陶瓷膜在赤藓糖醇提纯工艺中的应用

曹恒霞，熊福军*，张建嵩，彭文博（江苏久吾高科技股份有限公司，江苏南京211808）

陶瓷膜在赤藓糖醇提纯工艺中的应用

曹恒霞，熊福军*，张建嵩，彭文博
（江苏久吾高科技股份有限公司，江苏南京211808）

采用陶瓷膜从发酵液中提纯赤藓糖醇，通过50 nm陶瓷膜对赤藓糖醇进行澄清过滤，确定了基本参数：膜面流速控制在5 m/s，浓缩倍数为8倍，加水量为20%，赤藓糖醇的回收率可以达到98.2%。与传统工艺相比，陶瓷膜过滤具有工艺流程短、过滤清液质量稳定、除菌效果好及节约运行成本等优点。

赤藓糖醇；陶瓷膜；过滤

赤藓糖醇（erythritol）又名原藻醇、赤兔草醇，化学名1,2,3,4-丁四醇。在自然界中分布广泛，在海藻、蘑菇类、甜瓜、葡萄和许多发酵食物中，作为人类膳食的组分已有数万年的历史。赤藓糖醇甜度为蔗糖的60%，热量仅为蔗糖的10%，成为当前国内外一项新型甜味剂研究热点[1-2]。赤藓糖醇拥有糖醇类产品的功能，如防止龋齿、适宜糖尿病患者食用等特点，已作为保健食品原料被广泛用于食品、饮料、医药等领域[3-7]。

我国赤藓糖醇的生产以淀粉为原料有两条途径，即化学法和发酵法。化学法是将淀粉用高碘酸法生成双醛淀粉，再经氢化裂解生产赤藓糖醇和其他衍生物，但流程长、成本高。发酵法是先将淀粉酶法液化、糖化成葡萄糖，然后采用高渗透性酵母发酵，使葡萄糖转化成赤藓糖醇。我国的生产企业以发酵法为主[8]，国内相关研究也多集中于菌种筛选、发酵及提取工艺优化等方面[9-13]，研发出的发酵法生产赤藓糖醇技术，其主要指标已达到国际先进水平，具备工业化生产的成熟条件。但我国赤藓糖醇的生产历史还较短，规模相对较小，且工业生产的赤藓糖醇发酵液中目的产物的浓度很低，一般仅占发酵液体积的0.1%～20%左右，并含有大量的杂质（如菌丝体、蛋白质、中间代谢产物等）。制取高纯度的符合食品级或药典规定的产品，必须去除发酵液中的大量杂质。目前，大多数发酵液的除菌过滤仍采用板框、转鼓、离心机等分离设备或采用絮凝沉降等方法，而这些方法只能将发酵液中的菌丝体、固体杂质等固体物予以分离，而无法将发酵液中大量存在的可溶性蛋白、大分子有机物等分离，且这些杂质又会对后续提取工艺及最终成品质量与收率产生影响。

膜分离技术以其特有的分离优势，实现不同粒径的混合物的分离，并在发酵液提取分离领域有着广泛的应用[14-18]。陶瓷膜过滤赤藓糖醇发酵液与传统工艺相比，具有如下几方面的优点：①陶瓷膜过滤技术工艺流程最短、设备少、占地少。②陶瓷膜过滤赤藓糖醇发酵液性能稳定，渗透清液质量稳定，而利用板框等传统工艺过滤赤藓糖醇发酵液时，虽然也能去除发酵液中的菌体，但仍有少许大分子物质没有办法去除，滤液有些浑浊，且有时出现漏料的情况，对后续工段处理增加负荷。③陶瓷膜过滤除菌效果好，渗透清液为无菌清液，对成品的微生物质量控制提供可靠的有力保障。

本实验以假丝酵母发酵得到的发酵液为过滤对象，经过陶瓷膜及相应设备过滤去除酵母等，得到清亮透析液，该透析液再经后续工艺即可制得高纯度的赤藓糖醇，提高了生产赤藓糖醇的工作效率，并使发酵液在后续精制提纯浓缩结晶中减少了料液中的杂质，提高了结晶收率及产品质量。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

赤藓糖醇发酵液：欧劳福林（天津）工业有限公司。

1.2 仪器与设备

0.2 m2陶瓷膜设备：江苏久吾高科技股份有限公司；WYT-32糖度折光仪、UV757紫外分光光度计：上海精密仪器仪表有限公司；TG16-WS台式离心机：湖南湘仪实验室仪器开发有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 分析方法及计算公式

折光度采用糖度折光仪直接测定；透光度采用紫外分光光度计直接测定；湿固含量采用台式低速离心机测定。通量、湿固量、回收率计算公式如下：

式中：X为通量，L/（m2·h）；Vt为一定时间内渗透液的体积，L；t为取样时间，h；S为陶瓷膜的膜面积，m2。

式中：η为回收率，%；c1为渗透液中赤藓糖醇的质量浓度，g/L；V1为渗透液的体积，L；c2为原料液中赤藓糖醇的质量浓度，g/L；V2为渗透液的体积，L。

式中：V为湿固量，%；V2为心分离后固体的体积，mL；V3为用于离心发酵液体积，mL。

1.3.2 陶瓷膜过滤工艺流程

在泵提供动力的情况下，赤藓糖醇发酵液连续循环，滤液连续出料。随着滤液的连续排出，原料罐中菌丝体和一些大分子物质等固体杂质浓度越来越高，到一定程度开始加水透析，将循原料罐中的赤藓糖醇洗出来，提高回收率，陶瓷膜过滤具体工艺流程见图1。

