大豆乳清蛋白的超濾分離及膜污染分析

秦冬玲,馬玉潔,陸國太,楊 剛,邢衛(wèi)紅

(南京工業(yè)大學(xué) 材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210009)

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大豆乳清蛋白的超濾分離及膜污染分析

秦冬玲,馬玉潔,陸國太,楊 剛*,邢衛(wèi)紅

(南京工業(yè)大學(xué) 材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210009)

本文以大豆乳清蛋白為研究對(duì)象,采用孔徑為5 nm的陶瓷膜對(duì)大豆乳清廢水進(jìn)行超濾實(shí)驗(yàn),考察不同操作條件對(duì)超濾過程分離性能的影響,并結(jié)合Cake-complete模型對(duì)膜污染機(jī)理進(jìn)行分析研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在0.15 MPa壓力下,最大滲透通量為6.85 L·m-2·h-1;當(dāng)壓力由0.15 MPa增大到0.20 MPa時(shí),濃差極化占主導(dǎo)因素,有效推動(dòng)力降低,此時(shí)壓差的增大對(duì)膜通量的影響不再顯著。同時(shí),乳清蛋白的截留率可通過料液pH進(jìn)行調(diào)節(jié),在pH為6左右時(shí),截留率最高可達(dá)73.3%。此外,采用組合模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果最佳,擬合度達(dá)到0.99以上,說明膜污染過程并非由單一機(jī)理控制,而是由多種污染類型共同造成的。以上結(jié)果為進(jìn)一步的工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

陶瓷膜,超濾,大豆乳清蛋白,組合模型,膜污染

大豆是蛋白質(zhì)含量最豐富的植物之一[1],通常被加工成各類豆制品。然而,以提取大豆分離蛋白為目的的加工企業(yè),每天都要排放大量的乳清廢水,廢水中主要含有大豆乳清蛋白、大豆低聚糖、異黃酮等營養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高的生物功能性物質(zhì)[2]。因而,乳清廢水屬于高濃度有機(jī)廢水,若直接排放,不僅對(duì)水體造成嚴(yán)重污染,也是一種生物質(zhì)資源的浪費(fèi)。

目前,大豆乳清廢水的處理方法主要有生物凈化工藝、濃縮蒸發(fā)和膜分離技術(shù)等[3]。其中生物凈化工藝能夠達(dá)到國家要求的排放水平,但受環(huán)境條件的影響較大;蒸發(fā)濃縮可回收乳清蛋白,但回收濃度太低,且能耗較大,制約了其進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用;膜分離技術(shù)作為一種應(yīng)用在食品加工行業(yè)的新興技術(shù)[4],不僅分離效果好,過程簡單,節(jié)能高效,而且能夠最大限度地保留廢水中的活性成分,因而更加有利于工業(yè)化推廣。雖然通常所使用的有機(jī)膜對(duì)乳清蛋白的截留效果較好[5],但是無機(jī)陶瓷膜具有高分子聚合膜沒有的優(yōu)勢,如機(jī)械強(qiáng)度大、耐高壓,可以反向沖洗;抗微生物污染,可用于生物工程和醫(yī)療領(lǐng)域[6]。

目前采用無機(jī)陶瓷超濾膜從大豆乳清廢水中提取乳清蛋白的研究鮮有報(bào)道,故本文采用陶瓷超濾膜處理大豆乳清廢水,從中回收大豆乳清蛋白?？疾靿毫?、pH和溫度對(duì)膜分離性能的影響,得到最佳的工藝條件;并借助組合污染模型對(duì)膜污染的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行分析。借此為陶瓷膜在大豆乳清蛋白提取的工業(yè)化應(yīng)用上奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

