陶瓷膜在赤蘚糖醇提純工藝中的應用

曹恒霞，熊福軍*，張建嵩，彭文博（江蘇久吾高科技股份有限公司，江蘇南京211808）

陶瓷膜在赤蘚糖醇提純工藝中的應用

曹恒霞，熊福軍*，張建嵩，彭文博
（江蘇久吾高科技股份有限公司，江蘇南京211808）

采用陶瓷膜從發酵液中提純赤蘚糖醇，通過50 nm陶瓷膜對赤蘚糖醇進行澄清過濾，確定了基本參數：膜面流速控制在5 m/s，濃縮倍數為8倍，加水量為20%，赤蘚糖醇的回收率可以達到98.2%。與傳統工藝相比，陶瓷膜過濾具有工藝流程短、過濾清液質量穩定、除菌效果好及節約運行成本等優點。

赤蘚糖醇；陶瓷膜；過濾

赤蘚糖醇（erythritol）又名原藻醇、赤兔草醇，化學名1,2,3,4-丁四醇。在自然界中分布廣泛，在海藻、蘑菇類、甜瓜、葡萄和許多發酵食物中，作為人類膳食的組分已有數萬年的歷史。赤蘚糖醇甜度為蔗糖的60%，熱量僅為蔗糖的10%，成為當前國內外一項新型甜味劑研究熱點[1-2]。赤蘚糖醇擁有糖醇類產品的功能，如防止齲齒、適宜糖尿病患者食用等特點，已作為保健食品原料被廣泛用于食品、飲料、醫藥等領域[3-7]。

我國赤蘚糖醇的生產以淀粉為原料有兩條途徑，即化學法和發酵法?；瘜W法是將淀粉用高碘酸法生成雙醛淀粉，再經氫化裂解生產赤蘚糖醇和其他衍生物，但流程長、成本高。發酵法是先將淀粉酶法液化、糖化成葡萄糖，然后采用高滲透性酵母發酵，使葡萄糖轉化成赤蘚糖醇。我國的生產企業以發酵法為主[8]，國內相關研究也多集中于菌種篩選、發酵及提取工藝優化等方面[9-13]，研發出的發酵法生產赤蘚糖醇技術，其主要指標已達到國際先進水平，具備工業化生產的成熟條件。但我國赤蘚糖醇的生產歷史還較短，規模相對較小，且工業生產的赤蘚糖醇發酵液中目的產物的濃度很低，一般僅占發酵液體積的0.1%～20%左右，并含有大量的雜質（如菌絲體、蛋白質、中間代謝產物等）。制取高純度的符合食品級或藥典規定的產品，必須去除發酵液中的大量雜質。目前，大多數發酵液的除菌過濾仍采用板框、轉鼓、離心機等分離設備或采用絮凝沉降等方法，而這些方法只能將發酵液中的菌絲體、固體雜質等固體物予以分離，而無法將發酵液中大量存在的可溶性蛋白、大分子有機物等分離，且這些雜質又會對后續提取工藝及最終成品質量與收率產生影響。

膜分離技術以其特有的分離優勢，實現不同粒徑的混合物的分離，并在發酵液提取分離領域有著廣泛的應用[14-18]。陶瓷膜過濾赤蘚糖醇發酵液與傳統工藝相比，具有如下幾方面的優點：①陶瓷膜過濾技術工藝流程最短、設備少、占地少。②陶瓷膜過濾赤蘚糖醇發酵液性能穩定，滲透清液質量穩定，而利用板框等傳統工藝過濾赤蘚糖醇發酵液時，雖然也能去除發酵液中的菌體，但仍有少許大分子物質沒有辦法去除，濾液有些渾濁，且有時出現漏料的情況，對后續工段處理增加負荷。③陶瓷膜過濾除菌效果好，滲透清液為無菌清液，對成品的微生物質量控制提供可靠的有力保障。

本實驗以假絲酵母發酵得到的發酵液為過濾對象，經過陶瓷膜及相應設備過濾去除酵母等，得到清亮透析液，該透析液再經后續工藝即可制得高純度的赤蘚糖醇，提高了生產赤蘚糖醇的工作效率，并使發酵液在后續精制提純濃縮結晶中減少了料液中的雜質，提高了結晶收率及產品質量。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

赤蘚糖醇發酵液：歐勞福林（天津）工業有限公司。

1.2 儀器與設備

0.2 m2陶瓷膜設備：江蘇久吾高科技股份有限公司；WYT-32糖度折光儀、UV757紫外分光光度計：上海精密儀器儀表有限公司；TG16-WS臺式離心機：湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 分析方法及計算公式

