Kas yra šiuolaikinio darbo eigaGliukozės sirupasGamybos linija?

Aukštos-kokybės gliukozės sirupo gamyba iš krakmolo nėra tik eilė veikiančių mašinų; tai kruopščiai subalansuotas biocheminis, atskyrimas irgaravimo koncentracijos sistema. Šiame straipsnyje išsamiai aprašysiu kiekvieną pagrindinį tipinės pramoninės gliukozės sirupo gamyklos etapą, dokumentuosiu pagrindinius valdymo parametrus ir aprašysiu svarbiausius veiksnius kiekviename etape. Tikslas: pateikti aiškią proceso eigos schemą ir pasiūlyti inžinerinių įžvalgų apie įvairius energijos suvartojimo, derlingumo ir grynumo kompromisus{2}}.

Žaliavų tvarkymas ir krakmolo gavyba

Žaliavų pasirinkimas ir valymas

Gliukozės sirupo linija dažnai prasideda nuo{0}}turtingos krakmolo žaliavos: kukurūzų (kukurūzų), kviečių, maniokų, bulvių arba ryžių (arba jų mišinių).

Pirma, neapdoroti grūdai ar šaknys išvalomi (dulkės, akmenys, pašalinės medžiagos) ir, jei reikia, nulupami arba išlukštenami. Gumbų šaltinius gali tekti nulupti arba nuplauti. Valymo etapas užtikrina, kad tolesniuose žingsniuose išvengiama dilimo, užteršimo ar fermentų slopinimo mechaninėmis priemaišomis.

Daugelyje augalų išvalyta žaliava mirkoma arba mirkoma vandenyje (kartais su sieros dioksidu arba švelnia rūgštimi), kad suminkštėtų matrica ir atsilaisvintų pluoštas, o tai padeda vėliau atskirti.

Malimas, skystinimas ir krakmolo atskyrimas

Po mirkymo žaliava sumalama (šlapias malimas), kad atsiskleistų krakmolo granulės ir išsiskirtų kiti ląsteliniai komponentai. Tada suspensija frakcionuojama: skaidulos, baltymai (kukurūzuose/kviečių glitimas) ir krakmolas atskiriami sietais, centrifugomis arba hidrociklonais.

Krakmolo srutoje dažnai atliekama plovimo stadija (daug plovimų vandeniu), siekiant sumažinti tirpių priemaišų (cukrų, druskų, tirpių baltymų) kiekį. Šie plovimo etapai padeda užtikrinti, kad į hidrolizę patenkantis krakmolas būtų palyginti grynas.

Šiuo metu gaunama krakmolo suspensija (paprastai 30–40 % kietųjų medžiagų) su sumažintu pluoštinių, baltymų ir dažiklių kiekiu.

Želatinizacija ir suskystinimas (dalinė hidrolizė)

Norint paversti kietas krakmolo granules į tirpius dekstrinus, reikia dviejų pagrindinių etapų: želatinizavimo, po kurio seka skystinimas.

Želatininimas / virimas

Krakmolo suspensija kaitinama kontroliuojamomis sąlygomis (pvz., 80–95 laipsnių, priklausomai nuo krakmolo tipo), kad suirtų granulių struktūra, prasiskverbtų vanduo, o amilopektino/amilozės grandinės taptų hidratuotos ir judrios. Ši „želatinizacija“ yra būtina fermentų įsiskverbimui.

pH dažnai reguliuojamas (rūgštis arba buferis) ir gali būti pridedama kalcio jonų arba druskų, kad stabilizuotų suspensiją ir iš dalies būtų kontroliuojamas klampumas. Nedidelis termostabilios -amilazės kiekis taip pat gali būti įvestas anksti, kad būtų išvengta per-sutirštėjimo.

Suskystinimas (-amilazės veikimas)

Kai želatinizuojama, pridedamas termostabilus -amilazės fermentas (dažnai jį gamina Bacillus rūšys), kad suskaidytų vidines -1,4 glikozidines jungtis, paverčiant krakmolo grandines trumpesniais dekstrinais (oligosacharidais). Šis veiksmas paprastai vyksta aukštesnėje temperatūroje (pvz., . 85–105 laipsniai, priklausomai nuo fermento stabilumo) esant kontroliuojamam pH (apie 5,5–6,5).

