陶瓷膜在赤蘚糖醇提純工藝中的應(yīng)用

曹恒霞，熊福軍*，張建嵩，彭文博（江蘇久吾高科技股份有限公司，江蘇南京211808）

陶瓷膜在赤蘚糖醇提純工藝中的應(yīng)用

曹恒霞，熊福軍*，張建嵩，彭文博
（江蘇久吾高科技股份有限公司，江蘇南京211808）

采用陶瓷膜從發(fā)酵液中提純赤蘚糖醇，通過50 nm陶瓷膜對(duì)赤蘚糖醇進(jìn)行澄清過濾，確定了基本參數(shù)：膜面流速控制在5 m/s，濃縮倍數(shù)為8倍，加水量為20%，赤蘚糖醇的回收率可以達(dá)到98.2%。與傳統(tǒng)工藝相比，陶瓷膜過濾具有工藝流程短、過濾清液質(zhì)量穩(wěn)定、除菌效果好及節(jié)約運(yùn)行成本等優(yōu)點(diǎn)。

赤蘚糖醇；陶瓷膜；過濾

赤蘚糖醇（erythritol）又名原藻醇、赤兔草醇，化學(xué)名1,2,3,4-丁四醇。在自然界中分布廣泛，在海藻、蘑菇類、甜瓜、葡萄和許多發(fā)酵食物中，作為人類膳食的組分已有數(shù)萬年的歷史。赤蘚糖醇甜度為蔗糖的60%，熱量?jī)H為蔗糖的10%，成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外一項(xiàng)新型甜味劑研究熱點(diǎn)[1-2]。赤蘚糖醇擁有糖醇類產(chǎn)品的功能，如防止齲齒、適宜糖尿病患者食用等特點(diǎn)，已作為保健食品原料被廣泛用于食品、飲料、醫(yī)藥等領(lǐng)域[3-7]。

我國(guó)赤蘚糖醇的生產(chǎn)以淀粉為原料有兩條途徑，即化學(xué)法和發(fā)酵法。化學(xué)法是將淀粉用高碘酸法生成雙醛淀粉，再經(jīng)氫化裂解生產(chǎn)赤蘚糖醇和其他衍生物，但流程長(zhǎng)、成本高。發(fā)酵法是先將淀粉酶法液化、糖化成葡萄糖，然后采用高滲透性酵母發(fā)酵，使葡萄糖轉(zhuǎn)化成赤蘚糖醇。我國(guó)的生產(chǎn)企業(yè)以發(fā)酵法為主[8]，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究也多集中于菌種篩選、發(fā)酵及提取工藝優(yōu)化等方面[9-13]，研發(fā)出的發(fā)酵法生產(chǎn)赤蘚糖醇技術(shù)，其主要指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，具備工業(yè)化生產(chǎn)的成熟條件。但我國(guó)赤蘚糖醇的生產(chǎn)歷史還較短，規(guī)模相對(duì)較小，且工業(yè)生產(chǎn)的赤蘚糖醇發(fā)酵液中目的產(chǎn)物的濃度很低，一般僅占發(fā)酵液體積的0.1%～20%左右，并含有大量的雜質(zhì)（如菌絲體、蛋白質(zhì)、中間代謝產(chǎn)物等）。制取高純度的符合食品級(jí)或藥典規(guī)定的產(chǎn)品，必須去除發(fā)酵液中的大量雜質(zhì)。目前，大多數(shù)發(fā)酵液的除菌過濾仍采用板框、轉(zhuǎn)鼓、離心機(jī)等分離設(shè)備或采用絮凝沉降等方法，而這些方法只能將發(fā)酵液中的菌絲體、固體雜質(zhì)等固體物予以分離，而無法將發(fā)酵液中大量存在的可溶性蛋白、大分子有機(jī)物等分離，且這些雜質(zhì)又會(huì)對(duì)后續(xù)提取工藝及最終成品質(zhì)量與收率產(chǎn)生影響。

膜分離技術(shù)以其特有的分離優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)不同粒徑的混合物的分離，并在發(fā)酵液提取分離領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[14-18]。陶瓷膜過濾赤蘚糖醇發(fā)酵液與傳統(tǒng)工藝相比，具有如下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：①陶瓷膜過濾技術(shù)工藝流程最短、設(shè)備少、占地少。②陶瓷膜過濾赤蘚糖醇發(fā)酵液性能穩(wěn)定，滲透清液質(zhì)量穩(wěn)定，而利用板框等傳統(tǒng)工藝過濾赤蘚糖醇發(fā)酵液時(shí)，雖然也能去除發(fā)酵液中的菌體，但仍有少許大分子物質(zhì)沒有辦法去除，濾液有些渾濁，且有時(shí)出現(xiàn)漏料的情況，對(duì)后續(xù)工段處理增加負(fù)荷。③陶瓷膜過濾除菌效果好，滲透清液為無菌清液，對(duì)成品的微生物質(zhì)量控制提供可靠的有力保障。

