疏水材質的斜臂泡沫分離塔回收紅薯蛋白

徐艷艷，舒婷，胡楠，李娜，吳兆亮*，劉偉

河北工業大學化工學院（天津 300130）

分離純化蛋白質是研究和應用蛋白質的基礎，由于蛋白質在溶液中黏性大，易變性，易起泡等特性，分離過程技術難度大，成本高[1-3]。但是，泡沫分離作為一種以氣泡為分離介質的技術，已成功實現了蛋白質的分離和回收[4-6]。在泡沫分離中，富集比和回收率是評價其分離效果指標，為了減少后續分離難度以及獲得高濃度產品，提高富集比是泡沫分離的關鍵所在[7]。目前，提高富集比的方法有添加構件、升溫和改變塔型[8-10]。不過添加構件會導致大量的蛋白質黏附于構件上，高溫會導致蛋白質的變性，因此前兩種方法不適用于提高泡沫分離蛋白質的富集比。殷昊等[11]改變常規直塔塔型，利用斜臂塔回收蛋白質，減小了泡沫排液的阻力，富集比是直塔的1.93倍。但是斜臂塔內下壁上積累的液體不易回流至液相，并且蛋白質依然附著在塔壁表面導致回收率大幅下降。

疏水材質表面具有減阻和抗黏附能力[12]，可以有效解決上述問題，Hu等[9]將超疏水涂層噴涂于塔壁用于泡沫分離蛋白質，結果表明富集比提高了144%。但噴涂的涂層有脫落現象。所以，試驗創新性的直接選用疏水材質聚四氟乙烯作為斜臂塔的原材料，克服涂層脫落的問題，延長使用壽命，從而有利于工業化應用。

紅薯是世界上第七大糧食作物，大量的紅薯被用來生產淀粉[13]。而紅薯淀粉的生產過程會產生大量的廢水，廢水中的紅薯蛋白能降血脂、增強免疫力、延緩衰老和抗癌等功效，是一類高價值資源，若該廢水直接排放，不僅造成水體富營養化還會造成資源浪費。

以紅薯淀粉工業廢水中的紅薯蛋白為物系，首先研究了塔壁材質和塔型對泡沫分離紅薯蛋白富集比的影響，然而，富集比的升高必然會導致回收率的降低，在新型分離塔的基礎上再研究操作參數泡沫分離紅薯蛋白分離效果的影響，最后旨在開發一種工藝高效地富集和回收紅薯淀粉廢水中的紅薯蛋白。

1 材料與方法

1.1 試劑與藥品

紅薯，市售；鹽酸，氫氧化鈉，亞硫酸鈉購于天津市風船化學試劑有限公司，考馬斯亮藍購于北京定國生物技術有限公司，牛血清白蛋白購于天津藍星生物技術有限公司。所有試劑均為分析純級別。

1.2 儀器與設備

PHS-3 C型pH計，杭州奧利龍儀器有限公司；FA 1204 B型電子天平，上海精密科學儀器有限公司；VS-1500 YJ高速組織搗碎機，無錫沃信儀器制造有限公司；TDZ 5-WS型離心機，長沙湘儀離心機技術有限公司；725 N紫外可見分光光度，上海精密科學儀器有限公司；DFA 100型泡沫分析儀，德國克呂士公司。

1.3 紅薯淀粉生產廢水的制備

紅薯經清洗、去皮、切塊后按料液比1︰6（g/mL）加入破碎液（Na2SO3，0.01 mol/L），利用高速組織搗碎機充分破碎，三層紗布過濾去除大部分濾渣，靜置1 h，以4 000 r×min-1離心20 min，上清液即紅薯淀粉生產廢水，紅薯淀粉生產廢水的水質情況如表1所示。

表1 紅薯淀粉生產廢水的水質情況

1.4 試驗裝置及工藝

圖1為試驗裝置圖，選用內徑40 mm，豎直部分高度為500 mm的玻璃管，傾斜部分長為300 mm的聚四氟乙烯管為試驗塔，而傾斜部分長為300 mm的玻璃管為對照塔。圖中α為傾斜泡沫相的傾角，即傾斜泡沫相偏離豎直方向的角度。空氣由空氣壓縮機泵入，由轉子流量計調節，通過塔底安置的一個孔徑為0.125 mm玻璃氣體分布器鼓入泡沫分離塔內。泡沫由泡沫分離塔頂部流入到泡沫收集器中消泡得消泡液。

