甜菜糖稀汁的过滤

从甜菜中提取蔗糖以进行工业规模的制糖可分为两种不同的操作类型：甜菜加工（整个工厂的操作）和糖浆加工（仅糖厂的操作）。在甜菜收获活动期间，将蒸发器糖浆存储在大罐中，以便在糖浆活动中进行后续处理。优良作法是在储存之前过滤蒸发浆，以去除微生物和不溶物。更重要的是，在糖浆运动过程中对糖浆进行过滤以确保食品安全，并去除储存期间为了糖质而沉淀的任何固体。通常使用助滤剂来确保达到5 µm以下的过滤效果。由于对健康的考虑以及如果将糖浆中的助滤剂继续使用，则不宜使用助滤剂。因此，在法国的Tereos一家工厂中试用了一种设计为无需使用过滤助剂即可运行的过滤系统。在2018年糖浆运动期间，来自储罐的标准酒通过14 – 25 µm过滤材料过滤。讨论了运营和糖品质的结果。介绍
欧洲的甜菜糖收获活动通常持续9月到12月。甜菜通常是提前收获并储存的，以避免无法收获时由于结冰的地面而导致操作时间的浪费。为了将制糖活动扩展到5-6个月的收获期以外，甜菜制糖厂通常在夏季进行第二次活动，即糖浆活动。在适当的条件下，中间蒸发器糖浆（称为浓汁）可以在大罐中存储几个月，而不会显着降低蔗糖的技术含量（Lambrechts，1967； McGinnis，1982； Schrevel，2009）。糖浆运动独立地在工厂的后端运作，以从浓汁中生产糖。开展两个截然不同的活动有很多优势，包括资本利用，相对于工厂前端的后端大小以及每吨糖生产的总能耗（Van der Poel等，1998； Asadi，2007）。 。
在此储存时间内，通常会形成细小的沉淀，使糖浆难以处理（Abdel-Rahman和Floeter，2015；Rogé等，2007； Bensouissi等，2009）。在甜菜运动中，使用防垢剂可防止或至少延迟沉淀，通常将其加入稀汁中，以防止钙在蒸发器中沉积并防止糖质问题（Demadis和Léonard，2011； Doherty和Wright， 2004； Bensouissi等，2009）。在储存过程中，由于缺乏防垢剂在较低温度（<22°C）下螯合钙的功效而释放出螯合的钙，常常会与有机酸和/或其他阴离子沉淀形成精细的悬浮固体。这可能会在存储的最初几周内发生欧盟内部对糖的质量进行了定义，包括其外观（亮度），色泽和电导率灰分含量。补充质量参数通常是由软饮料制造商确定的，软饮料制造商需要无混浊，不溶性固体，中性感官特性和低微生物含量的糖。
粒状白糖中的浊度是任何细小的悬浮颗粒，会引起大于0.45 µm的光散射。 Rogé等人（2007年）对这种现象进行了详细研究，发现果汁中的浊度与糖中的浊度之间存在相关性，并且还与糖和果汁中的钙含量密切相关。 Bensouissi等。 （2009年）证明糖的浊度主要由晶体表面上的游离草酸钙组成。他们还发现了一些草酸钙与高分子量大分子复合，但这些糖都包含在蔗糖晶体中。因此，在离心过程中只能从晶体表面洗掉大约一半的浊度。鉴于糖的浊度随着浓果汁的存储量的增加而增加，因此这些复合物的大部分可能在存储过程中形成。糖澄清过程经过专门设计，可支持形成不溶性化合物，可以通过沉降或过滤将其除去。其中，草酸在澄清的石灰化步骤中作为草酸钙沉淀。甜菜根自然含有草酸盐，钙和草酸钙复合物（乔伊，1964年；范德波尔等人，1998年a）。诸如真菌的微生物感染也可能导致草酸浓度升高（Dutton和Evans，1996）。甜菜中钙的典型含量为0.24％（Drycott，2006年），具体取决于品种，土壤和生长条件。澄清过程中添加了过量的钙，这些钙以碳酸钙的形式沉淀出来，从而在果汁中残留了一些残留的可溶性钙。
