小孔徑陶瓷超濾膜在菊粉提取工藝中的可行性研究

牛淑鋒，李麗(南京翃翌陶瓷納濾膜有限公司，江蘇 南京 211800)

0 引言

菊粉，又稱菊糖，不僅是一種天然功能性食用多糖，也是一種天然可溶性膳食纖維[1]。菊粉具有控制血脂、降低血糖、改善腸道防止便秘、促進礦物質吸收、抗腫瘤提高免疫力、護肝等功效[2]，有助于改善人類的生理狀態，是十分理想的功能性食品配料，被廣泛應用于功能性食品、藥品和保健業等領域。在菊粉生產過程中，目前傳統的工業提取工藝[2]是在菊芋浸提液中加入石灰，促使菊芋浸提液中的蛋白析出，然后采用平均孔徑為50 nm的陶瓷超濾膜過濾，一方面去除浸提液中析出的蛋白，另一方面對菊芋浸提液進行濃縮。然后，將經陶瓷膜過濾后的滲透清液經有機納濾膜進行鹽離子脫除后，進入后端蒸發結晶等工序。然而，在實際生產過程中，存在以下問題：一是菊芋浸提液中加入石灰后析出的大量蛋白，在經過50 nm陶瓷膜過濾時，極易進入膜孔中，導致陶瓷膜的通量急劇衰減，生產效率大大降低；二是在陶瓷膜進料過程中加入石灰，幾乎沒有停留時間，部分反應不徹底的石灰透過50 nm陶瓷膜，進入有機納濾膜時會繼續絮凝析出部分蛋白，累積在有機納濾膜表面堵塞膜孔，導致有機納濾膜損壞失效。

小孔徑陶瓷超濾膜，又稱小超膜，通常是指平均孔徑在2～10 nm的陶瓷超濾膜。與傳統大孔徑超濾膜(平均孔徑為10～50 nm)相比，小超膜的分離性能和分離效率均得到了較大提升，可以有效截留物料中的蛋白、色度及小分子雜質，滿足精密分離領域對小孔徑膜的需求[3]。針對菊粉生產過程中大孔徑陶瓷超濾膜生產效率降低及有機納濾膜損壞等問題，利用小孔徑陶瓷膜可截留蛋白的特性，本文使用平均孔徑為5 nm的小孔徑陶瓷超濾膜替代傳統的50 nm陶瓷超濾膜，探索小孔徑陶瓷超濾膜在菊粉提取工藝中的可行性，并研究了預處理工藝對菊粉提取過程中陶瓷膜過濾性能的影響。

1 實驗

1.1 膜材料與裝置

實驗所用小孔徑陶瓷超濾膜是公司自制的平均孔徑為5 nm的陶瓷超濾膜。具體規格參數如表1所示。

表1 陶瓷膜規格參數

陶瓷膜過濾裝置使用公司自制的管式膜錯流過濾裝置，膜面流速為3 m/s，操作壓力為0.2 bar。

1.2 試劑與儀器

菊芋浸提液，重慶某公司，固含量為2～5%，pH值為8～10，糖含量為3～5 g/L；石灰，嘉祥縣創贏建材有限公司；離心機，諸城市惠明機械有限公司；120目不銹鋼濾網，安平縣創宇絲網制造有限公司；全自動凱氏定氮儀，丹麥FOSS8400。

1.3 工藝流程

實驗采用三種預處理工藝，分別為：一是在菊芋浸提液中加入石灰絮凝，經離心機離心后，將離心清液用5 nm陶瓷膜過濾；二是在菊芋浸提液中加入石灰絮凝，經120目不銹鋼濾網過濾后，將過濾清液用5 nm陶瓷膜過濾；三是不加石灰，將菊芋浸提液經120目不銹鋼濾網過濾后，用5 nm陶瓷膜過濾。工藝流程示意圖如圖1所示。