本實(shí)驗(yàn)以假絲酵母發(fā)酵得到的發(fā)酵液為過濾對(duì)象，經(jīng)過陶瓷膜及相應(yīng)設(shè)備過濾去除酵母等，得到清亮透析液，該透析液再經(jīng)后續(xù)工藝即可制得高純度的赤蘚糖醇，提高了生產(chǎn)赤蘚糖醇的工作效率，并使發(fā)酵液在后續(xù)精制提純濃縮結(jié)晶中減少了料液中的雜質(zhì)，提高了結(jié)晶收率及產(chǎn)品質(zhì)量。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

赤蘚糖醇發(fā)酵液：歐勞福林（天津）工業(yè)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

0.2 m2陶瓷膜設(shè)備：江蘇久吾高科技股份有限公司；WYT-32糖度折光儀、UV757紫外分光光度計(jì)：上海精密儀器儀表有限公司；TG16-WS臺(tái)式離心機(jī)：湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 分析方法及計(jì)算公式

折光度采用糖度折光儀直接測(cè)定；透光度采用紫外分光光度計(jì)直接測(cè)定；濕固含量采用臺(tái)式低速離心機(jī)測(cè)定。通量、濕固量、回收率計(jì)算公式如下：

式中：X為通量，L/（m2·h）；Vt為一定時(shí)間內(nèi)滲透液的體積，L；t為取樣時(shí)間，h；S為陶瓷膜的膜面積，m2。

式中：η為回收率，%；c1為滲透液中赤蘚糖醇的質(zhì)量濃度，g/L；V1為滲透液的體積，L；c2為原料液中赤蘚糖醇的質(zhì)量濃度，g/L；V2為滲透液的體積，L。

式中：V為濕固量，%；V2為心分離后固體的體積，mL；V3為用于離心發(fā)酵液體積，mL。

1.3.2 陶瓷膜過濾工藝流程

在泵提供動(dòng)力的情況下，赤蘚糖醇發(fā)酵液連續(xù)循環(huán)，濾液連續(xù)出料。隨著濾液的連續(xù)排出，原料罐中菌絲體和一些大分子物質(zhì)等固體雜質(zhì)濃度越來越高，到一定程度開始加水透析，將循原料罐中的赤蘚糖醇洗出來，提高回收率，陶瓷膜過濾具體工藝流程見圖1。

圖1 膜設(shè)備工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of membrane filter

陶瓷膜微孔濾膜元件的型號(hào)：CM-U-50-C-Zr（陶瓷微孔濾膜元件-超濾-孔徑規(guī)格nm-外型規(guī)格-膜材料代號(hào)）。

膜的再生：采用常規(guī)的堿清洗法，在50～60℃條件下循環(huán)清洗60 min，可完全恢復(fù)通量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同膜面流速對(duì)赤蘚糖醇發(fā)酵液澄清過濾的影響

采用50 nm陶瓷膜過濾同批赤蘚糖醇發(fā)酵液，膜面流速控制在3 m/s、4 m/s、5 m/s時(shí)，考察陶瓷膜滲透液通量變化及收率情況。結(jié)果見圖2、表1。

圖2 不同膜面流速對(duì)通量的影響Fig.2 Effects of membrane velocity on flux

表1 不同膜面流速下的平均通量Table 1 Average flux in different velocity of membrane surface

從圖2可以看出，不同膜面流速過濾同批赤蘚糖醇發(fā)酵液的通量大小順序是：3 m/s＜4 m/s＜5 m/s。由表1可知，隨著膜面流速的增加，通量有所提高，這是由于過濾過程中，菌絲體和一些大分子物質(zhì)等雜質(zhì)在膜面膜形成凝膠層，若膜面流速越大，流體對(duì)膜表面的凝膠層沖刷越激烈，從而可以打散部分凝膠，提高通量和收率。但膜面流速增加時(shí)，設(shè)備運(yùn)行和投資成本也會(huì)增加，因此，選擇膜面流速為5 m/s。

