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1、明胶工业的蒸发与灭菌工艺第 27 卷第 4 期2007 年 l2 月明胶科学与技术llaeScienceandTechnologyofGelatinV01.27.No.4Dee.200r7.明胶工业的蒸发与灭菌工艺李培仁碳纤维复合材料研究所,北京 100029明胶是一种高质量的天然产品,它主要是用牛皮,牛骨,猪皮和废革生产的.原料中胶原蛋白质线型大分子间的交联键通过酸或碱的化学预处理而断裂,然后在不同 pH 值和不同温度下经 46 次抽提,稀胶液经过滤,浓缩,杀菌,冷冻和干燥,最后得到产品明胶.各批产品明胶具有不同的品质,这是蒸发器设计时必须予以考虑的.产品明胶的品质主要取决于其 pH 值,黏
2、度,凝冻强度,透明度和色泽,以及溶胀,溶解等性能.黏度是明胶液最重要的品质参数之一.按国际和国家标准,以浓度为 6%胶液在60下测定的黏度作为产品明胶的黏度指标.高质量产品明胶的黏度在 100mPa?S 左右,而低质量明胶的黏度约在 20mPa?S.通常,第一道胶的黏度远高于最后一道胶的黏度.黏度值与胶液中的含盐量和 pH 值有密切关系.而在蒸发设备的设计中,温度和浓度对黏度的影响具有极重要的决定性作用.凝冻强度或 Bloom 值则是另一个决定明胶质量的参数.因明胶品质不同,凝冻强度在50 至 320 之间.明胶液在高温下保持时.凝冻强度将受到损失.色泽和透明度是通过目视比较测试的指标,色泽越
3、浅,透明度越高的明胶,其质量越好.与凝冻强度相同,加工过程中的受热处理将极大地影响到最终产品的色泽和透明度.除明胶以外.在我国市场上还有称之为骨胶 和皮胶的动物胶. 它们的凝冻强度和透明度远次于食用明胶,并且不如食用明胶那样经过严格的灭菌消毒,因此只能作为工业方面的用途.照相明胶是专用于感光胶片的一种明胶,对它的质量指标有特殊的要求.我们根据有关资料,将某些制胶厂和设备制造厂的一些蒸发,灭菌设备与装置的情况介绍于后,供读者参考.1 蒸发工艺1.1 浓度和温度由抽提,过滤得到的胶液是稀胶液,浓度约 2%12%,必须浓缩至 18%50%.在正常的情况下,骨胶要浓缩至 50%,皮胶要浓缩至 35%,
4、明胶则要浓缩至 18%35%.在一个蒸发器中能浓缩至什么浓度,这强烈地取决于产品质量和热处理容许的程度.所以,一般希望蒸发最好是在真空条件下进行,物料的沸腾温度约在 5090.为了灭菌消毒,胶液可短时间地(23s)暴露在 120145下,这样做不会出现可被检测的热降解.1.2 蒸发器的类型根据产品胶质量和加工处理的胶液特性参数的不同,如稀胶液的浓度,浓胶液的浓度,最高容许的温度,高温处理的时间,最小的质量损失等等,要求选择不同类型的蒸发器.以下对此作一简要的介绍.(1)循环蒸发器对于明胶,骨胶,皮胶这类热敏感的液体来说,最原始,最简单的设计是使用循环蒸发?l86?明胶科学与技术 2007 年
5、12 月器(图 1).循环蒸发器的结构简单,操作可靠性高,经济上合算.在大多数情况下,循环蒸发器是双效,三效串接运作.由于其结构上的特点,循环蒸发器特别适宜用于 34t/h 那样的少量或中等的介质蒸发量.(2)带二次分离沸腾室的循环蒸发器带二次分离沸腾室的循环蒸发器(图 2)图 1 循环蒸发器(3)升膜蒸发器升膜蒸发器(图 3)是带二次分离沸腾室的循环蒸发器的改进型.由于它具有较长的加热管,在大多数情况下它适用于高达 1015t/h 的蒸发量.如果这种蒸发器作为多效蒸发操作的末效蒸发器,或进行单效蒸发,它可能用于 Bloom250300 高质量明胶和 50最终黏度约为 500mPa?s(接近
