淀粉乳的水解与节能

  • 作者: 超级管理员
  • 时间: 2014-12-09 15:09:21
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赖庚音

(石家庄市乐开糖醇技术开发有限公司,石家庄市  050030 )

 

前言

水解是以淀粉乳为原料生产淀粉糖的主要过程。

淀粉分子是由成千上万个葡萄糖单元(C6H10O5)连接而成,水解过程是将淀粉乳中的淀粉分子水解成单个的葡萄糖分子,但难免有漏网的,所以,水解液的糖分组成中除了葡萄糖外,还含有麦芽糖(2个葡萄糖单元组成)和麦芽三糖(3个葡萄糖单元组成)等杂糖。葡萄糖占总糖的比例叫做DX值(DXGlucose÷Total Sugar×100%)。以我们现在的技术水平,水解液(糖化液)的DX平均值应达到97.0%以上。

水解

淀粉乳水解成葡萄糖液的过程包括液化和糖化两个步骤。淀粉分子的水解是一个生物酶催化反应过程。为了让生物酶更加高效地完成催化水解工作,我们需要为其创造好的工作条件:pH值和温度。早先的酶制剂对淀粉乳中的钙含量还有较高的要求,所以我们往淀粉乳中添加氯化钙溶液以满足之。由于酶制剂的技术进步,现今对钙的依赖大为降低,一般淀粉乳中的钙当淀粉乳电导率>200微西门子)即足以满足,无须额外再添加氯化钙。

酶制剂的保存过程中其活性(活力)一直在降低,温度越高,活力下降的速度越快。酶活力的下降会带来两个方面的危害,一是影响水解效果,二是增加生产中酶的消耗量。酶的存放最好是在35的冷库中,如果没有这个条件,最起码要存放在带空调的房间内。库房中的酶在取出使用时应尽量按照入库的时间顺序依次取用,库房内存酶量尽量不要超过1个月的用量。在生产现场正在使用的酶储存容器因环境温度较高,存放量不宜超过12h

反映淀粉水解程度的参数是DE值,淀粉乳的DE值是0,纯葡萄糖溶液的DE值是100。水解液的DE值在0100之间,水解程度越高,DE值越大。生产实践中经常出现检测出糖化液的DE值略大于100的情况,这是因为DE值的检测采用化学法,属于检测误差所致。

液化和糖化分别采用液化酶和糖化酶来完成各自的工作。液化酶先随机将淀粉分子切成平均78个葡萄糖分子(对应DE1214)单元的短链分子,再依靠大量的糖化酶逐个与短链分子结合后逐次把葡萄糖单元一个一个水解下来。之所以采用液化酶和糖化酶配合来完成整个水解过程是因为单独用其中的任一种酶哪怕花费很长的时间都无法完成淀粉的完全水解过程,或者水解的均匀度也非常差。

液化酶和糖化酶最佳工作条件相差较大,以生产结晶葡萄糖为例,液化酶是pH6.190,糖化酶是pH4.560。所以液化后的液化液去糖化前只需调整pH值和温度即可,无须再升温灭酶。早先的淀粉糖工艺糖化结束后需要用蒸汽升温灭糖化酶,那是因为当时的糖化酶纯度不够,杂酶很多,糖化后期的副反应较多。现如今随着酶制剂技术进步,糖化酶纯度大为提高,糖化后期的副反应很少,糖化终了再去灭酶徒消耗蒸汽,完全没有必要。

pH计的pH电极由于有机物的污染会使其产生的偏差越来越大,一般每班都需要用pH缓冲液(pH4.0pH7.0)对其校验一次。

2.1  液化

目前使用的液化酶是耐高温淀粉酶。淀粉乳是大量的淀粉分子缠绕在一起形成淀粉颗粒悬浮在水中,淀粉的酶液化需要首先将淀粉颗粒在高温下充分发生水合反应,破坏其团粒物理结构,才能顺利与酶接触发生水解反应。淀粉在不加酶的情况下受热升温到60以上就要发生糊化反应,形成高粘度难于输送的糊状物料。所谓液化就是加液化酶后在高温下破坏淀粉颗粒物理结构的水合作用和淀粉的酶水解作用同时进行,形成粘度相对(糊精)较低的液态(非糊状)物料即液化液。要想充分破坏淀粉的团粒结构,需要110甚至更高的温度,所以,耐高温淀粉酶比非耐高温淀粉酶更加适合于淀粉乳的液化。

