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摘要：研究了MVR技術在大豆乳清廢水處理中的應用。通過單因素試驗及對大豆乳清廢水的分析，基于保證乳清蛋白活性的目的得到MVR處理大豆乳清廢水最佳工藝條件為：壓縮機頻率100Hz，加熱溫度65℃。在最佳條件下回收1t大豆乳清廢水用電13kW•h。

關鍵詞：MVR；大豆乳清廢水；乳清蛋白

目前大規模工業化生產的大豆分離蛋白的主流生產工藝是堿溶酸沉法，該方法生產過程每生產1t大豆分離蛋白會排放30～50m3的乳清廢水［1］。大豆乳清廢水含有大量的乳清蛋白、灰分、低聚糖，其中乳清蛋白主要由2S和7S組分組成，主要包括胰蛋白酶抑制劑（其中代表性的有兩種，即Ku－Nitz抑制劑和Bowman－Birk抑制劑）、大豆血球凝集素、脂肪氧化酶、β－淀粉酶、細胞色素C等多種生理活性物質［2－4］。大豆低聚糖主要是蔗糖、棉子糖和水蘇糖。大豆分離蛋白廢水量大，處理困難，耗費水資源多成為制約大豆分離蛋白發展的最大瓶頸問題。如何解決大豆乳清廢水成為當前大豆分離蛋白工業急需解決的問題。而大豆乳清廢水中固形物含量很低，水分含量達到97％以上，對大豆乳清蛋白及低聚糖等的分離難度較大，因此需要對大豆乳清廢水進行濃縮，同時提高有益成分的濃度，便于進一步分離和提純。現有常用的濃縮方法包括：沉淀法、吸附法、超濾膜法、透析法、蒸餾法以及冰凍干燥法等。其中，沉淀法、吸附法以及透析法都需要在溶液中加入相應試劑，以分離溶質與溶劑，這些方法在物料純度要求較高以及具有食品安全要求的工業領域中很難得以推廣應用；超濾膜法存在膜易堵，清洗困難，投資高等缺點；蒸餾法與冰凍干燥法由于操作相對簡單，且對溶質本身的物理化學性質影響較小，因此在食品工業中應用較為廣泛，但這兩種濃縮方法能耗均較大。機械蒸汽再壓縮（Mechanicalvaporrecompression，簡稱MVR）技術是一種高效節能的蒸發系統。MVR技術在化工蒸發濃縮精餾［5］過程、乳制品及果汁濃縮［6］、食品發酵液處理［7］、海水淡化行業［8］以及廢水處理［9］等領域中得以廣泛應用。本研究結合乳清蛋白中活性物質回收的需要，應用MVR技術對大豆乳清廢水進行回收利用，實現水資源再利用，同時保證蛋白類活性物質便于進一步分離提純。

1材料與方法

1．1實驗材料。大豆乳清廢水（固形物含量2．5％，粗蛋白質含量（干基）20％，pH4．6±0．1），臨邑禹王植物蛋白有限公司。食品用液體氫氧化鈉。Kjeltec8200凱氏定氮儀；AL204－2C電子天平；MVR中試系統，德州清大禹王能源技術研究院有限公司。MVR中試系統原理：換熱器內稀溶液被高溫熱源加熱，產生的水蒸氣被壓縮機吸入，經過升溫加壓后變成高溫高壓水蒸氣，再次返回換熱器中，作為高溫熱源加熱稀溶液，稀溶液受熱將水蒸氣分離出來，由此便可實現溶液的濃縮，高溫水蒸氣與稀溶液換熱后變成冷凝水排出系統，完成系統循環。MVR中試系統示意圖如圖1所示。該系統的處理量為50kg，其中壓縮機型號為RVC－1羅茨式壓縮機；換熱器面積為3．3m2；電加熱器功率為3kW；真空泵、循環泵均為2BV2060液環式真空泵。1．2實驗方法。具體操作方法為：①接通電源，開啟真空泵，打開進料閥，將50kg大豆乳清廢水通過進料口吸入至蒸發罐中。②進料完畢后，關閉進料閥，開啟電加熱器，通過控制面板設定加熱溫度；待控制面板顯示的系統各參數穩定后，關閉真空泵。③開啟溶液循環泵及壓縮機，開始溶液循環噴淋，實現溶液濃縮。本研究在一定的進料量、pH下，分析了壓縮機頻率、加熱溫度對大豆乳清廢水濃縮處理系統的影響，并對最佳壓縮機頻率和加熱溫度下的系統處理能力進行了分析。