已经对糖厂中的草酸钙进行了详细的研究，因为发现草酸钙是甘蔗和甜菜厂中蒸发器水垢的主要成分之一。结垢会降低蒸发器中的传热系数，从而导致能源成本增加，维护需求增加以及清洁停机时间增加。重要的是，不仅要根据成分来区分甜菜和甘蔗水垢，而且因为甘蔗蒸发器中的水垢形成要比甜菜蒸发器中高几个数量级。甘蔗工厂中的蒸发器列通常每2-4周清洁一次，而甜菜蒸发器列可运行6个月而无需清洁。然而，在当前的讨论中，从这两种应用的调查中学习到的知识都很有趣。Walford和Walthew（1996）在甘蔗工厂中研究了钙和草酸盐在蒸发器中的溶解度，发现溶解度随着温度的升高和糖浓度的升高而降低。 Doherty和Wright（2004）证实了这一点，并补充说，溶解度随着pH的增加而增加。 Besouissi等人（2009）指出在85°C时溶解度为13.8 mg / L。扩散汁液中存在的大部分有机酸在用氢氧化钙牛奶或蔗糖撒石灰的过程中会沉淀出来。我们自己的研究（未发表）证实，涉及逐步预石灰处理的双重碳酸化作用可去除甜菜澄清汁中90％以上的草酸盐，而草酸的典型含量不超过50-150 ppm（以干物质计）。
有人提出（Walford and Walthew，1996； Walford，2000），蒸发器中存在的草酸盐可能是果汁中存在的其他有机化合物分解的产物，如乌头酸（柠檬酸降解的中间化合物）。 ）。虽然乌头酸是一种特别的甘蔗变质产品，但在甜菜糖中的含量却非常低：甘蔗中的糖含量仅为100-200 g / kg（Kanitkar等，2013），甜菜中的糖蛋白<1 g / kg（Norman等，2013）。 1950年）。尽管如此，Bensouissi等人（2009年）证实，在甜菜糖蒸发过程中确实形成了草酸。
Van der Poel等人（1998年）暗示了糖加工中草酸形成的另外两个潜在来源，涉及甘蔗和甜菜。首先，尿囊酸分解为乙醛酸，然后分解为草酸，其次是草酰胺化的草酰胺酸（草酸的半酰胺）“相当缓慢”地进行。他们指出，尿酸在干旱年份的甜菜中似乎很普遍。很少有一般方法来表征浓汁，以根据过滤质量，浊度和不溶性固体含量预测糖的质量。浓汁中的浊度或形成浊度的化合物可以通过采用ICUMSA白糖浊度法（Anon，2013）来测量浊度和颜色（Anon，2011），并在420 nm的吸光度下进行测量。经常使用其他波长（例如，Anon，2007b在900 nm处）以及浊度计或定制浊度仪。但是，由于缺乏特异性和历史数据的比较限制，这些方法都无法提供有关浊度形成颗粒性质的信息。
粒度分析（PSA）可以深入了解粒度分布，如果在操作过程中可以选择，则对于决定过滤材料的尺寸至关重要。图1显示了来自两个不同罐的浓稠果汁的典型尺寸分布。 0.5至1.5 µm之间的峰代表微生物或CaCO3，而较大部分则主要是双金字塔形式的草酸钙二水合物。然而，颗粒大小本身可能会产生误导，首先是因为它没有提供固体含量的指示，这使得比较不同汁液很危险。其次，颗粒大小通常基于体积分布，该体积分布会使图形偏向较大的颗粒，从而可能使较大尺寸的颗粒膨胀。因此，PSA应该与其他测量结合使用

