一种生产功能性低聚糖的离子交换系统及其使用方法

技术领域

本发明属于功能性低聚糖的生产技术领域，具体涉及一种生产功能性低聚糖的离子交换系统及其使用方法。

背景技术

低聚糖或称寡糖，是由2~10个单糖通过糖苷键连接形成直链或支链的低度聚合糖。功能性低聚糖现在研究认为包括低聚异麦芽糖、低聚果糖、低聚半乳糖、低聚木糖、水苏糖、棉籽糖、异麦芽酮糖、乳酮糖、低聚异麦芽酮糖、低聚龙胆糖、大豆低聚糖、低聚壳聚糖等。人体肠道内没有水解它们（除异麦芽酮糖外）的酶系统，因而它们不被消化吸收而直接进入大肠内优先为双歧杆菌所利用，是双歧杆菌的增殖因子。因而功能性低聚糖具有优秀的生理功能。

功能性低聚糖的直接生理功能：1. 促进双歧杆菌增殖，是双歧杆菌的增殖因子；2. 低能量或零能量；3. 低龋齿性；4. 防止便秘。功能性低聚糖的间接生理功效：(1) 促进食物消化、吸收，维持肠道正常功能；(2) 恢复抗菌素治疗、放射线治疗、化学治疗期间的肠道正常菌落；(3) 改善腹泻与便秘，抑制病原菌和腐败菌；(4) 提高肌体免疫力，起到免疫调节剂的作用；(5) 减少肠道致癌物质，改善血清脂质，降低胆固醇含量；(6) 增加钙、镁等矿物质的吸收，有利于肌体合成B族维生素。

目前，功能性低聚糖的离交生产方式为单柱运行体系，运行过程中水耗高，酸碱用量大，废水、废酸和废碱排放量大，在产品生产成本增加的同时，增加了污水处理的压力，且生产出的功能性低聚糖的质量参差不齐，pH值和电导率变化范围大，纯度低，在一定程度上限制了功能性低聚糖在食品及其它产品上的应用。

近年来随着国家提倡的绿色环保政策的落实，市场竞争压力的加大，很有必要开发一种绿色节能环保的功能性低聚糖生产离交运行处理方式，来促进行业的健康发展。

发明内容

针对现有技术中存在的功能性低聚糖生产过程中水耗、酸耗、碱耗和产品质量参差不齐的问题，本发明提供了一种生产功能性低聚糖的离子交换系统及其使用方法，使用该离交系统生产功能性低聚糖节水率高达70~75%，酸耗和碱耗节约50-70%，透光率大于95%。

本发明通过以下技术方案实现：

一种生产功能性低聚糖的离子交换系统，包括多组交错分布的阳离子交换树脂系统和阴离子交换树脂系统，每组离子交换树脂系统包括顺序移动、循环运转的进料柱、精制柱、糖顶水柱、淋洗柱、再生柱、反洗柱和水顶糖柱；

所述的阳离子交换树脂系统进料柱下端和和阴离子交换树脂系统进料柱上端连接，阴离子交换树脂系统柱进料柱下端与阳离子交换树脂系统精制柱上端连接，

所述的阳离子交换树脂系统精制柱下端与阴离子交换树脂系统精制柱上端连接；

所述的离子交换系统并联走料，串联淋洗、再生和水顶糖。

进一步地，所述的离子交换系统包括一组阳离子交换树脂系统和一组阴离子交换树脂系统。

进一步地，所述的阳离子交换树脂系统/阴离子交换树脂系统依次包括进料柱1、进料柱2、进料柱3、进料柱4、进料柱5、进料柱6、精制柱1、精制柱2、精制柱3、精制柱4、精制柱5、糖顶水柱、淋洗柱3、淋洗柱2、淋洗柱1、再生柱3、再生柱2、再生柱1、反洗柱、水顶糖柱3、水顶糖柱2和水顶糖柱1。

