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壳聚糖(CTS)是一种来源丰富的天然高分子聚合物,壳聚糖可由年生物合成量达数十亿吨的甲壳素经脱乙酰基反应得到。壳聚糖具有澄清絮凝作用,可作为澄清剂或者絮凝剂使用,并且具有良好的生物相容性、生物可降解性,无毒性及抗菌性等特点,同时壳聚糖只能在某些酸性介质中溶解,限制了其使用范围。壳聚糖的化学改性和修饰是改善壳聚糖应用性能的重要途径之一。
本课题探索研究了一项制糖无硫澄清工艺,该工艺采用羧甲基化壳聚糖或者季铵化壳聚糖作为澄清剂,对混合汁进行处理,整个过程中,没有使用SO2。
本论文包括了以下几部分的工作内容:
1.首先对壳聚糖的物理性质进行了测定,并对壳聚糖作为澄清剂在上浮中处理混合汁进行了初步研究,得到壳聚糖处理混合汁的效果数据,这些数据作为与改性后壳聚糖澄清剂应用于处理混合汁所得效果相比较的参照值。此外,还确定了用于验证改性壳聚糖澄清效果的上浮工艺条件。
2.利用氯乙酸作改性试剂,以微波加热的形式对壳聚糖进行羧甲基化阴离子改性,合成具有良好水溶性的N,O-羧甲基化壳聚糖。重点讨论了微波功率、辐射时间、反应物料比等对羧甲基化壳聚糖的产率、取代度的影响,以及它们对羧甲基化壳聚糖作为澄清剂以上浮方式处理混合汁的纯度差及色值的影响。侧重考虑各因素对产品处理混合汁脱色效果的影响,综合评定改性效果得到合成的工艺条件。结果表明:羧甲基化壳聚糖最优合成工艺条件为:微波功率600KW,辐射时间10min,m(氢氧化钠):m(壳聚糖)=5:1,m(氯乙酸):m(壳聚糖)=6:1,反应时间仅需10min,在最优合成工艺条件下,羧甲基化壳聚糖产率63.43％,平均取代度为O.735;羧甲基化壳聚糖澄清效果为:清汁重力纯度提高1.05％,脱色率达到46.50％,除浊率94.96％。此外,还通过GPC,SEM,FT-IR和1H-MNR对羧甲基化壳聚糖进行了分析及表征。
3.利用3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵作改性试剂,以微波加热的形式对壳聚糖进行季铵化阳离子改性,合成具有水溶性的2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖。重点讨论了微波功率、辐射时间、反应物料比等对季铵化壳聚糖的产率、取代度的影响,以及它们对季铵化壳聚糖作为澄清剂以上浮方式处理混合汁的纯度差及色值的影响。侧重考虑各因素对产品处理混合汁脱色效果的影响,综合评定改性效果得到合成的工艺条件。结果表明:季铵化壳聚糖最优合成工艺条件为:微波功率400KW,辐射时间15min,m(氢氧化钠):m(壳聚糖)=1:1,m(氯乙酸):m(壳聚糖)=6:1,反应时间仅需15min。在最优合成工艺条件下,季铵化壳聚糖产率57.73％,平均取代度为0.81O,对混合汁澄清效果:清汁重力纯度提高2.18％,脱色率达到62.22％,除浊率95.93％。同时,通过GPC,SEM,FT-IR和1H-MNR对季铵化壳聚糖进行了分析及表征。
4.利用合成的羧甲基化壳聚糖做澄清剂,以上浮的方式处理糖厂混合汁,研究羧甲基化壳聚糖处理混合汁的最优工艺条件。重点讨论磷酸用量,二次加热温度,羧甲基化壳聚糖用量及絮凝剂用量对混合汁处理的纯度差、脱色率、除浊率、上浮速度、过滤速度及清汁钙盐含量的影响。侧重考虑各因素对脱色效果和纯度差的影响,综合评定清净效果,得到最佳澄清处理工艺条件。结果表明:羧甲基化壳聚糖处理混合汁最优工艺条件为:磷酸添加量为250mg/L,羧甲基化壳聚糖澄清剂用量500mg/L,二次加热温度90℃,絮凝剂添加量3mg/L。在最优化清净工艺条件下,羧甲基化壳聚糖处理混合汁取得了这些澄清效果:重力纯度提高了1.35％,清汁色值1444IU,浊度330MAU,脱色率54.82％,除浊率96.29％,清汁钙盐含量0.263％°Bx,上浮速度34.6s,过滤速度24.1s。
5.利用合成的季铵化壳聚糖作为澄清剂,以上浮的方式处理糖厂混合汁,研究季铵化壳聚糖处理混合汁的最优工艺条件。重点讨论磷酸用量,季铵化壳聚糖用量,二次加热温度及絮凝剂用量对混合汁处理的纯度差、脱色率、除浊率、上浮速度、过滤速度及清汁钙盐含量的影响。侧重考虑各因素对脱色效果和纯度差的影响,综合评定清净效果,得到最佳澄清处理工艺条件。结果表明:季铵化壳聚糖处理混合汁最优工艺条件为:磷酸添加量为300mg/L,二次加热温度90℃,季铵化壳聚糖澄清剂用量500mg/L,絮凝剂添加量2mg/L。在最优化的清净工艺条件下,季铵化壳聚糖处理混合汁取得了这些澄清效果:混清汁纯度差提高了1.50％,清汁色值1119IU,浊度269MAU,脱色率65.96％,除浊率96.93％,清汁钙盐含量O.199％°Bx,上浮速度31.3s,过滤速度27s。
6.通过与未改性壳聚糖澄清效果比较,得到:改性后的壳聚糖澄清剂能够都提高纯度差和降低清汁钙盐含量,阴离子改性的羧甲基化壳聚糖脱色及除浊效果与未改性壳聚糖脱色效果相当;阳离子改性的季铵化壳聚糖脱色及除浊效果优于未改性壳聚糖,几乎达到亚硫酸法效果,但混清汁纯度差提高更显著,钙盐含量更低,显示了其取代SO2作为糖厂澄清剂的巨大潜力。