使用玉米淀粉乳生产结晶葡萄糖、F-55玉米高果糖浆等追求糖化DX的生产线,采用两次喷射液化工艺是比较适合的,添加了1/3液化酶的淀粉乳用直接蒸汽加热升温到110并维持1min,然后闪蒸降温到95反应约20min;再用直接蒸汽加热升温到135维持15s,然后闪蒸降温到93补加剩余2/3液化酶,反应90min110135的高温是破坏淀粉团粒的物理结构充分发生水合作用所必需,液化酶的最佳作用温度在90℃~9595以上,酶活力下降很快,所以,高温下的维持时间应以达到充分水合反应目的的情况下尽量缩短。液化酶二次加酶点的选择必须在135后一次加酶活力尽失闪蒸降温后,才能在随后的90min反应中起主要作用。为了在喷射液化后迅速闪蒸降温到9593,需要为液化系统配备抽凝真空系统。两次喷射液化工艺是糖化液获得高平均DX值和高过滤通透性能的保证。

液化后DE值的控制以1214为宜。DE值太高,一是会在液化阶段直接产生很多难于被糖化酶水解的超短链分子糖,比如麦芽糖和麦芽三糖,最终影响糖化液的DX值;二是平均分子链太短,与糖化酶的结合更加困难,反而会延长糖化时间或增加糖化酶的消耗。DE值太低,液化液的粘度较大,也会增加糖化的难度。

液化过程是淀粉糖生产的关键工序,液化的不好,不但后续工序过滤困难,甚至会由于大分子糊精的存在让结晶和离心分离变得非常困难甚至无法结晶。相比之下,糖化倒不太容易出现大的问题。造成液化效果不好的原因不外乎三点:液化酶活性不够(大部分情况是因为存放温度偏高造成酶活性损失过大,也有因加酶系统出现故障没加上酶)、pH调整不准确和原料淀粉乳酸败变质。一旦液化不好将对后续工序造成非常大的困难和生产损失,及时发现液化异常就显得非常重要。所以要求每4h取样化验一个DE值,每0.5h取样做一次碘试。化验DE值和碘试颜色判定都是检测液化液的DE值是否在合适范围,化验DE值速度较慢但结果比较准确,碘试颜色判定比较方便快捷,但结果准确度也就相对较差。

液化的均匀度也很重要,同样DE值的液化液,如果液化不均匀,其不同DP的糖分分布就会非常宽泛,这样的液化液去糖化是不可能获得高DX值和好的效果。专业术语上,水解液中的葡萄糖我们称为DP1,麦芽糖称为DP2,麦芽三糖称为DP3,以此类推。两次液化反应时间的分配和液化反应设备的结构都影响液化的均匀度。合理的反应设备结构,可以很好的消除因流体在流道中行进的罐壁效应带来的不均匀通过时间,或叫做不均匀停留反应时间。流体在流道中低速平流时,流道中心的流速大于流道边缘(罐壁处)的现象叫做罐壁效应,主要是因为流体粘度所致,粘度越大,罐壁效应越明显。为了液化均匀,由12个特殊设计的瘦长平流反应器串联组成的液化反应器无疑是最佳的选择。

喷射液化器开车时必须先走水将温度升到规定参数后才能切换成物料,否则有未液化的生淀粉通过的危险。喷射液化器停车时必须先切换成水走23min以清洗,否则会因蒸汽阀泄漏烤糊物料造成喷射液化器堵塞。

二次喷射的供料泵和平流反应器的供料泵因物料粘度较高,可以选择转子泵或电机配大一号的离心泵。一次喷射的供料泵因淀粉乳粘度较低,普通离心泵最好,不可误认为转子泵或螺杆泵更好,用转子泵输送低粘度物料时,由于转子间缝隙的泄漏,往往达不到其标示的流量和扬程。一次喷射和二次喷射的供料泵扬程都应不低于50m,否则会因为其背压的变化造成流量大的波动,甚至产生剧烈振动。因温度超过常压下水的沸点100,喷射液化器的背压与温度有对应关系,温度的变化会引发背压的变化。喷射液化器后的高温维持管末端必须设背压阀以确保物料在维持管内不沸腾,加装能够自动调节的背压阀只能减少而不能完全消除背压的波动。