泡沫分離用富集比（E）和回收率（R）來評價，富集比和回收率的計算如式（1）和（2）。

式中：C0和Cr分別為初始原料液和殘留液中紅薯蛋白的質量濃度，g·L-1；V0、Vf和Vr分別為初始原料液，消泡液和殘留液體積，L。

圖1 試驗裝置示意圖

1.5 紅薯淀粉生產廢水中蛋白含量的測定

以牛血清白蛋白（BSA）為標準蛋白，用考馬斯亮藍法測定紅薯淀粉生產廢水中蛋白的濃度[8]。測得BSA的標準曲線為A=0.009 95C+0.036 45，R2=0.999 5，其中A為吸光度；C為蛋白質量濃度，g·L-1；R2為線性相關系數。

1.6 上升泡沫的塔頂出口持液率測定

泡沫從塔頂溢出時記為起始時刻，每1 min收集一次消泡液，直到消泡液體積至恒定。對消泡液進行稱重以及消泡后測其體積，計算1 min內的出口泡沫的持液率，計算如式（3）。

式中：ε為泡沫的持液量；Vl為1 min所接到的消泡液體積；Vg為相應時間內通入塔內氣體的體積，Vg=gt，g為氣體體積流量，t=1 min。

1.7 氣泡直徑的測量

氣泡直徑采用照相進行測定。用數碼相機（Nikon CooLPLX P600）抓拍透明塔壁上的氣泡，然后通過Scion Image軟件測量氣泡直徑。氣泡直徑按公式（4）計算。

式中：n為氣泡個數，其中n3200，di為第i個氣泡的直徑。

1.8 數據統計分析

試驗的每個數據點均重復至少3次試驗，最終的試驗數據是多次重復試驗結果的算數平均值，并且試驗誤差由誤差棒表示。

2 結果與討論

2.1 塔壁材料和塔型對分離效果的影響

在本節中，為了確定塔壁材料和塔型，研究了有機玻璃直塔、有機玻璃斜臂塔（傾斜角為30°）、聚四氟乙烯直塔、聚四氟乙烯斜臂塔（傾斜角為30°）對泡沫分離紅薯蛋白富集比和回收率的影響。在溫度25 ℃、氣體體積流量200 mL·min-1、氣體分布器孔徑0.125 mm、裝液量400 mL的條件下進行試驗，結果如表2所示。

由表2可知，對于同種塔型不同塔壁材料的泡沫分離塔，疏水材質的泡沫分離塔紅薯蛋白富集比更高，回收率變化不大；對于同種塔壁材料不同塔型的泡沫分離塔，斜臂塔的紅薯蛋白的富集比更高，回收率有所下降，更重要的是，兩者都采用時，即用聚四氟乙烯斜臂塔，泡沫分離紅薯蛋白所得的富集比最高。富集比升高是疏水材質和塔型都強化了排液過程，泡沫相持液量降低，使得消泡液中紅薯蛋白濃度增加，因此紅薯蛋白的富集比提高。同時，在排液過程中，更多紅薯蛋白會隨部分間隙液一同回流到主體液中，從而從殘液排出，造成消泡液中紅薯蛋白總量降低，所以紅薯蛋白回收率下降。考慮到紅薯蛋白的高富集比，以下試驗選用有機玻璃斜臂塔為對照塔，聚四氟乙烯斜臂塔為試驗塔。下文對操作參數進行研究，為了得到高富集比和回收率的泡沫分離工藝。

表2 塔壁材料及塔型對分離效果的影響

2.2 pH對泡沫分離效果的影響

pH是影響泡沫分離效果的重要因素之一，因為pH能影響蛋白質的—COOH、—NH2基團的去質子化和質子化從而影響蛋白質分子表面的靜電荷，而影響蛋白質分子的表面活性[14]。因此，試驗先研究pH 3～8的范圍內紅薯淀粉生產廢水的起泡性（泡沫高度）和泡沫穩定性（泡沫半衰期t1/2），結果如圖2所示。

