酶膜反應(yīng)器制備直鏈麥芽低聚糖過程中膜污染機(jī)制及再生研究

陳旭，李才明,2，李兆豐,2，班宵逢,2，洪雁,2，程力,2，顧正彪,2*

1(江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫，214122)2(食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室(江南大學(xué))，江蘇 無錫，214122)

直鏈麥芽低聚糖是由2～10個葡萄糖分子以α-1,4糖苷鍵鏈接而成的直鏈低聚糖，是以淀粉為主要原料，由特異性的直鏈麥芽低聚糖生成酶經(jīng)過酶解、轉(zhuǎn)苷等過程而得到的一種小分子糖，具有獨特的理化特性和生理功能，在食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。但目前酶法制備直鏈麥芽低聚糖工業(yè)中還存有不足，如生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)周期普遍在24 h以上；間歇批量式生產(chǎn)后需對產(chǎn)物進(jìn)行滅酶處理，得到目的產(chǎn)物前需對產(chǎn)物進(jìn)行分離提純等，造成大量能源損耗[2]。

酶膜反應(yīng)器的應(yīng)用則可在一定程度上解決上述問題，酶膜反應(yīng)分離技術(shù)是在反應(yīng)過程中即可將產(chǎn)物與酶和底物分離開的一種新型反應(yīng)技術(shù)[3]，其原理可概括為在酶促反應(yīng)過程中，通過將反應(yīng)體系與膜分離設(shè)備進(jìn)行耦聯(lián)，在壓力驅(qū)動下使反應(yīng)體系中的部分或全部產(chǎn)物從反應(yīng)體系中選擇性分離，一定程度上解除產(chǎn)物抑制，加快反應(yīng)進(jìn)程，達(dá)到邊生產(chǎn)邊分離的生產(chǎn)模式[4-5]。

但在實際生產(chǎn)過程中，在淀粉及多糖類高黏度的底物環(huán)境下，膜組件會因機(jī)械作用或理化作用而引起污染物的沉積、吸附，從而出現(xiàn)膜污染現(xiàn)象，進(jìn)而造成膜的處理能力下降，生產(chǎn)效率降低[6]，因此有效避免及消除膜污染是膜分離技術(shù)能否進(jìn)一步擴(kuò)寬應(yīng)用范圍的重要因素。HERMIA[7]最早提出了4種典型的膜污染模型理論；隨后FIELD等[8]在其基礎(chǔ)上對模型及應(yīng)用范圍進(jìn)行修正和優(yōu)化；楊文瀾[9]研究了不同孔徑的陶瓷膜在處理生活污水過程中的污染形成機(jī)理，認(rèn)為不同孔徑的陶瓷膜受不同污染模型主導(dǎo)；張翼[10]將被啤酒滅菌廢水所污染的陶瓷膜利用高壓水及無機(jī)試劑浸泡后，使陶瓷膜通量恢復(fù)至90%左右；LEE等[11]應(yīng)用超聲技術(shù)將被污染的陶瓷膜通量最高恢復(fù)至94.2%。但目前關(guān)于由淀粉及多糖類污染物造成的膜污染機(jī)制及膜再生方面的研究還鮮有報道[12]。

本文主要針對以20% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))玉米淀粉為底物，應(yīng)用酶膜反應(yīng)器制備直鏈麥芽低聚糖工藝中出現(xiàn)的膜污染現(xiàn)象，對陶瓷膜污染機(jī)制進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上研究不同清洗方案對污染后陶瓷膜的再生效果，以期為陶瓷膜在淀粉糖工業(yè)中的膜污染及膜再生提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

食用玉米淀粉(含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)11.63%)，山東壽光巨能金玉米開發(fā)有限公司；直鏈麥芽低聚糖生成酶(malto-oligosaccharide-forming amylase，MFA酶)(酶活力120 U/mL)，本實驗室發(fā)酵所得；耐高溫α-淀粉酶(酶活力7 000 U/mL)，江蘇省博利生物制品有限公司；NaOH、檸檬酸、NaClO等其他試劑均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 實驗設(shè)備

CeraMem-0100陶瓷膜/管式膜小試設(shè)備，膜組件為多通道管式陶瓷膜，膜長500 mm，有效膜面積為0.12 m2，平均孔徑20 nm，新膜純水通量約為255 L/(m2·h)(水溫25 ℃，壓力0.1 MPa，循環(huán)流速1 000 L/h條件下測得，下同)，廈門福美科技有限公司；HH-601型超級水浴設(shè)備，常州金壇良友儀器有限公司。完整設(shè)備由反應(yīng)罐、超濾泵、膜組件、收集罐等組成，如圖1所示。