6、21%22% 明胶浓度)的浓缩操作.如果蒸发操作中附带进行循环,则有可能达到更高的数据.为提高黏稠液体的传热系数和蒸发速度,将上述依靠自然力进行循环的循环蒸发器发展成为强制循环蒸发器.强制循环的动力来源于在系统中设置一台合适的循环泵.通过强制循环和闪蒸,优质明胶液的黏度可高达3000mPa?S.依据加热方法的不同,强制循环蒸发系统又可分为以下两种型式.是原始循环蒸发器的一个特殊型式,它通常用于单效蒸发或作为多效蒸发的末级蒸发器.使用这种蒸发器时,进入二次分离沸腾室的皮胶浓度可以很容易地达到 35%,骨胶浓度可达 50%.这种蒸发器也可用于品质中等或较低档的明胶.图 2 带二次分离沸腾室的循环蒸
7、发器(4)带列管式加热器的强制循环蒸发系统图 4 是一种带列管式加热器的强制循环蒸发系统,传热载体为蒸汽.这种列管加热系统适宜用于多效蒸发操作的末效蒸发.(5)带板式热交换器的强制循环蒸发系统图 5 则是一种采用带板式热交换器的强制循环蒸发系统.对于板式热交换器来说,传热载体以选用高温的液体为宜.(6)降膜蒸发器图 6 是一种降膜蒸发器,它特别适用于明胶,骨胶的蒸发浓缩操作.降膜蒸发器的特点在于可以在热载体与物料间温差较小时进行极其温和的蒸发浓缩操作,并且物料在加热区的驻留时间较短.它可以将胶液浓缩至 600700mPa?S,而对于优质明胶则可高达约 250mPa?S0第 27 卷第 4 期李
8、培仁:明胶工业的蒸发与灭菌工艺 187.I图 3 升膜蒸发器图 5 带板式热交换器的强制循环蒸发系统(7)螺旋管蒸发器图 7 螺旋管蒸发器用于单效蒸发操作,它具有降膜蒸发器的所有优点,即物料较短的驻留时间以保证温和的蒸发浓缩操作.对于优图 4 带列管式加热置的强翻循环蒸发系统l图 6 降膜蒸发器质明胶来说,这类蒸发器可使黏度达到近2000mPa?S.在多效蒸发系统中较少使用螺旋管蒸发器,这是因为它需要较大的温差.所以,这种蒸发器通常用作为高浓缩设备或预蒸?l88?明胶科学与技术 2OO7 年 l2 月发设备.图 7 螺旋管蒸发器2 蒸发工艺流程举例上述这些蒸发器都是用以解决明胶工业蒸发问题所需
9、要的单元设备,它们是依据物料的性质,最终的浓度和经济性,浓缩蒸发的比例,蒸发速率,操作方法和设备总高度来专门设计的.企业能量供应状况也是应该考虑的一个重要问题,它影响到加热方法的选择,如用来自锅炉的蒸汽直接加热,蒸汽一空气混合物加热,乏蒸汽加热,热水加热等.以下列举若干蒸发工艺流程来说明蒸发器及附属设备的配置.2.1 皮胶工业蒸发流程的配置(1)带热蒸汽增压器的三效蒸发系统(图8):此系统的蒸发速率可接近于 1lOOkg/h,可使浓度为 7%的胶液蒸发浓缩至 35%,比蒸汽消耗率为 25%.(2)单效螺旋管蒸发器系统(图 9):本系统适用于获得高浓度的皮胶液,其蒸发速率可达 650kg/h,可
10、使浓度为 5%的胶液蒸发浓缩至35%,比蒸汽消耗率为 115%.(3)-ft.-效降膜蒸发器系统(图 10):本系统由 5 台降膜蒸发器以逆流方式排列组成,设有热蒸汽增压器,闪蒸冷却器,适用于皮胶,特别是铬革胶的蒸发浓缩.通常,此系统的蒸发速率可达 3000kg/h,可使浓度为 4.5%的胶液蒸发浓缩至 35.5%,比蒸汽消耗率为 18%.2.2 明胶工业蒸发流程的配置(1)单效强制循环蒸发系统(图 11):本系统可用于食用明胶的蒸发浓缩,其加热器采用板式热交换器,以热水进行加热,蒸发速率可达 220kg/h,可使浓度为 16%的胶液蒸发浓缩至 30%.当温差为 l0cc 的情况下,热水耗量为
11、 1303/h.(2)双效蒸发系统(图 12):此系统是由一个单效降膜蒸发器和一个单效带二次分离沸腾室的循环蒸发器组成.系统中还配有热蒸汽增压器,适用于工业胶的蒸发浓缩.系统的蒸发速率可达 2400kg/h,可使浓度为 5%的胶液蒸发浓缩至 25%,比蒸汽消耗率为 36%.(3)三效蒸发系统(一)( 图 l3):此系统包含有两台降膜蒸发器和一台强制循环蒸发器.系统中设有热蒸汽增压器和高温瞬时灭菌器,适用于食用明胶的蒸发浓缩.本系统的蒸发速率可达 2160kg/h,可使浓度为 5%的胶液蒸发浓缩至 35%,比蒸汽消耗率为 26%.第 27 卷第 4 期李培仁:明胶工业的蒸发与灭菌工艺 ?l89?