进一步地，所述的阳离子交换树脂系统柱子中装填为强酸性阳离子交换树脂；所述的阴离子交换树脂系统柱子中装填为弱碱性或强碱性阴离子交换树脂。

本发明中，所述的生产功能性低聚糖的离子交换系统的使用方法为：

（1）精制：低聚糖糖化后的料液经脱色后分别从阳离子交换树脂系统的进料柱1-6上端进料，经处理后经阳离子交换树脂系统进料柱1-6下端分别进入阴离子交换树脂系统进料柱1-6上端，经处理后经阴离子交换树脂系统进料柱1-6下端分别进入阳离子交换树脂系统的精制柱1-5上端和糖顶水柱上端，经处理后经阳离子交换树脂系统精制柱1-5下端和糖顶水柱下端进入阴离子交换树脂系统精制柱1-5上端和糖顶水柱上端，经阴离子交换树脂系统精制柱1-5和糖顶水柱处理后的低聚糖料液完成精制过程；

（2）再生：再生液自再生柱3上端进入，依次串联流入再生柱2和再生柱1，产生的再生废液从再生柱1外排；

（3）淋洗：外部水通过淋洗柱3上端口进入，串联进入淋洗柱2，后串联进入淋洗柱1，淋洗柱1下端的出水进入到再生柱2中；

（4）水顶糖：外部水进入顶糖柱3上端，串联进入顶糖柱2和顶糖柱1，顶糖柱中存在的低聚糖料液被纯化水顶出；

（5）反洗：外部纯化水反向进入反洗柱下端，反洗废水外排。

进一步地，所述的低聚糖料液在阳离子交换树脂系统柱子中的走料量为100-120倍柱体积，在阴离子交换树脂系统柱子中的走料量为80-100倍柱体积

进一步地，所述的阳离子交换树脂系统和阴离子交换树脂系统中的淋洗、再生、糖顶水、水顶糖和反洗过程分别进行，再生过程在淋洗之前进行；所述的树脂柱的运行方式为顺时针切换运行（柱子不变，程序切换）。

进一步地，所述的阳离子交换树脂系统的再生液为4-6wt%盐酸；阴离子交换树脂系统的再生液为4-6wt%氢氧化钠。

进一步地，所述的功能性低聚糖包括低聚异麦芽糖、低聚果糖、低聚半乳糖中的一种以上；所述的脱色后的低聚糖料液的透光率(440nm,30%)≥95%，电导率200-700μs/cm，PH3.5—6.5。

进一步地，所述的精制后的低聚糖料液经过浓缩、色谱分离或干燥得功能性低聚糖成品。

本发明中，本发明中淋洗水一直在树脂柱中进行使用，执行再生柱的淋洗操作，无外排；废液的产生仅仅为再生柱1的废酸碱外排也和反洗柱的外排废水，降低了废水的排放量，提高了产品的收率，实现了节能环保生产

有益效果

（1）本发明设计的离子交换系统可以实现连续化操作，精制处理功能性低聚糖过程中水单耗是单柱法离交操作的25-30%，吨产品水节约70-75%；盐酸单耗是单柱法离交操作的30-50%，吨产品盐酸量节约50-70%；液碱（液体氢氧化钠）单耗是单柱法离交操作的30-50%，吨产品盐酸量比原来节约50-70%，既节约了生产成本，且降低了废液的处理成本；

（2）采用本发明离子交换系统生产的功能性低聚糖，产品的电导率、pH色值更加稳定，而且可以实现自动化操作减少了人员接触危化品操作风险，实现安全操作，安全生产，更适合工业化广泛推广。

附图说明

图1为低聚糖料液精制用阳离子交换树脂系统示意图；

其中，顺时针方向依次为进料柱1、进料柱2、进料柱3、进料柱4、进料柱5、进料柱6、精制柱1、精制柱2、精制柱3、精制柱4、精制柱、糖顶水柱、淋洗柱3、淋洗柱2、淋洗柱1、再生柱3、再生柱2、再生柱1、反洗柱、水顶糖柱3、水顶糖柱2、水顶糖柱1。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是进一步说明本发明的特征及优点，而不是对本发明进行限制。