1-恒溫水槽；2-蠕動泵；3-反應(yīng)罐；4-超濾泵；5-膜組件； 6-收集罐；7-進(jìn)料力表；8-流量計；9-攪拌槳圖1 應(yīng)用膜反應(yīng)器制備直鏈麥芽低聚工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of preparing linear malt-oligomerization using membrane reactor

實驗過程中可通過調(diào)節(jié)設(shè)備頻率及循環(huán)閥門的開度調(diào)整設(shè)備壓力等各項參數(shù)，管路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 設(shè)備管路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Equipment pipeline structure diagram

1.3 實驗方法

1.3.1 滲透通量的測定

滲透通量，指單位時間內(nèi)，透過單位膜面積的滲透液的體積，按公式(1)計算：

(1)

式中：J，滲透通量，L/(m3·h)；V，滲透液體積，L；A，有效膜面積，m2；t，過膜時間，h。

1.3.2 滲透通量恢復(fù)率的測定

滲透通量恢復(fù)率，指污染后的膜組件經(jīng)清洗后滲透通量的恢復(fù)效果，本實驗在25 ℃、壓力0.1 MPa下以純水為介質(zhì)進(jìn)行測定[13]，按公式(2)計算：

(2)

式中：r，滲透通量恢復(fù)率；JQ，膜經(jīng)清洗后的純水滲透通量，L/(m2·h)；J0，新膜的純水滲透通量，L/(m2·h)。

1.3.3 膜清洗流程

對污染后的陶瓷膜采用3步清洗方案，首先在反應(yīng)結(jié)束后先用清水完全頂出殘余物料，然后向反應(yīng)罐中再加入清水，遵循低壓高流速原則[14]進(jìn)行清洗，調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)使清洗條件保持在物料流速1 000 L/h、過膜壓力0.1 MPa，同時外循環(huán)閥門開度調(diào)至最大，此條件下充分循環(huán)沖洗40 min 后排出污水；隨后加入不同清洗劑并調(diào)至其對應(yīng)清洗溫度循環(huán)清洗40 min，排出物料；最后再加入清水60 ℃同條件循環(huán)40 min。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

實驗結(jié)果為3次獨立實驗的平均值，用平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。采用Origin Pro 8.0軟件分析數(shù)據(jù)和作圖，用SPSS 20.0和STATISTICA 12.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析和非標(biāo)準(zhǔn)模型擬合分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染物來源及組成

該陶瓷膜設(shè)備所運行的環(huán)境為：20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))玉米淀粉在MFA酶的催化作用下制備直鏈麥芽低聚糖體系，經(jīng)產(chǎn)物分析發(fā)現(xiàn)有95%的淀粉底物被水解成小分子低聚糖并被分離出體系，所用MFA酶液為粗酶液，其中含有少量碳源、氮源等不溶物，反應(yīng)結(jié)束時料液中總固體含量約為1%～2%；該MFA酶分子質(zhì)量為58 kDa，絕大部分酶蛋白分子被攔截在截留側(cè)，且玉米淀粉中同樣含有少量蛋白成分；反應(yīng)結(jié)束后體系pH值為5.5～6.3。綜合分析，在實驗中造成陶瓷膜污染的主要成分為淀粉、多糖和少量蛋白。

2.2 膜污染理論模型及污染機(jī)制分析

在HERMIA[7]、FIELD等[8]的理論基礎(chǔ)上，經(jīng)過后人對模型的不斷優(yōu)化，最終逐漸形成了適用于錯流過濾的4種基本污染理論模型，即濾餅?zāi)Ｐ?cake filtration model)、部分堵塞模型(intermediate blocking model)、完全堵塞模型(complete blocking model)和內(nèi)部堵塞模型(internal blocking model)[15]，如圖3所示。

圖3 四種典型的膜污染模型Fig.3 Four typical membrane fouling models

(1)濾餅?zāi)Ｐ停寒?dāng)污染物顆粒粒徑大于膜孔徑時，料液中的大分子物質(zhì)和凝膠類物質(zhì)在膜表面發(fā)生沉積和絮凝，形成一定面積、一定厚度的濾餅污染層，造成膜滲透通量下降，對應(yīng)模型如公式(3)所示(n=0)：

(3)

