CN104839827A

CN104839827A - 一种多级膜并行生产甘蔗浓缩汁及甘蔗饮用水的装置

Info

Publication number: CN104839827A
Application number: CN201510206613.5A
Authority: CN
Inventors: 李凯; 李文; 杭方学; 陆海勤; 谢彩锋
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi University
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2035-04-27
Also published as: CN104839827B

Abstract

一种多膜并行生产甘蔗浓缩汁及甘蔗饮用水的装置，该装置的第一陶瓷超滤膜组件进汁口与粗滤甘蔗汁缸连接，第一陶瓷超滤膜组件清液出口与甘蔗澄清汁缸连接；有机纳滤膜组件进汁口与甘蔗澄清汁缸连接，有机纳滤膜组件清液出口与纳滤清液缸连接；第二陶瓷超滤膜组件进汁口与纳滤浓缩液缸连接，第二陶瓷超滤膜组件清液出口连接至甘蔗浓缩汁无菌灌装室；有机反渗透膜组件进汁口与纳滤清液缸连接，有机反渗透膜组件清液出口与反渗透清液缸连接；第三陶瓷超滤膜组件进汁口与反渗透清液缸连接，第三陶瓷超滤膜组件清液出口连接至甘蔗饮用水无菌灌装室。本发明以甘蔗为原料并行生产高品质的甘蔗浓缩汁以及甘蔗饮用水，提高了甘蔗的附加值。

Description

一种多级膜并行生产甘蔗浓缩汁及甘蔗饮用水的装置

技术领域

本发明涉及一种多级膜并行生产甘蔗浓缩汁及甘蔗饮用水的装置，属于食品加工技术领域。

技术背景

甘蔗不仅是制糖的原料，还是亚热带及热带特有的一种水果。其汁液丰富，含糖量高，味感清甜，广受人们的喜爱。并且甘蔗还有具有清热解毒、生津止渴、和胃止呕、滋阴润燥等功效，是生产饮料的优质原料。目前，用甘蔗汁做成饮料的方法主要有两种：一种是直接榨取甘蔗汁配制成饮料；另一种是先将甘蔗加工成甘蔗浓缩汁，然后用浓缩汁配制成饮料。受资源和原料的限制，饮料加工企业不可能都能直接榨取甘蔗汁配制成饮料，目前绝大多数企业都是以甘蔗浓缩汁为原料来生产甘蔗汁饮料。而目前公开的报导中，甘蔗浓缩汁的品质都未能满足高端客户的要求，究其原因主要是生产方法的问题。如发明专利CN 103330250A所述，发明人将甘蔗依次经过榨汁、预灭菌及灭酶、离心去微粒、酶解、超滤、浓缩、灭菌七个具体技术步骤加工出甘蔗浓缩汁。这种方法虽然能够加工出浓度较高的甘蔗浓缩汁，从而有利于节省运输及储藏的成本，但是仍存在较多不足之处：(1)将甘蔗压榨出汁后再灭酶，且灭酶温度较高(95～100℃)，极易造成甘蔗汁中热敏性物质分解，如：甾醇、烷醇以及多酚等，从而导致甘蔗汁中营养成分及风味物质的损失；(2)超滤澄清之前要经过离心和酶解两道较为繁琐的工序，能耗高，并且甘蔗汁中含有较多微生物生长所需的营养物质，再加上酶解时间较长(60～90min)，极易染菌，会引起甘蔗汁变质；(3)蒸发浓缩的温度较高(一效蒸发的温度接近90℃)，再加上蒸发过程的雾沫夹带作用，会导致甘蔗汁中的芳香物质损失较大；(4)热杀菌的热负荷会导致甘蔗汁中风味物质和营养成分的破坏，从而影响甘蔗汁的品质。还有较多相关专利报道，如：92108796.9、CN 101985666 A、CN 103734838 A以及CN 104273618 A等，都或多或少存在与上述发明专利类似的问题。