2結果與分析

2．1壓縮機頻率對乳清蛋白回收系統的影響。通過預處理調節大豆乳清廢水的蛋白質含量為1％，pH7．3±0．1，控制加熱溫度為50℃，溶液流量為0．39kg／s，為保證進口溶液濃度不變，將冷凝液罐與濃溶液罐之間的連接管打開，使蒸發出的冷凝液迅速返回濃溶液中，再將稀釋后的溶液循環噴淋，以保證溶液進口濃度近似不變。調節壓縮機頻率，待系統參數穩定后進行記錄，進而得到不同壓縮機頻率下對應的系統穩態運行工況。通過調整壓縮機頻率，分析了過程中的吸氣流量、吸排氣壓力、吸排氣溫度、換熱量、壓縮機功率、傳熱溫差與傳熱系數的變化，結果如圖2～圖6所示。由圖2可知，壓縮機頻率升高，吸氣流量增大，受電加熱器控制，吸氣密度不變，蒸汽量增大，線性關系明顯。由圖3、圖4可知，壓縮機頻率升高，吸氣流量增大，受電加熱器控制，吸氣溫度不變，吸氣壓力不變，由于吸氣流量增大，導致壓縮機排氣壓力增大，排氣溫度上升明顯。由圖5、圖6可知，壓縮機頻率升高，蒸汽量增大，換熱量與壓縮機耗電量均隨之增大，由于排氣壓力、排氣溫度升高，換熱器內傳熱溫差增大，溫差的增大利于傳熱傳質的運行，同時傳熱系數也有所提高。綜上所述，提高壓縮機的頻率能夠有效地提高排氣壓力和排氣溫度，從而提高傳熱溫差及傳熱系數，進而提高了傳熱效率，降低熱損失，提高處理能力和效率。2．2加熱溫度對大豆乳清廢水回收系統的影響。通過預處理調節大豆乳清廢水的蛋白質含量為1％，pH7．3±0．1，控制溶液流量為0．39kg／s，壓縮機頻率控制在100Hz，為保證進口溶液濃度不變，將冷凝液罐與濃溶液罐之間的連接管打開，使蒸發出的冷凝液迅速返回濃溶液中，再將稀釋后的溶液循環噴淋，以保證溶液進口濃度近似不變。調節電加熱器的溫度，使溶液溫度即壓縮機的加熱溫度發生變化，待系統參數穩定后進行記錄，進而得到不同加熱溫度下對應的系統穩態運行工況。通過調整加熱溫度，分析了過程中的吸氣流量、乳清蛋白含量、吸排氣壓力、排氣溫度、冷凝水溫度、換熱量、壓縮機功率、傳熱溫差與傳熱系數的變化，結果如圖7～圖12所示。由圖7、圖8可知，隨著加熱溫度升高，吸氣密度變大，出口蛋白質含量變大；有利于提高濃縮速度，增加處理量，分析認為加熱溫度的提升提高了蒸汽量和內能。由圖9、圖10可知，加熱溫度升高，壓縮機的吸氣壓力升高，排氣壓力也隨之升高，排氣溫度上升，同時提高排氣熱能，進而提高熱效率。分析認為加熱溫度提高增加了蒸發量，直接增加了吸氣量從而提高了吸氣壓力，進而引起排氣壓力的增加，最終提高了排氣溫度。由圖11、圖12可知，隨著加熱溫度升高，壓縮機吸氣密度增大，蒸汽量變大，換熱量增大，壓縮機耗電量增大，兩側換熱流體溫度升高，傳熱系數有所升高。綜上，加熱溫度的提高能夠有效地提高排氣壓力和排氣溫度，從而提高傳熱溫差，增大傳熱系數，進而提高了換熱效率，降低熱損失，提高處理能力和效率。由于乳清蛋白中的活性物質主要是胰蛋白酶抑制劑、細胞色素和β－淀粉酶，考慮到β－淀粉酶最適溫度為60～65℃，因此加熱溫度控制在65℃［4］。2．3最佳控制條件下的乳清蛋白含量變化。通過預處理調節大豆乳清廢水的蛋白質含量為1％，pH7．3±0．1，控制壓縮機頻率在100Hz，加熱溫度設定為65℃，溶液流量為0．39kg／s，鑒于噴霧要求，大豆蛋白的蛋白質含量一般在10％～11％，因此通過溶液濃縮，使進口溶液蛋白質含量逐漸升高到10％后，開始記錄蛋白質含量與對應的系統運行工況。結果如圖13～圖16所示。圖13蛋白質含量－時間關系曲線圖14進出口壓力－進口溶液蛋白質含量關系曲線圖15換熱量與壓縮機功率－進口溶液蛋白質含量關系曲線圖16每蒸發1t水的壓縮機耗電量－進口溶液蛋白質含量關系曲線由圖13可知，由于濃溶液循環噴淋，因此進口溶液蛋白質含量逐漸升高，蛋白質含量增加呈線性，出口溶液蛋白質含量也逐漸升高，與進口溶液呈現平行關系，說明系統運行平穩，蒸發穩定，蒸發效率不受蛋白質含量變化影響，系統可持續運行。由圖14可知，在實驗時間內，溶液蛋白質含量逐漸增加，進口壓力下降，出口壓力上升，分析認為隨著水分的回收，大豆乳清廢水蛋白質含量增加，在壓縮機頻率和加熱溫度不變的情況下，蒸汽蒸發量減少，真空泵抽真空能力不變，相對系統內空間變大，蒸汽密度降低，從而造成了進口壓力降低，而出口壓力上升的原因有待進一步分析。由圖15、圖16可知，進口溶液蛋白質含量增加，而換熱量逐漸降低，壓縮機耗電量逐漸升高。分析原因認為，隨著蛋白質含量增加，溶液的水汽分壓降低，蒸發難度增加，進而需要提供的能耗增加。當前工況下，該系統每蒸發1t水，壓縮機平均耗電量約為13kW•h。

3結論

通過MVR系統對大豆乳清廢水的回收、濃縮研究得到如下結論：（1）提高壓縮機頻率，可提高溶液蒸發速率，有效提高換熱系數，強化換熱。最佳壓縮機頻率基于設備最高頻率為100Hz。（2）提高加熱溫度，可提高溶液蒸發速率，有效提高換熱系數，強化換熱。綜合評估乳清蛋白廢水中活性物質的失活溫度，最佳加熱溫度為65℃。（3）提高壓縮機頻率、提高加熱溫度，均可導致壓縮機能耗升高，壓縮機頻率和加熱溫度提高與能耗提高呈線性正相關，主要原因是壓縮機做功對象質量增加，壓力提高。（4）對于大豆乳清廢水，每蒸發1t水，壓縮機平均耗電量為13kW•h。

作者:時玉強 艾凇卉 魯緒強 馬軍 劉汝萃 單位:1.臨邑禹王植物蛋白有限公司 2.清華大學