膜分離技術(shù)在氨基葡萄糖生產(chǎn)中的應(yīng)用

柳文廣，趙士明，熊福軍，彭文博

（江蘇久吾高科技股份有限公司，江蘇 南京 210061）

氨基葡萄糖（C6H13NO5）又稱葡萄糖胺、葡糖胺或氨基葡糖，是葡萄糖的一個(gè)羥基被氨基取代后的化合物。氨基葡萄糖是蛋白質(zhì)或脂類糖基化反應(yīng)中的重要前體。氨基葡萄糖是人體內(nèi)合成的物質(zhì)，是形成軟骨細(xì)胞的重要營(yíng)養(yǎng)素，是健康關(guān)節(jié)軟骨的天然組織成分。隨著年齡的增長(zhǎng)，人體內(nèi)的氨基葡萄糖合成量越來(lái)越低，滿足不了人體的正常需要，關(guān)節(jié)軟骨不斷退化和磨損。美國(guó)、歐洲和日本的大量醫(yī)學(xué)研究表明，氨基葡萄糖可以幫助修復(fù)和維護(hù)軟骨，并能刺激軟骨細(xì)胞的生長(zhǎng)，是一類治療骨關(guān)節(jié)炎的特異性藥物[1-3]。

陶瓷膜是無(wú)機(jī)膜的一種，屬于膜分離技術(shù)中的固體膜材料。主要以不同規(guī)格的氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯以及氧化硅等無(wú)機(jī)陶瓷材料作為支撐體，經(jīng)表面涂膜，高溫?zé)贫?，是用于?duì)液態(tài)、氣態(tài)混合物進(jìn)行過濾分離的高科技新材料[4]。商品化的陶瓷膜通常具有三層結(jié)構(gòu)[5]，即分離層、過渡層及支撐層，呈非對(duì)稱分布[6]，其孔徑規(guī)格為0.8～1 000 nm不等，過濾精度涵蓋微濾、超濾甚至納濾[7]，隨著人們對(duì)發(fā)酵產(chǎn)品品質(zhì)的不斷追求，陶瓷膜在該領(lǐng)域的應(yīng)用不斷獲得用戶的認(rèn)可。

針對(duì)發(fā)酵法生產(chǎn)的氨基葡萄糖發(fā)酵液，目前全國(guó)普遍采用傳統(tǒng)的過濾工藝對(duì)其進(jìn)行處理除雜，其中存在產(chǎn)品收率低、過濾精度不夠且耗時(shí)耗力的問題。無(wú)機(jī)陶瓷膜技術(shù)具有操作溫度高、分離效率高、不添加化學(xué)試劑，非常適用于食品與保健行業(yè)中高熱敏性、易揮發(fā)和對(duì)化學(xué)試劑敏感的操作體系[8]。同時(shí)發(fā)酵液中蛋白質(zhì)的存在對(duì)氨基葡萄糖的后續(xù)提取不利，不利于氨基葡萄糖的結(jié)晶，影響氨基葡萄糖的純度，因此氨基葡萄糖中可溶蛋白的去除，成為氨基葡萄糖生產(chǎn)工藝過程中非常關(guān)鍵的一步。傳統(tǒng)的過濾方式對(duì)該發(fā)酵液中的可溶蛋白幾乎沒有任何截留能力，需要在后續(xù)加入大量的有機(jī)溶劑沉淀蛋白質(zhì)，不僅會(huì)消耗大量的有機(jī)溶劑，而且不利于氨基葡萄糖的后續(xù)純化[9]，該研究采用陶瓷膜過濾，對(duì)氨基葡萄糖發(fā)酵液中的可溶蛋白進(jìn)行去除，以減少生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品品質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

氨基葡萄糖發(fā)酵液：山東潤(rùn)德生物科技有限公司；乙腈-磷酸緩沖液（65∶35）：北京邁瑞達(dá)科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

JW-T-0.2陶瓷膜設(shè)備：江蘇久吾高科技股份有限公司；CN61M/P200II液相色譜儀：北京中西遠(yuǎn)大科技有限公司；UV757 紫外分光光度計(jì)：上海精密儀器儀表有限公司。

1.3 方法

1.3.1 陶瓷膜工藝流程

膜分離設(shè)備示意圖見圖1[10]，該設(shè)備由泵提供動(dòng)力，物料在設(shè)備中連續(xù)循環(huán)，清液不斷由滲透?jìng)?cè)排出，被截留住的雜質(zhì)不斷被濃縮，當(dāng)固含值達(dá)到一定量時(shí)，濃縮液由設(shè)備底端排污閥門排出，單組件陶瓷膜設(shè)備，膜有效過濾面積為0.23 m2，膜通道為19孔，通道直徑為4 mm，長(zhǎng)度為1 016 mm，孔徑為200 nm、50 nm和8 nm。