式中：G即K0，模型常數(shù)；Jlim，穩(wěn)態(tài)時的滲透通量，L/(m2·h)；J，反應(yīng)結(jié)束后的滲透通量，L/(m2·h)；J0，反應(yīng)初始時膜滲透通量，L/(m2·h)；t，反應(yīng)時間，min；n，模型參數(shù)[16](下同)。

(2)部分堵塞模型：當(dāng)污染物粒徑小于孔徑1～2的數(shù)量級時，污染物以“架橋”的方式在膜孔附近沉積但并不完全堵塞膜孔[9, 17]，此時污染物逐漸在膜表面形成沉積層。如公式(4)所示(n=1)：

(4)

式中：σ即K1，模型常數(shù)。

(3)完全堵塞模型：當(dāng)物料中的污染物粒徑與膜孔徑相近時，形成的污染類型，此時污染物將部分膜孔完全“封死”，對膜的處理能力造成較大影響。如公式(5)所示(n=2)：

J=Jlim+(J0-Jlim)e-K2t

(5)

式中：K2，模型常數(shù)。

(4)內(nèi)部堵塞模型：污染物粒徑小于孔徑3個數(shù)量級時形成的污染[17]，污染物通過機(jī)械作用或吸附作用附著在膜孔內(nèi)部，并隨著時間的延續(xù)不斷累積，影響膜的分離特性，模型如公式(6)所示(n=1.5，Jlim=0)：

(6)

式中：[(KS′/2)A0.5]整體即K1.5，模型常數(shù)[16]。

為更好地分析陶瓷膜反應(yīng)器水解玉米淀粉過程中的膜污染機(jī)制，應(yīng)用STATISTICA 12.0軟件對上述4種非標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行非線性回歸擬合分析，當(dāng)模型參數(shù)n分別為0、1、1.5、2時，對應(yīng)的擬合結(jié)果如圖4所示，濾餅?zāi)Ｐ汀⒉糠侄氯Ｐ汀?nèi)部堵塞模型、完全堵塞模型的擬合度R分別為0.892 1、0.868 0、0.858 5和0.988 9；模型系數(shù)Kn分別為1.73×10-4、2.35×10-3、5.88×10-2、2.48×10-4。說明該體系中，完全堵塞模型占主導(dǎo)地位，與此同時其他3種污染方式共存，且影響程度較為接近。在反應(yīng)初期，淀粉底物以大分子形式出現(xiàn)，最先在膜表面形成污染層，使膜通量快速下降，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，污染物被酶水解分子質(zhì)量逐漸減小，當(dāng)污染物粒徑與膜孔徑相近時，部分膜孔被污染物完全堵塞，而更小粒徑的污染物則較難進(jìn)一步進(jìn)入孔內(nèi)形成污染使得其擬合度R值最小[18]。

針對上述污染機(jī)制，初步確定了幾種清洗方案及操作條件如表1所示，該體系下污染物多為水解后殘留的淀粉大分子、多糖類物質(zhì)和少量蛋白，較高溫度的純水對其具有較好的溶解性，可起到一定的清洗效果；王愷等[19]研究發(fā)現(xiàn)檸檬酸與淀粉發(fā)生酯化反應(yīng)形成的檸檬酸酯淀粉，其黏度發(fā)生明顯降低，對污染物有一定的清除效果；NaOH溶液及NaOH與NaClO的復(fù)配溶液，可使污染物凝膠層和吸附層發(fā)生松動，氧化劑對蛋白質(zhì)、脂類等有機(jī)物的去除可起到增強(qiáng)的效果[14]，對該體系下的污染物有一定的清潔作用；α-淀粉酶具有強(qiáng)水解作用，可水解淀粉大分子，起到清除污染層、恢復(fù)膜通量的效果。基于上述理論，將清洗方案確定為純水清洗、檸檬酸清洗、NaOH清洗、NaOH和NaClO的復(fù)配清洗以及α-淀粉酶清洗。

表1 不同膜清洗方案及操作條件Table 1 Different membrane cleaning programs and operating conditions