由圖2可知，pH在3～8這范圍內，紅薯淀粉生產廢水的起泡性和泡沫穩定性都是先增強后變弱，pH 4時達到最大值，泡沫高度為74.7±3.7 mm，半衰期為970.6±48.5 s。文獻報道紅薯蛋白的等電點大約在4，在等電點時蛋白質表面靜電荷為零[13]，蛋白質分子之間因為缺少靜電排斥作用，會使蛋白質在氣-液界面形成高黏性的蛋白膜[14]，阻止氣泡之間發生聚并，所以在pH為4時，泡沫穩定性最好。

圖2 pH對紅薯淀粉生產廢水的起泡性和泡沫穩定性的影響

較差的泡沫穩定性難以保證在泡沫分離過程中維持穩定的泡沫相，因此選擇3～5作為合適的pH范圍進行對泡沫分離紅薯蛋白富集比和回收率的影響研究。在傾斜角α為30°、溫度25 ℃、氣體體積流量200 mL·min-1、裝液量400 mL的條件下進行試驗，結果如圖3所示。

圖3表明，隨著pH得升高，泡沫分離紅薯蛋白的富集比先下降再升高，而回收率先升高后下降。在等電點附近時，紅薯蛋白形成的氣泡具有較高的穩定性以及較低的表面張力，氣泡穩定且不易聚并，消泡液體積較大，因此獲得的富集比低。隨著pH遠離等電點，氣泡的穩定性下降，進而提高富集比，然而回收率隨之降低。更重要的是，試驗塔的富集比明顯高于對照塔的，回收率相差不大。因為試驗塔斜臂聚四氟乙烯能加速氣泡聚并強化內回流，所以富集比明顯升高，并且聚四氟乙烯能有效減少蛋白質黏附于塔壁上，所以回收率下降不多，綜合考慮富集比和回收率，選擇pH 4為最適pH。

圖3 pH對紅薯淀粉生產廢水的回收率和富集比的影響

2.3 傾斜角度（α）對持液率和氣泡直徑以及泡沫分離紅薯分離效果的影響

斜塔中運動的泡沫所受的力可分解為豎直和水平兩個分量，水平方向的分量用來推動泡沫的水平移動，豎直方向的力阻礙泡沫排液，在相同的操作條件下，傾斜角不同，水平方向和豎直方向的分力必然不同，泡沫相的排液效果就不同[11]。因此首先研究不同傾斜角度下泡沫持液率和氣泡直徑，結果如圖4所示；接著研究傾斜角度對泡沫分離效果的影響，在傾斜角（α）為15°～75°、pH 4、溫度25 ℃、氣體體積流量200 mL·min-1、裝液量400 mL的條件下進行試驗，結果如圖5所示。

圖4 不同傾斜角度下泡沫持液率（A）和氣泡直徑（B）

圖5 傾斜角對泡沫分離紅薯蛋白分離效果的影響

由圖4可知，無論是試驗塔還是對照塔，隨著傾斜角α在15°～75°范圍內增加時，e先減少后增大，當α為45°時，持液率e到達最小，最小值分別為2.4×10-3±1.2×10-4和7.4×10-5±3.7×10-4，對照塔的e是試驗塔的3.0倍。這是因為在泡沫相中，兩個流動速率影響著排液速率，而排液速率影響著泡沫持液率。一個是泡沫相中間隙液流動到斜臂塔下表面的速率，另一個是斜臂塔下表面所形成的液體薄膜返回到液相主體的速率。傾斜角α從15°增大到45°，由于Plateau邊界通道的網絡結構復雜程度減弱使得前者的速率加快，所以持液率不斷減小。當傾斜角α大于45°時，由于重力作用在平行于斜臂的方向上的作用力逐漸減少，而泡沫間隙液流動到斜臂塔下表面的速率仍在增大，使得斜臂塔下表面的液體不能及時流回液相開始大量積累，從而大大減弱排液速率，持液率升高。此外，氣泡直徑d32先增大后減少，所以隨著α增大，在當α為45°時，d32到達最大，最大值分別為1.9±0.1 mm和1.4±0.1 mm。因為在強化泡沫排液時，氣泡之間的液膜厚度不斷減小，加速氣泡之間的聚并[15]，另外在每一個傾斜角度下，試驗塔的持液率都比對照塔的低，氣泡直徑都比對照塔的大。由于試驗塔的聚四氟乙烯管壁具有疏水作用，使得夾帶液與疏水管壁表面間的接觸角大于90°（如圖1所示），極易使得液體薄層在壁面邊界出現滑移現象[12]。液體的重力作用和材料表面的疏水性能具有協同效應，有利于降低流體層黏附于壁面的剪切力，進而使得斜臂塔下表面所形成的液體薄膜能快速地回流至液相中，加快泡沫排液，加快氣泡的聚并。所以試驗塔的持液率比對照塔低，氣泡直徑比對照塔的大。

