梯度納米纖維膜在純生啤酒中的除菌過濾研究

李明月 黃朋 程盼 夏明 李亞良 陳旺 李德超 劉軻

摘要：針對目前商業(yè)化純生啤酒用除菌濾膜存在孔徑分布寬、抗污性差、膜孔易堵塞、可重復(fù)使用性差等問題，利用熔融擠出相分離法制備了不同直徑大小的乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH），通過將粗、細(xì)納米纖維在上、下層的先后排列構(gòu)筑了一種梯度結(jié)構(gòu)納米纖維膜。通過對梯度納米纖維膜過濾性能、抗污性及可重復(fù)使用性等進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)梯度納米纖維膜對10 g/L 的酵母浸膏發(fā)酵液重復(fù)過濾后，穩(wěn)定后的通量為22660 L m-2 h-1，遠(yuǎn)高于Pall?商業(yè)膜（4840 L m-2 h-1）。經(jīng)高溫蒸汽滅菌處理后的梯度納米纖維膜的穩(wěn)定通量為6600 L m-2 h-1，而商業(yè)膜僅為1760 L m-2 h-1，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫水蒸氣性能。此外，污染后的梯度納米纖維膜經(jīng)80 oC水清洗后的通量恢復(fù)率可達(dá)43%，而商業(yè)膜的通量恢復(fù)率僅為32%，表明梯度納米纖維膜顯示了優(yōu)異的可重復(fù)使用性。為純生啤酒用除菌濾膜的國產(chǎn)化替代提供了一種新的途徑。

關(guān)鍵詞：納米纖維膜；梯度結(jié)構(gòu)；通量；抗污性；可重復(fù)使用性

中圖分類號：TS262.5 ?????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ??文章編號：2097-2911-（2024）02-0040-08

Research on sterilization and filtration of gradient nanofibermembranes in pure draft beer

LIMingyue1，HUANG Peng1，CHENG Pan1， XIA Ming1， LI Yaliang2， CHEN Wang3， LI Dechao4， LIU Ke1*

（1.Key Laboratory of Textile Fiber and Products， Ministry of Education， Wuhan Textile University， Wuhan 430200， China;2.Anheuser-Busch InBev （Wuhan） Brewery Co.， Ltd， Wuhan 430200， China;3. Budweiser InBev Sedrin Beer Co.， Ltd，Putian Fujian， 351100 ， China;4.Anheuser Busch Enterprise Management （Shanghai） Co.， Ltd. Wuhan Branch， Wuhan430200， China）

Abstract：To address the problems of wide pore size distribution， poor fouling resistance， easy clogging， and poor reusability of sterilization commercially available filters for the filtration of pure draft beer， poly （vinyl alcohol-co- ethylene）（EVOH） nanofibers with two different diameter sizes were prepared by using the melt extrusion phase separation method， and a gradient structure nanofiber membrane was constructed by sequentially arranging coarse and fine nanofibers in the upper and bottom layers， respectively. The filtration performance， fouling resistance， and reusability of the gradient nanofiber membrane are investigated. It is found that the gradient nanofiber membrane has a stabilized flux of 22，660 Lm-2 h-1 after repeated filtration of 10 g/Lyeast extract fermentation broth， which is much higher than that of the Pall? commercial membrane （4840 Lm-2 h-1）. The stabilized flux of gradient nanofibermembrane after autoclaving treatment is 6600 Lm-2 h-1， compared to the commercial membrane which is 1760 Lm-2 h-1， showing excellent high-temperature water vapor resistance. In addition， the flux recovery rate of the contami- natedgradient nanofiber membrane after 80 oC water rinsing is up to 43%， while the flux recovery rate of the com- mercial membrane is only 32%. The results show that the gradient nanofiber membranes have excellent reusabili- ty. This provides a new way for the localized replacement of sterilization filters for pure draft beer.