图1 膜设备工艺流程图Fig.1 Process flow diagram of membrane filter

陶瓷膜微孔滤膜元件的型号：CM-U-50-C-Zr（陶瓷微孔滤膜元件-超滤-孔径规格nm-外型规格-膜材料代号）。

膜的再生：采用常规的碱清洗法，在50～60℃条件下循环清洗60 min，可完全恢复通量。

2 结果与分析

2.1 不同膜面流速对赤藓糖醇发酵液澄清过滤的影响

采用50 nm陶瓷膜过滤同批赤藓糖醇发酵液，膜面流速控制在3 m/s、4 m/s、5 m/s时，考察陶瓷膜渗透液通量变化及收率情况。结果见图2、表1。

图2 不同膜面流速对通量的影响Fig.2 Effects of membrane velocity on flux

表1 不同膜面流速下的平均通量Table 1 Average flux in different velocity of membrane surface

从图2可以看出，不同膜面流速过滤同批赤藓糖醇发酵液的通量大小顺序是：3 m/s＜4 m/s＜5 m/s。由表1可知，随着膜面流速的增加，通量有所提高，这是由于过滤过程中，菌丝体和一些大分子物质等杂质在膜面膜形成凝胶层，若膜面流速越大，流体对膜表面的凝胶层冲刷越激烈，从而可以打散部分凝胶，提高通量和收率。但膜面流速增加时，设备运行和投资成本也会增加，因此，选择膜面流速为5 m/s。

2.2 不同浓缩倍数和加水量对赤藓糖醇发酵液澄清过滤的影响

取200L同批发酵液，湿固含量在8%左右，采用50 nm陶瓷膜进行过滤，膜面流速控制在5 m/s，分别考察膜过滤时的不同浓缩倍数及加水量对平均通量及赤藓糖醇回收率的影响。考察的浓缩倍数分别为6、7、8，浓缩的方式是将发酵液中的赤藓糖醇透析液通过膜，将酵母和一些蛋白等截留下来，浓缩倍数=原料液体积/（原料液体积-渗透液体积）；加水量分别为原发酵液体积的10%、15%、20%，进行组合实验，发酵液进行浓缩和加水的目的都是为了最大量地获得赤藓糖醇，提高赤藓糖醇的回收率，实验结果见表2。

表2 不同浓缩倍数及加水量下的平均通量与回收率Table 2 Average flux and recovery rate with different cycles of concentration and water addition

从表2可以看出，浓缩倍数越高，赤藓糖醇的回收率会明显提高，而原料罐中菌丝体和一些大分子物质等固体杂质浓度越来越高，导致膜过滤的通量会随着发酵液浓度变高而降低；随着加水量的增加，回收率会小幅度提高。因此，为了提高赤藓糖醇的回收率，确定膜过滤赤藓糖醇发酵液的浓缩倍数为8，加水量为20%。

2.3 陶瓷膜与板框工艺运行费用比较

若按100 m3/d的处理量，对比采用板框与陶瓷膜工艺过滤赤藓糖醇发酵液对赤藓糖醇分离纯化工艺的运行费用的影响，结果见表3。

表3 运行费用比较情况Table 3 Operating cost comparison

从表3可看出，在赤藓糖醇发酵液澄清除杂过程中，陶瓷膜过滤相比板框过滤具有很大优势，按100 m3/d的处理量，硅藻土用量每年可节约760 t，按市场价2 800元/t，每年至少节约210万元，还省去了更换滤布的工作量，大大降低了工人的劳动量，减少人力成本约10万元。

3 结论

针对现有赤藓糖醇发酵液的除菌过滤采用板框、转鼓、离心机等分离设备，只能将发酵液中的菌丝体、固体杂质等固体物予以分离，而无法去除发酵液中大量存在的可溶性蛋白、大分子有机物等，对后续工艺提取增加难度，并且影响最终成品质量与收率，从而提出了采用陶瓷膜提取赤藓糖醇的工艺。通过50 nm陶瓷膜对赤藓糖醇进行过滤，膜面流速控制在5 m/s，浓缩8倍后加发酵液体积20%洗水，赤藓糖醇的回收率可以达到98.2%。与传统工艺相比，陶瓷膜过滤具有工艺流程短、过滤清液质量稳定、除菌效果好及节约运行成本等优点。

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Application of ceramic membrane in erythritol separation technology

CAO Hengxia,XIONG Fujun*,ZHANG Jiansong,PENG Wenbo
(Jiangsu Jiuwu High-Tech Co.,Ltd.,Nanjing 211808,China)

Erythritol was purified from fermentation broth by ceramic membrane.The erythritol was clarified by 50 nm ceramic membrane,and the basic parameters were determined as follows:membrane surface flow velocity 5 m/s,concentration 8 times,water addition 20%.Under this condition,the erythritol recovery rate was 98.2%.Comparing with traditional process,ceramic membrane filtration has the advantages of short process,stable quality,antibacterial effect,saving operation cost and so on.

erythritol;ceramic membrane;filter

TQ465.92

A

0254-5071（2014）07-0092-03

10.11882/j.issn.0254-5071.2014.07.020

2014-05-09

国家“863”计划课题（2012AA03A606）

曹恒霞（1984-），女，工程师，硕士，研究方向为食品分析检测。

*通讯作者：熊福军（1986-），男，工程师，本科，研究方向为发酵工程中的提取分离。