Rezultatas yra sumažinto klampumo suskystinto dekstrino suspensija, kurią lengviau tvarkyti atliekant vėlesnius sucukrinimo etapus.

Šiuo metu suspensiją galima šiek tiek atskiesti arba atvėsinti, kad būtų optimizuotos kito fermentinio etapo sąlygos.

Sucukrinimas (pavertimas į gliukozę + maltozę)

Tai pagrindinė konversijos zona eilutėje -, paverčianti dekstrinus į gliukozę ir trumpesnius cukrus.

Fermentų pasirinkimas, dozės ir kinetika

Įprastas būdas yra naudoti gliukoamilazę (taip pat vadinamą amilogliukozidaze), kuri atskiria -1,4 ir -1,6 jungtis nuo neredukuojančių galų, išskirdama gliukozės monomerus. Kai kurie procesai taip pat prideda šakas naikinančių fermentų (pvz., pullulanazės), kad sulaužytų amilopektino šakas, kad būtų gautas didesnis derlius.

Patents and literature suggest that high purity glucose syrups (>98 % gliukozės sausose kietosiose medžiagose) galima pasiekti sucukrinant 10–20 % kietųjų medžiagų dekstrino tirpalą, naudojant fermentų dozes 0,30–1,0 AG vienetų/g krakmolo, reakcijos laikas yra maždaug 15–25 val., esant ~55–60 laipsnių, pH ~4,0–5,0.

Šios sąlygos išlaiko pusiausvyrą: per mažai fermentų arba per žema temperatūra → nebaigta hidrolizė; per ilga reakcija arba fermento perdozavimas → šalutinių reakcijų, deaktyvavimo ar spalvos susidarymo rizika.

Cukrinimo reaktoriaus konstrukcija

Cukrinimas dažnai atliekamas maišomuose bako reaktoriuose (partijiniuose arba nuolatinio tiekimo reaktoriuose). Temperatūros kontrolė ir maišymas yra labai svarbūs: karštieji taškai arba gradientai sukelia denatūraciją arba fermentų neefektyvumą.

Cukrinimo metu kietųjų dalelių frakcija palaikoma vidutiniškai (10–20 %), kad būtų išlaikyta fermentų difuzija ir valdomas klampumas. Gliukozės koncentracijos stebėjimas (naudojant HPLC arba poliarimetriją) leidžia dinamiškai nutraukti, kai pasiekiamas norimas dekstrozės ekvivalentas (DE) arba gliukozės grynumas.

Pasiekus tikslą, reakcija užgesinama (paprastai kaitinant iki ~80 laipsnių fermento denatūravimui arba pH pokyčiui).

Taip baigiasi pagrindinės konversijos stadija; Dabar sraute yra gliukozės, maltozės, nekonvertuotų oligosacharidų ir likusių fermentų / inhibitorių.

Kietųjų medžiagų pašalinimas, nuskaidrinimas ir spalvos pašalinimas

Po sucukrinimo sirupo mišinyje yra smulkių netirpių dalelių, likusių baltymų ir spalvą sukeliančių priemaišų. Juos reikia pašalinti, kad atitiktų maisto- kokybės specifikacijas.

Kietos medžiagos filtravimas / centrifugavimas

Karštas sucukrintas sirupas praleidžiamas per filtrus arba centrifugas, kad būtų pašalintos likusios dalelės, fermentų agregatai arba netirpios likučiai. Kai kuriuose procesuose naudojami filtrų presai, audinių filtrai arba sukamieji ekranai.

Jei baltymų lieka, prieš filtravimą arba jo metu galima atlikti deproteinizacijos etapą (pvz., naudojant proteazę, karščio koaguliaciją arba rūgštinį nusodinimą).

