陳鈺，潘曉琴，鐘振聲，王劍

（華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,廣東廣州510640）

馬鈴薯淀粉加工廢水中超濾回收馬鈴薯蛋白質(zhì)

陳鈺，潘曉琴，鐘振聲*，王劍

（華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,廣東廣州510640）

研究超濾法回收馬鈴薯淀粉加工廢水中的蛋白質(zhì)的可行性。以蛋白質(zhì)截留率和滲透通量為指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮，得出超濾的最佳條件為：操作壓力為0.10 MPa，室溫22℃，pH 5.8。在此條件下超濾回收蛋白質(zhì)的截留率高達(dá)80.46%，處理后的廢水的CODCr值由原來(lái)的9280.04 mg/L降為3898.41 mg/L。對(duì)超濾膜清洗效果最佳的清洗劑是0.05%的堿性蛋白酶，其次是0.5%的NaOH水溶液，恢復(fù)系數(shù)高達(dá)99.55%和89.12%。

超濾；滲透通量；截留率；清洗；蛋白質(zhì)

Abstract:The feasibility of recovery of potato protein from starch producing waste water by ultrafiltration was studied.Based on permeation flux and rejection coefficient of potato protein,the optimum conditions as follows：operated pressure 0.10 MPa,temperature 22℃,pH 5.8.Under such conditions,the rejection coefficient of potato protein reached 80.46%.After ultrafiltration,the CODCrof waster water was reduced to 3898.41 mg/L from 9280.04 mg/L.The best cleaning agents was 0.05%Alcalase and 0.5%sodium hydroxide solution,coefficient of restitution reached 99.55%and 89.12%,respectively.

Key words：ultrafiltration;permeation flux;rejection coefficient;cleaning;protein

聯(lián)合國(guó)教科文組將2008年定為“馬鈴薯年”，2008年4月6日的第十屆中國(guó)馬鈴薯大會(huì)上，農(nóng)業(yè)部副部長(zhǎng)危朝安指出，發(fā)展馬鈴薯產(chǎn)業(yè)對(duì)保障我國(guó)糧食安全、促進(jìn)農(nóng)民增收意義重大。我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)近年來(lái)發(fā)展迅速，在許多地區(qū)馬鈴薯加工產(chǎn)業(yè)鏈帶動(dòng)了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。目前全國(guó)生產(chǎn)淀粉的企業(yè)大小數(shù)千家，年產(chǎn)馬鈴薯淀粉總量達(dá)40多萬(wàn)t，年加工馬鈴薯近300萬(wàn)t，年排放馬鈴薯淀粉廢水800多萬(wàn)t（化學(xué)需氧量COD含量高達(dá)10000 mg/L以上）[1]，由于冰凍的天氣無(wú)法滿足生化處理的要求，加上馬鈴薯淀粉加工企業(yè)布局分散以及高昂的投資成本，加大了廢水治理的難度，這些含有蛋白質(zhì)及低聚糖等生理活性物質(zhì)的工藝廢水大部分被直接排放，不僅極大浪費(fèi)了資源，而且造成了生態(tài)環(huán)境的惡化。

但是廢水中這些生理活性物質(zhì)含量較低，傳統(tǒng)的方法如蒸汽熱凝濃縮、生物處理、化學(xué)絮凝等，存在能耗大、產(chǎn)品附加值低等問(wèn)題。近年來(lái)，隨著膜分離技術(shù)研究和膜組件開(kāi)發(fā)的不斷發(fā)展，為低濃度溶液的濃縮和分離提供了有效的手段[2]，使高效處理馬鈴薯淀粉廢水成為可能。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮馬鈴薯、堿性蛋白酶及中性蛋白酶：廣州裕立寶生物技術(shù)有限公司，酶活20×104U/g；焦亞硫酸鈉（AR）：廣東光華化學(xué)廠有限公司；硫酸銅（AR）：天津市耀華化學(xué)試劑有限責(zé)任公司；硫酸鉀（AR）：天津市福晨化學(xué)試劑廠；濃硫酸（AR）：衡陽(yáng)市凱信化工試劑有限公司；濃鹽酸（AR）：廣東光華化學(xué)廠有限公司；氫氧化鈉（AR）：廣東光華化學(xué)廠有限公司；次氯酸鈉（AR）：廣州化學(xué)試劑廠；三聚磷酸鈉（AR）：天津市化學(xué)試劑一廠；乙二胺四乙酸二鈉（AR）：天津市福晨化學(xué)試劑廠；吐溫-20（AR）：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；十二烷基硫酸鈉（AR）：上海潤(rùn)捷化學(xué)試劑有限公司；硼酸（AR）：上海凌峰化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