当规模较大,喷射液化的流量超过50m3/h时,喷射液化器(特别是一次喷射)建议选用进口的美国水热公司产品或国内相类似结构的产品。

加酶或酸碱用计量泵属于往复式隔膜泵,输送流量比较稳定,可通过调节其冲程或频率来改变其输送流量。选配计量泵宜选大一些,使其能够维持在70%以下的频率运行有助于延长计量泵的使用寿命。

2.2  糖化

糖化的操控远比液化简单,主要应该注意pH值调控、温度调控、浓度调控、加酶正常和糖化搅拌控制,只有这几个方面都控制得很好,才能获得好的糖化效果(高DX)。

pH值要想调控好,除了定期对pH计进行校验外,对正在入料的糖化罐分别在料位30%、65%和满罐时取样送检也很重要。当满罐后才发现pH不合适,特别是pH偏低需要再加碱回调,操作就会非常繁琐,并且会对生产带来大的损失。

温度调控相对简单,可以在计算机控制程序上设置糖化入料温度偏差报警,而且每个糖化罐上都装着温度计,如果罐上的温度计与对应入料阀和液位计连锁,也可以实现对正在入料的糖化罐设置计算机温度偏差自动报警。单罐糖化时间一般按60h考虑。为了保证糖化过程的温降小于1,对于300m3容积的大型糖化罐,考虑气候因素,糖化罐100150mm的岩棉保温层厚度是有必要的。

为了获得糖化高DX通过添加从离子交换返回的甜水来适当稀释糖化罐的入料浓度。入料浓度越低,糖化最终DX会越高,但是降低入料浓度会增加后续蒸发工序的负担和能耗。比较合理的是将液化液浓度从3335 oBX(淀粉乳喷射浓度36%37%时)稀释到3031oBX,这样糖化终了浓度会在3233oBX,既保证了较高的DX(平均97.0%以上),又不会增加太多的水。

糖化罐如因加酶系统故障或酶活性不足导致糖化太慢,可以直接向糖化罐补加糖化酶。一般要求每个糖化罐从入料满罐开始计时,分别在糖化15h30h45h60h时取样做HPLC(高压液相色谱)检测,以及时了解糖化的状况。

在采用大型糖化罐时(600m3以上),可给糖化罐的搅拌配备变频器,使用变频器可调节出一个合适的搅拌转速,而且搅拌晃动较轻,同时也减少电的消耗。每个糖化罐在其整个糖化周期中对搅拌强度的需求是变化的:糖化罐入料时为了充分混合罐内物料,此时需要的搅拌强度最大;为了增加平均过滤速度减少后续真空转鼓过滤的硅藻土消耗,糖化罐出料前及出料前期最好让搅拌停一段时间(从糖化60h到出料罐液位降到40%);至于糖化过程,搅拌主要是避免蛋白质或酶制剂与物料分层造成糖化不均匀,需要的搅拌强度较小,可以让计算机程序控制搅拌每运行10min停歇20min

糖化罐还需定期清洗,需配备热水(8085)清洗系统。糖化罐若长期不清洗,罐底和罐壁堆积的残渣会越来越多,增加染菌风险和占用有效空间甚至影响糖化效果。一般糖化罐每运行56个周期应该清洗一次。

糖化罐经热水喷淋清洗后,罐内充满水汽,此时千万不要进入冷水(特别是从顶部喷淋)或冷物料,否则会因水汽快速凝结产生真空,虽罐顶有呼吸口也来不及破除,而造成糖化罐被吸扁。大型糖化罐对抗外压的能力很弱,一旦发生这种情况,修复非常困难。

废汽(液化闪蒸二次蒸汽)和废能再利用

精制后糖液通过MVR蒸发器预浓缩至浓度50%左右,再送去三效废热蒸发器进一步浓缩到所需浓度。三效废热蒸发器使用液化闪蒸出来的二次蒸汽为热源,其温度约为9092MVR蒸发器的出料浓度要调控成三效废热蒸发器既能完全消耗掉液化闪蒸废汽,又要尽量减少生蒸汽的补充。这样许多淀粉糖生产线的浓缩汽耗都可以做到接近零汽耗。

93左右的液化液送糖化前先与离交后45左右的蒸发进料换热,这是淀粉糖的生产中最为经典的料料换热以回收废能。