乳酸粉的规模化、连续化生产设备及生产方法 |
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| 申请号 | CN202311403896.3 | 申请日 | 2023-10-26 | 公开(公告)号 | CN117299333A | 公开(公告)日 | 2023-12-29 |
| 申请人 | 上海珅杭国际贸易有限公司; | 发明人 | 桓德选; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种乳酸粉的规模化、连续化生产设备及生产方法。以乳酸和乳酸 钙 为原料，首先将两者按照设定的比例同时输入一级空心桨叶干燥机，接着输入二级空心桨叶干燥机完成混合、干燥、原料乳酸中乳酸脱 水 物的消解及其与乳酸钙的共晶等过程，然后将混合物料输入 粉碎 机粉碎，最后利用旋 风 分离器及配套的筛分机收集、筛分目标乳酸粉产品。本发明采用的主体设备空心桨叶干燥机及其配套设备不仅保证了原料的充分混合，而且由于具有加热和干燥等功能，能够在进料混合的同时实现各种规格乳酸原料中乳酸酐、乳酰乳酸、聚乳酰乳酸的 水解 转化及其与乳酸钙的共晶、干燥一步连续完成，最终将通常工艺的生产周期约4‑30天缩短到本发明工艺的当天或当班。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一套乳酸粉规模化、连续化生产设备，其特征在于：该套设备包括一级干燥机、二级干燥机、粉碎机、旋风分离器、脉冲除尘器；所述一级干燥机的进料口、出料口分别与进料装置、二级干燥机的进料口相连，二级干燥机的出料口与粉碎机进料器相连，粉碎机的出料口分别与旋风分离器、脉冲除尘器相连。 |
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| 说明书全文 | 乳酸粉的规模化、连续化生产设备及生产方法技术领域背景技术[0002] 乳酸粉是食品酸度调节剂乳酸的一种粉末制品，形式上为乳酸和乳酸钙的混合产物，客观上是乳酸与乳酸钙的共晶物质。其中的原料L‑乳酸由糖类发酵生产制取，乳酸钙是以L‑乳酸为主要原料生产的。乳酸粉产品中的乳酸和乳酸钙能够以多种比例在较大范围内自由调节，使其具有良好的PH缓冲性，从而满足食品行业不同的功用和使用要求。乳酸粉可做为食品的酸度调节剂、膨松剂等应用于糖果及烘焙食品中，也能够增强食品或乳制品的酪香和乳香味，是多种乳制品的理想添加成分，广泛应用于调制酸奶、发酵奶酪、冰激凌、酸奶片、水果奶片等多种食品中。乳酸粉作为抗氧化剂应用于食品中具有显著的保鲜与防腐功能，在蔬菜腌制时使用可保持蔬菜原有脆性，同时最大限度的阻止腌制过程中亚硝酸盐的产生。乳酸粉还具有増味效果，可用作鸡精粉(粒)、火锅底料等多种固体调味料的原料。乳酸粉已经广泛应用于烘焙食品，不仅具有乳化、保鲜、固(塑)型作用，而且还具有营养强化功效。乳酸粉产品的固体粉末型态在通常的使用环境下，相对于液体乳酸产品更易于使用，是固体饮料、固体调味料、速食沙拉酱、洋葱味奶酪敷料、干型乳制品和小食品的理想原料。 [0003] 本发明提供的乳酸粉产品中几乎所有的乳酸都以游离态、可直接滴定的形式存在，例如乳酸标识含量高达62％时乳酸的游离度为100％，这种特性是其相对于商品乳酸(常温液态)在使用环境呈现的剂型(粉末状)优势外的又一本质区别！因为在通常环境状态下，皂化法测定的标识含量大于30％～32％的乳酸水溶液或商品乳酸中的游离乳酸都不会大于30％～32％，这是乳酸的固有特性。