超濾膜技術在L-阿拉伯糖發酵液精制中的應用

L-阿拉伯糖（L-arabinose ,又稱樹膠醛糖、果膠 糖,是一種戊醛糖[1]。由于其對蔗糖的代謝轉化具有顯 著的阻斷作用，使得它在抑制肥胖與減肥、利于血糖 降低、清除血管脂肪降低血壓、改善腸道微生態環境 及潤腸通便、降低尿酸及預防痛風等方面有顯著應用。同時,作為中華人民共和國衛生部批準的新資源食品，又使它在巧克力、蛋糕、餅干、乳制品等健康功 能食品和預防糖尿病食品、減肥食品、蔗糖添加劑等 方面有廣泛應用,特別是近幾年，由于人們收入的增加，生活水平的提高和對自身健康關注度的提升，對 人體具有重要生理、健康功能的L-阿拉伯糖產品的需 求量與曰俱增，市場發展潛力巨大。目前,L-阿拉伯糖 的工業化生產主要以玉米芯、甘蔗渣、毛竹渣等農業 廢棄物制備木糖產品產生的副產物木糖母液為原料， 經生物發酵、活性炭脫色、離子交換除鹽、濃縮、色譜分 離、結晶、離心、烘干等工序制備而成,其中生物發酵 工序主要是利用活性干酵母作為發酵載體，采用有氧 發酵的方式，將木糖母液中的葡萄糖成分轉化為二氧 化碳和水，達到生物發酵法除雜糖，提高木糖母液中 木糖和L-阿拉伯糖純度的目的。而在生物發酵法除 葡萄糖的過程中，會產生大量的殘存酵母、菌體等雜 質[\生產工藝中_般首先通過碟片離心機，去除大部 分具有活性的酵母，回收至發酵罐中重新利用，而對 剩余殘存的少量酵母、菌體、色素、膠質等雜質多采用 板框過濾或真空轉鼓過濾法加以去除,但由于此種過 濾法只是以濾布作為過濾介質,過濾精度大于10 |^m, 過濾精度不高，同時，由于發酵液的黏度比較大，分離 效果不好，雜質去除不徹底，殘存較多，濾液質量差，給 后續的離子交換樹脂造成污染,增加樹脂的清洗頻率 和酸堿消耗,產生大量的再生廢水，污染環境。

本研究采用新型、高效的超濾膜分離技術對經過 碟片離心機分離后的L-阿拉伯糖發酵液進行精制提 純,分別從膜孔徑、膜過濾溫度、膜過濾壓力和錯流流 速4個方面來考察對超濾膜膜通量的影響，以及不同 過濾方法對離子交換樹脂工作交換容量的影響，以期 達到有效去除L-阿拉伯糖發酵液中的殘存酵母、菌 體、膠質、蛋白、色素及其它雜質，進一步精制提純L- 阿拉伯糖發酵液，減輕對后續工序的污染，提高L-阿 拉伯糖的產品品質，實現L-阿拉伯糖的清潔化生產， 為L-阿拉伯糖發酵液的精制提純工藝提供技術參考。

1材料與方法

1.1材料與試劑

L-阿拉伯糖發酵液：由山東福田藥業有限公司L- 阿拉伯糖車間的發酵工序提供；粉末活性炭：由福建 省建甌市芝星活性炭有限公司提供；離子交換樹脂： 購自江蘇蘇青樹脂廠;L-阿拉伯糖發酵液中所使用的 酵母：為安琪酵母股份有限公司提供的酒精發酵活性 干酵母;氫氧化鈉、十二烷基苯磺酸鈉、無水碳酸鈉、磷 酸鈉、硅酸鈉、表面活性劑（吐溫80等均為分析純。

1.2儀器與設備

超濾膜分離裝置(膜面積為0.5 m2,超濾膜規格為 1.0 |^m的聚酰胺材質膜）：成都連接膜科技有限公司； 板框過濾設備：景津壓濾機集團有限公司；真空轉鼓 過濾設備：安丘汶瑞過濾機械有限公司；722 S可見分 光光度計：上海佑科儀器儀表有限公司；小型玻璃離 子交換柱(025mmx350mm :山東福田藥業有限公司自制。

1.3方法

1.3.1超濾膜分離方法

取經過碟片離心機分離后的L-阿拉伯糖發酵液 500 L,經供料泵通過超濾膜分離裝置，除去發酵液中 殘存的酵母、菌體、膠質、蛋白等雜質，回收超濾濾液， 進入后續的離子交換工序。

1.3.2超濾膜的選擇與運行工藝設計

試驗選用高抗污染、耐高壓、耐高溫的卷式結構 管式流道的超濾膜元件，采用模塊化設計、連續式運 行的控制工藝，分離的雜質與濾液同時排出，截留的 雜質及時排除系統，不累積在系統內，降低對超濾膜 的污染。同時，濃液不回流,濃縮比可調節，最大化的 提高生產效率。