皇冠牌JC-028榨汁攪拌機(jī)：皇冠電器有限公司；HITACHI（日立）：himac CR22GⅡ高速冷凍離心機(jī)；試驗(yàn)用膜分離裝置：上海亞?wèn)|核級(jí)樹(shù)脂有限公司、PS-10（截留分子量為10000 u）；聚砜中空纖維內(nèi)壓式超濾膜組件：上海亞?wèn)|核級(jí)樹(shù)脂有限公司；珠江牌XJ-1型COD消解裝置：廣東省環(huán)境保護(hù)儀器設(shè)備廠；PHB-3便攜式pH計(jì)：上海三信儀表廠；B-220恒溫水浴鍋：上海亞榮生化儀器廠；秒表：深圳追日電子科技；85-2磁力攪拌器：上海閔行虹浦儀器廠；KDN-103F自動(dòng)定氮儀：上海纖檢儀器有限公司。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 蛋白質(zhì)含量的測(cè)定

采用國(guó)標(biāo)GB/T5009.5-2003微量凱式定氮法來(lái)測(cè)定蛋白質(zhì)的含量[3]。

1.3.2 蛋白質(zhì)截留率的測(cè)定[2]

1.3.3 滲透通量的測(cè)定[4]

滲透通量R是指一定操作下，每單位時(shí)間內(nèi)水或溶液通過(guò)單位膜面積S的透過(guò)量[L/（m2·h）]：R=Q/ST，

式中：本試驗(yàn)所采用的膜面積S為0.2 m2，Q表示透過(guò)液的體積，L；T表示透過(guò)所需的時(shí)間，h。

1.3.4 清洗效果的測(cè)定[5]

清洗效果通常用去離子水滲透通量恢復(fù)率K來(lái)表示：

式中：R1為污染膜的去離子水滲透通量[L/（m2·h)]；R為清洗后膜的去離子水滲透通量，[L/（m2·h)]；R0為新膜的去離子水滲透通量，[L/（m2·h)]。

1.3.5 COD的測(cè)定

采用GB11914-89重鉻酸鉀法來(lái)測(cè)定水樣的COD值[6]。

1.4 方法

1.4.1 模擬加工廠制備馬鈴薯淀粉廢水

稱取一定量的馬鈴薯，加水200 mL/kg（以鮮重計(jì)），焦亞硫酸鈉1 g/kg鮮重，在榨汁機(jī)中攪碎成泥漿狀，5500 r/min高速離心20 min，取上清液用G3沙芯漏斗抽濾，對(duì)濾液中的蛋白質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，并稀釋到蛋白質(zhì)濃度為10 g/L左右[7]。

1.4.2 超濾試驗(yàn)操作步驟

超濾試驗(yàn)操作步驟見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)型膜分離裝置示意圖Fig.1 Experimental UF device flow chart

1.4.3 廢水超濾最適條件的確定

分別在不同的廢水溫度、操作壓強(qiáng)、pH值的條件下，每隔10 min記錄一次滲透通量值，得到不同影響因素下的滲透通量隨時(shí)間的關(guān)系變化圖。待超濾進(jìn)行60 min時(shí)，膜面滲透通量趨于穩(wěn)定，取一定體積的透過(guò)液，采用凱式定氮法測(cè)得透過(guò)液與原料液的蛋白質(zhì)含量，計(jì)算求得蛋白質(zhì)的截留率，確定不同影響因素對(duì)蛋白質(zhì)截留率的變化關(guān)系。

1.4.4 膜的清洗

由于濃差極化、凝膠層的出現(xiàn)及其固化及膜孔堵塞的影響，超濾膜在使用一段時(shí)間后，滲透通量將降低，必須對(duì)污染后的膜進(jìn)行清洗以恢復(fù)膜的通量，保證其使用壽命。本試驗(yàn)在室溫22℃，壓強(qiáng)0.1 MPa下，先用清水清洗膜的表面正反洗各20 min，再在40℃下，用不同的化學(xué)試劑反洗40 min，最后在室溫下用清水沖洗至穩(wěn)定。分別測(cè)定新膜的、污染后膜的以及清洗后膜的去離子水滲透通量，計(jì)算得到不同清洗劑的清洗效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 操作壓強(qiáng)對(duì)滲透通量和蛋白質(zhì)截留率的影響

在pH 5.8，室溫22℃的條件下，對(duì)模擬馬鈴薯廢水進(jìn)行超濾濃縮，由于本試驗(yàn)中的超濾裝置膜能承受的最大壓強(qiáng)為0.15 MPa，為了保護(hù)超濾膜，僅考察壓強(qiáng)范圍為0.03 MPa~0.14 MPa間的不同操作壓強(qiáng)對(duì)滲透通量隨時(shí)間的變化以及蛋白質(zhì)截留率的影響。結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

