膜分離技術(shù)在甜菊糖苷行業(yè)中的應(yīng)用

◎ 肖 娟，張洪生

（譜賽科（江西）生物技術(shù)有限公司，江西 贛州 341100）

1 膜分離技術(shù)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(jù)膜的不同構(gòu)造及功能作用，一般將膜技術(shù)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(guò)濾方法相似，通過(guò)壓力差使得水進(jìn)入膜的另一側(cè)。微濾膜的孔徑為0.1～10 μm，遠(yuǎn)小于普通濾紙孔徑，過(guò)濾精度高，因此微濾又稱為精密過(guò)濾，主要攔截細(xì)菌、細(xì)胞、灰塵顆粒、大分子蛋白、膠體等顆粒大小超過(guò)0.1 μm的物質(zhì)，能透過(guò)水、溶劑及小分子有機(jī)物。

1.2 超濾

超濾（Ultra fi ltration，UF）是在壓力驅(qū)動(dòng)下，利用多孔膜使得溶液中的分子與水進(jìn)行分離的過(guò)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(zhì)、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(shù)，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(zhì)，所以被稱為納濾。納濾膜可以攔截低聚糖、染料、多價(jià)離子等直徑在0.000 5～0.005 0 μm的物質(zhì)，而能透過(guò)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(cè)施加一個(gè)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(cè)流向低濃度一側(cè)。反滲透膜對(duì)于一價(jià)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(guò)水、乙醇等小分子，因此經(jīng)常用于海水淡化、超純水制備。

2 甜菊糖生產(chǎn)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(guó)家也在政府層面通過(guò)采取諸如加收糖稅等措施對(duì)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(chǎn)品，甜菊糖現(xiàn)已成為世界第三大糖源，在歐美國(guó)家的每年的消耗量已接近于1萬(wàn)t，甜菊糖的供應(yīng)80%來(lái)源于中國(guó)。國(guó)內(nèi)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(guó)內(nèi)甜菊糖工廠，如譜賽科、浩天、海根、晨光等各家生產(chǎn)工藝在具體實(shí)施時(shí)各有各的方法，但基本工藝流程均與上述流程相差無(wú)幾。膜分離技術(shù)作為新興的分離技術(shù)，與蒸餾、蒸發(fā)等分離技術(shù)相比，有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)：①膜分離在常溫下進(jìn)行，無(wú)相序變化，不會(huì)對(duì)物料帶來(lái)潛在的破壞。②無(wú)需添加其他的藥劑，通過(guò)簡(jiǎn)單的物理方法即可將物料與溶劑進(jìn)行分離。③膜分離無(wú)需采取熱能供熱，為企業(yè)節(jié)約大量成本，也無(wú)需對(duì)物料進(jìn)行冷卻浪費(fèi)電能及水源。④膜分離設(shè)備占地面積小，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低無(wú)疑為企業(yè)節(jié)約大量的投資及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用[1-3]。因此，使用膜分離技術(shù)在甜菊糖的生產(chǎn)中將帶來(lái)諸多益處，以下將對(duì)膜分離技術(shù)在甜菊糖生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

3 膜分離技術(shù)在甜菊糖苷行業(yè)水處理中的應(yīng)用

3.1 RO膜用于制備純水

甜菊糖生產(chǎn)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(fèi)大量的脫鹽水。過(guò)去，使用離子交換樹脂來(lái)制備脫鹽水，但受樹脂壽命及本身技術(shù)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(huì)因吸納了各類離子而經(jīng)常需要進(jìn)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(chǎn)生大量的廢水。膜分離技術(shù)出現(xiàn)，為甜菊糖制備脫鹽水提供了新的思路，大多數(shù)廠家均已改為使用RO反滲透設(shè)備制備脫鹽水，透過(guò)RO膜端的純水含鹽量遠(yuǎn)低于應(yīng)用樹脂制備的脫鹽水，使生產(chǎn)過(guò)程中樹脂的再生更加徹底，經(jīng)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(chǎn)生廢水。RO膜使用壽命一般為5～10年，使用過(guò)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(zhì)的純水，同時(shí)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(chǎn)中產(chǎn)生的廢水主要是蛋白質(zhì)、果膠等有機(jī)物及一些生產(chǎn)過(guò)程及水處理過(guò)程中添加的無(wú)機(jī)鹽，原水經(jīng)過(guò)水解酸化、IC反應(yīng)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(tǒng)對(duì)外排廢水進(jìn)行脫鹽處理后直接作為自來(lái)水用于生產(chǎn)工藝，經(jīng)超濾系統(tǒng)處理后的廢水也可使用RO膜進(jìn)行處理，制備生產(chǎn)工藝中所需的純水。現(xiàn)工廠大部分污水通過(guò)處理到COD低于500 mg·L-1時(shí)即可排入到城市污水管網(wǎng)，按此計(jì)算，可將外排廢水濃縮5倍后再排放至城市污水管網(wǎng)，即可實(shí)現(xiàn)80%外排廢水回用，每1 t水的回收成本為1.5元左右，遠(yuǎn)低于自來(lái)水費(fèi)用3.5元/t，直接為企業(yè)節(jié)約用水成本2元/t。