1.3.3超濾膜的清洗與膜通量的恢復

試驗設計了在線CIP超濾膜清洗工藝，采用熱水 (65 °〇清洗結合化學清洗的方式，可使每次超濾膜的 膜通量恢復至新膜通量的95 %以上。其中所用水為反 滲透設備處理的淡水，電導率小于10 ps/cm;化學清洗 劑為十二烷基苯磺酸鈉10 g、氫氧化鈉45 g、無水碳酸 鈉15 g、磷酸鈉12 g、硅酸鈉10 g、表面活性劑（吐溫 80 8 g,充分混合后，加入5 000 g反滲透淡水,配成濃 度為2 %左右的水溶液,備用。

1.3.4對照試驗

取經過碟片離心機分離后的同批次L-阿拉伯糖 發酵液各500 L,分別進行板框過濾和真空轉鼓過濾， 分別收集濾液作為超濾膜分離試驗的對照樣。

1.3.5離子交換試驗

分別取同批次3個60 mL型號為001x7的陽離子 交換樹脂,分別浸泡于純化水中，濕法裝填于3個小型 玻璃離子交換柱中，將超濾膜分離液、板框過濾液和 真空轉鼓過濾液分別以10 mL/min的相同流速通過離 子交換柱,每間隔50 mL接取流出精制液，分別測定每 個單元流出精制液的透光度值，以透光度小于90 %作 為失效終點，分別計算離子交換樹脂對每種過濾發酵 液的工作交換容量。

1.3.6透光度的測定

用722 S可見分光光度計在L-阿拉伯糖發酵液 的最大吸收波長(420 nm)處、采用0.5 cm的比色皿測 其透光度值。

2結果與分析

2.1膜孔徑對超濾膜通量的影響

控制超濾膜壓力0.4 MPa、操作溫度50 °C、錯流流 速6 m/s的條件下，試驗不同孔徑的超濾膜對L-阿拉 伯糖發酵液的膜通量的影響情況,試驗結果如圖1。

由圖1可以看出，隨著膜孔徑的增大，超濾膜對 L-阿拉伯糖發酵液的膜通量先增大后又降低,其中在 膜孔徑為1.0 pm時達到最大值，這可能是因為L-阿 拉伯糖發酵液中的酵母、菌體、蛋白等雜質的粒徑大 約在1.2 pm左右，當超濾膜系統運行時，發酵液中的 雜質會被孔徑為0.2 pm~1.0 pm的超濾膜截留，而L- 阿拉伯糖、木糖、水等小分子濾液大量透過，因此膜通 量不斷增大,而隨著膜孔徑的增大，雜質會透過1.2 pm? 1.8 pm的超濾膜，造成超濾膜孔的堵塞，導致膜通量 急劇下降。經試驗得知，選用1.0 pm的超濾膜,其平均 膜通量為 119.8 L/(m2.h)。

2.2操作溫度對超濾膜通量的影響

_般情況下，溫度升高，分子擴散系數增大，分子 間的熱運動加劇，發酵液的黏度下降,物質的傳質速 率加大。圖2為操作溫度對L-阿拉伯糖發酵液在超濾 膜分離過程中的膜通量的影響情況。

從圖2可以看出，隨著溫度升高,L-阿拉伯糖發 酵液在超濾膜分離中的膜通量逐漸增大，因此，升高 溫度有助于提高超濾膜的膜通量。但從試驗中發現, 如果操作溫度過高，會使L-阿拉伯糖發酵液產生焦糊 味，嚴重影響發酵液的質量，并且造成資源浪費，能耗 升高，根據試驗結果并結合實際生產條件和設備要 求，選擇超濾膜運行的操作溫度為50 °C。

2.3壓力對超濾膜通量的影響

選用膜孔徑為1.0 pm的超濾膜，控制操作溫度為 50 °C、錯流流速為6 m/s,測定不同操作壓力下超濾膜 對L-阿拉伯糖發酵液膜通量的影響情況，試驗結果如圖3。

由圖3可以看出，隨著操作壓力的增大，超濾膜對 L-阿拉伯糖發酵液的膜通量隨之增大，當壓力增大到 0.4 MPa后，超濾膜的膜通量急劇下降。這是因為超濾 分離過程中只有當工作壓力達到一定數值，才能使發 酵液中的L-阿拉伯糖、木糖、水等小分子物質透過超 濾膜與酵母、菌體、膠質、蛋白等大分子物質分離，當工 作壓力太小時，小分子的濾液透過量少，膜通量小，隨 著壓力的增大，小分子的濾液透過量也增大，膜通量 隨之增大，但工作壓力太大時，會增加超濾膜極化層 的厚度，抵消增壓的增速效果，同時也會把沉積在超 濾膜上的沉積層壓實，難以被沖刷，膜孔很快被堵塞, 影響過濾效果，導致膜通量下降，因此,在試驗中選擇 的超濾膜的操作壓力為0.4 MPa。

