食品添加剂用二氧化碳的纯化工艺优化及纯度检测方法研究

引言:二氧化碳作为重要的食品添加剂，广泛应用于碳酸饮料、食品保鲜、果蔬气调贮藏等领域，其纯度直接影响食品质量与安全。根据《食品安全国家标准 食品添加剂 二氧化碳》（GB 1886.228-2016），食品级二氧化碳的纯度需达到99.9%以上，且对一氧化碳、硫化氢、总烃等杂质含量有严格限制。

当前工业生产中，食品级二氧化碳多来源于发酵尾气、合成氨尾气、石灰窑气等，原料气中含有大量杂质，需通过纯化工艺去除。传统纯化工艺存在纯度提升有限、能耗高、操作复杂等问题，难以满足日益严格的食品安全要求；同时，部分纯度检测方法存在检测周期长、精度低等缺陷，无法实时监控产品质量。因此，开展食品添加剂用二氧化碳的纯化工艺优化及纯度检测方法研究，具有重要的现实意义与应用价值。

一、食品添加剂用二氧化碳的纯化

（一）传统纯化工艺及技术瓶颈

1.吸附法：利用吸附剂（如分子筛、活性炭、硅胶）对杂质的选择性吸附作用去除杂质，操作简单、成本低。但传统吸附法存在吸附剂饱和快、再生频繁的问题，且对极性较弱的杂质（如总烃）吸附效果差，导致最终产品纯度难以突破 99.95% 。

2.精馏法：基于二氧化碳与杂质的沸点差异，通过多次汽化-冷凝实现分离，可有效去除低沸点杂质（如氢气、氮气）。但该工艺能耗高，对操作温度、压力的控制精度要求严格，且当杂质与二氧化碳沸点接近时（如一氧化碳），分离效率显著下降。

3.膜分离法：利用高分子膜对二氧化碳的选择性渗透特性实现分离，具有占地小、能耗低、操作灵活的优势。然而，传统膜材料的渗透通量与选择性难以兼顾，且膜易受杂质污染，导致分离性能衰减快，无法长期稳定运行。

（二）纯化工艺优化策略

1.单一工艺参数优化

（1）吸附法参数优化：优先选择复合吸附剂（如“分子筛-活性炭”复合体系），分子筛可去除水分、硫化氢等极性杂质，活性炭可吸附总烃、一氧化碳等非极性杂质，吸附效率较单一吸附剂提升30%以上；同时，将吸附温度控制在5-10℃，该温度下吸附剂的吸附容量最大，且可减少能耗，吸附周期延长至8 小时（传统工艺为4-5 小时）。

（2）精馏法参数优化：采用双塔精馏结构（初馏塔+精馏塔），初馏塔去除大部分高沸点杂质，精馏塔进一步提纯；将精馏塔的回流比调节至3:1（传统工艺为2:1），此时二氧化碳的回收率提升至95%以上，且纯度可达99.99%；同时，利用余热回收系统回收塔顶冷凝热，降低能耗约 20% 。

（3）膜分离法参数优化：对膜材料进行改性，在聚酰亚胺膜表面涂覆一层纳米二氧化钛涂层，提升膜的抗污染能力与选择性，二氧化碳渗透通量提升 25% ，对杂质的截留率提升至 98% ；此外，将操作压力控制在0.8-1.0MPa，避免压力过高导致膜结构损坏，延长膜的使用寿命至2 年（传统膜为 1 年）。

2.复合工艺构建

单一工艺难以实现杂质的全面去除，因此构建“吸附-精馏-膜分离”复合纯化工艺，各单元协同作用，具体流程如下：

（1）原料气首先进入吸附单元，通过复合吸附剂去除水分、硫化氢、总烃等杂质，预处理后二氧化碳纯度提升至95%以上；

（2）预处理后的气体进入精馏单元，通过双塔精馏去除氢气、氮气、一氧化碳等低沸点杂质，纯度进一步

提升至 99.99%；

二、食品添加剂用二氧化碳的纯度检测方法（一）常用纯度检测方法原理与特点

1.气相色谱法：利用气体混合物中各组分在色谱柱内的分配系数差异，实现组分分离，通过检测器（如热导检测器TCD、氢火焰离子化检测器FID）定量分析。该方法精度高，可同时检测二氧化碳主含量与一氧化碳、总烃、甲烷等杂质，检测限可达0.1ppm，适用于痕量杂质分析，但检测周期较长（约30 分钟/样），需专业操作人员。

2.红外光谱法：基于不同物质对红外光的吸收特性差异，通过测量特征吸收峰的强度计算组分含量。该方法操作简单、检测速度快（约 5 分钟/样），可实时监控二氧化碳纯度，但对低浓度杂质（如低于1ppm 的硫化氢）检测精度不足，适用于快速筛查。

3.离子色谱法：针对二氧化碳中的酸性杂质（如硫化氢、二氧化硫），将其转化为离子型化合物后，通过离子交换色谱柱分离，利用电导检测器定量。该方法对酸性杂质的检测精度高（检测限0.05ppm），但无法检测中性杂质（如一氧化碳、总烃），需与其他方法配合使用。

（二）检测方法优化与适配性选择

为提升检测效率与精度，对常用检测方法进行优化，并根据纯化工艺的不同阶段选择适配方法：

1.气相色谱法优化：采用毛细管色谱柱（如HP-PLOT Q 柱）替代传统填充柱，分离效率提升 40% ，检测周期缩短至20 分钟/样；同时，采用TCD-FID 双检测器联用，TCD 检测二氧化碳主含量与无机杂质，FID 检测有机杂质，实现一次进样完成全组分分析。

2.红外光谱法优化：采用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR），分辨率提升至0.5cm⁻ ¹，通过建立多组分定量模型，实现对一氧化碳、二氧化碳的同时检测，对一氧化碳的检测限降至0.5ppm，满足痕量分析需求。

传统单一纯化工艺存在纯度瓶颈与能耗问题，通过优化单一工艺参数（如吸附剂选择、回流比调节、膜材料改性），并构建“吸附-精馏-膜分离”复合工艺，可将二氧化碳纯度提升至99.999%以上，能耗降低15%-20%，且连续运行稳定性良好。

气相色谱法、红外光谱法、离子色谱法各有优缺点，通过方法优化与适配性选择，建立“快速筛查-针对性检测-全组分验证”的检测流程，可实现对纯化工艺全流程的精准、高效质量监控，满足食品安全标准要求。

本研究为食品级二氧化碳的工业化生产提供了技术参考，但仍存在一定不足：复合工艺的设备投资成本较高，后续可探索低成本的吸附剂与膜材料；检测方法的自动化程度有待提升，未来可开发在线检测系统，实现实时数据传输与工艺自动调节。后续研究将围绕上述方向展开，进一步推动食品添加剂用二氧化碳生产技术的升级与发展

[1]袁邦凯. 食品添加剂液体二氧化碳生产工艺探讨[C]//2011 中国工业气体工业协会二氧化碳专业委员会年会论文集. 2011:44-46.

[2] 周阳, 尹强, 叶丽芳, 等. 食品添加剂二氧化碳气体中杂质含量的分析方法[J]. 化学分析计量,2021,30(2):98-103. DOI:10.3969/j.issn.1008-6145.2021.02.021.

[3]李春瑛,韩桥,杜秋芳,等. 食品添加剂二氧化碳中硫化氢标准物质分析方法及性能评价的研究[J]. 低温与特气,2013,31(6):37-43. DOI:10.3969/j.issn.1007-7804.2013.06.010.