D-核糖發(fā)酵液電滲析脫鹽及工藝優(yōu)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(xué) 生物工程學(xué)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(gòu)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(nèi)ATP水平而具有抗疲勞、耐缺氧作用，在醫(yī)藥及食品保健方面廣泛應(yīng)用。D-核糖的生產(chǎn)方法有多種，目前以微生物發(fā)酵法最為廣泛[2]。D-核糖發(fā)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(chǎn)品質(zhì)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(zhì)從溶液中分離出來，從而實現(xiàn)溶液的濃縮、淡化[3]?？嘞趟擕}是電滲析應(yīng)用的主要領(lǐng)域，近年來，電滲析結(jié)合雙極膜或離子交換樹脂在食品和藥品工業(yè)、廢水處理和高質(zhì)量工業(yè)用水生產(chǎn)以及化學(xué)加工工業(yè)中都有大量的新應(yīng)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(fā)酵液脫鹽[9]及各種生物產(chǎn)品的提取精制等。電滲析技術(shù)用于溶液的脫鹽，由于運行過程中不發(fā)生相變，無須加入藥劑（僅反清洗時用少量化學(xué)藥劑），在一定濃度范圍內(nèi)，與蒸發(fā)濃縮和離子交換樹脂脫鹽相比具有明顯的能耗或成本優(yōu)勢[10]，而且無環(huán)境污染[11]。用電滲析技術(shù)濃縮質(zhì)量分數(shù)0.2%~2%的反滲透濃水到質(zhì)量分數(shù)20%的鹽水，相對蒸發(fā)濃縮可以節(jié)約能耗70%~90%[12]。一般認為，鹽質(zhì)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(yōu)勢[3]。

作者以D-核糖發(fā)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(xiàn)，并進行脫鹽工藝優(yōu)化，進而采取電滲析和離子交換樹脂聯(lián)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(shè)備與材料

1.1.1 電滲析小試設(shè)備 電滲析小試設(shè)備（型號LANRAN-40-2040）：杭州藍然環(huán)境技術(shù)有限公司，有效膜面積2.0㎡，額定流量200 L/h，設(shè)備外形尺寸0.7 m×0.7 m×1.0 m，該設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of electrodialysis experimental equipment

1.1.2 其他設(shè)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(chǎn)品；KQ-500DE型數(shù)控超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn)品；BT125D電子天平：北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；DK-S22電熱恒溫水浴鍋：上海精宏實驗設(shè)備有限公司產(chǎn)品；722S分光光度計、DDS-110電導(dǎo)率儀：上海精密科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；5430R冷凍離心機：德國Eppendof公司產(chǎn)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(chǎn)品。

D-核糖發(fā)酵液經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)品。

1.2 實驗方法

1.2.1D-核糖質(zhì)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(zhì)量濃度計算公式見式1。

式中：P為工作對照品的質(zhì)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(dǎo)率平均約4 000 μS/cm）放在淡水室內(nèi)，純水置于濃水室，體積約為淡室的50%，極水室放入適量電導(dǎo)率8 500μS/cm的硫酸鈉溶液，3個室同時進行循環(huán)，濃室循環(huán)壓力大于淡室循環(huán)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(shù)變化規(guī)律。

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

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

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

1.2.4 電滲析聯(lián)合離子交換樹脂脫鹽 離子交換樹脂處理：離子交換樹脂預(yù)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(jù)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(yōu)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(biāo)，并與全離子交換樹脂脫鹽工藝進行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 D-核糖濾液電滲析脫鹽淡室參數(shù)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(guān)，隨著設(shè)備的運行，電流快速升高到頂點后逐漸降低；淡室電導(dǎo)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(wěn)，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(wěn)定階段相應(yīng)電導(dǎo)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(shù)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(shù)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(shù)的變化規(guī)律，濃室電導(dǎo)率和濃室D-核糖質(zhì)量濃度見圖3。

圖3 濃室電導(dǎo)率和D-核糖質(zhì)量濃度Fig.3 Conductivity and D-ribose content in concentrated chamber

濃室電導(dǎo)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(dǎo)率升高速度明顯變慢，并趨于平穩(wěn)。對比圖2~3，濃室電導(dǎo)率曲線出現(xiàn)拐點時，淡室電導(dǎo)率為2 800μS/cm，同時淡室pH曲線也在此時出現(xiàn)拐點，淡室pH值的變化可能與電場作用下的溶液極化有關(guān)，楊煉[13]等也提出類似現(xiàn)象。極化現(xiàn)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(zhì)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(fā)酵液電滲析脫鹽過程的濃室損失規(guī)律，并進行電滲析脫鹽的工藝優(yōu)化實驗。

2.3 D-核糖發(fā)酵液電滲析脫鹽濃室損失規(guī)律

由圖4可以看出，D-核糖濾液電滲析脫鹽3批實驗數(shù)據(jù)均表現(xiàn)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(yīng)3批脫鹽率數(shù)據(jù)均表現(xiàn)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(nèi)）脫鹽效率高，D-核糖雖然會滲透到濃室，但前期短時間內(nèi)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(xiàn)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(chǎn)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(fā)酵液電滲析脫鹽工藝優(yōu)化

電滲析脫鹽運行時間在30 min以內(nèi)，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(jù)實際生產(chǎn)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(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhì)的略微改變（產(chǎn)品D-核糖本身并未受到影響）。盡管后續(xù)分離步驟可以進一步提高料液透光度，但在實際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中仍需重視電滲析除鹽和設(shè)備清洗工藝的優(yōu)化。

表1 電滲析脫鹽工藝優(yōu)化實驗結(jié)果Table 1 Test results of optimization of electrodialysis desalination

2.5 電滲析與離子交換樹脂聯(lián)合脫鹽研究

D-核糖濾液經(jīng)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(jīng)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(yīng)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(xù)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(lián)合脫鹽收率91.9%。 目前工業(yè)上D-核糖發(fā)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(lián)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(lián)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(lián)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(lián)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(yīng)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(yè)生產(chǎn)進行驗證，但可以預(yù)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(tǒng)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(jīng)濟環(huán)保的特點。電滲析聯(lián)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(chǎn)品質(zhì)量和收率，表明該工藝是可行的。

3 結(jié) 語

D-核糖發(fā)酵液經(jīng)膜過濾后，仍含有大量的鹽分，此時膜濾液電導(dǎo)率一般在4 000μS/cm左右，不考慮溫度和鹽的種類變化，其鹽質(zhì)量濃度估算應(yīng)在2 500 mg/L，如不進行脫鹽處理必將影響后續(xù)的純化和精制。D-核糖發(fā)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(chǎn)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(fā)酵液采用電滲析與離子交換樹脂聯(lián)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(jīng)電滲析脫鹽后料液透光度有少許（不到5%）下降，但經(jīng)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(yè)化生產(chǎn)中，本研究可以為發(fā)酵法生產(chǎn)D-核糖的脫鹽工藝優(yōu)化提供參考。