圖1 膜設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of membrane equipment

1.3.2 分析方法與計(jì)算公式

（1）氨基葡萄糖的檢測(cè)

采用高效液相色譜法進(jìn)行測(cè)定[11-12]：采用Hedera NH2色譜柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），流動(dòng)相為乙腈-磷酸緩沖液（65∶35，V/V），流速為1.0 mL/min，可變波長(zhǎng)紫外檢測(cè)器，檢測(cè)波長(zhǎng)為195 nm。

（2）蛋白質(zhì)濃度的測(cè)定[13]

可利用在波長(zhǎng)280 nm及260 nm處的吸光度值差進(jìn)行測(cè)定。

Cd=1.45 A280nm-0.74 A260nm

式中：Cd為蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度，g/L；A280nm為蛋白質(zhì)溶液在波長(zhǎng)280 nm處的吸光度值；A260nm為蛋白質(zhì)溶液在波長(zhǎng)260 nm處的吸光度值。

（3）陶瓷膜通量的計(jì)算

式中：X為通量，L/（m2·h）；Vt為一定時(shí)間內(nèi)滲透液的體積，L；t為取樣時(shí)間，h；S為陶瓷膜的膜面積，m2。

（4）回收率的計(jì)算

式中：η為回收率，%；C1為滲透液中氨基葡萄糖有效物質(zhì)的質(zhì)量濃度，g/L；V1為滲透液的體積，L；C2為原液中氨基葡萄糖有效物質(zhì)的質(zhì)量濃度，g/L；V2為滲透液的體積，L。

（5）截留率的計(jì)算

式中：R為截留率，%；Cp為滲透液質(zhì)量濃度，g/L；Cb為原料液質(zhì)量濃度，g/L。

（6）濃縮倍數(shù)計(jì)算方法

式中：C為濃縮倍數(shù)；My為原液質(zhì)量，g；Mn為濃縮液質(zhì)量，g。

（7）純水恢復(fù)系數(shù)計(jì)算

式中：r表示純水恢復(fù)系數(shù)，%；JQ為清洗過后純水的通量，L/（m2·h）；J0表示陶瓷膜初始純水通量，L/（m2·h）。

1.3.3 運(yùn)行參數(shù)對(duì)陶瓷膜實(shí)驗(yàn)的影響

陶瓷膜設(shè)備運(yùn)行的主要的影響因素為主要表現(xiàn)為膜孔徑、溫度、pH、膜面流速和濃縮倍數(shù)，具體表現(xiàn)如下：

（1）膜孔徑：本次實(shí)驗(yàn)中膜孔徑的選擇根據(jù)江蘇久吾高科實(shí)際生產(chǎn)的孔徑進(jìn)行選型，考察了8 nm、50 nm、200 nm孔徑的陶瓷膜在該發(fā)酵液中的應(yīng)用；

（2）溫度：考察的溫度分別為25～65 ℃之間，每隔5 ℃設(shè)定一個(gè)參數(shù)，考察不同溫度對(duì)過濾效果的影響；

（3）pH：該發(fā)酵液出鍋pH約為2，因此在未進(jìn)行考察合適pH值前，不對(duì)其進(jìn)行調(diào)酸操作，后續(xù)考察的pH范圍主要是：2.0～6.0每隔0.5設(shè)定一個(gè)參數(shù)，考察不同pH對(duì)過濾效果的影響；

（4）膜面流速：考察3.5 m/s、4.5 m/s和5.5 m/s三種不同的膜面流速對(duì)過濾效果的影響；

（5）濃縮倍數(shù)：根據(jù)陶瓷膜設(shè)備的運(yùn)行能力，濕固含量需要控制在50%以下，設(shè)定濃縮2倍、3倍和4倍，考察不同濃縮倍數(shù)對(duì)過濾效果的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同孔徑對(duì)氨基葡萄糖的過濾效果

以氨基葡萄糖發(fā)酵液為本次實(shí)驗(yàn)原料，分別用8 nm、50 nm和200 nm陶瓷膜實(shí)現(xiàn)發(fā)酵液的分離純化，本次實(shí)驗(yàn)同取50 kg物料，設(shè)定濃縮倍數(shù)為3倍，物料溫度恒定在55 ℃，設(shè)定膜面流速為3 m/s，pH保持原料pH值約為2，考察不同孔徑的陶瓷膜的通量穩(wěn)定性以及對(duì)氨基葡萄糖發(fā)酵液的蛋白截留效果，結(jié)果見圖2和表1。

