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木薯块根利用之一(淀粉加工工艺及设备)

作者:张振文 发布时间:2019-02-22 阅读量:96

木薯(Manihot esculenta Crantz)是多年生热带作物,于19 世纪20 年代引入我国,现已广泛分布于广西、广东、福建、云南、江西、四川、贵州和海南等华南地区。木薯的主要用途是食用、饲用和工业用,世界上约65%鲜薯用于食用,而我国却有90%以用于工业加工淀粉、变性淀粉和酒精等高值化产品。

本节重点阐述鲜木薯块根加工木薯淀粉工艺和加工设备。

目前,标准的鲜木薯淀粉加工厂,其加工工艺必须包括原料除杂清洗单元、原料破碎单元、淀粉提取单元、淀粉精制浓缩单元、淀粉脱水单元、淀粉干燥包装单元、废水处理单元和控制系统单元等8个单位,其主要工艺可总结为四个工艺,包括:鲜薯清洗脱皮、粉碎提取、筛分浓缩和干燥包装工艺,具体流程如图1所示。

图1. 鲜木薯淀粉加工工艺流程

一、清洗脱皮工艺

   清洗脱皮是木薯淀粉加工第一步工艺,主要是清除鲜薯表面泥沙、薯块外表皮。清洗和脱皮工艺常用采用卧式鼠笼清洗机(图2)、浆叶清洗机(图3)。

图2. 卧式鼠笼清洗机

图3 浆叶清洗机

 

具体工作流程

1-鲜木薯块根经传送带送到卧式鼠笼清洗机内清洗泥沙;

2-卧式鼠笼清洗机在马达带动下转动,鲜薯沿着轴向前进;

3-鲜薯经卧式鼠笼清洗机后,会除去泥沙和部分表皮,后进入清洗机;

4-在浆叶清洗槽内搅拌桨的作用下,通过相互摩擦去除鲜块表皮;

5-清洗后薯块经传送带进入粉碎工艺,而洗涤水可回收后循环利用。

二、粉碎提取工艺

淀粉贮藏于块根细胞中,需要对薯块进行粉碎才能获得。粉碎是借助外力将大块固体物料粉碎成适宜或细粉的操作过程。常见的粉碎机有圆盘式、锤式和涡轮式以及锉磨等多种,目前普遍采用锉磨粉碎机。

(一)圆盘式粉碎机

圆盘式粉碎机,又称气流式圆盘粉碎机,其工作原理是:通过粉碎室内的喷嘴把压缩空气形成的气流束,使物料之间相互碰撞、摩擦以及物料与室壁、冲击板之间的碰撞、摩擦而达到粉碎目的。

图4.圆盘式粉碎机

(二)锯式锉磨粉碎机

锯式锉磨机工作原理是在储存斗的物料通过传送机进入锉磨机壳体内的锉刀盘上方,锉刀盘高速圆周旋转,粉碎上方物料,并将粉碎后物料经旋转带出锉磨机。

图4. 锉磨粉碎机及设计平面图

(三)锤式粉碎机

锤式粉碎机工作原理是:物料受高速旋转锤头的冲击而被击碎,又以高速冲击衬板而多次破碎。破碎后较小物料经筛孔排出,较大物料再次受锤头的冲击被破碎,直到全部通过筛孔提出。

   通常,锤式粉碎机分为单转子和双转子两大类,按锤头排列方式,可分为单排式和双排式两大类。

图5. 锤式粉碎机

(四)齿式粉碎机

齿式粉碎机工作原理是:被粉碎的物料受自身重力或外力作用,由进料口进入粉碎机后,在钢齿之间被粉碎,经高速旋转的离心盘的作用,沿径向分布并获得离心动力,离开圆盘后高速飞向齿圈板,如反复多次相互碰撞、摩擦,物料就不断被破碎直到通过筛网排出粉碎出。

图6. 齿式粉碎机

值得一提的是,鲜木薯块根含有一定量的氰化物,经过粉碎后,游离的CN-会与铁发生反应,形成氰亚铁酸盐,使淀粉呈蓝色。因此,粉碎工艺所用设备尽量采用不锈钢材料制作,以保证淀粉的白度达标和品质稳定。

具体工作流程

1-将清洗、脱皮后的鲜木薯块根经传送带送到粉碎机;

2-粉碎后的浆料通过压力泵进入筛分浓缩工艺。

 

三、筛分浓缩工艺

筛分浓缩工艺是淀粉加工重要环节之一。该工艺主要设备包括离心筛或刮刀离心机(图7、8)、刷式过滤器(图9)、除砂器(图10)和洗涤旋流器(图11)等。

   粉碎后粉浆用泵输送到分离工段,在分离工段淀粉从纤维素中分离出来。分离使用多级分离器且分为4 个阶段,各阶段之间是直接连接的,中间不设贮槽。分离器最后阶段流出的浆液含水量为85%~95%,所以需要通过连续式真空过滤机脱水,使水分含量降至40%~45%可节省大量的成本。