12、fiIlIIlITC图 8 带热蒸汽增压器的三效蒸发系统流程图A:稀胶液;B:浓胶液;C: 冷凝水;D:加热蒸汽;E:排空;F:冷却水;G:热水.1.一效循环蒸发器;2.二效循环蒸发器;3.三效循环蒸发器;4.预热器;5.表面冷凝器;6.热蒸汽增压器;7.蒸汽喷射真空泵.图 9 单效螺旋管蒸发器系统流程图A:稀胶液:B:浓胶液;C: 冷凝水;D:加热蒸汽;E:排空;F:冷却水;G:热水.1.螺旋管蒸发器;2.预热器;3.表面冷凝器;4.浮球状平衡槽.iI,J一上.苣一广.明胶科学与技术 2(107 年 12 月图 1O 五效降膜蒸发系统流程图A:稀胶液;B:浓胶液;C: 冷凝水;D:加热蒸汽;
13、E:排空;F:冷却水;G:热水.一效降膜蒸发器;2.一效降膜蒸发器;3.一效降膜蒸发器;4.一效降膜蒸发器;5.一效降膜蒸发器6.表面冷凝器;7.热蒸汽增压器;8.闪蒸冷却器;9.浮球状平衡槽;10.冷却高位槽.第 27 卷第 4 期李培仁:明胶工业的蒸发与灭菌工艺图 l1 单效强制循环蒸发系统流程图A:稀胶液;B:浓胶液;C: 冷凝水;E:排空;F: 冷却水;G:温水;H:热水;K: 温水.1.板式热交换器;2.汽液分离器;3.表面冷凝器;4.浮球平衡槽.图 l2 双效蒸发系统流程图A:稀胶液;B:浓胶液;C: 冷凝水;D:加热蒸汽;E:排空;F:冷却水;G:热水.一效蒸发器的加热器;2.循
14、环蒸发器;3.预热器;4,混合冷凝器;5.热蒸汽增压器;6. 中问冷凝器;7.浮球平衡槽.?l92?明胶科学与技术 2007 年 12 月图 13 三效蒸发系统(一) 流程图A:稀胶液;B:浓胶液;C: 冷凝水;D:加热蒸汽;E:排空;F:冷却水;C:热水.1.一效蒸发器的加热器;2.二效蒸发器的加热器;3.强制循环蒸发器;4.预热器;5.表面冷凝器;6.热蒸汽增压器;7.蒸汽喷射真空泵;8.高温瞬时灭菌器;9.闲蒸冷却器;10.浮球平衡槽.(4)三效蒸发系统(二)( 图 l4):本系统配有热蒸汽增压器.系统由一组双效降膜蒸发器和一台升膜蒸发器(无循环)组成.蒸发器组后还附有灭菌装置.此系统的
15、蒸发速率可以达到 9000kg/h,可使浓度为 4.5%的胶液蒸发浓缩至 21.5%,比蒸汽消耗率为26%.(5)并列单效蒸发系统(图 l5):本系统由平行配置的 4 台降膜蒸发器组成,并设有风扇式机械蒸汽增压机,适用于食用明胶的蒸发浓缩.此系统的蒸发速率可达 13000kg/h,可使浓度为 2.7%的胶液蒸发浓缩至 l7.1%,增压器设定的电功率为 ll5kw.(6)带机械蒸汽增压器的单效蒸发系统(图 16):本系统设置一台降膜蒸发器,并配置一台涡轮蒸汽增压机,适用于食用明胶的蒸发浓缩.此系统的蒸发速率可达 101X)0kg/h,可在 55下将浓度为 5%,黏度为 250mPa?s 的优质明
16、胶液蒸发浓缩至 l8%,增压器设定的电功率为 166kW.3 明胶液的热灭菌处理明胶具有与蛋白质相似有结构,在 140oC以上仅需 10s,其蛋白质化合物即将发生可观的破坏.所以灭菌时必须很快地达到所需要的高温(120 145oC),并且在保持一定时间(38s)后必须在同样短的时间内降温,也就是说必须在最短的时间里完成用最高温度灭菌.只有这样,才能保证灭菌处理对明胶最重要的性质,如凝冻强度,黏度和色泽的影响最小.明胶液在高温下灭菌处理 5s 的降解结果如图 l7 所示.将应用于食用和药用的明胶溶液在高温下灭菌以达到微生物学上的纯净度,可以使用两种方法,即直接加热法和间接加热法.但是,热处理对明胶液的影响极大地不同于生产过程中的加热单元操作.例如,采用板式热交换器的间接加热,其对明胶液的影响远大于用直接蒸汽喷射法,也即是前者明胶液处于高温下的时间远多于后者(见图 18).为此,高温瞬时灭菌器采用直接蒸汽喷射(DirectSteam第 27 卷