标识含量越高的乳酸水溶液或商品乳酸，其中的乳酸酐、乳酰乳酸及聚乳酰乳酸含量就越高，这些乳酸(标识含量大于30％～32％)在使用中非但不能体现高酸度，反而爆发出显著的苦味与不好的味道。这些问题都是由高含量(大于30％～32％)乳酸溶液中含有的乳酸酐、乳酰乳酸及聚乳酰乳酸等乳酸脱水物造成的。 [0004] 以乳酸和乳酸盐(钙)为原料，或者以乳酸和碳酸钙为原料都可以制取乳酸粉，这些乳酸粉产品相对于单一原料(乳酸或乳酸钙)无论是性能还是剂型(形态)都可带来应用范围的扩大以及风味改善与效能的提高。乳酸除具有有机酸和羟基酸(果酸)的通性外，典型的特性在于随着其在水溶液中的含量升高，容易出现分子间脱水成乳酰乳酸、分子内脱水成乳酸酐(乳酐)的情况。一般乳酸实际含量大于30％(m/m)的乳酸水溶液，室温下就会有乳酰乳酸生成，并且含量越大、时间越长、温度越高乳酰乳酸形成越快、生成量越大。通常商品规格≧80％的商品乳酸中的游离乳酸≤30％(m/m)，将这种商品乳酸进一步脱水至水分含量较低时，得到的乳酸含水溶液实质上是游离乳酸、乳酐、乳酰乳酸、聚乳酰乳酸和水的混合物，且体系中的游离乳酸含量较低。对于这种水分较低的混合物，不加催化剂、常压或减压环境下在温度小于190℃下继续加热适当时间，可以使乳酸完全脱水得到乳酐、乳酰乳酸和聚乳酰乳酸、丙交酯的混合物，这种混合物以乳酸单元计的含量可以达到约125％的理论值。不论任何含量的乳酸，如充分加水至乳酸溶质≤30％(m/m)，再辅以适当温度、充分时间的搅拌，可使体系中的乳酐、乳酰乳酸和聚乳酰乳酸、丙交酯完全水解成游离乳酸的水溶液，即上述过程是可逆的。进一步的实验研究还表明，显量的碱金属或碱土金属离子对乳酐、乳酰乳酸和聚乳酰乳酸、丙交酯的水解和游离有完全的催化作用与效果。乳酸钙除具有可食用有机酸钙的通性外，最典型的特性是在常温下，比同类有机酸钙盐在水中更易溶解且溶解度最大，特别是加热状态下可以在水中无限溶解，这个性质在有机酸钙盐中是独一无二的。 [0005] 目前乳酸粉产品的生产方法大体可概括为以下两类： [0006] A类——引入显量非乳酸及乳酸盐异物的微胶囊包埋工艺，如CN1674797A、CN1232411A、CN1232411A。引入显量非乳酸及乳酸盐异物的微胶囊包埋工艺产品与本发明所述产品相比，只是产品类别相似，在原料及用途上都有较大差别，两者不具有可比性。 [0007] B类——较低含量的商品乳酸与商品乳酸盐(乳酸钙)混合工艺，如CN101292770A、CN201519598U、CN105263534A、CN105249399A。该工艺制得的乳酸粉产品与本发明工艺制得的乳酸粉产品相同，但是存在以下三方面的缺陷： [0008] (1)原料乳酸、乳酸钙的混合采用传统的人工或半机械化手段完成，普遍存在混合效果差、劳动强度大、效率低等问题；(2)复配得到的混合物中水分含量通常远大于目标产品(乳酸粉)质量技术指标的规定，因此必须配套独立的烘干与粉碎工序，在烘干过程中存在明显的乳酸蒸发损失(约占原料总量的6％‑8％)，既污染环境又增加了生产成本；(3)当原料乳酸与乳酸钙混合结束后需要放置结晶重排，使乳酸原料中所含的乳酸酐、乳酰乳酸及聚乳酰乳酸充分消解，通常环境下该过程一般需要20‑30天，因而从原料到产品的生产周期普遍在20天以上，既不利于产品质量控制(尤其是微生物)，又严重影响了整体生产效益。 [0009] 检索发现复配食品添加剂乳酸粉的双螺杆挤出混合、免烘干制备方法(CN108157932A)，该方法虽然能提供与本发明相同或相似的乳酸粉产品，并且较好的解决了混合问题同时避免了烘干问题，但是依然无法解决“放置结晶重排”导致的生产周期长问题。