本发明中的生产功能性低聚糖的离子交换系统，包括一组阳离子交换树脂系统和一组阴离子交换树脂系统，每组离子交换树脂系统包括顺序移动、循环运转的进料柱、精制柱、糖顶水柱、淋洗柱、再生柱、反洗柱和水顶糖柱；。所述的阳离子交换树脂系统进料柱下端和和阴离子交换树脂系统进料柱上端连接，阴离子交换树脂系统柱进料柱下端与阳离子交换树脂系统精制柱上端连接，所述的阳离子交换树脂系统精制柱下端与阴离子交换树脂系统上端连接；所述的离子交换系统并联走料，串联清洗。

所述的阳离子交换树脂系统如图1所示：依次包括进料柱1、进料柱2、进料柱3、进料柱4、进料柱5、进料柱6、精制柱1、精制柱2、精制柱3、精制柱4、精制柱5、糖顶水柱、淋洗柱3、淋洗柱2、淋洗柱1、再生柱3、再生柱2、再生柱1、反洗柱、水顶糖柱3、水顶糖柱2和水顶糖柱1；阴离子交换树脂系统和阳离子交换树脂系统除填充树脂不同外，其余相同。其中，阳离子交换树脂柱填充的树脂材料为强酸性阳离子交换树脂，阴离子交换树脂柱填充的树脂材料为强碱性或弱碱性阴离子交换树脂。

本发明实施例中图1所述的生产功能性低聚糖的离子交换系统的运转方式（使用方法）为：

（1）精制：低聚糖糖化后的料液经脱色后分别从阳离子交换树脂系统的进料柱1-6上端进料，经处理后经阳离子交换树脂系统进料柱1-6下端分别进入阴离子交换树脂系统进料柱1-6上端，经处理后经阴离子交换树脂系统进料柱1-6下端分别进入阳离子交换树脂系统的精制柱1-5上端和糖顶水柱上端，经处理后经阳离子交换树脂系统精制柱1-5下端和糖顶水柱下端进入阴离子交换树脂系统精制柱1-5上端和糖顶水柱上端，经阴离子交换树脂系统精制柱1-5和糖顶水柱处理后的低聚糖料液完成精制过程；

（2）淋洗：外部纯水通过淋洗柱3上端口进入，串联进入淋洗柱2，后串联进入淋洗柱3，淋洗柱1下端的出水进入到再生柱2中；

（3）再生：再生液自再生柱3上端进入，依次串联流入再生柱2和再生柱1，产生的再生废液外排；

（4）水顶糖：外部RO水进入顶糖柱3，串联进入顶糖柱2和顶糖柱1，顶糖柱中存在的低聚糖料液被纯化水顶出；

（5）反洗：外部纯化水反向进入反洗柱，反洗废水外排。

所述的阳离子交换树脂系统和离子交换树脂系统中的淋洗、再生、糖顶水、水顶糖和反洗过程分别进行，再生过程在淋洗之前进行；所述的离子交换系统中22根树脂柱的运行方式为程序控制的顺时针方向切换运行（柱子不变，程序切换）。

所述的阳离子交换树脂系统的再生液为5wt%盐酸；阴离子交换树脂系统的再生液为5wt%氢氧化钠。

实施例1

（1）将低聚半乳糖（简称GOS）糖化后料液（组分GOS≥55%），经过脱色过滤后得低聚半乳糖，低聚半乳糖的透光率(440nm,30%)≥95%，电导率400μs/cm，PH4.68；

（2）精制：低聚半乳糖料液分别从阳离子交换树脂系统的进料柱1-6上端进料，经处理后经阳离子交换树脂系统进料柱1-6下端分别进入阴离子交换树脂系统进料柱1-6上端，经处理后经阴离子交换树脂系统进料柱1-6下端分别进入阳离子交换树脂系统的精制柱1-5上端和糖顶水柱上端，经处理后经阳离子交换树脂系统精制柱1-5下端和糖顶水柱下端进入阴离子交换树脂系统精制柱1-5上端和糖顶水柱上端，经阴离子交换树脂系统精制柱1-5和糖顶水柱处理后的低聚糖料液完成精制过程，其中，低聚半乳糖料液在树脂中的处理量为：阳离子交换树脂系统为100倍柱体积；阴离子交换树脂系统为80倍柱体积，经精制后低聚半乳糖料液不同批次产品的电导率和pH值如表1所示，与传统的单柱离交精制方法相比，使用本发明中的离子交换系统水耗量、盐酸耗量和碱液耗量如表2所示；