由圖2可以得出，陶瓷膜除雜過程中隨著濃縮倍數(shù)的增加通量卻逐漸下降，下降的原因是陶瓷膜表面的濃差極化以及對(duì)部分雜質(zhì)的吸附污染，從而導(dǎo)致其過濾阻力增大。200 nm陶瓷膜平均通量為149.1 L/（h·m2），對(duì)發(fā)酵液中可溶蛋白截留率為33.1%；50 nm陶瓷膜平均通量為145.8 L/（h·m2），對(duì)發(fā)酵液中可溶蛋白的截留率為45.6%；8 nm陶瓷膜平均通量139 L/（h·m2），對(duì)發(fā)酵液中可溶蛋白的截留率為45.9%。通過對(duì)比可知，200 nm陶瓷膜的通量雖然較高，但對(duì)雜蛋白截留率偏低；8 nm、50 nm陶瓷膜對(duì)氨基葡萄糖發(fā)酵液的蛋白截留以及平均通量相差不大，故后續(xù)實(shí)驗(yàn)可繼續(xù)考察這兩種孔徑陶瓷膜的過濾效果。

圖2 8 nm、50 nm、200 nm孔徑的陶瓷膜對(duì)通量的影響Fig.2 Effect of 8 nm,50 nm and 200 nm ceramic membrane on fluxes

表1 8 nm、50 nm、200 nm陶瓷膜對(duì)可溶蛋白截留率的影響Table 1 Effect of 8 nm,50 nm and 200 nm ceramic membranes on retention rates of soluble protein

2.2 操作參數(shù)對(duì)陶瓷膜過濾的影響

2.2.1 最佳過濾pH值的選擇

pH值直接影響氨基葡萄糖發(fā)酵液中蛋白質(zhì)的電離度和電荷特性，適當(dāng)調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH使該氨基葡萄糖發(fā)酵液達(dá)到等電點(diǎn)，使蛋白質(zhì)、核酸等大分子物質(zhì)沉降而析出[13]，通過陶瓷膜過濾可以明顯增加蛋白質(zhì)的截留率，有利于后期氨基葡萄糖成品的結(jié)晶，提高產(chǎn)品品質(zhì)。

采用50 nm和8 nm的陶瓷膜對(duì)設(shè)置的不同梯度的pH值的發(fā)酵液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每批次過濾物料均為50 kg，平均壓力均設(shè)定為0.26 MPa，濃縮倍數(shù)均為3倍，設(shè)定膜面流速為3 m/s，每批次實(shí)驗(yàn)分別記錄平均通量的變化和蛋白截留率的變化，結(jié)果如圖3。pH值對(duì)8 nm及50 nm陶瓷膜蛋白截留率的影響見表2。

由于發(fā)酵液pH值越接近等電點(diǎn)蛋白質(zhì)分子在膜表面的凝聚傾向越大，且pH值會(huì)影響陶瓷膜表面的特性[13]，由圖3可知，不同pH值，8 nm和50 nm陶瓷膜的通量變化趨勢(shì)幾乎相同，具體表現(xiàn)在pH值在2.0～3.5之間其平均通量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，pH值在4.0～6.5之間其通量呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，再結(jié)合表2可以得出，8 nm陶瓷膜和50 nm陶瓷膜在pH值為3.5～4.0時(shí)對(duì)蛋白的截留率最高，由此可以看出，該發(fā)酵液的等電點(diǎn)在pH為3.5～4.0時(shí)，發(fā)酵液中的可溶蛋白的溶解度最低，蛋白質(zhì)表面帶的電荷最少，有利于陶瓷膜對(duì)該發(fā)酵液中可溶蛋白的截留，而此時(shí)膜表面運(yùn)行的阻力增大，因此pH值為3.5～4.0時(shí)的陶瓷膜的通量較低。

圖3 pH值對(duì)8 nm和50 nm陶瓷膜平均通量的影響Fig.3 Effect of pH on average flux of 8 nm and 50 nm ceramic membranes

表2 pH值對(duì)8 nm及50 nm陶瓷膜蛋白截留率的影響Table 2 Effect of pH value on protein retention rates of 8 nm ceramic membrane