1.4 分析方法及計算公式

陶瓷膜的滲透通量由式(1)計算。

式中：J為膜的滲透通量(L/m2·h)；V為滲透液體積(L)；A為膜的有效面積(m2)；t為時間(h)。

圖1 3種不同工藝流程示意圖

原料液和滲透液的蛋白含量使用全自動凱氏定氮儀測定，蛋白截留率由式(2)計算。

式中：R為蛋白截留率；Cp、Cf分別為滲透液和原料液的蛋白含量。

2 結果與討論

圖2是在相同濃縮倍數(濃縮8倍)下，采用3種不同預處理工藝時5 nm陶瓷膜的滲透通量及料液溫度隨時間的變化。由圖1可知，隨著過濾時間的延長，料液溫度逐漸上升，陶瓷膜的滲透通量逐漸降低。這是由于隨著料液濃縮倍數的增大，菊芋浸提液中的蛋白、色素及小分子固形物含量逐步升高，富集在陶瓷膜的通道及膜孔內，導致陶瓷膜的滲透通量逐漸降低。其中，采用工藝一，陶瓷膜開機時的滲透通量為210 L/(m2·h)，將菊芋浸提液濃縮8倍所需時間為11 h，陶瓷膜的滲透通量降至55 L/(m2·h)；采用工藝二，開機時的滲透通量為273 L/(m2·h)，濃縮8倍所需時間為4.5 h，滲透通量降至153 L/(m2·h)；采用工藝三，陶瓷膜開機時的滲透通量為240 L/(m2·h)，濃縮8倍所需時間為4.5 h，滲透通量降至143 L/(m2·h)。

采用3種不同工藝時，陶瓷膜的過程通量和對菊芋浸提液中蛋白的截留率如表2所示。由表2可知，在相同濃縮倍數下，三種工藝下陶瓷膜的過程通量分別為75、180與184 L/(m2·h)。結果表明，在預處理工藝中加入石灰沉降后，采用工藝二使用120目篩網過濾的預處理效果優于工藝一使用離心機離心的預處理效果，更有利于后續陶瓷膜的濃縮工段。因此，在此研究基礎上設計了工藝三。對比工藝二與工藝三中陶瓷膜的過程通量可知，在預處理工藝中是否加入石灰，對后續陶瓷膜的濃縮沒有太大影響。需要注意的是，雖然工藝二與工藝三中陶瓷膜的過程通量相差不大，但兩種工藝下，5 nm陶瓷膜對菊芋浸提液中蛋白的截留率有明顯差別。采用工藝三不加入石灰時，陶瓷膜對蛋白的截留率(58%)是工藝二加入石灰時(24%)的2倍以上。

圖2 陶瓷膜的滲透通量及料液溫度隨時間的變化

表2 陶瓷膜的過程通量及蛋白截留率

采用工藝三，經5 nm陶瓷超濾膜過濾前后的原料液和滲透液的光學照片如圖3所示。由圖3可以看出，菊芋浸提液經5 nm陶瓷膜過濾后，色度、濁度及澄清度均發生了顯著變化，表明小孔徑陶瓷膜用于菊粉提取工藝中，具有很好的分離效果。

圖3 滲透液(左)和原料液(右)的光學照片

以上研究表明，采用小孔徑陶瓷超濾膜，可以有效截留菊芋浸提液中的蛋白。因此，可用于替換傳統菊粉提取中的“石灰+50 nm陶瓷膜”工藝。在預處理工藝中取消石灰的加入，菊芋浸提液中不再析出蛋白，將能夠緩解陶瓷膜過濾工段的膜污染，以及后段脫鹽工段中有機納濾膜的損壞問題，在提高生產效率的同時，降低換膜成本，在菊粉生產行業具有廣泛的應用前景。

3 結語

(1)在菊粉提取預處理工藝中加入石灰沉降時，使用120目篩網過濾的預處理效果優于使用離心機離心的預處理效果，更有利于后續陶瓷膜的濃縮工段。

(2)預處理工藝中是否加入石灰，對小孔徑陶瓷超濾膜濃縮過程中的處理效率影響不大。

(3)采用小孔徑陶瓷超濾膜，可以有效截留菊芋浸提液中的蛋白，可用于替換傳統菊粉提取工藝中的“石灰+50 nm陶瓷膜”工藝。取消石灰的加入，將有助于解決傳統工藝中陶瓷膜污染和有機膜損壞的問題，提高生產效率，降低企業運行成本。