折光度采用糖度折光儀直接測定；透光度采用紫外分光光度計直接測定；濕固含量采用臺式低速離心機測定。通量、濕固量、回收率計算公式如下：

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

式中：η為回收率，%；c1為滲透液中赤蘚糖醇的質量濃度，g/L；V1為滲透液的體積，L；c2為原料液中赤蘚糖醇的質量濃度，g/L；V2為滲透液的體積，L。

式中：V為濕固量，%；V2為心分離后固體的體積，mL；V3為用于離心發酵液體積，mL。

1.3.2 陶瓷膜過濾工藝流程

在泵提供動力的情況下，赤蘚糖醇發酵液連續循環，濾液連續出料。隨著濾液的連續排出，原料罐中菌絲體和一些大分子物質等固體雜質濃度越來越高，到一定程度開始加水透析，將循原料罐中的赤蘚糖醇洗出來，提高回收率，陶瓷膜過濾具體工藝流程見圖1。

圖1 膜設備工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of membrane filter

陶瓷膜微孔濾膜元件的型號：CM-U-50-C-Zr（陶瓷微孔濾膜元件-超濾-孔徑規格nm-外型規格-膜材料代號）。

膜的再生：采用常規的堿清洗法，在50～60℃條件下循環清洗60 min，可完全恢復通量。

2 結果與分析

2.1 不同膜面流速對赤蘚糖醇發酵液澄清過濾的影響

采用50 nm陶瓷膜過濾同批赤蘚糖醇發酵液，膜面流速控制在3 m/s、4 m/s、5 m/s時，考察陶瓷膜滲透液通量變化及收率情況。結果見圖2、表1。

圖2 不同膜面流速對通量的影響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

從圖2可以看出，不同膜面流速過濾同批赤蘚糖醇發酵液的通量大小順序是：3 m/s＜4 m/s＜5 m/s。由表1可知，隨著膜面流速的增加，通量有所提高，這是由于過濾過程中，菌絲體和一些大分子物質等雜質在膜面膜形成凝膠層，若膜面流速越大，流體對膜表面的凝膠層沖刷越激烈，從而可以打散部分凝膠，提高通量和收率。但膜面流速增加時，設備運行和投資成本也會增加，因此，選擇膜面流速為5 m/s。

2.2 不同濃縮倍數和加水量對赤蘚糖醇發酵液澄清過濾的影響

取200L同批發酵液，濕固含量在8%左右，采用50 nm陶瓷膜進行過濾，膜面流速控制在5 m/s，分別考察膜過濾時的不同濃縮倍數及加水量對平均通量及赤蘚糖醇回收率的影響。考察的濃縮倍數分別為6、7、8，濃縮的方式是將發酵液中的赤蘚糖醇透析液通過膜，將酵母和一些蛋白等截留下來，濃縮倍數=原料液體積/（原料液體積-滲透液體積）；加水量分別為原發酵液體積的10%、15%、20%，進行組合實驗，發酵液進行濃縮和加水的目的都是為了最大量地獲得赤蘚糖醇，提高赤蘚糖醇的回收率，實驗結果見表2。

表2 不同濃縮倍數及加水量下的平均通量與回收率Table 2 Average flux and recovery rate with different cycles of concentration and water addition

從表2可以看出，濃縮倍數越高，赤蘚糖醇的回收率會明顯提高，而原料罐中菌絲體和一些大分子物質等固體雜質濃度越來越高，導致膜過濾的通量會隨著發酵液濃度變高而降低；隨著加水量的增加，回收率會小幅度提高。因此，為了提高赤蘚糖醇的回收率，確定膜過濾赤蘚糖醇發酵液的濃縮倍數為8，加水量為20%。

2.3 陶瓷膜與板框工藝運行費用比較

若按100 m3/d的處理量，對比采用板框與陶瓷膜工藝過濾赤蘚糖醇發酵液對赤蘚糖醇分離純化工藝的運行費用的影響，結果見表3。

表3 運行費用比較情況Table 3 Operating cost comparison

從表3可看出，在赤蘚糖醇發酵液澄清除雜過程中，陶瓷膜過濾相比板框過濾具有很大優勢，按100 m3/d的處理量，硅藻土用量每年可節約760 t，按市場價2 800元/t，每年至少節約210萬元，還省去了更換濾布的工作量，大大降低了工人的勞動量，減少人力成本約10萬元。

3 結論

針對現有赤蘚糖醇發酵液的除菌過濾采用板框、轉鼓、離心機等分離設備，只能將發酵液中的菌絲體、固體雜質等固體物予以分離，而無法去除發酵液中大量存在的可溶性蛋白、大分子有機物等，對后續工藝提取增加難度，并且影響最終成品質量與收率，從而提出了采用陶瓷膜提取赤蘚糖醇的工藝。通過50 nm陶瓷膜對赤蘚糖醇進行過濾，膜面流速控制在5 m/s，濃縮8倍后加發酵液體積20%洗水，赤蘚糖醇的回收率可以達到98.2%。與傳統工藝相比，陶瓷膜過濾具有工藝流程短、過濾清液質量穩定、除菌效果好及節約運行成本等優點。

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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

國家“863”計劃課題（2012AA03A606）

曹恒霞（1984-），女，工程師，碩士，研究方向為食品分析檢測。

*通訊作者：熊福軍（1986-），男，工程師，本科，研究方向為發酵工程中的提取分離。