自制實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,由膜過濾循環(huán)系統(tǒng)組成,采用膜孔徑為5 nm,孔道為61,膜面積0.0383 m2的管式陶瓷超濾膜(美國陶氏集團(tuán))。利用低溫恒溫槽(YRDC-0506型,上海亞榮生化儀器廠)進(jìn)行循環(huán)保溫,采用高壓柱塞泵(SSE1413型,意大利英特公司)提供動(dòng)力。采用紫外分光光度計(jì)(LAMBDA950)測量大豆乳清蛋白濃度。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程Fig.1 Schematic of diagram crossflow membrane filtration system注:1-溫度計(jì);2-料槽儲(chǔ)罐;3-柱塞泵;4-壓力表;5-膜組件;6,7,8-閥門;9-量筒。

大豆乳清廢水采用堿溶酸沉法自制,具體制備方法如下[7]:低溫脫脂豆粕經(jīng)粉碎后,與水以1∶13的比例混合,用2 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)pH至8.6,在50 ℃條件下攪拌1 h,抽濾除掉固體顆粒物,然后取濾液用2 mol/L的HCl回調(diào)pH至4.5,離心,得上清液即為大豆乳清廢水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用錯(cuò)流過濾,系統(tǒng)溫度保持在(25±1) ℃,控制操作壓力分別為0.10、0.15、0.20 MPa,運(yùn)行200 min,測量不同壓力下滲透通量隨時(shí)間的變化及截留率,并且借助Cake-complete組合模型分析膜污染機(jī)理;考察操作壓力為0.15 MPa,溫度為10、15、20、25、30 ℃下,運(yùn)行200 min,測量運(yùn)行穩(wěn)定后的滲透通量及截留率;同時(shí),考察操作壓力為0.15 MPa,操作溫度在(25±1) ℃條件下,不同料液pH對(duì)截留率的影響。截留率的計(jì)算如公式(1)所示,式中R為截留率,Cf為原料液濃度,Cp為滲透液濃度。

式(1)

大豆乳清蛋白的檢測方法使用考馬斯亮藍(lán)法,在一定蛋白質(zhì)濃度范圍內(nèi),蛋白質(zhì)與染料形成的復(fù)合物在595 nm的吸光度與蛋白質(zhì)含量成正比。200 μg/mL牛血清白蛋白溶液作為標(biāo)準(zhǔn)溶液,測得的數(shù)據(jù)如下:

由表1中數(shù)據(jù),以蛋白質(zhì)濃度C(g/L)為橫坐標(biāo),吸光度A595為縱坐標(biāo),作圖可得到一標(biāo)準(zhǔn)曲線。

計(jì)算所得回歸方程:y=4.922x-0.0079R2=0.9983

表1 考馬斯亮藍(lán)法測定蛋白質(zhì)含量
Table 1 Bradford protein content determination

編號(hào)蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液(mL)去離子水(mL)濃度(g/L)吸光度(A)00100101090020078202020040194304060080371406040120594508020160798610020961

由回歸方程和圖2所示,蛋白質(zhì)濃度和吸光度值具有良好的線性關(guān)系。根據(jù)測出的未知樣品的波長λ=595 nm時(shí)的吸光度A595 nm,代入標(biāo)準(zhǔn)曲線即可得出蛋白質(zhì)的濃度。

圖2 蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 Protein standard curve

2 結(jié)果與討論

2.1 操作壓力對(duì)滲透通量及截留率的影響

滲透通量在不同操作壓力下隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。由圖可知,初始通量隨著壓力的增大而增大,而運(yùn)行穩(wěn)定之后的通量則先增大后減小。三種壓力下,運(yùn)行130 min后滲透通量均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),且0.15 MPa穩(wěn)定后的滲透通量由0.10 MPa的3.87 L·m-2·h-1增加到6.85 L·m-2·h-1。這是因?yàn)閴毫Φ脑黾邮箓髻|(zhì)速率加快,因此通量增加。而當(dāng)壓力進(jìn)一步增加到0.20 MPa時(shí),穩(wěn)定后的滲透通量低于0.15 MPa下的滲透通量。這可能是因?yàn)椴僮鲏毫Φ倪M(jìn)一步增加,使膜表面蛋白的濃度也增加,蛋白顆粒在膜表面沉積,使得膜表面的顆粒濃度大于料液主體濃度,從而造成濃差極化現(xiàn)象,降低了有效推動(dòng)力;同時(shí)蛋白顆粒在膜表面的沉積加大了過濾阻力,從而使得滲透通量下降。