甘蔗中含有70％～80％的水分，在甘蔗浓缩汁加工过程中为了减少运输及储存的成本，必须除去甘蔗汁中的部分水分。这些水分是甘蔗植株中的原水，里面含有较多对人体有利的自由基。如能将这部分水分充分利用加工成饮用水，不仅能丰富饮用水的资源，也能提高甘蔗的附加值。目前，不管是果蔬汁加工企业，还是制糖企业，都是将从甘蔗中提取出的水分直接排到废水池中，这种方法不仅增加了末端废水处理的压力，更是对水资源的极大浪费。为了丰富饮用水资源、提高甘蔗产业附加值，在发明专利CN 103936213 A中，发明人将甘蔗依次经过压榨出汁、蒸发冷凝、活性炭(或石英)处理、超滤澄清、反渗透纯化、灭菌等技术步骤后得到瓶装饮用水。这种方法虽然使得甘蔗中的水分能够得到充分利用，但是发明人将甘蔗中的水分提取出来后并未提及剩余甘蔗汁的处理方式，如果只把甘蔗中的水分提取出来，而对甘蔗汁中有效的成分并未加以利用，实是对甘蔗资源的极大浪费，近乎杀鸡取卵；并且发明人对饮用水采用的臭氧法、紫外辐射法或者是二氧化氯法杀菌，这些杀菌方式不仅会破坏甘蔗水中一些对人体有利的自由基，少量的杀菌剂残留在水中还会对人体有一定的副作用。在发明专利CN 101798148 A中，发明人以甘蔗糖厂的一效、二效汽凝水为原料，经过超滤除杂、纳滤澄清、反渗透纯化及灭菌等技术步骤后，得到甘蔗饮用水。这种方法虽然在将甘蔗中的水分提取出来加工成饮用水的同时又将甘蔗中的糖分能够提取出来，但是一效、二效的汽凝水来自澄清后的甘蔗汁，而甘蔗汁澄清过程中加入了较多的化学试剂作为澄清剂，如：石灰、SO₂、磷酸以及聚丙烯酰胺等，这样得到的水分势必也会破坏甘蔗水中对人体有利的自由基，甚至会残留少量对人体有害的化学物质，尤其是合成聚丙烯酰胺的单体(丙烯酸)，是一种致癌物。

因此，提供一种甘蔗浓缩汁的加工方法及装置，使得产品质量更好、生产效率更高、成本更低，并且能够充分利用从甘蔗中提出的水分，将其加工成高品质的饮用水，增加甘蔗的附加值，是很有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种多级膜并行生产甘蔗浓缩汁及甘蔗饮用水的装置，解决了传统的甘蔗浓缩汁加工过程中因灭酶、蒸发、灭菌等工序引起甘蔗汁营养成分以及风味物质损失的技术问题，并将甘蔗中的原水提取出来，加工成高品质的饮用水，从而提高了甘蔗的附加值。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种多膜并行生产甘蔗浓缩汁及甘蔗饮用水的装置，包括粗滤甘蔗汁缸、甘蔗澄清汁缸、纳滤清液缸、纳滤浓缩液缸、反渗透清液缸、第一陶瓷超滤膜组件、有机纳滤膜组件、第二陶瓷超滤膜组件、有机反渗透膜组件、第三陶瓷超滤膜组件、甘蔗饮用水无菌灌装室以及甘蔗浓缩汁无菌灌装室，具体连接关系如下：

第一陶瓷超滤膜组件进汁口与粗滤甘蔗汁缸连接，第一陶瓷超滤膜组件清液出口与甘蔗澄清汁缸连接，第一陶瓷超滤膜组件截留液出口与粗滤甘蔗汁缸连接；

有机纳滤膜组件进汁口与甘蔗澄清汁缸连接，有机纳滤膜组件清液出口与纳滤清液缸连接，有机纳滤膜组件截留液出口与甘蔗澄清汁缸连接；

第二陶瓷超滤膜组件进汁口与纳滤浓缩液缸连接，纳滤浓缩液缸与甘蔗澄清汁缸连接，第二陶瓷超滤膜组件清液出口连接至甘蔗浓缩汁无菌灌装室，第二陶瓷超滤膜组件截留液出口与纳滤浓缩汁缸连接；