2.3 純水清洗

應(yīng)用純水對污染后的陶瓷膜進(jìn)行清洗復(fù)性，過程如圖5所示，清洗開始階段，膜滲透通量恢復(fù)率隨清洗時間的延長不斷恢復(fù)，此過程中高溫高流速的清水可洗去設(shè)備及管路中的部分殘余物料，在高流速的作用下膜表面的污染物沉積層和凝膠層發(fā)生松動，并隨物料排出體系；第二階段將廢水排出體系后，加入新的純水繼續(xù)清洗40 min，發(fā)現(xiàn)其滲透通量繼續(xù)提高。原因可能是第一階段所用水中混合了大量殘余污染物，使得滲透通量難以繼續(xù)提高，但純水對膜孔內(nèi)污染物及蛋白等有機(jī)類污染物的清潔效率有限，導(dǎo)致第三階段滲透通量恢復(fù)率依舊沒有明顯提升。清洗結(jié)束后，滲透通量恢復(fù)率僅為71.53%。

a-濾餅?zāi)Ｐ蛿M合曲線；b-部分堵塞模型擬合曲線；c-內(nèi)部堵塞模型擬合曲線；d-完全堵塞模型擬合曲線圖4 四種污染模型擬合曲線Fig.4 Fitting curves of four pollution models

圖5 純水清洗對膜通量恢復(fù)的影響Fig.5 The effect of pure water cleaning on membrane flux recovery

2.4 檸檬酸清洗

將膜清洗過程中第二階段所用清洗劑改為1.5%的檸檬酸溶液，結(jié)果如圖6所示，經(jīng)過3個階段清洗，最終在25 ℃下測得純水通量為227 L/(m2·h)。原因可能是較低的pH值可在一定程度上提高淀粉分子的溶脹程度，提高淀粉的溶解度，而檸檬酸上的羧基可與淀粉分子上的羥基發(fā)生酯化反應(yīng)形成檸檬酸酯淀粉[20]，降低淀粉黏度[19]，加之該體系下的玉米淀粉已經(jīng)過糊化，暴露出更多的活性末端，有利于與檸檬酸的結(jié)合；同時，在酸性條件下，檸檬酸會使淀粉及多糖類物質(zhì)會發(fā)生一定程度的降解，使污染物溶解度提高，有利于膜通量的恢復(fù)[21]。最終膜滲透通量恢復(fù)率達(dá)到86.92%，但仍未達(dá)到90%以上，可能原因為一方面該條件未能充分達(dá)到酯化反應(yīng)所需條件[20]，淀粉與檸檬酸的酯化程度有限；另一方面陶瓷膜在酸性條件下膜孔收縮，膜強(qiáng)度提高[22]，未能有效除去孔內(nèi)的污染物，從而使得滲透通量沒能恢復(fù)至更高水平。

圖6 檸檬酸清洗對膜通量恢復(fù)的影響Fig.6 The effect of citric acid cleaning on membrane flux recovery

2.5 堿清洗

將膜清洗過程中第二階段清洗劑改為1%～2%的NaOH溶液，結(jié)果如圖7所示，經(jīng)過前2個階段的清洗后，改用純水在同條件下清洗40 min發(fā)現(xiàn)膜通量相較于酸清洗明顯提高，甚至超過25 ℃下新膜的純水通量，原因可能是60 ℃較高的水溫會使模孔徑發(fā)生可逆擴(kuò)張，通量增大；隨后排凈廢液，并使體系pH恢復(fù)至中性。測得25 ℃下純水通量達(dá)到245 L/(m2·h)，膜滲透通量恢復(fù)率達(dá)到95.7%。谷磊等[14]利用0.5%～1%的NaOH溶液在高流速下清洗被污染的陶瓷膜，使陶瓷膜通量恢復(fù)至96%以上，認(rèn)為強(qiáng)堿清洗劑可破壞蛋白的凝結(jié)狀態(tài)，改變蛋白的堆積結(jié)構(gòu)，對膜表面及膜孔內(nèi)的污染物都有著良好的清潔效果。而本實驗中所用MFA酶分子質(zhì)量為58 kDa，較為接近膜的截留分子質(zhì)量50 kDa，生產(chǎn)過程中在壓力的作用下易使酶蛋白進(jìn)入膜孔形成污染，而NaOH溶液不僅可以使陶瓷膜膜孔充分放松，有利于對孔內(nèi)污染物的清洗[22]，同時可使污染物中的蛋白質(zhì)變性，使其聚集結(jié)構(gòu)變得松散，促進(jìn)其溶出，從而起到清洗膜表面和膜孔內(nèi)部的雙重作用[23]。

圖7 NaOH清洗對膜通量恢復(fù)的影響Fig.7 The effect of NaOH solution cleaning on membrane flux recovery

