超滤膜技术在L-阿拉伯糖发酵液精制中的应用

L-阿拉伯糖（L-arabinose ,又称树胶醛糖、果胶 糖,是一种戊醛糖[1]。由于其对蔗糖的代谢转化具有显 著的阻断作用，使得它在抑制肥胖与减肥、利于血糖 降低、清除血管脂肪降低血压、改善肠道微生态环境 及润肠通便、降低尿酸及预防痛风等方面有显著应用。同时,作为中华人民共和国卫生部批准的新资源食品，又使它在巧克力、蛋糕、饼干、乳制品等健康功 能食品和预防糖尿病食品、减肥食品、蔗糖添加剂等 方面有广泛应用,特别是近几年，由于人们收入的增加，生活水平的提高和对自身健康关注度的提升，对 人体具有重要生理、健康功能的L-阿拉伯糖产品的需 求量与曰俱增，市场发展潜力巨大。目前,L-阿拉伯糖 的工业化生产主要以玉米芯、甘蔗渣、毛竹渣等农业 废弃物制备木糖产品产生的副产物木糖母液为原料， 经生物发酵、活性炭脱色、离子交换除盐、浓缩、色谱分 离、结晶、离心、烘干等工序制备而成,其中生物发酵 工序主要是利用活性干酵母作为发酵载体，采用有氧 发酵的方式，将木糖母液中的葡萄糖成分转化为二氧 化碳和水，达到生物发酵法除杂糖，提高木糖母液中 木糖和L-阿拉伯糖纯度的目的。而在生物发酵法除 葡萄糖的过程中，会产生大量的残存酵母、菌体等杂 质[\生产工艺中_般首先通过碟片离心机，去除大部 分具有活性的酵母，回收至发酵罐中重新利用，而对 剩余残存的少量酵母、菌体、色素、胶质等杂质多采用 板框过滤或真空转鼓过滤法加以去除,但由于此种过 滤法只是以滤布作为过滤介质,过滤精度大于10 |^m, 过滤精度不高，同时，由于发酵液的黏度比较大，分离 效果不好，杂质去除不彻底，残存较多，滤液质量差，给 后续的离子交换树脂造成污染,增加树脂的清洗频率 和酸碱消耗,产生大量的再生废水，污染环境。

本研究采用新型、高效的超滤膜分离技术对经过 碟片离心机分离后的L-阿拉伯糖发酵液进行精制提 纯,分别从膜孔径、膜过滤温度、膜过滤压力和错流流 速4个方面来考察对超滤膜膜通量的影响，以及不同 过滤方法对离子交换树脂工作交换容量的影响，以期 达到有效去除L-阿拉伯糖发酵液中的残存酵母、菌 体、胶质、蛋白、色素及其它杂质，进一步精制提纯L- 阿拉伯糖发酵液，减轻对后续工序的污染，提高L-阿 拉伯糖的产品品质，实现L-阿拉伯糖的清洁化生产， 为L-阿拉伯糖发酵液的精制提纯工艺提供技术参考。

1材料与方法

1.1材料与试剂

L-阿拉伯糖发酵液：由山东福田药业有限公司L- 阿拉伯糖车间的发酵工序提供；粉末活性炭：由福建 省建瓯市芝星活性炭有限公司提供；离子交换树脂： 购自江苏苏青树脂厂;L-阿拉伯糖发酵液中所使用的 酵母：为安琪酵母股份有限公司提供的酒精发酵活性 干酵母;氢氧化钠、十二烷基苯磺酸钠、无水碳酸钠、磷 酸钠、硅酸钠、表面活性剂（吐温80等均为分析纯。

1.2仪器与设备

超滤膜分离装置(膜面积为0.5 m2,超滤膜规格为 1.0 |^m的聚酰胺材质膜）：成都连接膜科技有限公司； 板框过滤设备：景津压滤机集团有限公司；真空转鼓 过滤设备：安丘汶瑞过滤机械有限公司；722 S可见分 光光度计：上海佑科仪器仪表有限公司；小型玻璃离 子交换柱(025mmx350mm :山东福田药业有限公司自制。

1.3方法

1.3.1超滤膜分离方法

取经过碟片离心机分离后的L-阿拉伯糖发酵液 500 L,经供料泵通过超滤膜分离装置，除去发酵液中 残存的酵母、菌体、胶质、蛋白等杂质，回收超滤滤液， 进入后续的离子交换工序。

1.3.2超滤膜的选择与运行工艺设计

试验选用高抗污染、耐高压、耐高温的卷式结构 管式流道的超滤膜元件，采用模块化设计、连续式运 行的控制工艺，分离的杂质与滤液同时排出，截留的 杂质及时排除系统，不累积在系统内，降低对超滤膜 的污染。同时，浓液不回流,浓缩比可调节，最大化的 提高生产效率。

