D-核糖發酵液電滲析脫鹽及工藝優化

吳義明，胡建華，萬俊芬

（1.上海海嘉諾生物科技有限公司，上海201210；2.華東理工大學 生物工程學院，上海200237）

D-核糖是一具有重要生理意義的戊糖，在細胞中是ATP、DNA、RNA、輔酶、維生素等的重要構架成分，可以用作合成維生素B2以及抗病毒和抗癌藥物的前體[1]。D-核糖可以通過提高體內ATP水平而具有抗疲勞、耐缺氧作用，在醫藥及食品保健方面廣泛應用。D-核糖的生產方法有多種，目前以微生物發酵法最為廣泛[2]。D-核糖發酵液中存在大量無機離子及色素，在純化前必須去除，以保證較好的分離效率和產品質量。

電滲析是在直流電場作用下，利用離子交換膜的選擇透過性，以電位差為動力把電解質從溶液中分離出來，從而實現溶液的濃縮、淡化[3]?？嘞趟擕}是電滲析應用的主要領域，近年來，電滲析結合雙極膜或離子交換樹脂在食品和藥品工業、廢水處理和高質量工業用水生產以及化學加工工業中都有大量的新應用[4]。如制藥廢水中氯化銨鹽濃縮提純[5]、氨基酸的脫鹽和分離[6]、氨基酸母液中鹽的回收[7]、廢水的回收處理[8]、發酵液脫鹽[9]及各種生物產品的提取精制等。電滲析技術用于溶液的脫鹽，由于運行過程中不發生相變，無須加入藥劑（僅反清洗時用少量化學藥劑），在一定濃度范圍內，與蒸發濃縮和離子交換樹脂脫鹽相比具有明顯的能耗或成本優勢[10]，而且無環境污染[11]。用電滲析技術濃縮質量分數0.2%~2%的反滲透濃水到質量分數20%的鹽水，相對蒸發濃縮可以節約能耗70%~90%[12]。一般認為，鹽質量濃度在500 mg/L以下一般用離子交換樹脂脫鹽較好，大于500 mg/L，則用電滲析脫鹽更有成本優勢[3]。

作者以D-核糖發酵液的微濾膜過濾加超濾膜過濾的濾液為原料，研究了電滲析脫鹽效果和表現，并進行脫鹽工藝優化，進而采取電滲析和離子交換樹脂聯合脫鹽的工藝，既保證了脫鹽效果又大幅降低了脫鹽成本。

1 材料與方法

1.1 設備與材料

1.1.1 電滲析小試設備 電滲析小試設備（型號LANRAN-40-2040）：杭州藍然環境技術有限公司，有效膜面積2.0㎡，額定流量200 L/h，設備外形尺寸0.7 m×0.7 m×1.0 m，該設備有淡水室、濃水室、極水室、電流表、電壓表、淡水泵、濃水泵、極水泵等，結構示意見圖1。電滲析膜為均相陽離子交換膜CMX和陰離子交換膜AMX。

圖1 電滲析實驗設備結構示意圖Fig.1 Diagram of electrodialysis experimental equipment

1.1.2 其他設備與材料 Waters2414/515高效液相色譜儀：沃特世科技（上海）有限公司產品；KQ-500DE型數控超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司產品；BT125D電子天平：北京賽多利斯科學儀器有限公司產品；DK-S22電熱恒溫水浴鍋：上海精宏實驗設備有限公司產品；722S分光光度計、DDS-110電導率儀：上海精密科學儀器有限公司產品；5430R冷凍離心機：德國Eppendof公司產品；55 mm×400 mm玻璃離子交換柱、55 mm×1000 mm玻璃離子交換柱：上海禾氣玻璃儀器有限公司產品。

D-核糖發酵液經過微濾和超濾后所得濾液（本研究稱D-核糖濾液）：上海海嘉諾生物科技有限公司產品。732陽離子交換樹脂、D315陰離子交換樹脂：江蘇蘇青水處理工程集團有限公司產品。

1.2 實驗方法

1.2.1D-核糖質量濃度檢測 色譜柱：Waters Sugar Pak I色譜柱（6.5 mm×300 mm）；流量：1.5 mL/min；色譜柱溫度：60℃；檢測器溫度：35℃；進樣量：20 μL；運行時間：15 min；流動相：蒸餾水。D-核糖質量濃度計算公式見式1。

式中：P為工作對照品的質量濃度，g/dL；V為移取的樣品體積，mL；實際操作V值一般為1。

1.2.2 透光度檢測 將樣品用中速過濾紙過濾后，濾液倒入1 cm比色皿中，在722S型分光光度計中于波長650 nm處測定透光率，利用純化水作為空白試劑。

1.2.3 電滲析脫鹽 待脫鹽的D-核糖濾液（透光度平均95%以上，pH 5.5～7.0，電導率平均約4 000 μS/cm）放在淡水室內，純水置于濃水室，體積約為淡室的50%，極水室放入適量電導率8 500μS/cm的硫酸鈉溶液，3個室同時進行循環，濃室循環壓力大于淡室循環壓力約0.01 MPa。