由圖5可知，隨著α的增大，無論是試驗塔還是對照塔，紅薯蛋白富集比先升高后降低，而回收率則是先降低后升高。在α為45°時，富集比達到最大值，回收率達到最小值。這與上文討論的隨著α的變化，其泡沫持液率以及氣泡直徑的變化規律相符。當α為45°時，在對照塔中，其富集比為3.0，回收率為75.7%±3.8%；在試驗塔中，其富集比為4.6±0.2，回收率為71.4%±3.6%，在當α為45°時試驗塔的富集比是對照塔的1.5±0.1倍，回收率是對照塔的94.5%±4.7%。這說明聚四氟乙烯斜臂塔能強化排液，提高了富集比，回收率下降不明顯。所以最適傾斜角為45°。

2.4 氣體體積流量對泡沫分離紅薯蛋白分離效果的影響

氣體體積流量不僅決定了氣泡在液相和泡沫相的停留時間，而且能影響泡沫相排液[16]，因此研究氣體體積流量很有必要。在pH 4、溫度25 ℃、裝液量400 mL、傾斜角45°的條件下，研究氣體體積流量200～400 mL·min-1對泡沫分離紅薯蛋白分離效率的影響，試驗結果如圖6所示。

由圖6可知，隨著氣體體積流量的增加，分離紅薯蛋白的回收率呈持續上升趨勢，而富集比隨之下降。當氣體體積流量小時，氣泡在塔內停留時間長，排液時間充足，消泡液體積較低，回收率低富集比高。當氣體體積流量增大，氣泡停留時間變短，排液不充分，消泡液體積增加，回收率升高而富集比降低[7]。試驗塔與對照塔相比，試驗塔的聚四氟乙烯管壁具有疏水作用，所以泡沫中的夾帶液大量減少，導致消泡液的體積減少。另外，蛋白質會附著在對照塔塔壁表面影響分離的效果。所以試驗塔相比于對照塔，回收率減少不多，而富集比明顯升高。但是隨著氣體體積流量增加，塔壁的疏水效應對泡沫排液的影響減少，所以試驗塔和對照塔兩者之間的富集比以及回收率之間的差距越來越小了。綜合考慮，氣體體積流量選擇300 mL·min-1較合適。當氣速為300 mL·min-1時，紅薯蛋白的回收率為80.2%±4.0%，富集比為4.1±0.2，消泡液中紅薯蛋白的質量濃度為9.1±0.5 g·L-1。

圖6 氣體體積流量對泡沫分離紅薯蛋白分離效果的影響

3 結論

1) 聚四氟乙烯斜臂塔與傳統的斜臂塔相比，由于聚四氟乙烯材質的疏水作用，使得斜臂塔下表面所形成的液體在壁面邊界出現滑移，可以加快液體回流液相的速度，從而加快泡沫排液。所以聚四氟乙烯斜臂塔的持液率比對照塔的持液率下降了200.0%，并且氣泡直徑比對照塔的更大。

2) 在pH為4，傾斜角45°，氣速300 mL·min-1時，試驗塔紅薯蛋白的富集比和回收率分別為4.1±0.2和80.2%±4.0%，富集比是對照塔的2.5±0.1倍，最終試驗塔的消泡液中紅薯蛋白的質量濃度為9.1±0.5 g·L-1。

3) 確定一條最佳的工藝路線，從而實現紅薯蛋白富集和回收，對工業化處理紅薯淀粉廢水做出指導意義。