從圖2可以看出，濃差極化不明顯之前，隨著操作壓強(qiáng)的增加，滲透通量也隨之增大。隨著超濾時(shí)間延長(zhǎng)，壓力升高(0.10 MPa≤P＜0.14 MPa)導(dǎo)致濃差極化惡化，滲透通量階梯性降低。當(dāng)壓力到一定數(shù)值后(P≥0.14 MPa)，膜面溶質(zhì)濃度達(dá)到凝膠濃度時(shí)，將導(dǎo)致凝膠層形成。此時(shí)，通量通量由凝膠層阻力決定，幾乎不依賴于壓力[8]。

由圖3可以看出，隨著操作壓強(qiáng)的增加，蛋白質(zhì)截留率降低，但降低幅度減小。這可能是因?yàn)?，在壓力較小的時(shí)候，凝膠層尚未形成時(shí)，壓力越大促使溶質(zhì)透過(guò)超濾膜的推動(dòng)力越大，使更多的分子變形擠過(guò)膜孔，對(duì)于需要截留的大分子物質(zhì)來(lái)說(shuō)，表觀截留率將隨之降低。由于0.10 MPa下滲透通量隨時(shí)間較為穩(wěn)定，而且0.10 MPa也是超濾裝置的正常工作壓力，本試驗(yàn)綜合考慮，選擇0.10 MPa為最佳操作壓強(qiáng)。

圖2 操作壓強(qiáng)對(duì)滲透通量的影響Fig.2 Influence of operated pressure on permeation flux

圖3 操作壓強(qiáng)對(duì)蛋白質(zhì)截留率的影響Fig.3 Influence of operated pressure on rejection coefficient of potato protein

圖4 溫度T對(duì)滲透通量的影響Fig.4 Influence of temperature on permeation flux

圖5 溫度T對(duì)蛋白質(zhì)截留率影響Fig.5 Influence of temperature on rejection coefficient of potato protein

2.2 溫度對(duì)滲透通量和蛋白質(zhì)截留率的影響

在pH5.8，壓強(qiáng)0.10 MPa的條件下，對(duì)模擬馬鈴薯廢水進(jìn)行超濾濃縮，由于本試驗(yàn)中的膜組件的正常工作溫度為5℃～45℃，故僅選擇此間的3個(gè)溫度值，考察溫度對(duì)滲透通量隨時(shí)間的變化及蛋白質(zhì)截留率的影響。結(jié)果如圖4和圖5。

由圖4可以看出，隨著溫度的升高，滲透通量增加。這可能是因?yàn)殡S著溫度升高，料液的黏度降低，擴(kuò)散系數(shù)增加，減緩了濃差極化的影響。此外，溫度升高還有利于蛋白質(zhì)溶解度增大，降低了膜表面對(duì)蛋白質(zhì)的吸附，因此滲透通量隨溫度的升高而增大，但通量的衰減也隨溫度的升高而增大。若溫度持續(xù)上升（T＞60℃），則可能使蛋白質(zhì)因變性而溶解度降低或無(wú)機(jī)鹽的溶解度也降低，從而加重膜的污染[8]。

由圖5可以看出，隨著溫度的增加，蛋白質(zhì)截留率降低。這可能是因?yàn)殡S著溫度升高，分子動(dòng)能增加，料液黏度降低，濃差極化減小，而且凝膠層的厚度也減小了，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的截留率降低。本試驗(yàn)綜合考慮，選擇室溫22℃為最佳工作溫度。

2.3 pH值對(duì)滲透通量和蛋白質(zhì)截留率的影響

在pH5.8，室溫22℃的條件下，對(duì)模擬馬鈴薯廢水進(jìn)行超濾濃縮，考察pH對(duì)滲透通量隨時(shí)間的變化及蛋白質(zhì)截留率的影響。結(jié)果如圖6和圖7。

馬鈴薯蛋白質(zhì)是混合蛋白，在一定pH值條件下，各自帶不同的電荷，膜面也呈現(xiàn)一種特定電荷，只有與膜的電性相反的蛋白質(zhì)才能被吸附下來(lái)，而帶其他電荷的蛋白質(zhì)不能被吸附，只能在表面形成極化層或凝膠層。從圖6可知，由于pH 3.8~4.8小于或等于蛋白質(zhì)組分的等電點(diǎn)，大部分蛋白質(zhì)帶正電荷，與表層荷負(fù)電的聚砜膜電荷異性，膜表面對(duì)蛋白質(zhì)的吸附最大，因此滲透通量最低。