(一)离心筛

该设备是针对薯类淀粉加工的专业提取设备。薯类根茎粉碎后的浆液被泵输送到提取筛内,浆料在离心力作用下被高速旋转的筛篮筛分,由于物料中各个物质颗粒直径的不同,淀粉、纤维、蛋白质和微量元素被分别的提取出来。

图7. 离心筛

(二)刮刀离心机

刮刀离心机分立式和卧式两种。

1、立式刮刀离心机

淀粉浆料进入离心机后,经分配短暂分料进入筛篮和刮刀空隙中,转鼓转动,在离心力的作用下,水透过物料层穿过筛网飞溅到转鼓内衬板,沿着内衬板注入机座的集水槽,通过过滤管提出机体外。筛篮内侧的相物料利用筛篮和刮刀之间的转速差,由刮刀将其沿筛篮刮下至筛篮底部,经钟开罩、出口圆锥体卸出。

2、卧式刮刀离心机

淀粉浆料进入离心机沿筛篮座落入筛篮的底部,筛篮内的淀粉浆料受离心力作用紧贴筛面,在振动力作用下,料层均匀地向筛篮大端移动并甩出,落入机壳下部的排料口排出。浆料中的水在离心力作用下,透过料层和筛缝,甩向机壳四周,沿内壁流向排水口排出。

图8. 刮刀离心机

(三)刷式过滤器

浆料从进料口泵入后,进入过滤器滤筒内部,然后自内而外的通过滤筒,杂质被拦截在过滤筒内壁,自动清洗的刷子不断清洗滤筒内壁,保证滤筒始终处于清洁状态。过滤后的浆料从出水口流出。

图9. 刷式过滤器

(四)除砂器

除砂器工作原理是根据离心沉降和密度差的原理,当水流在一定压力下从除砂器进口以切向进入设备,会产生剧烈的漩涡,密度大的砂沉降到底部,由底部排砂口排出;密度小的清水向上在出口处经不锈钢滤网的二次过滤,从而达到除砂的目的。

 图10. 除砂器

(五)旋流器

旋流器作为一种常见的分离分级设备,其工作原理是离心沉降,即当待分离的两相(或三相)混合液以一定压力从旋流器周边切向进入旋流器内后,产生强烈的三维椭圆型强旋转剪切湍流运动,由于粗颗粒(或重相)与细颗粒(或轻相)之间存在着粒度差(或密度差),其受到的离心力、向心浮力、流体曳力等大小不同,受离心沉降作用,大部分粗颗粒(或重相)经旋流器底流口排出,而大部分细颗粒(或轻相)由溢流管排出,从而达到分离分级目的。

图11. 旋流器

具体工作流程为

1-粉碎后浆料经压力泵输送到刷式清洗机进行一级分离,过滤粗渣;

2-一级分离过滤后,浆料被泵输送到除砂机进行除砂作业;

3-除砂后浆料被泵输送到离心筛(或刮刀离心机)进行二级分离、脱水;

4-二级分离后的浆料被泵输送到旋流器进行浓缩,离心沉降后进入干燥工艺。

五、干燥包装工艺

浓缩后的淀粉由螺旋输送机传送至干燥系统,使淀粉产品的含水量保持在12%~13%。为了避免淀粉随废气排出而损失掉,干燥系统设有专门的旋风分离装置以回收淀粉,而且进入干燥机前的热风必须过滤,以防空气污染淀粉制品。木薯淀粉加工干燥包装工艺包括真空脱水机、气流干燥系统和自动包装机等。

(一)真空脱水机

   真空脱水机(图12)由转鼓、进料系统和真空系统等组成。其工作原理是:转鼓旋转时,由于真空作用,使转鼓内外形成压力差,促使淀粉颗粒吸附于滤布之上,液体则通过滤布沿真空管道流到气水分离罐,并通过连续抽真空,使吸附在转鼓上的淀粉浆得到干燥,形成滤饼,通过刮刀装置使滤饼从滤布上脱落,完成一个循环过程,进入下一个循环。

图12. 真空脱水机

(二)气流干燥系统

图13. 气流干燥系统

    气流干燥又称“瞬间干燥”,其原理是利用高速流动的热气流使湿淀粉悬浮在其中,在气流流动过程中进行干燥。具有传热系数高、传热面积大、干燥时间短等特点。该法是使加热介质和待干燥固体颗粒直接接触,并使待干燥固体颗粒悬浮于流体中,因而两相接触面积大,广泛用于木薯淀粉加工的干燥单元操作。

 

(三)包装机

图14. 全自动包装机

针对化工、饲料、粮食、种子等行业的物料包装的需要,研制新型包装机组。该机组具有自动称量、自动上袋、自动填充、自动送包、自动封口等功能。可与各类颗粒、片状等物料设备联动工作,实现大规格包装无人化生产作业。