igure 1:  Typical thick juice particle size analysis (PSA) traces from 3 different tanks

糖不溶性固体测试可以适用于测量一定粒径以上（由测试过程中使用的膜的孔径决定）的浓汁中的固体负载量。 在糖中，使用的是8 µm膜（Anon，2007a），但也可以使用其他尺寸的膜，以提供进一步的了解并帮助确定过滤条件。
对于浓稠果汁的表征以及对不同果汁的比较而言，必不可少的其他分析工具包括通过EDTA滴定法测定的钙（消化后的溶解度或总含量）和通过HPLC测定的草酸。

标准白酒过滤
许多作者得出的结论是，过滤钙沉淀物并不是解决储存过程中钙沉淀问题的技术解决方案，在甜菜生产中应将重点放在脱钙上（Abdel-Rahman和Floeter，2015；Rogé等，2007； Bensouissi等人，2009）。然而，糖浆在储存后的过滤已被广泛使用，并且在大多数情况下，能够控制固体和浊度方面的质量参数。传统上，这些过滤器依靠助滤剂（例如珍珠岩或硅藻土）来去除小至4微米的颗粒。由于对健康的考虑以及如果将浓稠的果汁与细腻的过滤助剂一起使用，则由于对健康的考虑以及存在引起糖质量问题的风险，不宜使用过滤助剂。
由于助滤剂需要按照定义是惰性的，并且具有较小的粒径分布（1-10 µm），因此通常被分类为具有长期不良健康影响的有害物质。它还具有潜在的粉尘爆炸危险。所需的安全措施可能包括强制通风，机械处理系统，额定区域和除尘。
因此，在2018年糖浆运动期间，在法国的Tereos一家工厂试用了一种设计为无需使用过滤助剂即可运行的过滤系统。该系统由Lenzing Technik GmbH生产的一系列自动反冲洗过滤器OptiFil®组成。 OptiFil®是一个连续系统，可根据深度，表面或滤饼过滤原理工作。金属纤维织物或羊毛被用作过滤材料，可在其内部或表面保留不同大小的颗粒。
在过滤过程中，汁液从穿孔的转鼓内部（图2，未过滤室或P1室）通过单层平板不锈钢滤布进行过滤，该滤布可以轻松更换为100至5 µm的各种微米等级，向外（图2，过滤室或P2室）。
在达到最大污染程度后（由P1和P2上的压差表示），通过反冲洗程序清洁过滤材料的整个表面。这是通过反冲洗装置旋转一圈（360度）而发生的，这会迫使杂质沿相反的过滤方向通过过滤材料（图2，浓缩室或P3室）。反冲洗条带中的通道形开口密封在多孔鼓的内表面上（专利设计），用最少量的反冲洗液（滤液）进行反冲洗，这对于从杂质中冲洗过滤材料是必需的。此过程如图2所示。

