膜分離技術在甜菊糖苷行業中的應用

◎ 肖 娟，張洪生

（譜賽科（江西）生物技術有限公司，江西 贛州 341100）

1 膜分離技術的分類

分離膜的種類雖然繁多，但是分離原理基本上相同，根據膜的不同構造及功能作用，一般將膜技術分為以下4類。

1.1 微濾

微濾（Micro fi ltration，MF）分離的原理與普通的過濾方法相似，通過壓力差使得水進入膜的另一側。微濾膜的孔徑為0.1～10 μm，遠小于普通濾紙孔徑，過濾精度高，因此微濾又稱為精密過濾，主要攔截細菌、細胞、灰塵顆粒、大分子蛋白、膠體等顆粒大小超過0.1 μm的物質，能透過水、溶劑及小分子有機物。

1.2 超濾

超濾（Ultra fi ltration，UF）是在壓力驅動下，利用多孔膜使得溶液中的分子與水進行分離的過程。超濾膜的孔徑比微濾膜要小很多，可以有效地除去直徑在0.005～0.100 μm的膠體、蛋白質、微生物、顏料、多糖分子等。

1.3 納濾

納濾（Nano fi ltration，NF）是介于超濾和反滲透之間的一種分離技術，又被稱為低壓反滲透。納濾膜的孔徑約1 nm，可以截留住1 nm左右的物質，所以被稱為納濾。納濾膜可以攔截低聚糖、染料、多價離子等直徑在0.000 5～0.005 0 μm的物質，而能透過膜的基本只用水及一些小分子量的溶劑。

1.4 反滲透

反滲透（Reverse Osmosis，RO）是在高濃度溶液一側施加一個大于自然滲透壓的壓力，使得溶液中的水分子從高濃度一側流向低濃度一側。反滲透膜對于一價離子，如鈉離子、鉀離子、氯離子等有很高的截留率，基本只能透過水、乙醇等小分子，因此經常用于海水淡化、超純水制備。

2 甜菊糖生產的典型工藝流程

隨著全球肥胖癥及糖尿病患者的不斷增加，歐美國家也在政府層面通過采取諸如加收糖稅等措施對蔗糖的用量加以限制。甜菊糖所具備的不參與代謝、零熱值的屬性賦予了其成為最好的代糖產品，甜菊糖現已成為世界第三大糖源，在歐美國家的每年的消耗量已接近于1萬t，甜菊糖的供應80%來源于中國。國內甜菊糖提取的典型工藝如圖1所示。

圖1 甜菊糖提取工藝流程圖

國內甜菊糖工廠，如譜賽科、浩天、海根、晨光等各家生產工藝在具體實施時各有各的方法，但基本工藝流程均與上述流程相差無幾。膜分離技術作為新興的分離技術，與蒸餾、蒸發等分離技術相比，有著得天獨厚的優勢：①膜分離在常溫下進行，無相序變化，不會對物料帶來潛在的破壞。②無需添加其他的藥劑，通過簡單的物理方法即可將物料與溶劑進行分離。③膜分離無需采取熱能供熱，為企業節約大量成本，也無需對物料進行冷卻浪費電能及水源。④膜分離設備占地面積小，操作簡單，維護成本低無疑為企業節約大量的投資及運營費用[1-3]。因此，使用膜分離技術在甜菊糖的生產中將帶來諸多益處，以下將對膜分離技術在甜菊糖生產中的應用進行闡述。

3 膜分離技術在甜菊糖苷行業水處理中的應用

3.1 RO膜用于制備純水

甜菊糖生產中需要使用到大量的大孔吸附樹脂及離子交換樹脂，樹脂再生中酸堿的配制及酸堿的清洗均需耗費大量的脫鹽水。過去，使用離子交換樹脂來制備脫鹽水，但受樹脂壽命及本身技術限制，制備的脫鹽水含鹽量依然較高，不利于樹脂的再生，制水用的離子交換樹脂本身也會因吸納了各類離子而經常需要進行再生處理，使用非常麻煩，還需消耗大量樹脂再生藥劑并產生大量的廢水。膜分離技術出現，為甜菊糖制備脫鹽水提供了新的思路，大多數廠家均已改為使用RO反滲透設備制備脫鹽水，透過RO膜端的純水含鹽量遠低于應用樹脂制備的脫鹽水，使生產過程中樹脂的再生更加徹底，經濃縮后的濃水也能用于萃取及絮凝等前工段的用水，幾乎不再產生廢水。RO膜使用壽命一般為5～10年，使用過程中只需添加少了的殺菌劑與阻垢劑即可，與原離子交換樹脂制水相比，不僅制得了更好水質的純水，同時也減少了輔料、水的消耗。

3.2 NF膜及RO膜用于污水處理

甜菊糖生產中產生的廢水主要是蛋白質、果膠等有機物及一些生產過程及水處理過程中添加的無機鹽，原水經過水解酸化、IC反應器及A/O曝氣后COD可以降至100 g·L-1以下，可以使用超濾系統對外排廢水進行脫鹽處理后直接作為自來水用于生產工藝，經超濾系統處理后的廢水也可使用RO膜進行處理，制備生產工藝中所需的純水。現工廠大部分污水通過處理到COD低于500 mg·L-1時即可排入到城市污水管網，按此計算，可將外排廢水濃縮5倍后再排放至城市污水管網，即可實現80%外排廢水回用，每1 t水的回收成本為1.5元左右，遠低于自來水費用3.5元/t，直接為企業節約用水成本2元/t。