圖3 操作壓力對(duì)滲透通量的影響Fig.3 Effects of driving pressure on permeating flux

在不同的操作壓力下,滲透通量穩(wěn)定后的蛋白質(zhì)截留率變化如圖4所示。從圖中可以看出,從0.10 MPa到0.15 MPa，截留率由39.8%增加到41.5%,這主要是因?yàn)橥苿?dòng)力增加,蛋白質(zhì)的截留率也隨之增大;而當(dāng)壓力由0.15 MPa升高至0.20 MPa時(shí),截留率由41.5%降低到39.7%,這可能是因?yàn)闈獠顦O化現(xiàn)象和膜污染的加劇導(dǎo)致截留率的降低。因此,最佳的操作壓力為0.15 MPa。

圖4 操作壓力對(duì)截留率的影響Fig.4 Effects of driving pressure on rejection

2.2 溫度和pH對(duì)超濾過程的影響

運(yùn)行穩(wěn)定后的滲透通量在不同溫度條件下的變化曲線如圖5所示,從圖中可以看出,滲透通量隨溫度的升高而增大,這可能是因?yàn)闇囟壬?料液粘度降低,加快了其在膜表面的擴(kuò)散速度;同時(shí),蛋白質(zhì)在溶液中的流動(dòng)速度加快,不易沉積吸附在膜表面形成濾餅層。由圖6可知,乳清蛋白的截留率隨溫度的升高而降低,截留率由10 ℃時(shí)的62%下降到30 ℃時(shí)的36%,主要原因可能是較低溫度下,料液粘度大,易沉積在膜表面形成濾餅層,提高了膜的實(shí)際截留能力。兼顧滲透通量和截留率兩者,并考慮到蛋白質(zhì)會(huì)因高溫而變性,故選擇最佳操作溫度為25 ℃。

圖5 溫度對(duì)滲透通量的影響Fig.5 Effects of temperature on permeating flux

圖6 溫度對(duì)截留率的影響Fig.6 Effects of temperature on rejection

pH對(duì)截留率的影響,通常是通過調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的溶解度來控制的。在等電點(diǎn)處蛋白質(zhì)的溶解度最小,且蛋白質(zhì)更容易沉積在膜表面,從而加重膜污染,導(dǎo)致通量下降。本實(shí)驗(yàn)考察了大豆乳清廢水在不同的pH時(shí)乳清蛋白截留率的變化情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖可知,隨pH升高,大豆乳清蛋白的截留率先升高后降低,且在pH6附近達(dá)到最大值(73.3%)。這是因?yàn)榇蠖谷榍宓鞍讓儆谒崛軌A沉蛋白,其等電點(diǎn)為5.8[8],在等電點(diǎn)附近時(shí)蛋白質(zhì)基本呈電中性,分子間斥力最小,此時(shí)溶液更易發(fā)生凝聚、沉淀現(xiàn)象,因而更有利于被超濾膜截留。

圖7 pH對(duì)截留率的影響Fig.7 Effects of driving pH on rejection

2.3 膜污染分析

膜過程中污染存在著三種情況[9]:1、溶質(zhì)粒徑小于膜孔時(shí),進(jìn)入到膜孔內(nèi)引起不可逆的污染;2、溶質(zhì)粒徑接近膜孔徑時(shí),部分膜孔會(huì)被溶質(zhì)分子堵塞;3、當(dāng)溶質(zhì)粒徑大于膜孔徑時(shí),被膜截留的粒子將在膜面形成污染層,在某些情況形成凝膠層。Field[10]等通過修改經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?建立了應(yīng)用在錯(cuò)流過濾的通量衰減模型:

