大豆乳清废水处理研究

摘要：研究了MVR技术在大豆乳清废水处理中的应用。通过单因素试验及对大豆乳清废水的分析，基于保证乳清蛋白活性的目的得到MVR处理大豆乳清废水最佳工艺条件为：压缩机频率100Hz，加热温度65℃。在最佳条件下回收1t大豆乳清废水用电13kW•h。

关键词：MVR；大豆乳清废水；乳清蛋白

目前大规模工业化生产的大豆分离蛋白的主流生产工艺是碱溶酸沉法，该方法生产过程每生产1t大豆分离蛋白会排放30～50m3的乳清废水［1］。大豆乳清废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组分组成，主要包括胰蛋白酶抑制剂（其中代表性的有两种，即Ku－Nitz抑制剂和Bowman－Birk抑制剂）、大豆血球凝集素、脂肪氧化酶、β－淀粉酶、细胞色素C等多种生理活性物质［2－4］。大豆低聚糖主要是蔗糖、棉子糖和水苏糖。大豆分离蛋白废水量大，处理困难，耗费水资源多成为制约大豆分离蛋白发展的最大瓶颈问题。如何解决大豆乳清废水成为当前大豆分离蛋白工业急需解决的问题。而大豆乳清废水中固形物含量很低，水分含量达到97％以上，对大豆乳清蛋白及低聚糖等的分离难度较大，因此需要对大豆乳清废水进行浓缩，同时提高有益成分的浓度，便于进一步分离和提纯。现有常用的浓缩方法包括：沉淀法、吸附法、超滤膜法、透析法、蒸馏法以及冰冻干燥法等。其中，沉淀法、吸附法以及透析法都需要在溶液中加入相应试剂，以分离溶质与溶剂，这些方法在物料纯度要求较高以及具有食品安全要求的工业领域中很难得以推广应用；超滤膜法存在膜易堵，清洗困难，投资高等缺点；蒸馏法与冰冻干燥法由于操作相对简单，且对溶质本身的物理化学性质影响较小，因此在食品工业中应用较为广泛，但这两种浓缩方法能耗均较大。机械蒸汽再压缩（Mechanicalvaporrecompression，简称MVR）技术是一种高效节能的蒸发系统。MVR技术在化工蒸发浓缩精馏［5］过程、乳制品及果汁浓缩［6］、食品发酵液处理［7］、海水淡化行业［8］以及废水处理［9］等领域中得以广泛应用。本研究结合乳清蛋白中活性物质回收的需要，应用MVR技术对大豆乳清废水进行回收利用，实现水资源再利用，同时保证蛋白类活性物质便于进一步分离提纯。

1材料与方法

1．1实验材料。大豆乳清废水（固形物含量2．5％，粗蛋白质含量（干基）20％，pH4．6±0．1），临邑禹王植物蛋白有限公司。食品用液体氢氧化钠。Kjeltec8200凯氏定氮仪；AL204－2C电子天平；MVR中试系统，德州清大禹王能源技术研究院有限公司。MVR中试系统原理：换热器内稀溶液被高温热源加热，产生的水蒸气被压缩机吸入，经过升温加压后变成高温高压水蒸气，再次返回换热器中，作为高温热源加热稀溶液，稀溶液受热将水蒸气分离出来，由此便可实现溶液的浓缩，高温水蒸气与稀溶液换热后变成冷凝水排出系统，完成系统循环。MVR中试系统示意图如图1所示。该系统的处理量为50kg，其中压缩机型号为RVC－1罗茨式压缩机；换热器面积为3．3m2；电加热器功率为3kW；真空泵、循环泵均为2BV2060液环式真空泵。1．2实验方法。具体操作方法为：①接通电源，开启真空泵，打开进料阀，将50kg大豆乳清废水通过进料口吸入至蒸发罐中。②进料完毕后，关闭进料阀，开启电加热器，通过控制面板设定加热温度；待控制面板显示的系统各参数稳定后，关闭真空泵。③开启溶液循环泵及压缩机，开始溶液循环喷淋，实现溶液浓缩。本研究在一定的进料量、pH下，分析了压缩机频率、加热温度对大豆乳清废水浓缩处理系统的影响，并对最佳压缩机频率和加热温度下的系统处理能力进行了分析。

