糖清汁的处理 |
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| 申请号 | CN200780041606.8 | 申请日 | 2007-11-08 | 公开(公告)号 | CN101548023B | 公开(公告)日 | 2013-01-16 |
| 申请人 | 通加特休利特有限公司; | 发明人 | 克雷格·罗伯特·卡尔·詹森; | ||||
| 摘要 | 一种处理澄清的 甘蔗 清汁的方法，其包括：在第一处理阶段，纯化该清汁以除去大于大约0.1微米的粒子；然后使该澄清的糖清汁通过初步离子交换阶段，其中，使其依次与至少一种氢型强酸性阳离子交换 树脂 接触 ，然后与至少一种氢 氧 化物型弱 碱 性阴离子交换树脂接触，以实现糖清汁的初级去矿化；然后，使该糖清汁通过二次离子交换阶段，其中，使其依次与至少一种氢氧化物型强碱性阴离子交换树脂接触，然后与至少一种酸性阳离子交换树脂接触，以实现糖清汁的二次去矿化。从所得的纯化糖溶液中回收糖产物。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种处理澄清的甘蔗清汁的方法，该方法包括： |
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| 说明书全文 | 糖清汁的处理技术领域发明内容[0002] 根据本发明，提供了一种用于处理澄清的甘蔗清汁的方法，该方法包括： [0003] 在第一处理阶段，纯化澄清的甘蔗清汁以除去大于大约0.1微米的粒子； [0004] 使从第一处理阶段得到的澄清的糖清汁通过初级离子交换阶段，其中，使糖清汁依次与至少一种氢型强酸性阳离子交换树脂接触，然后与至少一种氢氧化物型弱碱性阴离子交换树脂接触，以实现糖清汁的初级去矿化； [0005] 然后使糖清汁通过二次离子交换阶段，其中，使糖清汁依次与至少一种氢氧化物型强碱性阴离子交换树脂接触，以及然后与至少一种酸性阳离子交换树脂接触，以实现糖清汁的二次去矿化，因而得到纯化的糖溶液；和 [0006] 从纯化的糖溶液中回收糖产物。 [0007] 给料至第一处理阶段的澄清甘蔗清汁通常是通过如下步骤得到的：预处理甘蔗茎，例如，粉碎或破碎甘蔗茎；使用吸浸水(imbibition water)通过浸提和/或压榨从预处理的甘蔗茎中分离出糖清汁，因而得到混合清汁；加热并向该混合清汁中加石灰；以及初步澄清该混合清汁以得到澄清的甘蔗清汁。然而，也可以通过任何其它合适的加工方法得到用于给料至第一处理阶段的澄清的甘蔗清汁。 [0008] 在第一处理阶段(其实际上可以视为第二澄清阶段)中，除去足够的悬浮固体、有机非糖杂质和颜色以使得糖清汁适用于离子交换阶段中的后续处理。 [0009] 在第一处理阶段中的纯化可以通过过滤实现。使澄清的糖清汁通过能够除去大于大约0.1微米的粒子的膜进行过滤。更具体而言，可以使糖清汁通过孔径范围为200埃至0.1微米的膜。因而，对澄清的糖清汁进行了超滤。申请人已经发现，为了避免离子交换树脂的快速堵塞，并确保所得的糖产物符合浊度规格，在离子交换前进行超滤是很重要的。 [0010] 上述从甘蔗茎中得到的澄清甘蔗清汁具有较低的糖或蔗糖浓度，通常小于15％(m/m)，例如约10％～15％(m/m)。这种低浓度的糖清汁适合作为本发明方法的给料；然而，使用更高浓度的糖清汁作为给料或许更有利，例如为了减少处理相同量的糖或蔗糖所需的主要设备的成本。 [0011] 因此，本方法可以包括在进入第一处理阶段之前浓缩(例如蒸发)该澄清的糖清汁的步骤。因此，其可被浓缩至至少20％(m/m)、优选为20％～40％(m/m)、通常大约为25％(m/m)的糖或者蔗糖的浓度。 [0012] 澄清的甘蔗清汁通常处于高温状态，例如为90℃以上的温度。因此，在第一处理阶段的处理将通常在高温下进行；然而，由于离子交换通常在较低温度下进行，例如，在60℃以下的温度(比如大约10℃)下，因此通常在离子交换前冷却该清汁。 [0013] 在离子交换过程中也要求较低的给料温度以抑制可由强酸性阳离子树脂催化的蔗糖向果糖和葡萄糖的转化。因此，如果不需要将蔗糖转化为果糖和葡萄糖，则无论如何要将从第一处理阶段得到的过滤糖清汁冷却至25℃以下。若需要转化，可以通过调节进入初级离子交换阶段之前的糖清汁温度控制转化度。因此，通过例如使用一个冷却步骤使糖清汁的温度降低至大约10℃，会将在离子交换阶段发生的蔗糖至果糖和葡萄糖的转化降至最低限度。 [0014] 在初级离子交换阶段，优选起初使糖清汁依次与两个以串联方式配置的氢型强酸性阳离子交换树脂接触，然后与氢氧化物型弱碱性阴离子交换树脂接触。该弱碱性阴离子交换树脂起到中和清汁的作用。尽管丙烯酸树脂可以用作弱碱性阴离子交换树脂，但是优选使用苯乙烯树脂，因为与丙烯酸树脂相比，它更高效地除去有机物质。然后，在初级离子交换阶段，将该清汁再通过另外的氢型强酸性阳离子交换树脂，其后，依次通过以串联方式配置的两个氢氧化物型弱碱性阴离子交换树脂。这些树脂中的第一个将起到中和清汁的作用，而第二个树脂将实现清汁的进一步脱色。 [0015] 相信在初步离子交换阶段将除去超过95％的进料灰分和高达70％的清汁颜色。此外，在初级离子交换阶段可以实现同时脱灰或去矿化和转化，至于转化，如果需要的话，如此前所述，可以通过控制进入离子交换树脂阶段中的进料清汁的温度进行控制。 [0016] 如果需要的话，本方法可以包括有时再生初级离子交换阶段的树脂的步骤。这样，强酸性阳离子交换树脂可以通过使其与例如盐酸或硝酸的强酸接触而再生，同时会得到富含钾盐的废酸流。该废酸流适合于用作肥料原料。阴离子树脂可以通过与例如基于铵的碱(如氨水)的合适的碱接触而再生。在这种方式中，得到也适合用作肥料原料的富含氮的废碱流。 [0017] 在二次离子交换阶段，在使从初级离子交换得到的糖清汁与阳离子交换树脂接触前，使其依次与两个以串联方式配置的氢氧化物型强碱性阴离子交换树脂接触。然而，在本发明的另一个实施方式中，也可以使从初步离子交换阶段得到的糖清汁与第一氢氧化物型强碱性阴离子交换树脂接触，然后与阳离子交换树脂接触，再与第二氢氧化物型强碱性阴离子交换树脂接触。所述阳离子交换树脂可以为强或弱酸性树脂。 [0018] 如果需要的话，本方法也可以包括有时再生二次离子交换阶段的树脂的步骤。这样，强碱性阴离子交换树脂可以进行一个两阶段再生过程，包括：首先在50℃以上的温度下使用盐水使其再生，然后在50℃以下的温度下用氢氧化钠使其再生。所述酸性树脂也可以使用强酸再生。该富含矿物质的废再生液也可以用作肥料原料。 [0019] 从二次离子交换阶段排出的纯化糖溶液中回收糖产物可以包括，在浓缩阶段浓缩纯化的糖溶液至例如含有60质量％以上的溶解固体。然后处理所得的浓缩糖清汁以从其中回收至少一种液体糖产物和/或至少一种固体或晶体糖产物。 [0020] 如有必要，可以调节该浓缩糖清汁或糖溶液的糖组成。 [0021] 如前所述，可以通过调整初级和二次离子交换阶段澄清糖清汁进行的离子交换的温度调节蔗糖/转化糖(果糖和葡萄糖)的比率。 [0022] 为了提高(例如最大化)果糖和葡萄糖的产量，选择温度以得到初级和二次离子交换阶段发生向果糖和葡萄糖的高转化度。为了独立地调节果糖和葡萄糖的相对比率，可以将从浓缩阶段得到的充分转化的浓缩糖清汁输送至果糖/葡萄糖色谱分离阶段。也需要采用色谱分离阶段以从液体糖产物中分离果糖或者葡萄糖。 [0023] 可以制备多种液体糖产物。然后含有蔗糖、果糖和葡萄糖的不同液体产物流可以混合或者使用例如色谱柱技术和/或异构化作用分别进行进一步处理，以得到具有所需组成的液体糖产物。 [0024] 因此，为了调节或改变糖产物中的蔗糖、果糖和葡萄糖的相对比率，可以对所述浓缩糖清汁或糖浆进行色谱和/或异构化处理。 [0026] 如果期望得到固体或晶体糖产物，可以使任意的液流进行结晶。 [0027] 本方法可以包括使液体糖产物进行转化的步骤以从其中得到微晶或无定形糖。该液体糖产物的转化可以包括，对液体糖产物施加剪切力以诱发巨量的糖晶核形成，并使糖产物结晶，以形成微晶或无定形糖。 [0028] 所述初级和二次离子交换阶段以及所述色谱阶段可以使用模拟移动床装置或系统进行，例如通过使用如在US 5676826(Rossiter等人)中所述的连续液体-固体接触装置、通过如在US 5122275(Rasche)中所述的分离联动装置系统(separation trained system)、通过使用如在WO 2004/029490(Jensen等人)中所述的旋转分配装置(rotary distribution apparatus)等。 附图说明[0030] 图1显示根据本发明的用于处理澄清的甘蔗清汁的方法的流程图；以及[0031] 图2更详细地显示了图1的初级和二次离子交换树脂阶段。 具体实施方式[0032] 在附图中，附图标记10通常指的是根据本发明的处理澄清的甘蔗清汁的方法。 [0033] 该方法10包括第一处理或超滤阶段12，以及通向阶段12的澄清的甘蔗清汁管道14。 [0034] 传送管道16从阶段12通向初级离子交换阶段18。 [0035] 管道20从管道16通向冷却阶段22，同时管道24从冷却阶段通向初级离子交换阶段18。 [0036] 管道26从初级离子交换阶段18通向二次离子交换阶段28。 [0037] 传送管道30从二次离子交换阶段28通向蒸发阶段32。 [0038] 糖浆排放管道34从蒸发阶段32通向精制阶段36，以及液态产物排放管道38从精制阶段36中引出。 [0039] 管道40从管道34通向色谱/异构化阶段42，同时果糖、葡萄糖和蔗糖排放管道44、46和48从阶段42通向存贮阶段50。果糖、葡萄糖和蔗糖管道52、54和56分别从存贮阶段50通向混合阶段58，同时管道60从阶段58通向管道34。 [0040] 管道62从管道40通向结晶阶段64，管道66也是从阶段50通向结晶阶段64。晶体产物排放管道68从阶段64引出。 [0041] 酸进料管道70通向初级离子交换阶段18，碱进料管道72也通向初级离子交换阶段18，同时废酸管道74和废碱管道76从初级离子交换阶段18引出。 [0042] 管道74和76通向肥料制备阶段(没有示出)。 [0043] 初级离子交换阶段18包括以串联方式配置的第一和第二阳离子交换器78、80，和这样连接这些交换器的管道82。管道84从交换器80通向第一阴离子交换器86，同时管道88从交换器86通向阳离子交换器90。