Keywords： nanofiber membrane；gradient structure；flux；fouling resistance；reusability

純生啤酒因其獨特的風(fēng)味與超高的營養(yǎng)價值而深受人們的喜愛，其特點是在包裝過程中未經(jīng)瞬時高溫滅菌或巴氏滅菌，從而得以保留了溫敏性營養(yǎng)物質(zhì)如維生素、酶等[1-3]。為保障純生啤酒的無菌性，在包裝前需對清酒進(jìn)行除菌過濾去除酒體中的酵母、啤酒有害菌等微生物。純生除菌濾芯是保障酒體無菌性的關(guān)鍵部件，而濾膜則是加工濾芯的核心材料[4-6]。

純生啤酒除菌過濾主要利用微濾技術(shù)，除菌濾芯中的濾膜平均孔徑大小約為0.45μm，能有效攔截和過濾啤酒中的酵母細(xì)胞碎片和有害雜菌等，所以純生啤酒能在一定保質(zhì)期內(nèi)保持生物穩(wěn)定性[7-9]。目前國內(nèi)啤酒廠所使用的除菌濾芯中濾膜大多從美國Pall、德國 Sartorius等發(fā)達(dá)國家的知名膜材料制備公司進(jìn)口，這些采用相轉(zhuǎn)換法制備的膜產(chǎn)品存在制備工藝復(fù)雜、孔徑分布寬、抗污性差、膜孔易堵塞等問題[2， 10-12]。相比通過相轉(zhuǎn)換法制備的多孔微濾膜，納米纖維膜材料具有孔隙率高、比表面積大、結(jié)構(gòu)可控性強(qiáng)及易功能化等特點，可顯著提升純生除菌膜的通量與表面抗污性能。在我們之前的研究中，通過熔融擠出相分離法成功地制備出乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）納米纖維，通過調(diào)節(jié)原料共混比與牽伸速率，得到直徑分布在50-1000 nm 的 EVOH 納米纖維。再通過分散劑分散后濕法覆膜，便得到納米纖維膜材料。由于 EVOH優(yōu)異的親水性、生物相容性與易加工性，目前EVOH納米纖維已廣泛用于過濾、催化、生物醫(yī)用等領(lǐng)域。

利用EVOH納米纖維濕法成膜的特性，本文通過熔融擠出相分離法成功制備出平均直徑450 nm 與平均直徑700 nm 的 EVOH 納米纖維，分散后再通過逐層覆膜的方法先構(gòu)筑450nm層后構(gòu)筑700 nm 層納米纖維膜，從而得到由大孔徑到小孔徑逐減的梯度納米纖維膜?？疾炝颂荻燃{米纖維膜的結(jié)構(gòu)與形貌、孔徑大小及其分布、過濾性、抗污性及可重復(fù)使用性。研究發(fā)現(xiàn)梯度納米纖維膜與Pall?商業(yè)膜相比表現(xiàn)出了高通量、抗污性好、可重復(fù)使用性好等優(yōu)點，為純生啤酒用除菌濾芯的國產(chǎn)化自主替代提供了一種新的嘗試。

1實驗部分

1.1實驗材料與試劑

1.2實驗方法

1.2.1 EVOH納米纖維懸浮液的制備

EVOH 納米纖維的制備是利用王棟等人發(fā)明的熔融擠出相分離法[13-14]。將乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）和醋酸丁酸纖維素酯（CAB）母粒烘干后按質(zhì)量比為2∶8的比例混合均勻后，喂入雙螺桿擠出機(jī)（江蘇大中機(jī)械廠）中，經(jīng)冷卻、牽伸得到 EVOH/CAB共混纖維。雙螺桿擠出機(jī)的機(jī)頭溫度為200℃ ， 其他各區(qū)溫度為180℃ ， 喂料螺桿轉(zhuǎn)速為20 rpm，主螺桿轉(zhuǎn)速為30 rpm，牽伸速率為f=3-7。利用索氏提取裝置中的丙酮溶液將共混纖維中 CAB 萃取掉，從而得到 EVOH 納米纖維。通過改變牽伸速率可得到平均直徑為450nm和700nm的納米纖維。將一定量的不同平均直徑的EVOH納米纖維分散于質(zhì)量比1：1的異丙醇和水的混合溶劑中，放入高速剪切機(jī)（CB15，Warning）中，在剪切作用力下分散均勻分別得到不同直徑的納米纖維懸浮液。利用尼龍濾網(wǎng)將未分散的納米纖維及雜質(zhì)去除，并分別加入一定量的2.5 wt%戊二醛溶液作為交聯(lián)劑，使EVOH納米纖維之間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。

1.2.2梯度納米纖維膜的制備

待反應(yīng)5h后，選取一定量的上述制備的平均直徑為450nm的EVOH納米纖維懸浮液用噴槍（NEW-71，日本巖田公司）噴涂在PP基材上，置于通風(fēng)櫥處晾干，得到克重約為9 g/m2的納米纖維膜基體（Nanofiber membrane substrate， NFMS）。然后將平均直徑為700nm的納米纖維懸浮液噴覆于上述制備的納米纖維膜基體上，待干燥后得到總克重約為15g/m2的梯度納米纖維膜（Gradient nanofiber membrane， GNFM）。