Spalvos pašalinimas / aktyvuotos anglies adsorbcija

Norėdami pašviesinti spalvą, pridedama aktyvintos anglies (arba kitų adsorbentų, tokių kaip kaulų anglis, derva ar molis) ir sumaišoma kontroliuojamomis sąlygomis (temperatūra, sąlyčio laikas), kad adsorbuotų spalvotus junginius, fenolius ir humusines medžiagas. Daugelyje linijų tai atliekama dviem etapais (stambus ir smulkus spalvos pašalinimas).

Po adsorbcijos sirupas dar kartą filtruojamas, kad būtų pašalintos anglies ar adsorbento dalelės.

Jonų mainų (dejonizacijos) poliravimas

Galiausiai, kad atitiktų baterijos jonų grynumo rodiklius (pvz., mažas pelenų kiekis, mažas laidumas, mažas mineralų kiekis), sirupas praleidžiamas per katijonų ir anijonų mainų dervas (nuosekliai arba mišriose sluoksniuose). Šis žingsnis padeda pašalinti likusias druskas, neorganinius jonus ir metalų pėdsakus.

Po šio poliravimo sirupas tampa skaidriu, mažos-spalvos, mažai-jonų gliukozės sirupo tirpalu, paruoštu koncentruoti.

Garavimas ir koncentracija

Nuskaidrintas sirupas vis dar atskiestas (dažnai 15–30 % sausųjų medžiagų). Kitas tikslas – sukoncentruoti jį iki galutinio kietųjų dalelių kiekio (pvz., . 60–85 %, priklausomai nuo gaminio specifikacijos) su minimaliu spalvos pasikeitimu, karamelizacija ir energijos sąnaudomis.

Čia atsiranda kelių efektų garintuvai- ir MVR garintuvai -, bet kaip bendro srauto, o ne antraštės, sudedamosios dalys.

Daugia{0}} efektų garintuvo (MEE) integravimas

Įprastas įprastas pasirinkimas yra kelių{0}}efektų garintuvas (MEE, dažnai 3–5 efektai). Kelių efektų sistemoje gyvi garai įkaitina pirmąjį efektą, kurio garai sukelia kitą efektą ir t. t., taip pakartotinai panaudojant energiją.

Praktiškai krentančios-plėvelės, kylančios-plėvelės arba priverstinės-cirkuliacijos modeliai yra įprasti, atsižvelgiant į klampumą, užsiteršimo tendenciją ir mastelį. Dizainas bando išlaikyti mažą temperatūrų skirtumą kiekvienam poveikiui, kad apsaugotų sirupo kokybę (pvz., . 5–10 K vienam efektui).

Viename pavyzdyje keturių{0}}efektų, krentančios plėvelės tiesioginio srauto-garintuvas keturiais etapais gali paimti nuo 26 % sirupo iki 86 % kietųjų medžiagų.

Neigiama pusė: kiekvienas papildomas efektas reiškia daugiau įrangos, vamzdynų, kondensatorių ir didesnių kapitalo sąnaudų. Be to, vis dar išlieka šviežio garo poreikis; kelių efektų sistemos retai visiškai pašalina garo poreikį.

MVR garintuvas(Mechaninis garų pakartotinis suspaudimas) naudojimas

Siekiant sumažinti šviežio{0}}garo suvartojimą, daugelyje šiuolaikinių gamyklų yra MVR garintuvas arba hibridinės MVR + MEE sistemos. MVR garintuve žemo -slėgio garai iš garintuvo suspaudžiami mechaniškai (pvz., naudojant garų rekompresorių), pakeliant jo temperatūrą / slėgį ir grąžinant juos atgal kaip šildančius garus. Tai efektyviai perdirba latentinę šilumą ir smarkiai sumažina išorinio garo poreikį.

Dėl šios priežasties energijos suvartojimas (švieži garai) yra sumažintas iki minimumo, o sistemos plotas yra mažesnis (mažiau indų), palyginti su gryna MEE sistema.

Tačiau mechaninis sudėtingumas, kompresorių kapitalo sąnaudos ir patikimumo reikalavimas yra nereikšmingi. Kai kuriuose modeliuose kelių efektų išgarinimas derinamas su MVR ("MVR papildytas MEE"), kad būtų pasiektas kompromisas.