管道92从交换器90通向阴离子交换器94，同时管道96从交换器94通向另一个阴离子交换器98。管道26从交换器98中引出。 [0044] 各阳离子交换器78、80和90含有氢型强酸性阳离子交换树脂。各阴离子交换器86、94和98含有氢氧化物型弱碱性阴离子交换树脂。 [0045] 二次离子交换阶段28包括强碱性阴离子交换器100，以及通向交换器100的管道26。管道102从交换器100通向另一个强碱性阴离子交换器104。管道106从交换器104通向弱酸性阳离子交换器108。管道30从交换器108中引出。 [0046] 各强碱性阴离子交换器100、104包含氢氧化物型强碱性阴离子交换树脂，而弱酸性阳离子交换器108中包含氢型弱酸性离子交换树脂。 [0047] 在使用中，如上所述制备澄清的甘蔗清汁，也即，通过粉碎或破碎甘蔗茎，用吸浸水在浸提阶段从粉碎的甘蔗茎中提取甘蔗清汁，加热从浸提阶段得到的混合清汁并加入石灰，和通常在重力沉降器中使这样处理的清汁进行初步澄清，以及由此从重力沉降器中排出澄清的甘蔗清汁。 [0048] 澄清的甘蔗清汁沿着管道14进入超滤阶段12，其中，使其通过具有200埃至0.1微米的规格范围的膜进行超滤。这样，通过阶段12中的超滤从澄清的甘蔗清汁中除去悬浮固体、有机非糖杂质和一些颜色。 [0049] 如果需要的话，在进行超滤阶段12之前，可以将澄清的甘蔗清汁进行浓缩(例如，通过蒸发)以将其中糖或蔗糖的浓度从10％～15％(m/m)提高至20％～40％(m/m)。 [0050] 澄清的甘蔗清汁从超滤阶段12进入到初级离子交换阶段18，如上所述，根据所需的转化度，通过管道20、冷却阶段22和管道24非必须地冷却其至少一部分。换句话说，如果需要将蔗糖转化为果糖和葡萄糖，可以通过调节进入初级离子交换阶段18的清汁的温度来控制转化度。 [0051] 在初级离子交换阶段18，所述清汁依次通过阳离子交换器78、阳离子交换器80、阴离子交换器86、阳离子交换器90、阴离子交换器94和阴离子交换器98。以这种方式，超过95％的进料灰分和高达70％的清汁颜色在阶段18中进行的初级去矿化过程中被除去。 [0052] 相信以串联方式使用的两个强酸性阳离子交换器78、80优化了树脂负载，使得方法的效率更高。 [0053] 在阴离子交换器86中的树脂优选为苯乙烯树脂，并且其用于中和所述清汁。 [0054] 阴离子交换器94、98的使用是有益的，因为交换器94起到中和所述清汁的作用，而在交换器98中进行所述清汁的进一步脱色。 [0055] 因此，在初级离子交换阶段18中实现了同时脱灰和转化，并且通过控制进入该阶段的清汁温度控制转化。 [0056] 清汁从离子交换阶段18沿着管道26通向二次交换阶段28。在二次离子交换阶段28中，在强碱性阴离子交换器100、强碱性阴离子交换器104和弱酸性阳离子交换器108中依次处理该清汁。以串联方式使用两个强碱性阴离子交换器产生进一步的去矿化和脱色，并使树脂负载最大化，因此使得方法的效率更高。弱酸性阳离子交换器108起到中和清汁的作用。 [0057] 这样处理的清汁沿着管道30进入蒸发阶段32，在其中，将其浓缩至固溶物含量超过60％。 [0058] 从阶段32排出的清汁或糖浆通常具有如下规格： [0059] -蔗糖、果糖和葡萄糖混合纯度＞95％ [0060] -总糖纯度＞99％ [0061] -清汁色值＜100 ICUMSA单位 [0062] -灰分＜0.1％(1000ppm) [0063] 如果需要制备普通的液体糖产物，那么使从蒸发阶段32得到的糖浆或浓缩清汁沿着管道34通向精制阶段36，在其中，例如通过混合床离子交换器、活性炭吸附剂或合成材料吸附剂将其进行另外的去矿化，以进一步改善产物的质量。