1.3.3超滤膜的清洗与膜通量的恢复

试验设计了在线CIP超滤膜清洗工艺，采用热水 (65 °〇清洗结合化学清洗的方式，可使每次超滤膜的 膜通量恢复至新膜通量的95 %以上。其中所用水为反 渗透设备处理的淡水，电导率小于10 ps/cm;化学清洗 剂为十二烷基苯磺酸钠10 g、氢氧化钠45 g、无水碳酸 钠15 g、磷酸钠12 g、硅酸钠10 g、表面活性剂（吐温 80 8 g,充分混合后，加入5 000 g反渗透淡水,配成浓 度为2 %左右的水溶液,备用。

1.3.4对照试验

取经过碟片离心机分离后的同批次L-阿拉伯糖 发酵液各500 L,分别进行板框过滤和真空转鼓过滤， 分别收集滤液作为超滤膜分离试验的对照样。

1.3.5离子交换试验

分别取同批次3个60 mL型号为001x7的阳离子 交换树脂,分别浸泡于纯化水中，湿法装填于3个小型 玻璃离子交换柱中，将超滤膜分离液、板框过滤液和 真空转鼓过滤液分别以10 mL/min的相同流速通过离 子交换柱,每间隔50 mL接取流出精制液，分别测定每 个单元流出精制液的透光度值，以透光度小于90 %作 为失效终点，分别计算离子交换树脂对每种过滤发酵 液的工作交换容量。

1.3.6透光度的测定

用722 S可见分光光度计在L-阿拉伯糖发酵液 的最大吸收波长(420 nm)处、采用0.5 cm的比色皿测 其透光度值。

2结果与分析

2.1膜孔径对超滤膜通量的影响

控制超滤膜压力0.4 MPa、操作温度50 °C、错流流 速6 m/s的条件下，试验不同孔径的超滤膜对L-阿拉 伯糖发酵液的膜通量的影响情况,试验结果如图1。

由图1可以看出，随着膜孔径的增大，超滤膜对 L-阿拉伯糖发酵液的膜通量先增大后又降低,其中在 膜孔径为1.0 pm时达到最大值，这可能是因为L-阿 拉伯糖发酵液中的酵母、菌体、蛋白等杂质的粒径大 约在1.2 pm左右，当超滤膜系统运行时，发酵液中的 杂质会被孔径为0.2 pm~1.0 pm的超滤膜截留，而L- 阿拉伯糖、木糖、水等小分子滤液大量透过，因此膜通 量不断增大,而随着膜孔径的增大，杂质会透过1.2 pm〜 1.8 pm的超滤膜，造成超滤膜孔的堵塞，导致膜通量 急剧下降。经试验得知，选用1.0 pm的超滤膜,其平均 膜通量为 119.8 L/(m2.h)。

2.2操作温度对超滤膜通量的影响

_般情况下，温度升高，分子扩散系数增大，分子 间的热运动加剧，发酵液的黏度下降,物质的传质速 率加大。图2为操作温度对L-阿拉伯糖发酵液在超滤 膜分离过程中的膜通量的影响情况。

从图2可以看出，随着温度升高,L-阿拉伯糖发 酵液在超滤膜分离中的膜通量逐渐增大，因此，升高 温度有助于提高超滤膜的膜通量。但从试验中发现, 如果操作温度过高，会使L-阿拉伯糖发酵液产生焦糊 味，严重影响发酵液的质量，并且造成资源浪费，能耗 升高，根据试验结果并结合实际生产条件和设备要 求，选择超滤膜运行的操作温度为50 °C。

2.3压力对超滤膜通量的影响

选用膜孔径为1.0 pm的超滤膜，控制操作温度为 50 °C、错流流速为6 m/s,测定不同操作压力下超滤膜 对L-阿拉伯糖发酵液膜通量的影响情况，试验结果如图3。

由图3可以看出，随着操作压力的增大，超滤膜对 L-阿拉伯糖发酵液的膜通量随之增大，当压力增大到 0.4 MPa后，超滤膜的膜通量急剧下降。这是因为超滤 分离过程中只有当工作压力达到一定数值，才能使发 酵液中的L-阿拉伯糖、木糖、水等小分子物质透过超 滤膜与酵母、菌体、胶质、蛋白等大分子物质分离，当工 作压力太小时，小分子的滤液透过量少，膜通量小，随 着压力的增大，小分子的滤液透过量也增大，膜通量 随之增大，但工作压力太大时，会增加超滤膜极化层 的厚度，抵消增压的增速效果，同时也会把沉积在超 滤膜上的沉积层压实，难以被冲刷，膜孔很快被堵塞, 影响过滤效果，导致膜通量下降，因此,在试验中选择 的超滤膜的操作压力为0.4 MPa。