具体工作流程

干燥后木薯淀粉被泵传送包装机进料口,包装机可自动完成包装。

目前,世界木薯淀粉具有投资规模化、技术集中化、市场区域化等特点,木薯淀粉加工设备的主要制造商代表有荷兰Hovex公司、丹麦ISI公司、泰国TGP公司、巴西EBS公司、中国ZJSE公司和印度UPE公司。

表1. 不同工艺的技术参数对比(杨坡平,2007)

 

六、废水处理工艺

木薯淀粉加工产生的副产物包括废水、废渣、废气和木薯皮等,在不同工艺阶段,副产物的组成差别较大,尤其是废水的成分差别很大,如表15所示。针对不同工艺阶段的副产物需要区别对待处理。


木薯淀粉加工主要产生3种废水, 即洗涤木薯废水、淀粉加工分离废水(即黄浆水)。常见的废水测试指标包括CODCr、BOD5、DO、pH、SS和CN-等,常用处理方法可分好氧、厌氧、好氧+厌氧等多种类型。2010 年10 月,国家颁布实施了《淀粉工业水污染物排放标准》(GB 25461-2010),明确规定了水污染物排放浓度限值和单位产品基准排水量的限值,国家环保局据此明确提出简单好氧的氧化塘工艺不能作为木薯淀粉废水处理工艺。目前,国内绝大数木薯淀粉加工基本采用了“厌氧+好氧”生化处理工艺。

1、上流式厌氧污泥床反应器(Up-flow Anaerobic Sludge Bed,USBA)

USAB属滞留型厌氧生物处理技术,是在反应器底部集有大量高效颗粒化的厌氧污泥,形成污泥床,污水进入污泥床与污泥接触,其中的有机污染物在厌氧条件下经污泥中的微生物降解,转化成甲烷、二氧化碳等,所产生的气体(沼气)可作为能源再次利用。UASB 反应器对悬浮物浓度比较敏感,一般要求处理悬浮物的浓度低于5000mg/L的废水。

2、厌氧颗粒污泥膨胀床反应器(Expanded Granular Sludge Bed,EGSB)

EGSB 高效厌氧反应器,是在UASB厌氧反应装置基础上加以改进,其优点是增加污水与污泥的接触面,加快反应进程;厌氧颗粒污泥活性高,增加反应器对有机物特别是毒性物质的承受能力,适应较高浓度悬浮物的废水。

3、上流式多级厌氧反应器(Up-flow Multistage Anaerobic Reactor,UMAR)

UMAR根据内循环和分级处理原理研制的高效厌氧生物反应器。特点是:基建投资省、占地面积少;有机负荷高,水力停留时间短;可缓冲低pH 冲击;对进水负荷提高、进水水质改变表现出良好的耐受能力;同样适合于处理浓度较低和温度较低的有机废水。

4、高效好氧生物反应器(High performance Compact Reactor, HCR)

HCR工艺是德国克劳斯塔尔(Clausthal)工科大学物相传递研究所于20 世纪80 年代发明的HCR工艺。

1-初沉池;2-循环管;3-二沉池;4-反应器;5-循环泵;6-污泥循环泵;7-泵;8-污泥回流管

图15.HCR工艺流程(李德豪,2007)

1、序列间歇式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process)

SBR-ASP是一种按间歇曝气方式来处理活性污泥水处理技术,又称序批式活性污泥法。与传统污水处理工艺不同,SBR-ASP技术采用时间分割的操作方式替代空间分割的操作方式,非稳定生化反应替代稳定生化反应,静置理想沉淀替代传统的动态沉淀。

2、周期循环活性污泥法(Cyclic Activated Sludge System,CASS)

CASS是在间歇式活性污泥法(SBR)的基础上演变的,具有高效和经济性。其流程由进水反应、沉淀、排水等基本过程组成,各阶段形成一个循环。该工艺的独特之处在于污染物的降解在时间上是一个推流的过程,而微生物则处于好氧、缺氧、厌氧周期性变化之中,从而达到对污染物去除的作用。

3、移动床生物膜反应器(Moving-Bed Biofilm Reactor,MBBR)

移动床生物膜反应器(MBBR)是20 世纪80年代末KMT(Kaldnes Miljiteknologi)公司与挪威的一个研究机构(SINTEF)合作开发的一种污水生物处理工艺,它是为解决固定床反应器需定期反冲洗、流化床需使载体流化、淹没式生物滤池堵塞需清洗滤料和更换曝气器的复杂操作而发展起来的。该方法通过向反应器中投加一定数量悬浮载体,提高反应器中生物量及增加生物种类,从而提高反应器处理效率,被广泛地应用于市政废水与工业废水处理。

移动床生物膜反应器( MBBR) 是一种高效的生物脱氮处理工艺,包括泥膜复合与纯膜两种模式(图16)。

图16. MBBR工艺流程(郑志佳,2017)

 

(文章转自:宝岛薯食微信公众号)

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