沿着管道38从精制阶段36排出的液体糖产物通常具有如下规格：色值＜40 ICUMSA单位，灰分＜300ppm。 [0064] 为了调节或改变从蒸发阶段32排出的糖浆或浓缩清汁中的蔗糖、果糖和葡萄糖的相对比率，使该糖浆沿着管道40进入到色谱和/或异构化阶段42中。在阶段42中，用色谱法和/或异构化的方法可以分离/或浓缩特定的糖，即蔗糖、果糖/或葡萄糖，因此，在混合阶段58中，可以得到具有所需糖组成的产物。 [0065] 为了调节糖组成，如上文所述，可以首先通过使用冷却阶段22改变清汁温度调节糖/转化糖(果糖和葡萄糖)的比率。“转化糖”指的是果糖与葡萄糖的50-50(m/m)混合物。依靠这种灵活性，从蒸发阶段32排出的糖浆的组成可以容易地从高蔗糖产物调节至高转化产物或具有蔗糖与转化产物平衡的产物。 [0066] 然而，为了独立地调节果糖和葡萄糖的比率，就需要从蒸发阶段32排出充分转化的糖浆进行阶段42中的果糖/葡萄糖色谱分离。如果最终产物需要蔗糖，那么就需要将色谱产物与未转化的蔗糖混合(没有示出)。 [0067] 在混合所需的液体糖产物之前，为了完全分离果糖、葡萄糖或蔗糖，在阶段42中也需要采用色谱分离。 [0068] 通过管道60，从混合阶段58得到的产物可以由此进一步与从蒸发阶段32得到的糖浆混合。 [0069] 或者，为了得到固体或晶体糖产物，从蒸发阶段32得到的糖浆或从阶段42得到的不同产物可以在阶段64中进行结晶。可以使任何满足下面条件的液体流进行结晶，该液体流具有可使结晶能够进行的足够高的特定糖纯度，例如， [0070] 蔗糖＞90％ [0071] 果糖＞96％ [0072] 葡萄糖＞90％。 [0073] 可以从阶段36中得到的液体糖产物的例子为高蔗糖液体糖(蔗糖大于90％；转化糖小于5％)，部分转化糖(转化糖10％～90％)，完全转化糖(转化糖大于95％)(所有百分数都基于质量)和定制的液体糖(customized liquidsugar)产物，也就是，任意所需的果糖、葡萄糖和蔗糖的比率。在后一种情况下，需要使用色谱法，即使用阶段42来纯化各种糖，随后在阶段58混合所述纯化产物。 [0074] 有时需要再生初级离子交换阶段18的交换器中的树脂。阳离子树脂使用从管道70进入的硝酸再生，同时富含矿物质的废酸沿着管道74回收。在阶段18中的阴离子交换树脂使用氨水再生，同时富含矿物质的废硝酸铵沿着管道76回收。混合这些流出物以形成硝酸铵。 [0075] 类似地，在二次离子交换阶段28中，弱酸性阳离子树脂可以使用硝酸或任何其它弱酸再生。然而，在阶段28中的强碱性阴离子交换树脂将进行两阶段的再生方法，该方法包括，在第一步中，使用盐水的颜色再生，即，在50℃以上的温度下的氯化钠溶液，同时盐水沿着管道77进入，以及废盐水沿着管道79回收。然后，用水洗涤该树脂以使其冷却到50℃以下。然后，在第二阶段，通过沿着管道81进入的氢氧化钠，同时氢氧化钠的温度为50℃以下，来进行树脂活性点的再生。废苛性碱沿着管道83回收。 [0076] 可以混合沿着管道74、76、79和83回收的废再生流(没有示出)以便提供因其富含矿物质而适合用作肥料的混合液体流。这仅仅可以适用于氢氧化钾或氯化钾用于再生的情况。如果氢氧化钠或氯化钠用于再生，那么废再生液必须抽至废弃池中或至循环/回收步骤中。 [0077] 强碱性树脂，特别是OH型强碱性树脂是热敏感的。相信使用上文所述的再生步骤(即，其中首先使用热盐水进行再生，接着使用水冲洗残留的热盐水树脂(其也用于冷却树脂)，然后采用苛性碱再生)使OH和Cl之间对树脂活性点的竞争最小化并使树脂的寿命最大化。 [0078] 可以使用模拟移动床技术进行离子交换阶段和色谱步骤。为该目的，可以使用例如在US 5676826(Rossiter)中所述的连续液体-固体接触装置、例如在US5122275(Rasche)中所述的分离联动装置系统或者例如在WO2004/029490中所描述的旋转分配装置。 [0079] 步骤10可以包括非必需的转化阶段110，带有通向转化阶段110的管道38，以及从阶段110中引出的无定形糖回收管道112。在转化阶段110中，对从精制阶段36得到的浓缩精制液体糖产物施加剪切力以巨量的糖晶核形成，并使糖产物结晶，由此形成微晶或无定形糖。这通常是通过如下步骤进行的：在115℃～135℃的温度下，对该浓缩精制液体糖产物施加粘度梯度至少为5000cm/秒/cm的剪切力下，并将所得的成核糖浆排放至合适的收集器(例如传送带)上。 [0080] 申请人意外地发现：使用根据本发明的方法，可以从澄清的甘蔗清汁中得到一系列液体的和结晶的高质量的糖。液体糖产物主要由蔗糖、果糖和葡萄糖以任意的比率组成，并且意外地发现本发明的方法可以生产这些产物，而不需要使用结晶，因此使得方法更加划算。 [0081] 此外，在本发明的方法中，去矿化或脱灰在初级离子交换阶段18和二次离子交换阶段28之间分开进行，而不是仅靠单个脱灰离子交换阶段以使澄清的甘蔗清汁去矿化。将脱灰在初级离子交换阶段的弱碱性阴离子交换树脂和在二次离子交换阶段的强碱性阴离子交换树脂之间分开进行导致如下意想不到的优点： [0082] -使用比强碱阴离子树脂更便宜并且具有更长使用期限的弱碱性阴离子树脂可以进行部分的脱灰和去矿化； [0083] -其允许使用两种不同的再生化学试剂，即氨水(用于弱碱性树脂)和苛性碱(KOH)(用于强碱性树脂)，当将该废再生化学试剂用于肥料用途时，考虑到肥料组合物的组成，其提供更大的灵活性。 [0084] 如上文所述的初级和二次离子交换阶段18和28的“分支(off-set)”交换器配置(与将清汁简单地依次从阳离子交换树脂通向阴离子交换树脂的已知配置相比)在产物质量方面提供了改进的性能。 [0085] 还意外地发现如上文所述的在根据本发明的阶段18和28中的交换器的排列使化学效率最大化。这样，为了使在再生过程中的化学效率最大化，在吸附过程中使阳离子树脂充分负载是很重要的。如果在再生前树脂柱被灰分充分负载，则在操作过程的最后(将发生的唯一处理步骤是清汁的软化处理)将发生最小的脱灰。正是因为这样的原因，才在与交换器86中的阴离子树脂接触前，使清汁通过两个连续的阳离子交换器78和80。当以交换器78和80中的树脂的很高负载为目标时，这将确保交换器86的有效运转。 [0086] 在弱碱性阴离子树脂(例如在交换器86中)上的脱色动力学(kinetics)显著慢于脱灰动力学。此外，在高pH下有利于脱色。在脱灰过程中，额外地使清汁通过阴离子交换器94和98增强了脱色，由此使脱色效率最大化。 [0087] 最后，相信与标准的两或三级脱灰配置相比，在离子交换阶段18、28中使用的交换器配置将提供改善的操作稳定性和控制简易性。 |
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