4 膜分離技術(shù)在甜菊糖苷行業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

4.1 NF膜用于解析液及結(jié)晶母液糖的濃縮與脫醇

甜菊糖提取中，需使用乙醇對(duì)吸附柱中的糖液進(jìn)行解析，解析液中的乙醇在傳統(tǒng)工藝中使用蒸發(fā)器或者蒸餾塔進(jìn)行脫醇處理。但蒸發(fā)器及蒸餾塔均需耗費(fèi)大量的蒸汽，而且物料經(jīng)加熱脫醇后還需大量的冷卻水進(jìn)行降溫處理，換熱后的冷卻水又需風(fēng)冷機(jī)進(jìn)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(xiàn)很好地解決了這樣問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)部分企業(yè)已對(duì)NF膜有了深入的了解，廣泛地應(yīng)用在物料脫醇及乙醇回收過(guò)程中，帶醇的甜菊糖物料經(jīng)過(guò)NF膜時(shí)，水及乙醇溶劑很容易透過(guò)NF膜，而甜菊糖分子及其他雜質(zhì)確無(wú)法通過(guò)NF膜，不斷地進(jìn)行濃縮。透過(guò)NF膜的乙醇溶液幾乎無(wú)其他雜質(zhì)，可以直接用于生產(chǎn)調(diào)配各種濃度的乙醇[4]。

如需對(duì)濃縮后的物料進(jìn)一步脫醇處理，只需添加等量體積的RO水進(jìn)行進(jìn)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(guò)多加幾次水的方式，將乙醇濃度降低至目標(biāo)范圍內(nèi)。

4.2 NF膜用于提純回用酒精

甜菊糖生產(chǎn)過(guò)程中將產(chǎn)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(duì)乙醇進(jìn)行提純，提高乙醇濃度。使用蒸餾法需消耗大量的蒸汽，同時(shí)需要大量的冷卻水及冷凍水來(lái)對(duì)蒸餾回收后的乙醇蒸汽進(jìn)行冷卻，同時(shí)消耗大量的電能。在高度醇能滿足用量要求時(shí)，無(wú)需對(duì)所有的回收醇進(jìn)行蒸餾處理，可使用NF膜對(duì)回收醇進(jìn)行過(guò)濾回收，透過(guò)NF膜的回收醇幾乎無(wú)雜質(zhì)，可直接用于生產(chǎn)配制更濃度的乙醇。而最后的截留液中也經(jīng)過(guò)濃縮后，糖含量變高，可以更好地回收于生產(chǎn)的某個(gè)工序中。

4.3 NF膜用于交換液濃縮

甜菊糖生產(chǎn)的精制過(guò)程一般為提純及交換，為確保交換效果，進(jìn)入交換樹脂的甜菊糖濃度不能過(guò)高，一般控制在15%～25%，而經(jīng)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(tǒng)工藝中使用蒸發(fā)器將料液濃縮到50%以上濃度時(shí)再進(jìn)入噴霧干燥塔進(jìn)行干燥，消耗大量的蒸汽。NF膜又提供了一個(gè)很好的解決方法，交換液通過(guò)NF膜機(jī)后，水很容易透過(guò)NF膜，而糖液則得到了濃縮，可以通過(guò)控制循環(huán)回流的比例或者串聯(lián)多級(jí)NF膜控制濃縮倍數(shù)，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(guò)程中，除了萃取了甜菊糖，也萃取了其他多糖、蛋白質(zhì)、果膠、色素等各類雜質(zhì)，傳統(tǒng)工藝中利用硫酸亞鐵或三氯化鐵與氫氧化鈣反應(yīng)生成氫氧化鐵除去萃取液中的雜質(zhì)，但絮凝耗量巨大，給企業(yè)增加很大的成本支出。膜分離技術(shù)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(jīng)過(guò)MF微孔濾膜進(jìn)行預(yù)處理，將葉渣、泥沙等不溶物去除，然后經(jīng)過(guò)UF超濾膜將前述的生物大分子等雜質(zhì)進(jìn)行去除，去除后直接進(jìn)行大孔吸附，使用膜過(guò)濾方法代替了傳統(tǒng)工藝的絮凝與過(guò)濾2道工序，節(jié)約了大量絮凝劑的用量，同時(shí)也節(jié)約了用水量。

5 膜分離技術(shù)在甜菊糖行業(yè)應(yīng)用的展望

5.1 降低膜的制造成本

受技術(shù)限制，現(xiàn)國(guó)內(nèi)能自主生產(chǎn)各類膜的廠家較少，即使有少數(shù)幾家能生產(chǎn)，生產(chǎn)的膜質(zhì)量也不如陶氏、GE等公司生產(chǎn)的穩(wěn)定，導(dǎo)致膜分離技術(shù)的應(yīng)用初期投資較大，給甜菊糖企業(yè)帶來(lái)一定的負(fù)擔(dān)。國(guó)內(nèi)價(jià)格相對(duì)便宜，但是在分離精度及膜的生產(chǎn)過(guò)程控制中不如國(guó)外膜穩(wěn)定，主要表現(xiàn)在膜的孔隙率控制方面，國(guó)外生產(chǎn)的膜能控制在較窄范圍內(nèi)的孔隙率，使分離更加精準(zhǔn)[6]。如國(guó)內(nèi)的膜生產(chǎn)商能加大研發(fā)投入，在降低膜生產(chǎn)成本的同時(shí)能提高膜分離的精度，必將會(huì)給甜菊糖行業(yè)帶來(lái)福音，使更多的甜菊糖企業(yè)應(yīng)用膜分離技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的提取技術(shù)。

5.2 利用膜分離技術(shù)開發(fā)更多的甜菊糖生產(chǎn)技術(shù)

現(xiàn)膜分離技術(shù)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(chǎn)過(guò)程中需要使用大量的酸堿來(lái)再生樹脂，行業(yè)內(nèi)已有人嘗試使用膜分離技術(shù)來(lái)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(shù)在污水處理中還能夠制成生物膜反應(yīng)器（MBR），用于富集水中的微生物，更高效地對(duì)污水進(jìn)行處理。