酸度调节剂乳酸粉的一步法生产设备及生产方法(CN114177855A)虽能解决上述(2)‑(3)指出的问题与缺陷，但与本发明工艺的原料具有根本差异，其工艺过程既存在明显的化学反应又需要解决烘干过程伴随的乳酸收集问题，存在工艺复杂、设备(装备)投资大、生产环境不易保持等不利因素。 [0010] 综上可知，现有乳酸粉生产工艺普遍存在生产环境不易控制、劳动强度大、生产周期长、生产效率低、生产成本高等问题，更重要的是当前普遍缺少有关乳酸粉终产品关键指标(乳酸游离度)的评价认识，无法从本质上对产品质量进行目标控制。 发明内容[0011] 本发明的目的之一在于提供一套乳酸粉规模化、连续化生产设备，该套设备包括一级干燥机、二级干燥机、粉碎机、旋风分离器、脉冲除尘器；所述一级干燥机的进料口、出料口分别与进料装置(输送乳酸钙的上料器和输送乳酸的进料管)、二级干燥机的进料口相连，二级干燥机的出料口与粉碎机进料器相连，粉碎机的出料口分别与旋风分离器、脉冲除尘器相连。 [0013] 进一步的，在一级干燥机、二级干燥机的蒸发口处设置有冷却系统(螺旋管式冷凝器)，该冷却系统的循环冷却水管路与抽真空装置相连。循环冷却水主要用于对从一级干燥机、二级干燥机的蒸发室抽出的含水蒸汽进行间接冷却，进而回收一级干燥机、二级干燥机加热干燥过程中随水蒸气共沸出的游离乳酸。 [0014] 进一步的，所述一级干燥机的进料口采用螺杆上料器连续封闭进料，一级干燥机的出料口采用封闭式双螺杆挤出输送机连续输出物料，并在封闭状态下将其输入二级干燥机中。 [0015] 进一步的，所述二级干燥机出料口采用与一级干燥机出料口相同的封闭式双螺杆挤出输送机连续输出物料。 [0016] 进一步的，所述粉碎机进料器具体为半敞开式双螺杆进料器。物料经半敞开式双螺杆进料器降温、硬化以及破碎后，进入粉碎机中粉碎到目标细度，最终规模化产出合格的乳酸粉产品。 [0017] 进一步的，该套生产设备还包括引风机，所述引风机与脉冲除尘器相连。脉冲除尘器前面是旋风分离器，旋风分离器与粉碎机顶端的出风口连通，由此实现引风机对粉碎机腔粉碎物料的抽吸效果。 [0018] 本发明的第二重目的在于利用上述设备规模化、连续化生产乳酸粉的方法，该方法包括以下步骤：(a)将原料乳酸、乳酸钙按照比例输送进一级干燥机中进行混合，在加热和乳酸钙的共同作用下实现乳酸原料中的乳酸脱水物(主要是乳酸酐、乳酰乳酸与聚乳酰乳酸)的充分水解、游离和干燥除水；(b)将步骤(a)中的混合物料输入二级干燥机中，使乳酸原料中的乳酸脱水物继续水解、游离完全，并在加热熔融状态下充分干燥；(c)将步骤(b)中的混合物料输送进粉碎机粉碎，然后输入旋风分离器进行分离，大部分物料从旋风分离器底部输出得到乳酸粉产品，小部分物料从旋风分离器顶部进入设置在其侧方的脉冲除尘器中进行回收。 [0019] 进一步的，一级干燥机的加热温度为90～110℃，并且当一级干燥机加热室的温度达到60℃时开始进料，在加料的同时启动抽真空装置维持一级干燥机蒸发室内的真空度大于0.01MPa。 [0020] 进一步的，从一级干燥机输出的混合物料的温度不低于80℃。 [0021] 进一步的，二级干燥机的加热温度为105～125℃，其内部的熔融混合物料温度控制在120±5℃，二级干燥机蒸发室内的真空度大于0.02MPa。 [0022] 进一步的，一级干燥机、二级干燥机共用的循环冷却水的温度控制在45±5℃。循环冷却水与抽真空装置相连起到间接冷却作用，主要用于冷却回收加热过程中共沸逸出的乳酸。 [0023] 进一步的，制得的乳酸粉产品中乳酸的质量百分比含量为50％‑62％，乳酸游离度不低于99.5％。 [0024] 本发明提供的乳酸粉规模化、连续化生产设备及生产工艺在原理上以实现乳酸粉产品前述定义为目标，利用两级或多级空心桨叶干燥机实现了原料(乳酸、乳酸钙)充分接触混合以及同步控温消解共晶、脱水干燥，确保乳酸原料的转化消解、乳酸钙共晶、干燥在同一设备中一步连续完成，并同步回收干燥过程中随水蒸气共沸逸出的显量乳酸。本发明能够使用任意含量规格的乳酸、乳酸钙作为原料，将投料至获得成品的生产周期由通常生产方法的4‑30天缩短到当天或当班，并在保证规模生产、连续运行、产品品质的情况下充分提高了原料利用率，真正做到了节能与环境友好兼顾。附图说明 [0025] 图1为本发明所述乳酸粉生产设备的侧面示意图。 [0026] 图2为本发明所述乳酸粉生产设备的俯视示意图。 [0027] 图3为本发明乳酸粉生产工艺流程图。 [0028] 图4为本发明乳酸粉生产设备功能图。 [0029] 1‑上料器，2‑一级空心桨叶干燥机，3‑冷凝器，4‑旋风分离器，5‑二级空心桨叶干燥机，6‑脉冲除尘器，7‑粉碎机进料器，8‑粉碎机。 具体实施方式[0030] 为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例及附图进行进一步说明。 [0031] 乳酸粉作为复配食品添加剂，在烘焙、固体调味料、固体饮料、糖果等多种食品中已经广泛应用，有据可查的消费量大于1万吨/年。目前的乳酸粉产品约半数由荷兰普拉克(PURAC)公司生产供应，其余半数由国内三家工厂生产提供。荷兰普拉克公司的生产方法是以乳酸和碱金属碳酸盐(碳酸钙、碳酸镁)为原料，利用与生产乳酸的碱金属盐(乳酸钙、乳酸镁)类似的生产设备通过控制对应目标条件实现的，具有产品品质高、生产周期短等优势，但同时也存在设备投资大、选址和法规许可限制等问题。国内生产厂家都是以乳酸和乳酸钙为原料，具有设备投资相对较小、不存在选址和法规许可限制等优点，并且各家的原料混合方法存在不同(人工或机械化程度)，因而决定了工艺综合效率相差极大。由于普遍存在较长时间的结晶重排(乳酸原料中的脱水物消解)过程，所以都有生产周期长的明显缺陷。另外还存在程度不等的烘干、粉碎过程的不可控因素，因此存在各工段过程无法连续、整体生产周期长、综合效率低、产品品质不知如何保证等问题。 [0032] 本发明生产出的乳酸粉产品是以乳酸和乳酸钙两种物质为主体成分的混合物，其中的乳酸又都是以能够直接滴定的游离状态存在，这也是衡量与定义乳酸粉产品的原则指标——并非将目标比例的原料乳酸和乳酸钙简单混合就得到了乳酸粉产品，只有混合物中的乳酸完全水解游离并形成了乳酸与乳酸钙的共晶产物，才能得到本申请所述真正意义上的乳酸粉产品。发明人研究发现，用于乳酸粉生产的乳酸原料(商品乳酸)实质上是游离乳酸、乳酐、乳酰乳酸和聚乳酰乳酸与水的混合物，给予充分混合和较高加热温度(60～125℃)的条件，在少量水(即便是对应比例乳酸钙原料中的结合水)存在环境下，乳酸钙都可以使对应比例乳酸原料中的乳酐、乳酰乳酸和聚乳酰乳酸转化为游离乳酸，关键条件是：①原料(乳酸和乳酸钙)充分接触；②不会造成乳酸分解的过高温度(<190℃)。现有的多种乳酸粉生产方法中，人工或半机械化的混合方式无法实现原料(乳酸和乳酸钙)充分接触，文献报道的双螺杆挤出虽然能够将两者混合均匀，但是存在对原料规格要求苛刻、受行程(停留时间)限制、难以升温保温以保证乳酸原料转化条件稳定等不利情况。此外现有的所有工艺都必须依赖较长时间的放置完成原料乳酸的转化(水解、游离)过程，某些工艺又都依靠独立配备的热风烘干装置完成产品生产，不符合节能降本原则。由于乳酸与水的共沸物中乳酸的占比为显量且无有效回收办法，客观上存在原料浪费与环境损害。