有机反渗透膜组件进汁口与纳滤清液缸连接，有机反渗透膜组件清液出口与反渗透清液缸连接，有机反渗透膜组件截留液出口与纳滤清液缸连接；

第三陶瓷超滤膜组件进汁口与反渗透清液缸连接，第三陶瓷超滤膜组件清液出口连接至甘蔗饮用水无菌灌装室，第三陶瓷超滤膜组件截留液出口与反渗透清液缸连接。

还包括粗滤甘蔗汁获取设备，所述的粗滤甘蔗汁获取设备包括依次连接的甘蔗切段机、夹层锅、甘蔗压榨机以及卧螺式离心机，所述卧螺式离心机的粗滤甘蔗汁出口连接至粗滤甘蔗汁缸，所述的卧螺式离心机的过滤孔径为50.0～150.0μm。

所述的第一陶瓷超滤膜组件、第二陶瓷超滤膜组件以及第三陶瓷超滤膜组件的操作参数为：跨膜压差为0.10～0.30MPa，膜面流速为4.0m/s～5.0m/s。

所述的有机纳滤膜组件的操作压力为1.0～3.0MPa，膜面流速为3.0m/s～5.0m/s；纳滤浓缩汁的锤度为30.0～35.0°Brix。

所述的有机反渗透膜组件的操作压力为1.5～4.0MPa，膜面流速为3.0m/s～5.0m/s。

所述的第一陶瓷超滤膜组件的膜孔径为0.05～0.10μm。

所述的有机纳滤膜组件的截留分子量为200～500Da。

所述的第二陶瓷超滤膜组件的膜孔径为0.01～0.02μm。

所述的有机反渗透膜组件的截留分子量为100Da。

所述的第三陶瓷超滤膜组件的膜孔径为0.01～0.02μm。

与现有技术相比较，本发明具备的有益效果：

(1)在甘蔗浓缩汁加工过程中不添加任何化学试剂和食品添加剂，保证了食品的绿色安全性。另外，在甘蔗浓缩汁澄清及除菌过程采用了陶瓷膜超滤澄清及除菌，由于陶瓷膜上结垢造成的膜阻力较小，因此陶瓷膜过滤甘蔗汁的膜渗透通量较大，且陶瓷膜通量衰减速度慢，可维持较高的膜通量过滤，从而延长膜清洗周期和减少膜清洗频率。

(2)在甘蔗浓缩汁加工过程中，无需传统果蔬汁加工中酶解、离心等繁琐的工序，生产工艺流程短、设备结构简单、一次性投资成本低，生产时间短，可避免传统的甘蔗浓缩汁加工过程因时间较长而引起甘蔗汁营养成分以及风味物质的损失。

(3)在甘蔗浓缩汁除菌工序中，选取膜孔径小于细菌(或孢子)直径的陶瓷超滤膜过滤除菌，陶瓷膜杀菌属于冷杀菌技术，避免了传统果蔬汁加工工艺中因热杀菌引起甘蔗汁中热敏性物质分解以及风味物质和营养成分损失。

(4)采用烫漂灭酶的方式，烫漂灭酶能在甘蔗未压榨出汁之前就能灭活甘蔗中的氧化酶，相对于将甘蔗压榨出汁后再灭酶，烫漂灭酶能不仅能更好地保持甘蔗中原有的风味物质和营养成分，还能更好地防止甘蔗浓缩汁加工过程酶促褐变的产生。

(5)采用膜分离技术浓缩甘蔗汁，在常温下即可进行，防止了传统甘蔗浓缩汁加工过程因蒸发浓缩导致甘蔗中热敏性物质分解以及风味物质通过挥发和雾沫夹带损失的技术问题。

(6)所制得的甘蔗浓缩汁色泽清亮透明、香味浓郁、味道清甜可口，并较好地保持了甘蔗原有的风味物质及营养成分，且贮存期内没有沉淀析出和混浊产生。

(7)通过膜过程分离、浓缩及冷杀菌等功能的集成，将甘蔗浓缩汁加工过程分离出的水分进一步加工成高品质的饮用水，提高了甘蔗的附加值。

(8)在甘蔗饮用水加工过程中，未添加任何化学试剂和食品添加剂，所制得的饮用水为绿色天然的甘蔗植株原水，保留了甘蔗植株水中对人体有利的自由基，为高品质的饮用水。

(9)在甘蔗饮用水除菌工序中，选取膜孔径小于细菌(或孢子)直径的陶瓷超滤膜过滤除菌，避免了传统饮用水除菌工艺，如：臭氧除菌、紫外杀菌、二氧化氯杀菌等，影响饮用水的品质。