Proceso srauto požiūriu garintuvo seka yra paskutinė koncentravimo pakopa - po išgarinimo, kondensuotas vanduo atmetamas, o koncentruotas sirupas (pvz., . 60–85 % kietųjų medžiagų) siunčiamas toliau.

Pagrindiniai išgarinimo kontrolės aspektai

• Temperatūros kontrolė ir vakuumas: naudokite vakuume, kad sumažintumėte virimo temperatūrą (taip apribotumėte terminį cukrų skaidymą).
• Plėvelės storis ir srauto režimas: užtikrinkite krintančios-plėvelės ar plonos{1}}plėvelės srautą, kad išlaikytumėte aukštą šilumos perdavimą ir išvengtumėte vamzdžio-džiūvimo ar užsiteršimo.
• Mastelio susidarymo ir kristalizacijos rizika: stebėkite ir valdykite perpildymo ir priemaišų lygį, kad išvengtumėte nuosėdų.
• Energijos balansas ir rekompresijos santykis: MVR, kompresoriaus dydžio ir pakartotinio suspaudimo laipsnio nustatymas yra labai svarbus siekiant suderinti garų apkrovas ir energijos atgavimą.
• Gyvenimo laikas: sumažinkite sulaikymą-, kad sumažintumėte karščio žalą ir spalvų raidą.

Produktų tvarkymas, laikymas ir pakavimas

Kai sirupas sukoncentruojamas iki specifikacijos, jis patenka į apdailos ir išsiuntimo etapus.

• Aušinimas ir sulaikymas{0}}maišymas: dalį galima atskiesti klampumui reguliuoti arba rūšims maišyti.
• Galutinis kokybės patikrinimas(spalva, Briksas, mikrobų apkrova, liekamieji jonai).
• Sandėliavimas izoliuotose talpyklose(dažnai padengtas azotu-arba inertinių{1}}dujų sluoksniu, kad slopintų mikrobų augimą).
• Siurbimas į pakuotę arba birių tanklaivių pakrovimas(pvz., ISO bakai, būgnai, krepšiai).

Augalai dažnai palaiko buferio talpą, kad garinimas ir apdaila galėtų vykti nuolat.

Proceso srauto suvestinė (bloko srautas)

Štai supaprastinta šiuolaikinės gliukozės sirupo gamyklos bloko{0}}srauto santrauka:

• Žaliavų valymas ir mirkymas
• Malimas ir krakmolo plovimas
• Želatininimas / virimas
• Suskystinimas (-amilazė)
• Sacharifikacija (gliukoamilazė ± pullulanazė)
• Fermentų deaktyvavimas / gesinimas
• Filtravimas / kietųjų dalelių pašalinimas
• Spalvos pašalinimas / aktyvuota anglis
• Jonų mainų poliravimas
• Garavimas / koncentracija (MEE / MVR)
• Aušinimas ir maišymas
• Prekių sandėliavimas ir išsiuntimas

Kiekviename etape sąveikauja pH, temperatūros, maišymo, buvimo trukmės, fermentų dozės, filtravimo efektyvumo ir vakuumo/garų balanso valdikliai. Išgarinimo blokas yra labai svarbus energijos požiūriu, bet prieš srovę

Nuolaidos-, geriausia praktika ir inžinerinės pastabos (iš patirties)

Grynumo ir derlingumo-pardavimas

Pushing saccharification to complete conversion (e.g. >98 % gliukozės) yra pageidautina, tačiau pernelyg užsitęsus reakcijai gali suskaidyti cukrus arba susidaryti šalutinių produktų, dėl kurių sumažėja grynumas arba spalva. Tikri augalai dažnai siekia saldumo (pvz., . 95–98 %) ir pasikliauja poliravimo etapais. (Žr. patentų pasiūlymus dėl fermento dozės / laiko)

Fermentų kaina ir pakartotinis naudojimas

Fermentai sudaro didelę kintamą kainą. Kai kurie augalai atgauna arba perdirba fermentų frakcijas (pvz., atskirdami membraną) arba dinamiškai koreguoja fermentų dozavimą, atsižvelgdami į pašarų kintamumą.