2.2.2 溫度對(duì)陶瓷膜過濾的影響

溫度的高低對(duì)陶瓷膜過濾的通量影響較大，溫度越高分子的熱運(yùn)動(dòng)越快，且黏度越低，通量越大[14-15]，但是相應(yīng)的能耗越高，且過高的溫度會(huì)使氨基葡萄糖發(fā)酵液中的部分有效物質(zhì)變性，同時(shí)增大部分可溶蛋白的透過性，影響產(chǎn)品品質(zhì)，如果溫度過低則陶瓷膜過濾通量較低，需要增加陶瓷膜過濾面積，明顯增大了生產(chǎn)的投資成本，本次實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)考察溫度對(duì)其過濾通量和蛋白截留率的影響，結(jié)果見圖4和表3。

8 nm和50 nm陶瓷膜運(yùn)行時(shí)均保持物料pH值為3.5～4.0，設(shè)備平均壓力為0.26 MPa，膜面流速為3 m/s，每次過濾物料50 kg，濃縮倍數(shù)為3倍。由圖4和表3可知，其陶瓷膜的通量和蛋白截留率變化趨勢(shì)相似，由于溫度上升，分子的熱運(yùn)動(dòng)速度加快，同時(shí)溫度升高發(fā)酵液的黏稠度降低，故陶瓷膜過濾通量逐漸上升，但是當(dāng)溫度上升到60 ℃后，陶瓷膜對(duì)蛋白質(zhì)的截留率下降約10%，且過濾過后的陶瓷膜透過液顏色變深，考慮到工業(yè)化生產(chǎn)的實(shí)用性和品質(zhì)的可靠性，最佳溫度應(yīng)控制在50～55 ℃。

圖4 溫度對(duì)8 nm和50 nm陶瓷膜通量的影響Fig.4 Effect of temperature on flux of 8 nm ceramic membrane

表3 溫度對(duì)50 nm和8 nm陶瓷膜蛋白截留率的影響Table 3 Effect of temperature on protein retention rates of 50 nm and 8 nm ceramic membranes

2.2.3 膜面流速對(duì)陶瓷膜過濾的影響

用8 nm、50 nm陶瓷膜分別采用3.5 m/s、4.5 m/s、5.5 m/s膜面流速，該三種膜面流速對(duì)應(yīng)的物料重量均為100 kg，溫度為55 ℃，pH值控制在3.5，過濾時(shí)間控制在150 min，考察其在不同膜面流速的情況下其通量的變化趨勢(shì)，結(jié)果見圖5和表4。

圖5 膜面流速對(duì)陶瓷膜瞬時(shí)通量的影響Fig.5 Effect of membrane velocity on instantaneous flux of ceramic membrane

表4 膜面流速對(duì)陶瓷膜蛋白截留率的影響Table 4 Effect of membrane velocity on protein retention rates of ceramic membrane

由圖5可以看出，不同的膜面流速其瞬時(shí)通量的大小為3.5 m/s＜4.5 m/s＜5.5 m/s，由于發(fā)酵液體系中對(duì)膜形成的污染源：多糖、膠體、細(xì)胞碎片、淀粉、油脂、無(wú)機(jī)鹽垢等[16]。在一定的膜面流速范圍內(nèi)，膜面流速增加，膜通量略有增大這是因?yàn)槟っ媪魉俚脑黾?，?huì)減緩膜表面的濃差極化，減少料液組分對(duì)膜表面的污染程度，使得膜通量增大[17]。從圖5中可以得出，4.5 m/s的膜面流速終點(diǎn)通量比3.5 m/s的膜面流速高約30%，其效果顯著，但是5.5 m/s的膜面流速比4.5 m/s的膜面流速的終點(diǎn)通量高3%左右，提升速度明顯減緩，從表4可以得出，膜面流速的改變對(duì)雜蛋白截留率的影響不大，考慮到膜面流速越大，生產(chǎn)的能耗越高，綜合以上各種分析該實(shí)驗(yàn)過程中選定的膜面流速為4.5 m/s。

2.3 不同濃縮倍數(shù)和透析水量對(duì)陶瓷膜收率的影響

取100 kg氨基葡萄糖發(fā)酵液，調(diào)酸至pH為3.5～4.0，物料過濾溫度控制為55 ℃，膜面流速控制為4.5 m/s，設(shè)備運(yùn)行平均壓力控制為0.26 MPa，用8 nm和50 nm陶瓷膜分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，已知該發(fā)酵液固含量為16%，故分別設(shè)定濃縮倍數(shù)為2、3、4倍，達(dá)到濃縮倍數(shù)，向濃縮液中添加透析水，透析水的添加量以濃縮液的倍數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，添加透析水的目的是讓濃縮液中的有效物質(zhì)最大量的透過，提高產(chǎn)品回收率，按實(shí)驗(yàn)要求添加透析水后的濃縮液中總的有效物質(zhì)含量≤250 g，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6和表5。