总之，现有工艺从原理上无法做到乳酸粉的连续化、规模化生产组织与设计。 [0033] 为此本发明研发了一套如图1‑2所示的乳酸粉规模化、连续化生产设备。该设备包括顺次相连的上料器、一级空心桨叶干燥机、二级空心桨叶干燥机、粉碎机进料器、粉碎机、旋风分离器、脉冲除尘器，引风机与脉冲除尘器相连并为其提供含水空气抽除功能和效果。所述一级空心桨叶干燥机、二级空心桨叶干燥机结构类似，其内部设置有容纳物料的空腔，腔体上部设置有蒸发口并与抽真空装置或系统相连，在其外壁上设置有蒸汽加热夹层并与加热蒸汽管道连通，抽真空装置或系统又与循环冷却水相连进行降温。物料分别从上料器和进料管进入，沿一级空心桨叶干燥机、二级空心桨叶干燥机、粉碎机进料器进入粉碎机粉碎，接着进入旋风分离器分离，合格物料从旋风分离器底部排出，其余物料从旋风分离器顶部吸入脉冲除尘器中进行回收。 [0034] 实施例1 [0035] ①依生产通知单明确的产品规格，结合批次产能(单台混合机容纳4000‑4500kg)测算本批次领料量至生产现场。 [0036] ②设定一级空心桨叶干燥机的加热温度为110℃，待其加热室的温度达到60℃后，启动一级空心桨叶干燥机及原料乳酸的输送泵，与此同时从高位上料器经一级空心桨叶干燥机的进料器向其干燥室(腔)中持续、稳定、均匀的输入原料乳酸钙。在加料的同时启动一级、二级空心桨叶干燥机共用的真空装置，维持一级空心桨叶干燥机蒸发室真空表的读数大于0.010MPa。调节加热蒸汽使物料温度维持在90～110℃范围内，循环冷却水稳定流速下的温度控制在45±5℃，确保从一级空心桨叶干燥机输出的物料温度不低于80℃。 [0037] ③在一级空心桨叶干燥机启动进料的同时，设定二级空心桨叶干燥机的加热温度为105～125℃，从一级空心桨叶干燥机输出的温度不低于80℃的物料进入二级空心桨叶干燥机中，保持二级空心桨叶干燥机加热室内的物料处于熔融状态，温度约在120±5℃。调节真空装置抽气量，保持二级空心桨叶干燥机蒸发室蒸发口处真空表的读数大于0.02MPa。期间控制与真空系统及冷凝器相连的循环冷却水的温度为45±5℃，以回收加热过程中共沸逸出的少量乳酸，并确保从二级空心桨叶干燥机输出的物料温度保持在120±5℃。 [0038] ④混合物料从二级空心桨叶干燥机出口端的封闭式双螺杆挤出输送机进入下方粉碎机的半敞开式双螺杆进料器中，物料在后输的过程中与常温空气接触温度下降，硬化并被破碎后进入粉碎机中粉碎至目标细度，大部分物料经旋风分离器进入旋振筛同步筛分后被气流输送机同步输送到一维混合机(两台交替进料可保持续运行)中。 [0040] 按照上述方法分别制备了乳酸质量百分数为55％、60％的乳酸粉产品，并参照GB1886.173—2016的方法测定了乳酸总含量W1、游离乳酸的含量W2，据此根据公式计算了乳酸游离度W(W＝W2/W1×100％)。相关测试结果如下表所示： [0041] [0042] 按照上述工艺投料生产了50个批次的产品(其中55％乳酸20批，60％乳酸30批)，所有批次生产出的乳酸粉产品完全符合预期的含量规格和对应的质量指标要求，并且从原料至成品的实际收率约99％，考虑到冷凝器下部冷却水接受器底部回收了若干含量约9％(m/m)的乳酸，原料的实际一次转化率大于99％。更重要的是，从投料到包装的生产周期平均为4‑12小时，相对于目前已经公开和在用的所有以乳酸和乳酸钙为原料生产乳酸粉的工艺方法耗费的4‑30天生产周期，大幅度提高了产品生产效率。 |
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