附图说明

图1为本发明所述的多膜并行生产甘蔗浓缩汁及甘蔗饮用水的装置的设备连接示意图。

图2为利用本发明所述的多膜并行生产甘蔗浓缩汁及甘蔗饮用水的装置进行生产的工艺流程图。

图中，

第一陶瓷超滤膜组件1，第一陶瓷超滤膜组件清液出口11，第一陶瓷超滤膜组件进汁口12，第一陶瓷超滤膜组件截留液出口13；

有机纳滤膜组件2，有机纳滤膜组件清液出口21，有机纳滤膜组件进汁口22，有机纳滤膜组件截留液出口23；

有机反渗透膜组件3，有机反渗透膜组件清液出口31，有机反渗透膜组件进汁口32，有机反渗透膜组件截留液出口33；

第三陶瓷超滤膜组件4，第三陶瓷超滤膜组件清液出口41，第三陶瓷超滤膜组件进汁口42，第三陶瓷超滤膜组件截留液出口43；

第二陶瓷超滤膜组件5，第二陶瓷超滤膜组件进汁口52，第二陶瓷超滤膜组件清液出口51，第二陶瓷超滤膜组件截留液出口53；

粗滤甘蔗汁缸15，甘蔗澄清汁缸25，纳滤清液缸35，反渗透清液缸45，纳滤浓缩液缸55；

甘蔗饮用水无菌灌装室7，甘蔗浓缩汁无菌灌装室6，卧螺式离心机8，粗滤甘蔗汁出口81，甘蔗压榨机10，夹层锅9，加热蒸气入口91，不凝气体出口92，汽凝水出口93，甘蔗切段机11。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

一种多膜并行生产甘蔗浓缩汁及甘蔗饮用水的装置，包括粗滤甘蔗汁缸15、甘蔗澄清汁缸25、纳滤清液缸35、反渗透清液缸45、纳滤浓缩液缸55、第一陶瓷超滤膜组件1、有机纳滤膜组件2、第二陶瓷超滤膜组件5、有机反渗透膜组件3、第三陶瓷超滤膜组件4、甘蔗饮用水无菌灌装室7以及甘蔗浓缩汁无菌灌装室6，具体连接关系如下：

第一陶瓷超滤膜组件进汁口12与粗滤甘蔗汁缸15连接，第一陶瓷超滤膜组件清液出口11与甘蔗澄清汁缸25连接，第一陶瓷超滤膜组件截留液出口13与粗滤甘蔗汁缸15连接；

有机纳滤膜组件进汁口22与甘蔗澄清汁缸25连接，有机纳滤膜组件清液出口21与纳滤清液缸35连接，有机纳滤膜组件截留液出口23与甘蔗澄清汁缸25连接；

第二陶瓷超滤膜组件进汁口52与纳滤浓缩液缸55连接，纳滤浓缩液缸55与甘蔗澄清汁缸25连接，第二陶瓷超滤膜组件清液出口51连接至甘蔗浓缩汁无菌灌装室6，第二陶瓷超滤膜组件截留液出口53与纳滤浓缩汁缸55连接；

有机反渗透膜组件进汁口32与纳滤清液缸35连接，有机反渗透膜组件清液出口31与反渗透清液缸45连接，有机反渗透膜组件截留液出口33与纳滤清液缸35连接；

第三陶瓷超滤膜组件进汁口42与反渗透清液缸45连接，第三陶瓷超滤膜组件清液出口41连接至甘蔗饮用水无菌灌装室7，第三陶瓷超滤膜组件截留液出口43与反渗透清液缸45连接。