2.6 氧化劑清洗

將第二步所用試劑改為1%～2%的NaOH和0.5%～1%的NaClO復(fù)配溶液，并將pH值調(diào)至11～12，結(jié)果如圖8所示，第二階段清洗40 min后發(fā)現(xiàn)滲透通量也超過25 ℃下的新膜通量；當(dāng)溫度降至25 ℃時，膜純水滲透通量達(dá)到254 L/(m2·h)，通量恢復(fù)率接近100%。章小同等[24]利用2%的NaOH和0.5%的NaClO混合溶液，清洗被含有一定濃度蛋白的淀粉糖槳所污染的陶瓷膜發(fā)現(xiàn)，二者復(fù)配使用可對膜表面及孔內(nèi)的有機(jī)類污染物和糖漿起到良好的去除效果，最終使膜通量恢復(fù)至100%，與本實驗結(jié)果較為接近。因為氧化劑NaClO與NaOH共同使用，在強(qiáng)堿性條件下使膜孔放松，提高了對孔內(nèi)污染物的清洗強(qiáng)度，同時在強(qiáng)氧化劑的作用下，加劇了蛋白變性，使污染物更易溶出，有效去除了孔內(nèi)的沉積層和凝膠層，二者復(fù)配使用優(yōu)于單獨清洗[18]。但該清洗方法成本相對較高，且廢液pH值在10以上，對環(huán)境存在一定的污染性，需中和處理后進(jìn)行排放，后續(xù)有待對二者濃度及配比進(jìn)行進(jìn)一步研究，以降低成本和減小對環(huán)境的污染。

圖8 氧化劑清洗對膜通量恢復(fù)的影響Fig.8 The effect of oxidant cleaning on membrane flux recovery

2.7 淀粉酶清洗

將第二步所用試劑改為1 mL/L的α-淀粉酶，結(jié)果如圖9所示，最終將體系溫度降至25 ℃測得純水通量為236 L/(m2·h)，膜滲透通量恢復(fù)率達(dá)到92.31%。原因在于α-淀粉酶具有較強(qiáng)的水解能力，可以水解未充分反應(yīng)的淀粉大分子[25]，污染物中大部分均可被該酶水解。經(jīng)實驗室測定，該高溫α-淀粉酶在70～80 ℃時酶活力可達(dá)到80%以上，且在高流速下，由于物料與膜表面的摩擦作用，會使體系溫度略有提高[22]，可進(jìn)一步提高該酶的催化活力。但由于酶對膜孔內(nèi)污染物和蛋白的清洗效果有限，使得最終膜滲透通量恢復(fù)率未能達(dá)到更高水平。趙延均等[26]先利用胰蛋白酶，后利用NaOH溶液清洗被蛋白和固形物污染的超濾膜發(fā)現(xiàn)，兩步清洗效果優(yōu)于二者單獨清洗，最終使膜通量恢復(fù)至95%以上。二者共同使用，一方面彌補(bǔ)了酶對于孔內(nèi)污染物清潔能力的不足，另一方面酶對其底物的作用效率高于無機(jī)試劑；第二步NaOH可同時將第一步中的蛋白酶充分去除，避免了二次污染。后續(xù)研究中可借鑒此方案來進(jìn)一步提高清洗效果，降低清洗成本。

圖9 淀粉酶清洗對膜通量恢復(fù)的影響Fig.9 The effect of amylase cleaning on membrane flux recovery

3 結(jié)論

本文對于應(yīng)用陶瓷膜反應(yīng)器制備直鏈麥芽低聚糖體系中發(fā)生的膜污染，通過模型擬合，發(fā)現(xiàn)其污染機(jī)制受完全堵塞模型所主導(dǎo)，其他3種污染并存。在此基礎(chǔ)上，用常見的清洗劑對其進(jìn)行膜復(fù)性，結(jié)果表明，純水和檸檬酸清洗后膜通量未能恢復(fù)至90%以上；1 mL/L的α-淀粉酶清洗劑可使膜通量恢復(fù)至92.31%；堿清洗劑和氧化清洗劑可使膜通量恢復(fù)至95%以上，是比較理想的清洗方案，NaOH和NaClO復(fù)配使用清洗效果優(yōu)于NaOH單獨使用，清洗后膜通量接近100%。綜合分析，對于由淀粉、多糖及少量蛋白所造成的膜污染，加酶清洗適用于膜的日常清潔，氧化清洗則適用于長期或高強(qiáng)度生產(chǎn)后的膜復(fù)性。