1.2.3結(jié)構(gòu)與形貌表征

通過掃描電子顯微鏡可觀察到樣品的微觀形貌，觀察到纖維的分布及成孔情況。采用掃描電子顯微鏡（JSM-6510LV，日本電子JEOL公司）來觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)和形貌。測試前對樣品表面進(jìn)行噴金120 s處理，對于截面樣品噴金處理前需在液氮中進(jìn)行脆斷觀察斷面。

1.2.4孔徑大小及分布表征

通過孔徑分析儀器，可得知膜的孔徑大小及其分布等信息，對后續(xù)測試結(jié)果分析提供參考。利用毛細(xì)管流動孔徑分析儀（CFP-1500 A， Po- rous Materials Inc，美國）對梯度納米纖維膜的孔徑大小及其分布進(jìn)行分析，測試前使用廠家提供的GalwickTM 浸潤液（γ=15.9 dyn/cm）對濾膜進(jìn)行完全潤濕處理。

1.2.5過濾性能表征

過濾性能的優(yōu)劣關(guān)乎著實際生產(chǎn)過程中的流速及成本問題。利用低壓膜通量測試儀（杭州賽菲膜分離技術(shù)有限公司）考察梯度納米纖維膜過濾性能，測試時固定跨膜壓差為0.5 bar，研究梯度納米纖維膜分別對純水和10%的乙醇溶液連續(xù)過濾七天時膜的通量變化。記錄每隔1h后10 s 內(nèi)通過水的體積，通過公式計算出濾膜的通量。

水通量的計算公式如下所示：

式中：J ：水通量，單位：Lm-2 h-1;

A ：有效過濾面積，單位：m2;

T ：測試時間，單位：h;

V ：濾液的體積，單位：L。

1.2.6抗污性表征

抗污性關(guān)乎著濾膜的使用壽命，良好的抗污性有利于在實際生產(chǎn)過程中節(jié)約成本。為了評價梯度納米纖維膜的抗污能力，研究了其在過濾不同濃度的酵母浸膏發(fā)酵液時的通量變化，測試時每隔半小時測濾液濁度的變化，通過測試過濾前后的發(fā)酵液的濁度變化來表征對酵母菌的截留情況。

1.2.7可重復(fù)使用性表征

濾膜的耐用性也是生產(chǎn)過程中需考慮的因素，具有可重復(fù)使用性的濾膜有利于控制成本。用梯度納米纖維膜對5 g/L的酵母浸膏溶液進(jìn)行重復(fù)過濾測試，每隔一定時間記錄兩種膜的10 s 內(nèi)的濾液的通量情況，待梯度納米纖維膜通量衰減后，用80℃去離子水進(jìn)行沖洗后研究其純水通量的恢復(fù)情況來評價濾膜可重復(fù)使用性。

2結(jié)果與討論

2.1形貌和結(jié)構(gòu)

圖1（a）和（d）分別為商用尼龍微孔膜（Pall?）的表面和截面的微觀結(jié)構(gòu)形貌，與NFMS和GN- FM相比，可看出商用尼龍微孔膜（Pall?）的表面層和支撐層為同一材料，且通常為同步制備而成，這是典型的由相轉(zhuǎn)化法得到的微孔薄膜，其表面均為不規(guī)則大小的圓孔。圖1（b）為納米纖維基體（NFMS）的表面形貌 SEM照片，從圖中可以看出NFMS表現(xiàn)出典型的纖維隨機(jī)堆積結(jié)構(gòu)，納米纖維之間隨機(jī)堆疊排列，從而形成了網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，展示出高的孔隙結(jié)構(gòu)，這一特點有利于增強(qiáng)膜的抗污性能。圖1（e）為NFMS的截面形貌，可以看出NFMS由較?。?.3μm）的納米纖維層與較厚（146μm）的非織造無紡布支撐層組成，是典型的非對稱膜。圖1（c）和（f）分別為梯度納米纖維膜（GNFM）的表面和截面形貌，由于表層纖維直徑增大的原因，膜表面表現(xiàn)出更高的孔隙結(jié)構(gòu)，能進(jìn)一步增強(qiáng)其抗污性能。從圖1（f）中可以看出 GNFM 納米纖維層的厚度（43μm）顯著增加且有著明顯的層間界面，這是由于在NMFS 上繼續(xù)涂覆了一層由平均直徑為700nm的納米纖維組成的納米纖維層所致。這一孔徑由大到小的孔道結(jié)構(gòu)能對酒體內(nèi)的顆粒污染物形成逐級篩分的效果，從而顆粒物不易在膜表面形成濾餅而堵塞膜孔，在保證過濾精度的同時顯著增大了通量與抗顆粒物污染性能。