式(2)

不同的n值可表述上述三種不同的污染情況,分別對(duì)應(yīng)的n值為1、1.5、2,式中:Jp為瞬時(shí)膜通量,m/s;Jpss為穩(wěn)態(tài)下的膜通量,m/s;KCF為數(shù)值常量,其值取決于壓力、粘度以及膜的固有阻力(Rm)。通常情況下,以上三個(gè)模型可以單獨(dú)使用,但有些情況并不能很好地解釋膜過程的污染機(jī)理,因而近年來許多學(xué)者采用模型進(jìn)行組合對(duì)膜過程進(jìn)行預(yù)測和分析,得到了較好的效果。Vincent等[11]在經(jīng)典堵塞模型的基礎(chǔ)上,利用半經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)膜的污染機(jī)理進(jìn)行研究,較準(zhǔn)確的預(yù)測了通量變化。Emilio[12]等研究得到組合模型:完全堵塞和濾餅過濾組合模型(Cake-complete blocking model),其表達(dá)式如下所示:

表2 經(jīng)典模型參數(shù)擬合結(jié)果及相關(guān)度
Table 2 Fitting values of Hermia’s models parameters and the correlation

壓力(MPa)標(biāo)準(zhǔn)堵塞模型完全堵塞模型中間堵塞模型KsR2KcR2KiR201094054E-407962800035109948200044099788015271049E-4079158000238099359000263099362020718535E-4058910000494094667000633097037

式(3)

式中J0為初始膜通量,m/s;Kc為完全堵塞模型常數(shù),s-1;Ks為標(biāo)準(zhǔn)堵塞模型常數(shù);Kgl為濾餅過濾模型常數(shù),α為完全阻塞污染的膜孔所占總膜孔的比重。

本文采用三種經(jīng)典堵塞模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合,探究了膜污染形成的機(jī)理。經(jīng)典堵塞模型主要包括標(biāo)準(zhǔn)堵塞模型(Standard blocking model)、完全堵塞模型(Complete blocking model)和中間堵塞模型(Intermediate blocking model)。三種模型的擬合結(jié)果分別如圖8至圖10所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)堵塞模型擬合曲Fig.8 Fitted curve for standard blocking model

圖9 完全堵塞模型擬合曲線Fig.9 Fitted curve for complete blocking model

圖10 中間堵塞模型擬合曲線Fig.10 Fitted curve for intermediate blocking model

三種模型的擬合結(jié)果及相關(guān)度列于表2。由表可知,標(biāo)準(zhǔn)堵塞模型在不同操作壓力下的擬合度均為最差,說明乳清蛋白的分子半徑大于膜孔半徑,分離膜對(duì)乳清蛋白分子的截留率較高,而對(duì)膜孔內(nèi)部污染較小,因此該模型不符合膜污染的內(nèi)在機(jī)理。完全堵塞模型在0.10 MPa和0.15 MPa下的擬合度較好,而在0.20 MPa下的擬合度稍差,說明這種類型的膜污染確實(shí)是在溶質(zhì)粒徑大于膜孔徑的情況下產(chǎn)生的,符合料液體系特征;但在較大壓力下,膜表面將形成濾餅層,因而不完全符合。中間堵塞模型對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合度稍好,在0.10、0.15、0.20 MPa下的相關(guān)度分別為0.99788、0.99362和0.97037,說明蛋白質(zhì)分子容易產(chǎn)生形變,通過擠壓等方式進(jìn)入膜孔;另外隨著壓力的增大,擬合度降低,這是因?yàn)閴毫υ龃?膜污染嚴(yán)重,膜孔堵塞,因而不再適用中間堵塞模型。以上結(jié)果均與圖8至圖10相符。

