小孔径陶瓷超滤膜在菊粉提取工艺中的可行性研究

牛淑锋，李丽(南京翃翌陶瓷纳滤膜有限公司，江苏 南京 211800)

0 引言

菊粉，又称菊糖，不仅是一种天然功能性食用多糖，也是一种天然可溶性膳食纤维[1]。菊粉具有控制血脂、降低血糖、改善肠道防止便秘、促进矿物质吸收、抗肿瘤提高免疫力、护肝等功效[2]，有助于改善人类的生理状态，是十分理想的功能性食品配料，被广泛应用于功能性食品、药品和保健业等领域。在菊粉生产过程中，目前传统的工业提取工艺[2]是在菊芋浸提液中加入石灰，促使菊芋浸提液中的蛋白析出，然后采用平均孔径为50 nm的陶瓷超滤膜过滤，一方面去除浸提液中析出的蛋白，另一方面对菊芋浸提液进行浓缩。然后，将经陶瓷膜过滤后的渗透清液经有机纳滤膜进行盐离子脱除后，进入后端蒸发结晶等工序。然而，在实际生产过程中，存在以下问题：一是菊芋浸提液中加入石灰后析出的大量蛋白，在经过50 nm陶瓷膜过滤时，极易进入膜孔中，导致陶瓷膜的通量急剧衰减，生产效率大大降低；二是在陶瓷膜进料过程中加入石灰，几乎没有停留时间，部分反应不彻底的石灰透过50 nm陶瓷膜，进入有机纳滤膜时会继续絮凝析出部分蛋白，累积在有机纳滤膜表面堵塞膜孔，导致有机纳滤膜损坏失效。

小孔径陶瓷超滤膜，又称小超膜，通常是指平均孔径在2～10 nm的陶瓷超滤膜。与传统大孔径超滤膜(平均孔径为10～50 nm)相比，小超膜的分离性能和分离效率均得到了较大提升，可以有效截留物料中的蛋白、色度及小分子杂质，满足精密分离领域对小孔径膜的需求[3]。针对菊粉生产过程中大孔径陶瓷超滤膜生产效率降低及有机纳滤膜损坏等问题，利用小孔径陶瓷膜可截留蛋白的特性，本文使用平均孔径为5 nm的小孔径陶瓷超滤膜替代传统的50 nm陶瓷超滤膜，探索小孔径陶瓷超滤膜在菊粉提取工艺中的可行性，并研究了预处理工艺对菊粉提取过程中陶瓷膜过滤性能的影响。

1 实验

1.1 膜材料与装置

实验所用小孔径陶瓷超滤膜是公司自制的平均孔径为5 nm的陶瓷超滤膜。具体规格参数如表1所示。

表1 陶瓷膜规格参数

陶瓷膜过滤装置使用公司自制的管式膜错流过滤装置，膜面流速为3 m/s，操作压力为0.2 bar。

1.2 试剂与仪器

菊芋浸提液，重庆某公司，固含量为2～5%，pH值为8～10，糖含量为3～5 g/L；石灰，嘉祥县创赢建材有限公司；离心机，诸城市惠明机械有限公司；120目不锈钢滤网，安平县创宇丝网制造有限公司；全自动凯氏定氮仪，丹麦FOSS8400。

1.3 工艺流程

实验采用三种预处理工艺，分别为：一是在菊芋浸提液中加入石灰絮凝，经离心机离心后，将离心清液用5 nm陶瓷膜过滤；二是在菊芋浸提液中加入石灰絮凝，经120目不锈钢滤网过滤后，将过滤清液用5 nm陶瓷膜过滤；三是不加石灰，将菊芋浸提液经120目不锈钢滤网过滤后，用5 nm陶瓷膜过滤。工艺流程示意图如图1所示。