2.2孔徑大小及其分布

圖2（a）、（b）和（c）分別為 Pall?商業(yè)膜、NFMS 以及 GNFM 的孔徑大小及其分布。從圖中可以看出平均孔徑大小分別為0.42μm、0.47μm 和0.43μm 。此外，NFMS 和 GNFM 與商用尼龍濾膜相比表現(xiàn)出更窄的孔徑分布，有利于提高膜的通量和攔截效率。

2.3過濾性能

膜的微觀結(jié)構(gòu)和孔徑大小及其分布對濾膜的過濾性能有很大的影響。圖3中（a）和（b）是在0.5 bar固定跨膜壓差下的梯度納米纖維膜（GN- FM）連續(xù)7天對純水過濾時通量變化。從圖中可以看出GNFM的初始通量為30360 Lm-2 h-1，連續(xù)運行7天后通量下降為2420 L m-2 h-1。然而， Pall?商業(yè)膜的初始通量從9679 L m-2 h-1下降到1161 L m-2 h-1。圖3（c）和（d）是在相同跨膜壓差下梯度納米纖維膜對10%的乙醇溶液的通量與運行時間變化曲線。從圖中可以看出 GNFM初始通量從20680 L m-2 h-1下降到9680 L m-2 h-1，而 Pall?商業(yè)膜從初始通量10340 L m-2 h-1下降到2860 L m-2 h-1。梯度納米纖維膜對純水及10%的乙醇溶液的初始通量和運行后的通量均遠(yuǎn)高于商業(yè)尼龍微孔膜。

圖4（a）為梯度納米纖維膜（GNFM）在不同壓力下純水通量的變化曲線。在0.1 bar 的條件下Pall?商業(yè)膜和GNFM的通量分別為5500 L m-2 h-1和17820 Lm-2 h-1，隨著壓力的增加，通量幾乎成線性增加，當(dāng)壓力增大到1.0 bar時通量分別為18040 L m-2 h-1和 43120 L m-2 h-1。在0.1～1.0 bar 壓力范圍內(nèi)，梯度納米纖維膜相比商業(yè)膜表現(xiàn)出了更高的通量；此外，為了考察梯度納米纖維膜的耐滅菌性能，利用高溫水蒸氣對其進(jìn)行處理后研究在固定跨膜壓差0.5 bar 下的純水通量，如圖4（b-c）所示。從圖中可以看出經(jīng)滅菌處理后梯度納米纖維膜的通量從31460 L m-2 h-1下降到6600 Lm-2 h-1。Pall?商業(yè)膜的通量從8800 Lm-2 h-1下降到1760 L m-2 h-1。經(jīng)滅菌處理后梯度納米纖維膜的通量仍遠(yuǎn)高于商業(yè)膜，表明梯度結(jié)構(gòu)納米纖維膜具有優(yōu)異的耐高溫水蒸氣性能。