2结果与分析

2．1压缩机频率对乳清蛋白回收系统的影响。通过预处理调节大豆乳清废水的蛋白质含量为1％，pH7．3±0．1，控制加热温度为50℃，溶液流量为0．39kg／s，为保证进口溶液浓度不变，将冷凝液罐与浓溶液罐之间的连接管打开，使蒸发出的冷凝液迅速返回浓溶液中，再将稀释后的溶液循环喷淋，以保证溶液进口浓度近似不变。调节压缩机频率，待系统参数稳定后进行记录，进而得到不同压缩机频率下对应的系统稳态运行工况。通过调整压缩机频率，分析了过程中的吸气流量、吸排气压力、吸排气温度、换热量、压缩机功率、传热温差与传热系数的变化，结果如图2～图6所示。由图2可知，压缩机频率升高，吸气流量增大，受电加热器控制，吸气密度不变，蒸汽量增大，线性关系明显。由图3、图4可知，压缩机频率升高，吸气流量增大，受电加热器控制，吸气温度不变，吸气压力不变，由于吸气流量增大，导致压缩机排气压力增大，排气温度上升明显。由图5、图6可知，压缩机频率升高，蒸汽量增大，换热量与压缩机耗电量均随之增大，由于排气压力、排气温度升高，换热器内传热温差增大，温差的增大利于传热传质的运行，同时传热系数也有所提高。综上所述，提高压缩机的频率能够有效地提高排气压力和排气温度，从而提高传热温差及传热系数，进而提高了传热效率，降低热损失，提高处理能力和效率。2．2加热温度对大豆乳清废水回收系统的影响。通过预处理调节大豆乳清废水的蛋白质含量为1％，pH7．3±0．1，控制溶液流量为0．39kg／s，压缩机频率控制在100Hz，为保证进口溶液浓度不变，将冷凝液罐与浓溶液罐之间的连接管打开，使蒸发出的冷凝液迅速返回浓溶液中，再将稀释后的溶液循环喷淋，以保证溶液进口浓度近似不变。调节电加热器的温度，使溶液温度即压缩机的加热温度发生变化，待系统参数稳定后进行记录，进而得到不同加热温度下对应的系统稳态运行工况。通过调整加热温度，分析了过程中的吸气流量、乳清蛋白含量、吸排气压力、排气温度、冷凝水温度、换热量、压缩机功率、传热温差与传热系数的变化，结果如图7～图12所示。由图7、图8可知，随着加热温度升高，吸气密度变大，出口蛋白质含量变大；有利于提高浓缩速度，增加处理量，分析认为加热温度的提升提高了蒸汽量和内能。由图9、图10可知，加热温度升高，压缩机的吸气压力升高，排气压力也随之升高，排气温度上升，同时提高排气热能，进而提高热效率。分析认为加热温度提高增加了蒸发量，直接增加了吸气量从而提高了吸气压力，进而引起排气压力的增加，最终提高了排气温度。由图11、图12可知，随着加热温度升高，压缩机吸气密度增大，蒸汽量变大，换热量增大，压缩机耗电量增大，两侧换热流体温度升高，传热系数有所升高。综上，加热温度的提高能够有效地提高排气压力和排气温度，从而提高传热温差，增大传热系数，进而提高了换热效率，降低热损失，提高处理能力和效率。由于乳清蛋白中的活性物质主要是胰蛋白酶抑制剂、细胞色素和β－淀粉酶，考虑到β－淀粉酶最适温度为60～65℃，因此加热温度控制在65℃［4］。2．3最佳控制条件下的乳清蛋白含量变化。通过预处理调节大豆乳清废水的蛋白质含量为1％，pH7．3±0．1，控制压缩机频率在100Hz，加热温度设定为65℃，溶液流量为0．39kg／s，鉴于喷雾要求，大豆蛋白的蛋白质含量一般在10％～11％，因此通过溶液浓缩，使进口溶液蛋白质含量逐渐升高到10％后，开始记录蛋白质含量与对应的系统运行工况。结果如图13～图16所示。图13蛋白质含量－时间关系曲线图14进出口压力－进口溶液蛋白质含量关系曲线图15换热量与压缩机功率－进口溶液蛋白质含量关系曲线图16每蒸发1t水的压缩机耗电量－进口溶液蛋白质含量关系曲线由图13可知，由于浓溶液循环喷淋，因此进口溶液蛋白质含量逐渐升高，蛋白质含量增加呈线性，出口溶液蛋白质含量也逐渐升高，与进口溶液呈现平行关系，说明系统运行平稳，蒸发稳定，蒸发效率不受蛋白质含量变化影响，系统可持续运行。由图14可知，在实验时间内，溶液蛋白质含量逐渐增加，进口压力下降，出口压力上升，分析认为随着水分的回收，大豆乳清废水蛋白质含量增加，在压缩机频率和加热温度不变的情况下，蒸汽蒸发量减少，真空泵抽真空能力不变，相对系统内空间变大，蒸汽密度降低，从而造成了进口压力降低，而出口压力上升的原因有待进一步分析。由图15、图16可知，进口溶液蛋白质含量增加，而换热量逐渐降低，压缩机耗电量逐渐升高。分析原因认为，随着蛋白质含量增加，溶液的水汽分压降低，蒸发难度增加，进而需要提供的能耗增加。当前工况下，该系统每蒸发1t水，压缩机平均耗电量约为13kW•h。

3结论

通过MVR系统对大豆乳清废水的回收、浓缩研究得到如下结论：（1）提高压缩机频率，可提高溶液蒸发速率，有效提高换热系数，强化换热。最佳压缩机频率基于设备最高频率为100Hz。（2）提高加热温度，可提高溶液蒸发速率，有效提高换热系数，强化换热。综合评估乳清蛋白废水中活性物质的失活温度，最佳加热温度为65℃。（3）提高压缩机频率、提高加热温度，均可导致压缩机能耗升高，压缩机频率和加热温度提高与能耗提高呈线性正相关，主要原因是压缩机做功对象质量增加，压力提高。（4）对于大豆乳清废水，每蒸发1t水，压缩机平均耗电量为13kW•h。

作者:时玉强 艾凇卉 鲁绪强 马军 刘汝萃 单位:1.临邑禹王植物蛋白有限公司 2.清华大学