图2：处于反洗状态的LenzingOptiFil®的切割图
 
在清洁了整个表面之后，反冲洗设备将保持在等待位置，直到压差再次达到预选值。
标准液通常是从存储的浓汁和糖端的几种不同回收流（例如B糖和C糖）中获得的。 在糖浆运动期间，在一系列试验中，标准液在85°C下通过不锈钢编织过滤材料进行过滤，以系统地找到流速在14 µm至25 µm之间的过滤介质的流量，压差和循环长度之间的最佳平衡。 考虑使用较小的尺寸，但发现不必要，因为仅需除去一部分固体即可产生高质量的糖浆实验性
粒度分析（PSA）
使用具有液体样品池的Masterseizer 3000进行粒度分析。 结果以图形形式表示为对数刻度上的体积分布。
固体装载
将该糖浆样品用软化水稀释，并在加压（3巴）下通过5微米硝酸纤维素膜过滤。 将膜（预干燥并预称重）在真空下干燥过夜，重量增加以原始样品重量表示，单位为mg / kg。
糖浊度
ICUMSA的颜色方法（Anon，2011年）和浊度方法（Anon，2013年）进行了如下修改：将样品溶解在软化水中。 在真空下通过0.45μm的硝酸纤维素膜过滤一部分溶液。 过滤后的溶液和未过滤的溶液的吸光度均在Shimadzu uv-1800 UV-VIS分光光度计上于1 cm比色杯中于420 nm处相对于水空白进行测量。 结果表示为ICUMSA带有元素检测分析的扫描电子显微镜（带EDA的SEM）
借助TouchScope 6010LA软件，在JEOL电子显微镜型号JSM-6010LA（In-Touc）上进行SEM图像和元素分析。用细电子束辐照来自固体装载试验的每块5 µm膜的表面，以使二次和反向散射电子从样品表面发出。通过从检测到的电子获取图像来观察表面。元素检测用于确定元素（不包括氢）的存在和数量。
试用
出厂设置由多个平行的Lenzing过滤器组成，设置为允许每个过滤器每小时最多输送60立方米的浓汁或标准液。在试验过程中，标准酒液在85°C的温度下进行过滤，然后再用50 µm袋式过滤器进行过滤，以确保向过滤器中提供相对清洁的果汁。经过45天，用来自两个不同储罐的果汁测试了14 µm至25 µm的过滤材料。干燥和干燥后直接收集生产糖样品。结果和讨论
坦克1
在运动中期，当甜菜质量良好且钙水平低时（钙结果未显示），将水箱1装满。 但是，第1罐中含有四方双锥体金字塔二水合物形式的草酸钙异常大晶体，尽管存在较小的晶体，但其尺寸高达20 µm。 文献表明，通常预期二水合物约为5-7微米，且呈细长的双锥体形式（Rogè等，2007； Besouissi等，2009）。 如图3的SEM图像所示，糖罐1中晶体的这种形状和大小以前尚未在甜菜文献中报道。该试验感兴趣的主要糖质量参数为：
过滤指数–一种内部指标，用于衡量溶液中糖在过滤过程中的表现。该指数没有单位，但通常接受的要求是最小值25，数字越高，糖的过滤质量越好。请注意，此方法是专有方法，因此在“实验”部分中没有描述。
固体（ppm）–大于8 µm的固体含量，在实验室中使用ICUMSA方法GS2 / 3 / 9-19（Anon，2007a）测定，以mg / kg或ppm表示。最高允许水平（根据装瓶商的质量规范）为7 ppm。
浊度（IU）–固体在420 nm处的吸光度，基于ICUMSA方法GS2 / 3-18中白糖的浊度（Anon，2013年）。
图9：糖浆运动期间的糖质量受过滤试验的影响
 
图9显示了过滤指数，固体和浊度的每日平均值，以及开始各种试验或停止的日期。回顾一下，试验如下：
试验1：装有25 µm过滤材料的储罐1。每个过滤器每小时产量为60 m3，未观察到压差，并且手动控制了过滤器周期。
试验2：装有20 µm过滤材料的储罐1。获得了良好的压差。经过一些优化后，每个过滤器的吞吐率可以达到每小时60 m3，过滤循环时间约为2分30秒。
试验3：储罐2使用20 µm过滤材料。每个过滤器每小时处理量为60 m3，循环时间超过2小时。
试验4：储罐2具有14 µm的过滤材料。每个过滤器每小时处理量为40-50 m3，循环时间为30-40分钟。
试验5：储罐1和2以1：5的比例与14 µm过滤材料混合。每个过滤器的流量为60 m3 / h，循环时间约为5分钟，从而实现了良好的压差。
总而言之，试验1似乎对糖的品质没有影响。试验2具有立竿见影的效果：过滤指数增加，而固体和浊度降低到可接受的水平。试验3导致过滤指数降低，固体含量增加，但浊度过高。在试验4中，浊度随着过滤指数的增加而显着降低。试验5改善了过滤指数，但浊度和固体含量均略有增加，固体含量徘徊在7 ppm的阈值附近。
结论
浓汁的储存过程中会发生钙盐或复合物的沉淀。最普遍的是草酸钙。尽管最好确保钙含量非常低以避免形成草酸，但加工农作物（如甜菜）的工厂并不总是拥有100％的时间保持一致的原料质量的奢侈。此外，在欧盟中，一家典型的甜菜工厂规模的运营在活动期间至少会遇到一次机械，加工或其他不可预见的事件。在这种情况下生产的产品，包括糖，动物饲料和浓汁或其他流失糖浆，都可以分离或混合以提高质量。
在当前试验中，使用SS过滤材料（介于14和20 µm之间）的过滤器单元将标准液过滤到白锅中。可以对过滤器进行优化，以生产出具有减少的不溶性固体，浑浊和具有大大改善的过滤特性的糖。