2.4抗污性

純生啤酒的除菌濾芯過濾主要是低溫膜分離技術(shù)，采用的是物理攔截的方式，隨著過濾的體積增大，勢必會導(dǎo)致濾膜的表面被污染及膜孔被堵塞，影響過濾通量，導(dǎo)致濾膜需要更換。因此，提高膜的抗污性會延長膜的使用壽命，從而降低了使用成本。圖5（a）為不同濾膜對5 g/L的酵母浸膏發(fā)酵液過濾的通量變化曲線。從圖中可以看出梯度納米纖維膜的通量均高于商業(yè)膜。在120min內(nèi)梯度納米纖維膜（GNFM）過濾的5 g/L發(fā)酵液的總體積為18.2 L，商業(yè)膜過濾的總體積為4.1 L 。通過測試過濾前后酵母浸膏發(fā)酵液的濁度變化來研究對酵母菌的截留率，如圖5（b），發(fā)現(xiàn)梯度納米纖維膜和商業(yè)膜對5 g/L 酵母浸膏發(fā)酵液的截留率均在99%以上。圖5（c）為不同濾膜對50 g/L的酵母浸膏發(fā)酵液過濾的通量曲線，梯度納米纖維膜在60 min 過濾的50 g/L發(fā)酵液的總體積為6.7 L，而商業(yè)膜30min內(nèi)濾過的總體積為1.3 L 。梯度納米纖維膜與商業(yè)尼龍微孔濾膜對酵母浸膏發(fā)酵液的在截留率相近的情況下，其通量和過濾的濾液總體積均高于商業(yè)膜。圖5（d-e）為不同濾膜對10 g/L的酵母浸膏發(fā)酵液重復(fù)過濾通量和截留率曲線。當(dāng)過濾的酵母浸膏液的濃度為10 g/L時，梯度納米纖維膜的通量從30360 Lm-2 h-1下降到22660 Lm-2 h-1，下降率為25%。而商業(yè)膜的通量從9900 L m-2 h-1下降到4840 L m-2 h-1，通量下降率達(dá)51%。從圖5（e）可以看出經(jīng)多次重復(fù)過濾，無論是GNFM 還是商業(yè)膜對發(fā)酵液的截留率均為100%。圖5（f）為不同濾膜對20 g/L的酵母浸膏發(fā)酵液重復(fù)過濾通量曲線。從圖中可以看出對于20 g/L的酵母浸膏發(fā)酵液的多次重復(fù)過濾，GNFM的通量從29040 L m-2 h-1下降到3520 L m-2 h-1，Pall?商業(yè)膜的通量從9460 L m-2 h-1下降到1760 L m-2 h-1。對于過濾不同濃度的酵母浸膏發(fā)酵液，梯度納米纖維膜的通量均高于商業(yè)膜。這可能是GNFM由兩層不同粗細(xì)大小的納米纖維構(gòu)成了梯度結(jié)構(gòu)，上層是700nm的粗納米纖維，下層為450nm 的細(xì)納米纖維，因此納米纖維膜的孔徑由大到小逐漸減小，上層粗納米纖維膜形成的大孔徑在過濾過程中起阻隔作用，使酵母細(xì)胞不易在濾膜表面形成濾餅堵塞膜孔，因此表現(xiàn)出更加優(yōu)異的抗污性。

2.5可重復(fù)使用性

對于純生啤酒的膜過濾過程，通量高及抗污性好是保證經(jīng)濟(jì)效益的重要原因。此外，濾膜易清洗性能同樣是啤酒生產(chǎn)廠家在選擇濾膜時考慮的因素，因為在連續(xù)過濾過程時，隨過濾時間的增加，濾液中的固體顆粒物不斷沉淀形成濾餅層且厚度會逐漸增加，當(dāng)濾餅層到達(dá)一定程度時，導(dǎo)致過濾通量的下降，持續(xù)運行會造成經(jīng)濟(jì)成本的增加，這時便需要通過簡單的清洗途徑來恢復(fù)其通量[15-18]。圖6（a）和（b）為不同濾膜對5 g/L酵母浸膏發(fā)酵液的連續(xù)過濾，待濾膜的通量衰減后，用80℃水對污染的濾膜進(jìn)行清洗的通量變化曲線?？疾烨逑春鬄V膜的通量變化情況，從圖中可以看出梯度納米纖維膜通量可恢復(fù)到初始通量的43%，而 Pall?商業(yè)膜的通量恢復(fù)率僅為32.6%。因此，梯度納米纖維膜的耐水洗恢復(fù)性能更優(yōu)異，潛在的表明梯度納米纖維膜具有可重復(fù)使用性，也有利于降低使用成本。

3 結(jié)論

利用熔融擠出相分離法制備出了450nm和700 nm 兩種不同直徑大小的納米纖維，通過將粗細(xì)納米纖維依次排列構(gòu)筑出了一種孔徑大小依次遞減的梯度結(jié)構(gòu)納米纖維膜。相比于商業(yè)膜，過濾七天后，梯度納米纖維膜的純水通量及10%的乙醇溶液通量分別依然高108%，及238%。在截留率（100%）相同的情況下，梯度納米纖維膜對10 g/L的酵母浸膏發(fā)酵液較商業(yè)膜的高368%，表現(xiàn)出更好的抗污性能。此外，對過濾后污染的濾膜進(jìn)行沖洗，梯度結(jié)構(gòu)納米纖維膜的通量恢復(fù)率達(dá)到43%，而商業(yè)膜僅為32%。這些工作不僅表面由大孔徑到小孔徑的梯度結(jié)構(gòu)有利于提高濾膜的通量、抗污性及可重復(fù)使用性，還為開發(fā)高性能的純生啤酒用除菌膜提供了新的策略。

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（責(zé)任編輯：孫婷）