2.4錯流流速對超濾膜通量的影響

選用膜孔徑為1.0 IJim的超濾膜，控制操作溫度為 50 °C、操作壓力為0.4 MPa,考察錯流流速對超濾膜通 量的影響情況,試驗結果見圖4。

由圖4可以看出，隨著錯流流速的增高，超濾膜的膜通量逐漸升高，這可能是由于流速增大，超濾膜的 濃差極化現象減弱，發酵液對超濾膜表面形成的沉積層的剪切力增大，從而使膜通量增大，但一味地增大 錯流流速,會破壞發酵液的剪切力與超濾膜對雜質沉 淀物的吸附力之間的平衡，導致膜通量下降。一般講, 錯流流速太小,超濾膜容易受到污染，錯流流速太高， 既耗能又不利于膜通量的增大，因此，在試驗中選擇 的超濾膜的錯流流速為6 m/s。

2.5不同精制方式對后續離子交換樹脂工作交換容量的影響

目前,L-阿拉伯糖工業化生產過程中去除L-阿拉 伯糖發酵液中雜質的方法主要有：板框過濾法（需加 粉末活性炭)、真空轉鼓過濾法(需加硅藻土作為預涂 層和膜分離法等。本試驗通過對板框過濾、真空轉鼓 過濾和超濾膜分離3種不同的過濾方式精制L-阿拉 伯糖發酵液，然后將得到的3種不同過濾精制液分別 通過裝有60 mL型號為001x7的陽離子交換樹脂的 離子交換柱，進行離子交換除雜，以透光度低于90 % 作為失效終點，考察3種不同過濾精制液對樹脂工作 交換容量的影響,試驗結果見表1。

由表1可以看出,L-阿拉伯糖發酵液經超濾膜過 濾分離后得到的過濾精制液再經后續的離子交換樹 脂交換，其工作交換容量明顯高于經板框過濾、真空 轉鼓過濾的過濾精制液,約比板框過濾的過濾精制液 高51.45 %,比真空轉鼓過濾的過濾精制液高68.02 %。 這是因為板框過濾、真空轉鼓過濾方式都是借助濾布 作為過濾介質，都是屬于在濾布表面形成濾餅層過 濾'其中板框過濾借助在發酵液中加入粉末活性炭， 利用粉末活性炭具有較大的孔隙和比表面積，將發酵 液中殘存的酵母、菌體、膠質等雜質包裹其中，進而加 以去除。而真空轉鼓過濾首先用硅藻土在分離載體表 面形成一層預涂層，然后利用離心力將發酵液中殘存 的酵母、菌體、膠質等雜質分離在預涂層的表面，實現 分離去除。然而由于粉末活性炭或硅藻土與酵母、菌 體、膠質、色素等雜質分子大小不同、性質不同、極性不 同等問題的存在，導致這兩種方法很難將發酵液中的 雜質去除徹底，得到的過濾精制液比較渾濁，透光度 只有60 %左右，還含有少量小分子的酵母、蛋白等雜 質，在進行離子交換時，由于pH值的變化，致使其蛋 白發生變性，黏附在離子交換樹脂的表面，導致樹脂 的工作交換容量下降。而超濾膜分離主要利用超濾膜 孔徑的選擇滲透性，以超濾膜兩側流體壓力差為推動 力，依靠膜的截留作用將發酵液中的L-阿拉伯糖、木 糖、水等小分子物質與酵母、菌體、膠質、色素、蛋白等 大分子物質分離，因此分離徹底,得到的L-阿拉伯糖 過濾精制液澄清、透亮，透光度在80 %以上，不存在小 分子的酵母、蛋白等有機雜質，不受料液pH值的變化 影響，只含有少量的鈣、鎂等無機鹽類物質，不會對離 子交換樹脂造成二次污染，因此可極大地提高樹脂的 工作交換容量。由此可見，超濾膜的分離方法比傳統 的板框過濾、真空轉鼓過濾在L-阿拉伯糖發酵液的精 制提純應用中更具優勢，分離選擇性高，能顯著提高 料液的品質，減輕后續離子交換的負擔，增加樹脂的 工作交換容量,具有較好的經濟效益和環保效果。

3結論

L-阿拉伯糖發酵液在超濾膜分離過程中，選用孔 徑為1.0 pm的超濾膜，控制操作壓力為0.4 MPa、操作 溫度50 °C、錯流流速6 m/s,可使整個過程膜的平均膜 通量為119.8 L/(m2*h。超濾膜分離技術相比傳統的 板框和真空轉鼓過濾在L-阿拉伯糖發酵液精制提純 過程中更具優勢,經后續的離子交換樹脂處理，其工 作交換容量比板框過濾的方式約提高51.45 %,比真 空轉鼓過濾的方式約提高68.02%,具有較好的經濟 效益和環保效果。