上述装置，还包括粗滤甘蔗汁获取设备，所述的粗滤甘蔗汁获取设备包括依次连接的甘蔗切段机11、夹层锅9、甘蔗压榨机10以及卧螺式离心机8，所述的卧螺式离心机8的粗滤甘蔗汁出口81连接至粗滤甘蔗汁缸15，所述的卧螺式离心机8的过滤孔径为50.0～150.0μm。

所述的第一陶瓷超滤膜组件1、第二陶瓷超滤膜组件5以及第三陶瓷超滤膜组件4的操作参数为：跨膜压差为0.10～0.30MPa，膜面流速为4.0m/s～5.0m/s。

所述的有机纳滤膜组件2的操作压力为1.0～3.0MPa，膜面流速为3.0m/s～5.0m/s；纳滤浓缩液的锤度为30.0～35.0°Brix。

所述的有机反渗透膜组件3的操作压力为1.5～4.0MPa，膜面流速为3.0m/s～5.0m/s。

所述的第一陶瓷超滤膜组件1的膜孔径为0.05～0.10μm。

所述的有机纳滤膜组件2的截留分子量为200～500Da。

所述的第二陶瓷超滤膜组件5的膜孔径为0.01～0.02μm。

所述的有机反渗透膜组件3的截留分子量为100Da。

所述的第三陶瓷超滤膜组件4的膜孔径为0.01～0.02μm。

实施例2

一种多级膜并行生产甘蔗浓缩汁及甘蔗饮用水的方法，其操作步骤为：

(1)烫漂灭酶：挑选新鲜成熟的甘蔗，剔除腐烂病虫的原料，将甘蔗切成段，每段长为20～40cm，并将甘蔗表皮清洗干净；然后将甘蔗送入夹层锅中，加水煮沸4min，使甘蔗中的氧化酶失活，防止加工过程酶促褐变的产生，得到灭酶甘蔗；

(2)压榨提汁：将灭酶甘蔗送入三辊式甘蔗压榨机中压榨出汁，得到甘蔗初榨汁；

(3)粗过滤：将甘蔗初榨汁经过孔径为100.0μm的卧螺式离心机过滤，得到粗滤甘蔗汁；

(4)第一陶瓷膜超滤澄清：以膜孔径为0.05μm的第一陶瓷超滤膜对粗滤甘蔗汁进行超滤澄清，得到浊度小于1.00NTU甘蔗澄清汁；

(5)有机纳滤膜浓缩：以截留分子量为200Da的有机纳滤膜对甘蔗澄清汁进行浓缩，得到35°Brix的纳滤浓缩液以及纳滤清液；

(6)第二陶瓷膜超滤除菌：以膜孔径为0.01μm的第二陶瓷超滤膜组件对纳滤浓缩液进行超滤除菌，即可得到34.8°Brix的除菌甘蔗浓缩汁；

(7)甘蔗浓缩汁无菌灌装：将除菌甘蔗浓缩汁在无菌灌装室中进行无菌灌装，即可得到甘蔗浓缩汁；

(8)有机反渗透膜纯化：以截留分子量为100Da的有机反渗透膜进一步纯化纳滤清液，得到反渗透清液；

(9)第三陶瓷膜超滤除菌：以膜孔径为0.02μm的第三陶瓷超滤膜对反渗透清液进行超滤除菌，得到除菌甘蔗饮用水；

(10)甘蔗饮用水无菌灌装：将除菌甘蔗饮用水在无菌灌装室中进行无菌灌装，即可得到甘蔗饮用水。

其中，步骤(4)、步骤(6)以及步骤(9)所述的陶瓷膜超滤的操作参数是：跨膜压差为0.10～0.30MPa，膜面流速为4.0m/s～5.0m/s；步骤(5)所述的有机纳滤膜的操作压力为1.0～3.0MPa，膜面流速为3.0m/s～5.0m/s；步骤(8)所述的有机反渗透膜的操作压力为1.5～4.0MPa，膜面流速为3.0m/s～5.0m/s。