2.4错流流速对超滤膜通量的影响

选用膜孔径为1.0 IJim的超滤膜，控制操作温度为 50 °C、操作压力为0.4 MPa,考察错流流速对超滤膜通 量的影响情况,试验结果见图4。

由图4可以看出，随着错流流速的增高，超滤膜的膜通量逐渐升高，这可能是由于流速增大，超滤膜的 浓差极化现象减弱，发酵液对超滤膜表面形成的沉积层的剪切力增大，从而使膜通量增大，但一味地增大 错流流速,会破坏发酵液的剪切力与超滤膜对杂质沉 淀物的吸附力之间的平衡，导致膜通量下降。一般讲, 错流流速太小,超滤膜容易受到污染，错流流速太高， 既耗能又不利于膜通量的增大，因此，在试验中选择 的超滤膜的错流流速为6 m/s。

2.5不同精制方式对后续离子交换树脂工作交换容量的影响

目前,L-阿拉伯糖工业化生产过程中去除L-阿拉 伯糖发酵液中杂质的方法主要有：板框过滤法（需加 粉末活性炭)、真空转鼓过滤法(需加硅藻土作为预涂 层和膜分离法等。本试验通过对板框过滤、真空转鼓 过滤和超滤膜分离3种不同的过滤方式精制L-阿拉 伯糖发酵液，然后将得到的3种不同过滤精制液分别 通过装有60 mL型号为001x7的阳离子交换树脂的 离子交换柱，进行离子交换除杂，以透光度低于90 % 作为失效终点，考察3种不同过滤精制液对树脂工作 交换容量的影响,试验结果见表1。

由表1可以看出,L-阿拉伯糖发酵液经超滤膜过 滤分离后得到的过滤精制液再经后续的离子交换树 脂交换，其工作交换容量明显高于经板框过滤、真空 转鼓过滤的过滤精制液,约比板框过滤的过滤精制液 高51.45 %,比真空转鼓过滤的过滤精制液高68.02 %。 这是因为板框过滤、真空转鼓过滤方式都是借助滤布 作为过滤介质，都是属于在滤布表面形成滤饼层过 滤'其中板框过滤借助在发酵液中加入粉末活性炭， 利用粉末活性炭具有较大的孔隙和比表面积，将发酵 液中残存的酵母、菌体、胶质等杂质包裹其中，进而加 以去除。而真空转鼓过滤首先用硅藻土在分离载体表 面形成一层预涂层，然后利用离心力将发酵液中残存 的酵母、菌体、胶质等杂质分离在预涂层的表面，实现 分离去除。然而由于粉末活性炭或硅藻土与酵母、菌 体、胶质、色素等杂质分子大小不同、性质不同、极性不 同等问题的存在，导致这两种方法很难将发酵液中的 杂质去除彻底，得到的过滤精制液比较浑浊，透光度 只有60 %左右，还含有少量小分子的酵母、蛋白等杂 质，在进行离子交换时，由于pH值的变化，致使其蛋 白发生变性，黏附在离子交换树脂的表面，导致树脂 的工作交换容量下降。而超滤膜分离主要利用超滤膜 孔径的选择渗透性，以超滤膜两侧流体压力差为推动 力，依靠膜的截留作用将发酵液中的L-阿拉伯糖、木 糖、水等小分子物质与酵母、菌体、胶质、色素、蛋白等 大分子物质分离，因此分离彻底,得到的L-阿拉伯糖 过滤精制液澄清、透亮，透光度在80 %以上，不存在小 分子的酵母、蛋白等有机杂质，不受料液pH值的变化 影响，只含有少量的钙、镁等无机盐类物质，不会对离 子交换树脂造成二次污染，因此可极大地提高树脂的 工作交换容量。由此可见，超滤膜的分离方法比传统 的板框过滤、真空转鼓过滤在L-阿拉伯糖发酵液的精 制提纯应用中更具优势，分离选择性高，能显著提高 料液的品质，减轻后续离子交换的负担，增加树脂的 工作交换容量,具有较好的经济效益和环保效果。

3结论

L-阿拉伯糖发酵液在超滤膜分离过程中，选用孔 径为1.0 pm的超滤膜，控制操作压力为0.4 MPa、操作 温度50 °C、错流流速6 m/s,可使整个过程膜的平均膜 通量为119.8 L/(m2*h。超滤膜分离技术相比传统的 板框和真空转鼓过滤在L-阿拉伯糖发酵液精制提纯 过程中更具优势,经后续的离子交换树脂处理，其工 作交换容量比板框过滤的方式约提高51.45 %,比真 空转鼓过滤的方式约提高68.02%,具有较好的经济 效益和环保效果。