Užteršimas, pleiskanojimas ir priežiūra

Dėl priemaišų ar kietųjų dalelių užsiteršimo šilumokaičiai ir garintuvo vamzdžiai. Periodinis valymas (CIP), anti-apnašų apdorojimas ir perteklinės kilpos yra tipiškos dizaino prielaidos.

Energijos optimizavimas

Garinimo blokas yra didžiausias energijos kriauklė. Renkantis kelių efektų, MVR arba hibridines sistemas, reikia atsižvelgti į vietines energijos sąnaudas, garo prieinamumą, kapitalą ir veiklos sąnaudas. Daugelis gamyklų optimizuoja mažiausias bendras išlaidas (CAPEX + OPEX) 10–20 metų laikotarpiu.

Automatika ir valdymas

Šiuolaikinėse gliukozės sirupo linijose naudojamos pažangios valdymo sistemos (PID, modelio nuspėjamasis valdymas), kad būtų galima stebėti Briksą, temperatūrą, klampumą, fermentų konversiją, jonų koncentracijas, srauto -balansus, vakuumo valdymą ir MVR įrenginių kompresoriaus apkrovą. Geri prietaisai pagerina derliaus atgavimą, sumažina dreifą ir neleidžia išsiskirti-specifiniu sirupu.

Padidinti-ir moduliuoti

Moduliniai slydimai arba supakuoti vienetai (ypač garinimui ir cukravimui) gali paspartinti paleidimą ir sumažinti{0}}inžinerijos riziką vietoje. Tačiau integracija (vamzdynai, komunalinės paslaugos, prietaisai) lieka nereikšminga.

Įtraukiami raktiniai žodžiai: MVR garintuvas ir kelių{0}}efektų garintuvas

Norėdami visa tai susieti su reikalingais raktiniais žodžiais:

• Šiame sraute MVR garintuvas naudojamas kaip didelio{0}}efektyvumo energijos atgavimo įrankis, perdirbantis garus į šildymo garus ir sumažinantis šviežio garo naudojimą. Jo vaidmuo yra labai svarbus paskutinėje koncentracijos stadijoje, tačiau yra pavaldus pagrindinei biocheminei konversijos linijai.
• Daugiafunkcinis garintuvas išlieka patikima bazine koncentracijos schema (3–5 efektai), dažnai naudojama atskirai arba kartu su MVR, iškeičiant kapitalinį sudėtingumą į tvirtumą.
• Raktažodis gliukozės sirupas teka per visą gaminį gaminant; kiekvienas proceso blokas prisideda prie krakmolo pavertimo švariu, koncentruotu gliukozės sirupu.

Išvada: kodėl ši proceso architektūra yra svarbi

Gliukozės sirupo gamybos linija iš inžinerinio lęšio yra daugiasluoksnė biochemijos (fermentų, kinetikos, pH, temperatūros) ir atskyrimo inžinerijos (filtravimo, adsorbcijos, jonų mainų, garinimo) sąveika, suderinta atsižvelgiant į energijos, derlingumo ir kokybės apribojimus.

Garinimo blokas (nepriklausomai nuo to, ar daugia{0}}efektas, ar MVR) yra būtinas, bet ne lemianti srauto dalis: jei konversija prieš srovę arba gryninimas nepavyksta, joks garintuvas negali išgelbėti žemo-grynumo tiekimo.

Praktiškai gerai{0}}suplanuota eilutė balansuoja:

• Didelis konversijos derlius
• Maža spalvų ir priemaišų apkrova
• Minimalus užsiteršimas / prastovos laikas
• Energijos efektyvumas (per MVR arba MEE)
• Lankstumas ir kontrolė

Ši „gliukozės sirupo gamyklos viduje“{0}}peržiūra padeda procesų inžinieriui suprasti, kaip nustatyti įrangos dydį, suprojektuoti valdymo kilpas ir daryti kompromisus.