2.2 不同濃縮倍數(shù)和加水量對(duì)赤蘚糖醇發(fā)酵液澄清過濾的影響

取200L同批發(fā)酵液，濕固含量在8%左右，采用50 nm陶瓷膜進(jìn)行過濾，膜面流速控制在5 m/s，分別考察膜過濾時(shí)的不同濃縮倍數(shù)及加水量對(duì)平均通量及赤蘚糖醇回收率的影響。考察的濃縮倍數(shù)分別為6、7、8，濃縮的方式是將發(fā)酵液中的赤蘚糖醇透析液通過膜，將酵母和一些蛋白等截留下來，濃縮倍數(shù)=原料液體積/（原料液體積-滲透液體積）；加水量分別為原發(fā)酵液體積的10%、15%、20%，進(jìn)行組合實(shí)驗(yàn)，發(fā)酵液進(jìn)行濃縮和加水的目的都是為了最大量地獲得赤蘚糖醇，提高赤蘚糖醇的回收率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同濃縮倍數(shù)及加水量下的平均通量與回收率Table 2 Average flux and recovery rate with different cycles of concentration and water addition

從表2可以看出，濃縮倍數(shù)越高，赤蘚糖醇的回收率會(huì)明顯提高，而原料罐中菌絲體和一些大分子物質(zhì)等固體雜質(zhì)濃度越來越高，導(dǎo)致膜過濾的通量會(huì)隨著發(fā)酵液濃度變高而降低；隨著加水量的增加，回收率會(huì)小幅度提高。因此，為了提高赤蘚糖醇的回收率，確定膜過濾赤蘚糖醇發(fā)酵液的濃縮倍數(shù)為8，加水量為20%。

2.3 陶瓷膜與板框工藝運(yùn)行費(fèi)用比較

若按100 m3/d的處理量，對(duì)比采用板框與陶瓷膜工藝過濾赤蘚糖醇發(fā)酵液對(duì)赤蘚糖醇分離純化工藝的運(yùn)行費(fèi)用的影響，結(jié)果見表3。

表3 運(yùn)行費(fèi)用比較情況Table 3 Operating cost comparison

從表3可看出，在赤蘚糖醇發(fā)酵液澄清除雜過程中，陶瓷膜過濾相比板框過濾具有很大優(yōu)勢(shì)，按100 m3/d的處理量，硅藻土用量每年可節(jié)約760 t，按市場(chǎng)價(jià)2 800元/t，每年至少節(jié)約210萬元，還省去了更換濾布的工作量，大大降低了工人的勞動(dòng)量，減少人力成本約10萬元。

3 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有赤蘚糖醇發(fā)酵液的除菌過濾采用板框、轉(zhuǎn)鼓、離心機(jī)等分離設(shè)備，只能將發(fā)酵液中的菌絲體、固體雜質(zhì)等固體物予以分離，而無法去除發(fā)酵液中大量存在的可溶性蛋白、大分子有機(jī)物等，對(duì)后續(xù)工藝提取增加難度，并且影響最終成品質(zhì)量與收率，從而提出了采用陶瓷膜提取赤蘚糖醇的工藝。通過50 nm陶瓷膜對(duì)赤蘚糖醇進(jìn)行過濾，膜面流速控制在5 m/s，濃縮8倍后加發(fā)酵液體積20%洗水，赤蘚糖醇的回收率可以達(dá)到98.2%。與傳統(tǒng)工藝相比，陶瓷膜過濾具有工藝流程短、過濾清液質(zhì)量穩(wěn)定、除菌效果好及節(jié)約運(yùn)行成本等優(yōu)點(diǎn)。

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Application of ceramic membrane in erythritol separation technology

CAO Hengxia,XIONG Fujun*,ZHANG Jiansong,PENG Wenbo
(Jiangsu Jiuwu High-Tech Co.,Ltd.,Nanjing 211808,China)

Erythritol was purified from fermentation broth by ceramic membrane.The erythritol was clarified by 50 nm ceramic membrane,and the basic parameters were determined as follows:membrane surface flow velocity 5 m/s,concentration 8 times,water addition 20%.Under this condition,the erythritol recovery rate was 98.2%.Comparing with traditional process,ceramic membrane filtration has the advantages of short process,stable quality,antibacterial effect,saving operation cost and so on.

erythritol;ceramic membrane;filter

TQ465.92

A

0254-5071（2014）07-0092-03

10.11882/j.issn.0254-5071.2014.07.020

2014-05-09

國(guó)家“863”計(jì)劃課題（2012AA03A606）

曹恒霞（1984-），女，工程師，碩士，研究方向?yàn)槭称贩治鰴z測(cè)。

*通訊作者：熊福軍（1986-），男，工程師，本科，研究方向?yàn)榘l(fā)酵工程中的提取分離。