圖6 濃縮倍數(shù)對(duì)陶瓷膜平均通量的影響Fig.6 Effect of concentration multiple on average flux of ceramic membrane

表5 不同濃縮倍數(shù)和加水量對(duì)回收率和蛋白截留率的影響Table 5 Effect of different concentration multiple and water addition on recovery rate and protein retention rates

由圖6和表5可知，當(dāng)物料的濃縮倍數(shù)為2倍時(shí)，將該物料的收率提升至96%以上，則添加的透析水量為5倍濃縮液的水量，三組數(shù)據(jù)的平均通量為162.3 L/（h·m2），當(dāng)濃縮倍數(shù)為3倍時(shí)，添加的透析水量為濃縮液水量的2.5倍，通量為152 L/（h·m2），當(dāng)濃縮倍數(shù)為4倍時(shí)，其添加的透析水量為3.3倍濃縮液水量，通量為122.3 L/（h·m2），因?yàn)楫?dāng)濃縮倍數(shù)較低其物料的濃縮液中的固含量低，對(duì)膜通量的污染程度較低，同時(shí)后期添加的透析水量較多有利于減緩膜孔的堵塞，通量較大，對(duì)應(yīng)的濃縮倍數(shù)越高，固含量也會(huì)逐漸增加，較大的固含量加劇了陶瓷膜的濃差極化[18]，因此其通量較低，但是從表5可以得知，當(dāng)濃縮倍數(shù)為2倍時(shí)想要做到目標(biāo)收率值，其添加的透析水量較多，透析水量的成倍增加會(huì)增大后期工藝處理的壓力，不利于后期的生產(chǎn)，同時(shí)濃縮倍數(shù)高，添加的透析水量會(huì)逐漸減少，但是陶瓷膜的通量也較低，會(huì)增加陶瓷膜的投資成本，且該實(shí)驗(yàn)中當(dāng)濃縮倍數(shù)為4倍時(shí)通量下降約30%，收率變化不大，從表5中可以得出隨著濃縮倍數(shù)的增加其陶瓷膜對(duì)該發(fā)酵液的雜蛋白截留率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，濃縮3倍相對(duì)濃縮2倍下降0.2%，當(dāng)濃縮4倍后，蛋白截留率下降3.4%，分析其原因?yàn)殡S著濃縮倍數(shù)的上升，濃縮液的蛋白濃度逐漸變濃，更容易透過膜孔徑。

綜上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可得：選定陶瓷膜濃縮倍數(shù)為3倍，添加3.3倍濃縮液質(zhì)量的透析水量可將氨基葡萄糖的收率達(dá)到97%以上。

2.4 與傳統(tǒng)工藝對(duì)比

板框壓濾需要經(jīng)常對(duì)其進(jìn)行密封性檢查，一旦密封性出現(xiàn)問題則會(huì)出現(xiàn)過濾壓力不足進(jìn)而導(dǎo)致過濾效率下降，過濾產(chǎn)品不達(dá)標(biāo)等一些列問題[19-20]，與傳統(tǒng)板框過濾方式對(duì)比，陶瓷膜過濾效率高，自動(dòng)化程度高，產(chǎn)品效果好，陶瓷膜設(shè)備過濾收率通過對(duì)比可提高約10%，對(duì)雜蛋白的截留率達(dá)到49%，提高約14%，且板框需要添加助濾劑，濃渣利用率低，陶瓷膜處理后的濃縮液可進(jìn)行動(dòng)物飼料的制作，對(duì)環(huán)境和企業(yè)收益也大有幫助。

表6 陶瓷膜與板框運(yùn)行效果對(duì)比Table 6 Comparisons of the operating effect of ceramic membrane and plate frame

3 結(jié)論

陶瓷膜在氨基葡萄糖上的應(yīng)用具體優(yōu)化結(jié)果如下：選用50 nm或者8 nm的陶瓷膜，調(diào)節(jié)物料pH為3.5～4.0，過濾溫度為50～55 ℃，膜面流速控制為4.5 m/s，濃縮倍數(shù)為3倍，且添加3.3倍濃縮液質(zhì)量的透析水可使氨基葡萄糖有限物質(zhì)的回收率達(dá)到97%以上。

陶瓷膜在氨基葡萄糖上的應(yīng)用與傳統(tǒng)的板框?qū)Ρ炔粌H會(huì)提高產(chǎn)品的收率而且會(huì)提升產(chǎn)品的品質(zhì)，同時(shí)陶瓷膜具有良好的耐高溫，耐酸堿，性能易恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，因此在氨基葡萄糖過濾領(lǐng)域陶瓷膜值得大力推廣。