實驗過程中維持電壓在20 V，電流在0.3~1.5 A間變化，研究電滲析運行淡室各參數變化規律。

詳細記錄電滲析過程的運行電壓、淡室電流和電導率，濃水D-核糖質量濃度及濃水電導率等數據以及原料和脫鹽液體積，并取樣檢測D-核糖質量濃度、透光度和電導率等數據，計算淡室收率、濃室損失及電滲析脫鹽率等數據，其中脫鹽率見式（2）。

式中：R為脫鹽率，%；K0為初始電導率，μS/cm；K1為脫鹽后的電導率，μS/cm。

先初步研究電滲析脫鹽各參數表現，接著重復3批實驗驗證電滲析脫鹽濃室損失規律，確定電滲析脫鹽的最佳工藝，再做5批工藝優化后的電滲析脫鹽實驗，驗證優化工藝的脫鹽率和產品質量變化情況，并為電滲析聯合離子交換樹脂脫鹽實驗提供原料。

1.2.4 電滲析聯合離子交換樹脂脫鹽 離子交換樹脂處理：離子交換樹脂預處理后，732陽離子交換樹脂用55 mm×400 mm玻璃柱裝填，D315陰離子交換樹脂用55 mm×1 000 mm玻璃柱裝填，裝填量根據具體樹脂上樣量確定，并保證2個玻璃柱的樹脂處理量相對平衡。

以優化工藝后的電滲析脫鹽液為原料，考察732陽離子交換樹脂和D315陰離子交換樹脂的上樣量，檢測最終脫鹽液的透光度、純度等指標，并與全離子交換樹脂脫鹽工藝進行比較。

2 結果與分析

2.1 D-核糖濾液電滲析脫鹽淡室參數變化

如圖2所示，在電滲析脫鹽過程中，料液電流（淡室）在電滲析運行開始時較小，這與料液還沒有全部充滿淡室有關，隨著設備的運行，電流快速升高到頂點后逐漸降低；淡室電導率在前期和中期幾乎呈直線均勻下降，到后期下降趨勢變緩，可見其脫鹽效率較高的時段是在電滲析脫鹽的前期；淡室pH在前期較平穩，約50 min后便逐步下降，整個脫鹽過程pH從6.13下降到4.35，而pH穩定階段相應電導率變化的絕對值也較大，是電滲析脫鹽的主要時段。

圖2 D-核糖濾液電滲析脫鹽淡室參數變化Fig.2 Changes of parameters in desalination diluted chamber during desalination of D-ribose filtrates by electrodialysis

2.2 D-核糖濾液電滲析脫鹽濃室參數變化

為了研究D-核糖濾液電滲析脫鹽運行過程中濃室參數的變化規律，濃室電導率和濃室D-核糖質量濃度見圖3。

圖3 濃室電導率和D-核糖質量濃度Fig.3 Conductivity and D-ribose content in concentrated chamber

濃室電導率在電滲析運行前期逐步升高，但升高到6 000μS/cm后，濃室電導率升高速度明顯變慢，并趨于平穩。對比圖2~3，濃室電導率曲線出現拐點時，淡室電導率為2 800μS/cm，同時淡室pH曲線也在此時出現拐點，淡室pH值的變化可能與電場作用下的溶液極化有關，楊煉[13]等也提出類似現象。極化現象造成溶液中鈣、鎂離子與OH-形成沉淀，電滲析分離效率下降。另外，隨著溶液pH的改變，D-核糖分子可能帶電，因而在電滲析膜堆中更易擴散，從而增加D-核糖從淡室向濃縮室的擴散速度。

濃室D-核糖質量濃度隨著脫鹽的運行逐步升高，脫鹽中后期升高速度明顯加快。表明隨著電滲析脫鹽的進行，D-核糖在濃水中的滲透損失也隨之增加，且中后期有加快滲透到濃室的趨勢。為此，我們需要重點研究D-核糖發酵液電滲析脫鹽過程的濃室損失規律，并進行電滲析脫鹽的工藝優化實驗。

2.3 D-核糖發酵液電滲析脫鹽濃室損失規律

由圖4可以看出，D-核糖濾液電滲析脫鹽3批實驗數據均表現前期濃室D-核糖損失小，到中后期濃室D-核糖損失增加較快，相應3批脫鹽率數據均表現前期（前50 min）脫鹽率較快增長后期增長速率下降的趨勢。也就是說，電滲析脫鹽過程中前期脫鹽較快，但濃室損失不多，后期脫鹽較慢，但濃室損失增加較快。電滲析脫鹽前期（50 min內）脫鹽效率高，D-核糖雖然會滲透到濃室，但前期短時間內滲透量有限，所以收率損失較小。隨著電滲析的運行，溶液極化現象引起脫鹽效率下降，此時D-核糖的遷移加快，滲透到濃室的速度也加快，因而損失增加。因此，為了保證電滲析脫鹽過程的產品收率，運行時間實際按30 min控制，開展D-核糖濾液的脫鹽實驗。