由經(jīng)典模型擬合結(jié)果可知,該體系超濾過程主要由完全堵塞污染機(jī)理控制,但要完全解釋污染機(jī)理尚存欠缺,因此使用組合污染模型對(duì)污染機(jī)理進(jìn)行分析,擬合結(jié)果如圖11所示,相關(guān)度列于表3。由表可知,在0.10、0.15、0.20 MPa下,組合模型的擬合度均在0.994以上,且均高于單個(gè)經(jīng)典模型的擬合相關(guān)度,說明分離膜的污染并非由單一的機(jī)理控制,將不同機(jī)理結(jié)合起來能更好地理解和分析膜污染的過程及內(nèi)在因素。由此推斷膜污染過程為蛋白質(zhì)分子先到達(dá)膜表面封閉膜孔而起到堵塞的效果,然后形成濾餅層并隨時(shí)間不斷增厚,最終導(dǎo)致通量衰減。

圖11 組合模型擬合曲線Fig.11 Fitted curve for cake-complete blocking model

壓力(MPa)組合模型KcKglαR201-000358005286008960099650015-0001820020680290120994770251645E-4039947036610099941

3 結(jié)論

本文通過考察大豆乳清廢水的超濾分離過程,得出如下結(jié)論:

運(yùn)行穩(wěn)定后的滲透通量并不隨壓力的升高而線性增大,壓力增加會(huì)加速乳清蛋白的沉積使過濾阻力增加,同時(shí)也會(huì)使?jié)獠顦O化效應(yīng)明顯,從而造成滲透通量下降。操作壓力為0.15 MPa時(shí)的滲透通量最大,為6.85 L·m-2·h-1。

滲透通量隨溫度的升高而增大,截留率隨溫度的升高而降低,綜合考慮最佳溫度條件為25 ℃左右。同時(shí),大豆乳清蛋白的截留率可通過溶液pH調(diào)節(jié),在pH6左右時(shí)達(dá)到最大截留率73.3%。

采用組合模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果最佳,能更準(zhǔn)確地描述滲透通量的衰減過程,組合模型的優(yōu)越性說明膜污染過程并非由單一機(jī)理控制,而是由多種污染類型共同造成的。這將為超濾膜技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中提供可靠的膜污染理論依據(jù)。

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Ultrafiltration and membrane fouling analysis
for the separation of soybean whey protein

QIN Dong-ling,MA Yu-jie,LU Guo-tai,YANG Gang*,XING Wei-hong

(State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 210009,China)

In this work,soybean whey proteins’ removal experiments were conducted using a ceramic ultrafiltration(UF)membrane with the average pore size of ca. 5 nm,and effects of different operating conditions on separation performance were investigated. Additionally,the cake-complete model was employed to explain the ultrafiltration fouling mechanism. Results showed that the maximal permeation flux of 6.85 L·m-2·h-1was achieved under 0.15 MPa. When the pressure were increased from 0.15 to 0.20 MPa,the concentration polarization dominated,resulting in the diminishment of effective driving force and thus the flux were not increased significantly with increasing pressure. Besides,the rejection rate of whey protein could be adjusted by pH of solution and be up to 73.3% at pH6. Moreover,the best fitting result was obtained by using the cake-complete model,the fitting degree calculated was above 0.99,which suggested that the membrane fouling process was not controlled by individual mechanism and resulted from combined effects of diverse fouling types. Therefore,these results may provide a significant inside into the industrial separation of whey proteins.

ceramic membrane;ultrafiltration;soybean whey protein;combined model;membrane fouling

2016-04-27

秦冬玲(1985-)，女，碩士，實(shí)驗(yàn)助理師，研究方向：水處理劑合成與應(yīng)用，E-mail:qindl@njtech.edu.cn。

*通訊作者:楊剛(1966-)，男，博士，教授，研究方向：膜過程研究，E-mail: yanggang@njtech.edu.cn。

國家科技支撐計(jì)劃(2013BAE11B03)。

TS201.2

A

1002-0306(2016)23-0072-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.23.005