（3）淋洗：外部纯水通过淋洗柱3上端口进入，串联进入淋洗柱2，后串联进入淋洗柱3，淋洗柱1下端的出水进入到再生柱2中；

（4）再生：再生液自再生柱3上端进入，依次串联流入再生柱2和再生柱1，产生的再生废液外排；

（5）水顶糖：外部纯水进入顶糖柱3，串联进入顶糖柱2和顶糖柱1，顶糖柱中存在的低聚糖料液被纯化水顶出；

（6）反洗：外部RO水反向进入反洗柱，反洗废水外排；

（7）浓缩：进料和精制后处理的低聚半乳糖料液进入六效真空浓缩系统进行浓缩，质量浓缩浓度75%；生产出浓度75%的低聚半乳糖GOS50液。

表1 实施例1精制后不同批次低聚半乳糖料液的pH值和电导率检测结果

表2 实施例1精制后不同批次低聚半乳糖料液的水耗量、盐酸耗量、液碱耗量

实施例2：

（1）将低聚异麦芽糖（简称IMO）糖化后料液（组分IMO≥50%），经过脱色过滤后得低聚异麦芽糖，低聚异麦芽糖的透光率(440nm,30%)≥95%，电导率450μs/cm，PH4.95；

（2）精制：低聚异麦芽糖料液分别从阳离子交换树脂系统的进料柱1-6上端进料，经处理后经阳离子交换树脂系统进料柱1-6下端分别进入阴离子交换树脂系统进料柱1-6上端，经处理后经阴离子交换树脂系统进料柱1-6下端分别进入阳离子交换树脂系统的精制柱1-5上端和糖顶水柱上端，经处理后经阳离子交换树脂系统精制柱1-5下端和糖顶水柱下端进入阴离子交换树脂系统精制柱1-5上端和糖顶水柱上端，经阴离子交换树脂系统精制柱1-5和糖顶水柱处理后的低聚糖料液完成精制过程，其中，低聚异麦芽糖料液在树脂中的处理量为（阳离子交换树脂系统为120倍柱体积；阴离子交换树脂系统为100倍柱体积）），经精制后低聚异麦芽糖料液不同批次产品的电导率和pH值如表3所示，与传统的单柱离交精制方法相比，使用本发明中的离子交换系统水耗量、盐酸耗量和碱液耗量如表4所示；

（3）糖顶水：精制柱处理后的低聚糖料液串联进入糖顶水柱中，将淋洗过程中滞留在色谱柱中的淋洗水顶出；

（4）淋洗：外部纯水通过淋洗柱3上端口进入，串联进入淋洗柱2，后串联进入淋洗柱3，淋洗柱1下端的出水进入到再生柱2中；

（5）再生：再生液自再生柱3上端进入，依次串联流入再生柱2和再生柱1，产生的再生废液外排；

（6）水顶糖：外部纯水进入顶糖柱3，串联进入顶糖柱2和顶糖柱1，顶糖柱中存在的低聚糖料液被纯化水顶出；

（7）反洗：外部RO水反向进入反洗柱，反洗废水外排；

（8）浓缩：进料和精制后处理的低聚异麦芽糖料液进入六效真空浓缩系统进行浓缩，浓缩浓度60%；

（9）色谱分离：进入钾型离子交换色谱柱进行IMO组分分离提纯，去除葡萄糖，得到IMO总糖含量92.5%，三糖含量48.3%的低聚异麦芽糖料液；

（10）浓缩：色谱出料进入真空浓缩系统进行浓缩，浓缩浓度58%。

（11）干燥：经过喷雾干燥获得IMO总糖含量92.5%，三糖含量48.3%的低聚异麦芽糖90型的固体产品。

表3 实施例2精制后不同批次低聚异麦芽糖料液的pH值和电导率检测结果

表4 实施例2精制后不同批次低聚异麦芽糖料液的水耗量、盐酸耗量、液碱耗量