸氣量從而提高了吸氣壓力，進(jìn)而引起排氣壓力的增加，最終提高了排氣溫度。由圖11、圖12可知，隨著加熱溫度升高，壓縮機(jī)吸氣密度增大，蒸汽量變大，換熱量增大，壓縮機(jī)耗電量增大，兩側(cè)換熱流體溫度升高，傳熱系數(shù)有所升高。綜上，加熱溫度的提高能夠有效地提高排氣壓力和排氣溫度，從而提高傳熱溫差，增大傳熱系數(shù)，進(jìn)而提高了換熱效率，降低熱損失，提高處理能力和效率。由于乳清蛋白中的活性物質(zhì)主要是胰蛋白酶抑制劑、細(xì)胞色素和β－淀粉酶，考慮到β－淀粉酶最適溫度為60～65℃，因此加熱溫度控制在65℃［4］。2．3最佳控制條件下的乳清蛋白含量變化。通過預(yù)處理調(diào)節(jié)大豆乳清廢水的蛋白質(zhì)含量為1％，pH7．3±0．1，控制壓縮機(jī)頻率在100Hz，加熱溫度設(shè)定為65℃，溶液流量為0．39kg／s，鑒于噴霧要求，大豆蛋白的蛋白質(zhì)含量一般在10％～11％，因此通過溶液濃縮，使進(jìn)口溶液蛋白質(zhì)含量逐漸升高到10％后，開始記錄蛋白質(zhì)含量與對應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)行工況。結(jié)果如圖13～圖16所示。圖13蛋白質(zhì)含量－時(shí)間關(guān)系曲線圖14進(jìn)出口壓力－進(jìn)口溶液蛋白質(zhì)含量關(guān)系曲線圖15換熱量與壓縮機(jī)功率－進(jìn)口溶液蛋白質(zhì)含量關(guān)系曲線圖16每蒸發(fā)1t水的壓縮機(jī)耗電量－進(jìn)口溶液蛋白質(zhì)含量關(guān)系曲線由圖13可知，由于濃溶液循環(huán)噴淋，因此進(jìn)口溶液蛋白質(zhì)含量逐漸升高，蛋白質(zhì)含量增加呈線性，出口溶液蛋白質(zhì)含量也逐漸升高，與進(jìn)口溶液呈現(xiàn)平行關(guān)系，說明系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，蒸發(fā)穩(wěn)定，蒸發(fā)效率不受蛋白質(zhì)含量變化影響，系統(tǒng)可持續(xù)運(yùn)行。由圖14可知，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，溶液蛋白質(zhì)含量逐漸增加，進(jìn)口壓力下降，出口壓力上升，分析認(rèn)為隨著水分的回收，大豆乳清廢水蛋白質(zhì)含量增加，在壓縮機(jī)頻率和加熱溫度不變的情況下，蒸汽蒸發(fā)量減少，真空泵抽真空能力不變，相對系統(tǒng)內(nèi)空間變大，蒸汽密度降低，從而造成了進(jìn)口壓力降低，而出口壓力上升的原因有待進(jìn)一步分析。由圖15、圖16可知，進(jìn)口溶液蛋白質(zhì)含量增加，而換熱量逐漸降低，壓縮機(jī)耗電量逐漸升高。分析原因認(rèn)為，隨著蛋白質(zhì)含量增加，溶液的水汽分壓降低，蒸發(fā)難度增加，進(jìn)而需要提供的能耗增加。當(dāng)前工況下，該系統(tǒng)每蒸發(fā)1t水，壓縮機(jī)平均耗電量約為13kW•h。

3結(jié)論

通過MVR系統(tǒng)對大豆乳清廢水的回收、濃縮研究得到如下結(jié)論：（1）提高壓縮機(jī)頻率，可提高溶液蒸發(fā)速率，有效提高換熱系數(shù)，強(qiáng)化換熱。最佳壓縮機(jī)頻率基于設(shè)備最高頻率為100Hz。（2）提高加熱溫度，可提高溶液蒸發(fā)速率，有效提高換熱系數(shù)，強(qiáng)化換熱。綜合評估乳清蛋白廢水中活性物質(zhì)的失活溫度，最佳加熱溫度為65℃。（3）提高壓縮機(jī)頻率、提高加熱溫度，均可導(dǎo)致壓縮機(jī)能耗升高，壓縮機(jī)頻率和加熱溫度提高與能耗提高呈線性正相關(guān)，主要原因是壓縮機(jī)做功對象質(zhì)量增加，壓力提高。（4）對于大豆乳清廢水，每蒸發(fā)1t水，壓縮機(jī)平均耗電量為13kW•h。

作者:時(shí)玉強(qiáng) 艾凇卉 魯緒強(qiáng) 馬軍 劉汝萃 單位:1.臨邑禹王植物蛋白有限公司 2.清華大學(xué)