1.4 分析方法及计算公式

陶瓷膜的渗透通量由式(1)计算。

式中：J为膜的渗透通量(L/m2·h)；V为渗透液体积(L)；A为膜的有效面积(m2)；t为时间(h)。

图1 3种不同工艺流程示意图

原料液和渗透液的蛋白含量使用全自动凯氏定氮仪测定，蛋白截留率由式(2)计算。

式中：R为蛋白截留率；Cp、Cf分别为渗透液和原料液的蛋白含量。

2 结果与讨论

图2是在相同浓缩倍数(浓缩8倍)下，采用3种不同预处理工艺时5 nm陶瓷膜的渗透通量及料液温度随时间的变化。由图1可知，随着过滤时间的延长，料液温度逐渐上升，陶瓷膜的渗透通量逐渐降低。这是由于随着料液浓缩倍数的增大，菊芋浸提液中的蛋白、色素及小分子固形物含量逐步升高，富集在陶瓷膜的通道及膜孔内，导致陶瓷膜的渗透通量逐渐降低。其中，采用工艺一，陶瓷膜开机时的渗透通量为210 L/(m2·h)，将菊芋浸提液浓缩8倍所需时间为11 h，陶瓷膜的渗透通量降至55 L/(m2·h)；采用工艺二，开机时的渗透通量为273 L/(m2·h)，浓缩8倍所需时间为4.5 h，渗透通量降至153 L/(m2·h)；采用工艺三，陶瓷膜开机时的渗透通量为240 L/(m2·h)，浓缩8倍所需时间为4.5 h，渗透通量降至143 L/(m2·h)。

采用3种不同工艺时，陶瓷膜的过程通量和对菊芋浸提液中蛋白的截留率如表2所示。由表2可知，在相同浓缩倍数下，三种工艺下陶瓷膜的过程通量分别为75、180与184 L/(m2·h)。结果表明，在预处理工艺中加入石灰沉降后，采用工艺二使用120目筛网过滤的预处理效果优于工艺一使用离心机离心的预处理效果，更有利于后续陶瓷膜的浓缩工段。因此，在此研究基础上设计了工艺三。对比工艺二与工艺三中陶瓷膜的过程通量可知，在预处理工艺中是否加入石灰，对后续陶瓷膜的浓缩没有太大影响。需要注意的是，虽然工艺二与工艺三中陶瓷膜的过程通量相差不大，但两种工艺下，5 nm陶瓷膜对菊芋浸提液中蛋白的截留率有明显差别。采用工艺三不加入石灰时，陶瓷膜对蛋白的截留率(58%)是工艺二加入石灰时(24%)的2倍以上。

图2 陶瓷膜的渗透通量及料液温度随时间的变化

表2 陶瓷膜的过程通量及蛋白截留率

采用工艺三，经5 nm陶瓷超滤膜过滤前后的原料液和渗透液的光学照片如图3所示。由图3可以看出，菊芋浸提液经5 nm陶瓷膜过滤后，色度、浊度及澄清度均发生了显著变化，表明小孔径陶瓷膜用于菊粉提取工艺中，具有很好的分离效果。

图3 渗透液(左)和原料液(右)的光学照片

以上研究表明，采用小孔径陶瓷超滤膜，可以有效截留菊芋浸提液中的蛋白。因此，可用于替换传统菊粉提取中的“石灰+50 nm陶瓷膜”工艺。在预处理工艺中取消石灰的加入，菊芋浸提液中不再析出蛋白，将能够缓解陶瓷膜过滤工段的膜污染，以及后段脱盐工段中有机纳滤膜的损坏问题，在提高生产效率的同时，降低换膜成本，在菊粉生产行业具有广泛的应用前景。

3 结语

(1)在菊粉提取预处理工艺中加入石灰沉降时，使用120目筛网过滤的预处理效果优于使用离心机离心的预处理效果，更有利于后续陶瓷膜的浓缩工段。

(2)预处理工艺中是否加入石灰，对小孔径陶瓷超滤膜浓缩过程中的处理效率影响不大。

(3)采用小孔径陶瓷超滤膜，可以有效截留菊芋浸提液中的蛋白，可用于替换传统菊粉提取工艺中的“石灰+50 nm陶瓷膜”工艺。取消石灰的加入，将有助于解决传统工艺中陶瓷膜污染和有机膜损坏的问题，提高生产效率，降低企业运行成本。