圖4 3批電滲析濃室損失與脫鹽率曲線Fig.4 Loss and desalination rate of electrodialysis concentrated chamber of three batches

2.4 D-核糖發酵液電滲析脫鹽工藝優化

電滲析脫鹽運行時間在30 min以內，得到的脫鹽率平均為54%，脫鹽過程的D-核糖平均收率為97.68%，見表1。運行30 min時D-核糖回收率和脫鹽率都保持在較高水平，脫鹽前后D-核糖純度稍有提高但電滲析脫鹽后透光度有所下降，不過根據實際生產要求，仍在可接受范圍。電滲析脫鹽過程料液透光度略微下降，初步分析是電滲析設備內部結構布局不夠合理造成無法徹底清洗干凈，從而在隨后的運行中對料液造成一定污染，或者是電滲析過程引起料液性質的略微改變（產品D-核糖本身并未受到影響）。盡管后續分離步驟可以進一步提高料液透光度，但在實際工業生產應用中仍需重視電滲析除鹽和設備清洗工藝的優化。

表1 電滲析脫鹽工藝優化實驗結果Table 1 Test results of optimization of electrodialysis desalination

2.5 電滲析與離子交換樹脂聯合脫鹽研究

D-核糖濾液經電滲析脫除一半鹽分后，為了提高D-核糖收率，采用離子交換樹脂去掉殘余的色素并同時脫除剩余的鹽分。

以表1各批電滲析脫鹽后的料液分別通過732和D315離子交換樹脂，考察樹脂上樣量和脫鹽效果，并與全樹脂脫鹽工藝進行比較，見表2。

由表2可以看出，經電滲析脫鹽54%后，再上離子交換樹脂柱脫鹽，樹脂上樣量相應增加一倍，即樹脂用量減少了一半。電滲析初步脫鹽收率為97.68%，后續離子交換樹脂脫鹽收率為94.1%，所以電滲析和離子交換樹脂聯合脫鹽收率91.9%。 目前工業上D-核糖發酵液脫鹽一般全用離子交換樹脂進行（全樹脂工藝），如732強酸陽離子交換樹脂和D315弱堿陰離子交換樹脂脫鹽，收率約90%，電滲析聯合離子交換樹脂脫鹽工藝比全樹脂脫鹽工藝的收率提高1.9%。另外，電滲析聯合離子交換樹脂脫鹽后的脫鹽液基本無色素，其透光度都在99%以上，略高于全樹脂工藝的脫鹽液。

表2 全樹脂脫鹽與電滲析聯合樹脂脫鹽的比較Table 2 Comparison of desalting by the whole resin desalination process and by the electrodialysis combined with resin

全樹脂脫鹽工藝成本按D-核糖折純達到4.29元/kg，見表3。采用電滲析聯合離子交換樹脂脫鹽，由于樹脂用量減半，因此脫鹽工藝成本也要相應減半，盡管電滲析膜運行也會有一定的成本消耗，具體情況仍需長期的工業生產進行驗證，但可以預見其廢水排放量和酸堿的消耗必將大幅減少。

表3 全樹脂工藝脫鹽成本Table 3 Cost of desalting by the whole resin desalination process

與傳統的離子交換樹脂脫鹽工藝相比，電滲析脫鹽部分替代離子交換樹脂脫鹽，具有經濟環保的特點。電滲析聯合離子交換樹脂脫鹽工藝，在保證脫鹽及脫色效果的同時，也保證了產品質量和收率，表明該工藝是可行的。

3 結 語

D-核糖發酵液經膜過濾后，仍含有大量的鹽分，此時膜濾液電導率一般在4 000μS/cm左右，不考慮溫度和鹽的種類變化，其鹽質量濃度估算應在2 500 mg/L，如不進行脫鹽處理必將影響后續的純化和精制。D-核糖發酵液的脫鹽僅用離子交換樹脂的話，運行成本是較高的，實際生產中僅用離子交換樹脂脫鹽，因再生樹脂消耗的再生劑原料成本幾乎達總原料成本的25%，這還不包括樹脂再生的用水和污水處理成本。

D-核糖發酵液采用電滲析與離子交換樹脂聯合脫鹽，即電滲析脫鹽54%后，再進行離子交換樹脂脫鹽，樹脂用量可減少一半，減少了脫鹽成本，脫鹽的同時也脫色，而且整體收率比離子交換樹脂單獨脫鹽提高1.9%。D-核糖濾液經電滲析脫鹽后料液透光度有少許（不到5%）下降，但經進一步離子交換樹脂脫鹽后的脫鹽液透光度都能達到99%以上。

因此，在實際工業化生產中，本研究可以為發酵法生產D-核糖的脫鹽工藝優化提供參考。