实施例2生产过程中的工艺指标如下表所示：

实施例2加工出的甘蔗浓缩汁及甘蔗饮用水贮存期内卫生指标如下表所示：

注：^*中华人民共和国国家标准GB2760-2014

实施例2加工出的甘蔗浓缩汁贮存期内理化指标如下表所示：

实施例3

(1)烫漂灭酶：挑选新鲜成熟的甘蔗，剔除腐烂病虫的原料，将甘蔗切成段，每段长为20～40cm，并将甘蔗表皮清洗干净；然后将甘蔗送入夹层锅中，加水煮沸5min，使甘蔗中的氧化酶失活，防止加工过程酶促褐变的产生，得到灭酶甘蔗；

(3)粗过滤：将甘蔗初榨汁经过孔径为150.0μm的卧螺式离心机过滤，得到粗滤甘蔗汁；

(4)第一陶瓷膜超滤澄清：以膜孔径为0.10μm的第一陶瓷超滤膜对粗滤甘蔗汁进行超滤澄清，得到浊度小于1.00NTU甘蔗澄清汁；

(5)有机纳滤膜浓缩：以截留分子量为200～500Da的有机纳滤膜对甘蔗澄清汁进行浓缩，得到34°Brix的纳滤浓缩液以及纳滤清液；

(6)第二陶瓷膜超滤除菌：以膜孔径为0.02μm的第二陶瓷超滤膜对纳滤浓缩液进行超滤除菌，即可得到33.8°Brix的除菌甘蔗浓缩汁；

(7)甘蔗浓缩汁无菌灌装：将除菌甘蔗浓缩汁在无菌灌装室中进行无菌灌装，即可得到甘蔗浓缩汁

(9)第三陶瓷膜超滤除菌：以膜孔径为0.01μm的第三陶瓷超滤膜对反渗透清液进行超滤除菌，得到除菌甘蔗饮用水；

实施例3生产过程中的工艺指标如下表所示：

实施例3加工出的甘蔗浓缩汁及甘蔗饮用水贮存期内卫生指标如下表所示：

注：^*中华人民共和国国家标准GB2760-2014

实施例3加工出的甘蔗浓缩汁贮存期内理化指标如下表所示：

Claims

1.一种多膜并行生产甘蔗浓缩汁及甘蔗饮用水的装置，其特征在于，包括粗滤甘蔗汁缸、甘蔗澄清汁缸、纳滤清液缸、纳滤浓缩液缸、反渗透清液缸、第一陶瓷超滤膜组件、有机纳滤膜组件、第二陶瓷超滤膜组件、有机反渗透膜组件、第三陶瓷超滤膜组件、甘蔗饮用水无菌灌装室以及甘蔗浓缩汁无菌灌装室，具体连接关系如下：

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括粗滤甘蔗汁获取设备，所述的粗滤甘蔗汁获取设备包括依次连接的甘蔗切段机、夹层锅、甘蔗压榨机以及卧螺式离心机，所述卧螺式离心机的粗滤甘蔗汁出口连接至粗滤甘蔗汁缸，所述的卧螺式离心机的过滤孔径为50.0～150.0μm。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的第一陶瓷超滤膜组件、第二陶瓷超滤膜组件以及第三陶瓷超滤膜组件的操作参数为：跨膜压差为0.10～0.30MPa，膜面流速为4.0m/s～5.0m/s。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的有机纳滤膜组件的操作压力为1.0～3.0MPa，膜面流速为3.0m/s～5.0m/s；纳滤浓缩汁的锤度为30.0～35.0°Brix。

5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的有机反渗透膜组件的操作压力为1.5～4.0MPa，膜面流速为3.0m/s～5.0m/s。

6.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的第一陶瓷超滤膜组件的膜孔径为0.05～0.10μm。

7.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的有机纳滤膜组件的截留分子量为200～500Da。

8.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的第二陶瓷超滤膜组件的膜孔径为0.01～0.02μm。

9.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的有机反渗透膜组件的截留分子量为100Da。

10.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的第三陶瓷超滤膜组件的膜孔径为0.01～0.02μm。