4 膜分離技術在甜菊糖苷行業生產中的應用

4.1 NF膜用于解析液及結晶母液糖的濃縮與脫醇

甜菊糖提取中，需使用乙醇對吸附柱中的糖液進行解析，解析液中的乙醇在傳統工藝中使用蒸發器或者蒸餾塔進行脫醇處理。但蒸發器及蒸餾塔均需耗費大量的蒸汽，而且物料經加熱脫醇后還需大量的冷卻水進行降溫處理，換熱后的冷卻水又需風冷機進行冷卻降溫，不僅消耗大量的蒸汽與電力，還消耗部分水資源。而納濾膜的出現很好地解決了這樣問題，行業內部分企業已對NF膜有了深入的了解，廣泛地應用在物料脫醇及乙醇回收過程中，帶醇的甜菊糖物料經過NF膜時，水及乙醇溶劑很容易透過NF膜，而甜菊糖分子及其他雜質確無法通過NF膜，不斷地進行濃縮。透過NF膜的乙醇溶液幾乎無其他雜質，可以直接用于生產調配各種濃度的乙醇[4]。

如需對濃縮后的物料進一步脫醇處理，只需添加等量體積的RO水進行進一部去醇濃縮，每加一次RO水，物料中的乙醇濃度將降低一般，可以通過多加幾次水的方式，將乙醇濃度降低至目標范圍內。

4.2 NF膜用于提純回用酒精

甜菊糖生產過程中將產生大量的回收醇，這部分回收醇中甜菊糖含量很低，一般使用蒸餾方法將乙醇與水分離，以對乙醇進行提純，提高乙醇濃度。使用蒸餾法需消耗大量的蒸汽，同時需要大量的冷卻水及冷凍水來對蒸餾回收后的乙醇蒸汽進行冷卻，同時消耗大量的電能。在高度醇能滿足用量要求時，無需對所有的回收醇進行蒸餾處理，可使用NF膜對回收醇進行過濾回收，透過NF膜的回收醇幾乎無雜質，可直接用于生產配制更濃度的乙醇。而最后的截留液中也經過濃縮后，糖含量變高，可以更好地回收于生產的某個工序中。

4.3 NF膜用于交換液濃縮

甜菊糖生產的精制過程一般為提純及交換，為確保交換效果，進入交換樹脂的甜菊糖濃度不能過高，一般控制在15%～25%，而經交換后的甜菊糖溶液直接去噴霧干燥的話，因含有大量的水分，效率十分低下，傳統工藝中使用蒸發器將料液濃縮到50%以上濃度時再進入噴霧干燥塔進行干燥，消耗大量的蒸汽。NF膜又提供了一個很好的解決方法，交換液通過NF膜機后，水很容易透過NF膜，而糖液則得到了濃縮，可以通過控制循環回流的比例或者串聯多級NF膜控制濃縮倍數，從而控制截流液的濃度[5]。

4.4 MF/UF膜用于代替絮凝工序

甜菊糖的萃取過程中，除了萃取了甜菊糖，也萃取了其他多糖、蛋白質、果膠、色素等各類雜質，傳統工藝中利用硫酸亞鐵或三氯化鐵與氫氧化鈣反應生成氫氧化鐵除去萃取液中的雜質，但絮凝耗量巨大，給企業增加很大的成本支出。膜分離技術給甜菊糖的初步分離提純提供了很好的解決方案，萃取液先經過MF微孔濾膜進行預處理，將葉渣、泥沙等不溶物去除，然后經過UF超濾膜將前述的生物大分子等雜質進行去除，去除后直接進行大孔吸附，使用膜過濾方法代替了傳統工藝的絮凝與過濾2道工序，節約了大量絮凝劑的用量，同時也節約了用水量。

5 膜分離技術在甜菊糖行業應用的展望

5.1 降低膜的制造成本

受技術限制，現國內能自主生產各類膜的廠家較少，即使有少數幾家能生產，生產的膜質量也不如陶氏、GE等公司生產的穩定，導致膜分離技術的應用初期投資較大，給甜菊糖企業帶來一定的負擔。國內價格相對便宜，但是在分離精度及膜的生產過程控制中不如國外膜穩定，主要表現在膜的孔隙率控制方面，國外生產的膜能控制在較窄范圍內的孔隙率，使分離更加精準[6]。如國內的膜生產商能加大研發投入，在降低膜生產成本的同時能提高膜分離的精度，必將會給甜菊糖行業帶來福音，使更多的甜菊糖企業應用膜分離技術代替傳統的提取技術。

5.2 利用膜分離技術開發更多的甜菊糖生產技術

現膜分離技術主要用于甜菊糖的分離提純及污水的回收利用，甜菊糖生產過程中需要使用大量的酸堿來再生樹脂，行業內已有人嘗試使用膜分離技術來回收甜菊糖樹脂再生后的酸堿，并且取得了一定的成效。膜分離技術在污水處理中還能夠制成生物膜反應器（MBR），用于富集水中的微生物，更高效地對污水進行處理。