膜和蛋白質(zhì)相互作用主要依賴于范德華力及雙電層作用[9]。從圖7可以得出這樣的結(jié)論，當(dāng)pH值接近蛋白質(zhì)等電點(diǎn)pI時(shí)，蛋白質(zhì)溶解度低，膜面吸附增加，使得蛋白質(zhì)截留率增大。隨著溶液的值偏離等電點(diǎn)，當(dāng)pH值大于pI時(shí)，蛋白質(zhì)與膜電荷同性，因此不易形成蛋白質(zhì)吸附層，蛋白質(zhì)的截留率有所下降；而當(dāng)溶液的pH值小于pI時(shí)，蛋白質(zhì)與膜電荷異性，但由于蛋白質(zhì)分子所帶電荷相同，不易發(fā)生聚集，所形成的蛋白質(zhì)吸附層較疏松，使蛋白質(zhì)的截留率也會(huì)稍微下降一些[5]。由于工業(yè)中通常是長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，pH3.8或4.8雖然有利于蛋白質(zhì)的回收，但其通透衰減太大而不能達(dá)到工業(yè)要求，故選擇廢水的原pH值5.8為最佳工作pH。

圖6 pH值對(duì)滲透通量的影響Fig.6 Influence of pH on permeation flux

圖7 pH值對(duì)蛋白質(zhì)截留率的影響Fig.7 Influence of temperature on rejection coefficient of potato protein

圖8 清洗劑對(duì)膜的清洗效果Fig.8 The cleaning effect of cleaning agent

2.4 膜的最佳清洗條件的確定

在40℃，壓強(qiáng)0.1 MPa下對(duì)膜進(jìn)行化學(xué)試劑反洗，這是因?yàn)檎聪唇惶嬗欣趶?qiáng)化清洗效果，而升高溫度也有利于吸附蛋白質(zhì)的溶解和分子的擴(kuò)散。對(duì)污染膜分別采用酸、堿、表面活性劑、氧化劑及酶的清洗，考察化學(xué)清洗劑對(duì)膜的清洗效果。結(jié)果見(jiàn)圖8。

從圖8可以得知，用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaOH清洗時(shí)，膜通量的恢復(fù)隨著NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而遞增，這是因?yàn)槟っ娴鞍踪|(zhì)的溶解度增大，降低了靜電污染層與表面層的內(nèi)部作用力，使之可以從膜表面脫落；但如果NaOH濃度過(guò)高時(shí)，污染層中的蛋白質(zhì)易發(fā)生變性，使其結(jié)合更緊密，清洗效率也隨之下降[10]，所以采用NaOH溶液清洗時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過(guò)0.5%。表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）可以降低分子表面張力，還能提高聚砜膜的親水性，采用0.5%的SDS可以使蛋白質(zhì)的肽連伸展，并與蛋白質(zhì)結(jié)合使其帶負(fù)電荷，從而阻止了蛋白質(zhì)在膜表面和孔道內(nèi)的吸附，恢復(fù)膜的通量[10]，但是該清洗液粘度大，難以清洗干凈，一般不宜采用此清洗劑。利用NaClO的氧化性可以攻擊靜電吸附層，使其吸附鍵斷裂，從而使污染物離開(kāi)膜表面，還能增加膜的親水性[10-11]及起到殺菌的作用，但是有機(jī)膜材料長(zhǎng)期大量接觸強(qiáng)氧化劑會(huì)加速有機(jī)材料腐蝕老化降解，造成膜穿孔等，一般不采用此清洗劑。清洗效果最顯著的當(dāng)屬蛋白酶清洗劑，尤其是堿性蛋白酶，即使酶濃度低至0.05%，清洗后膜的恢復(fù)系數(shù)仍高達(dá)99.55%。堿性蛋白酶是目前市場(chǎng)上流行的洗滌添加劑，能大幅度提高洗滌去污（尤其是蛋白類污垢）能力，而且作用溫和，不會(huì)破壞膜孔結(jié)構(gòu)。但是酶添加量應(yīng)小心控制，以免對(duì)膜造成新的污染。EDTA，三聚磷酸鈉均可以減少無(wú)機(jī)鹽在膜面上的沉積，阻止無(wú)機(jī)鹽在膜與蛋白質(zhì)之間形成“鹽橋”，緩解蛋白質(zhì)在膜面上的污染[10]。另外不同化學(xué)清洗劑協(xié)同作用，也可以提高膜的清洗效果。

3 結(jié)論

1）采用超濾法回收馬鈴薯淀粉加工廢水中的蛋白質(zhì)技術(shù)上是可行的，蛋白質(zhì)截留率高，濃縮效果明顯。

2）以蛋白質(zhì)截留率和滲透通量為指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮，得出超濾的最佳條件為：操作壓力為0.10 MPa，室溫22℃，pH 5.8。在此條件下超濾回收蛋白質(zhì)的截留率高達(dá)80.46%。

3）對(duì)超濾膜清洗效果最佳的清洗劑是0.05%的堿性蛋白酶，其次是0.5%的NaOH水溶液，恢復(fù)系數(shù)高達(dá)99.55%和89.12%。

4）超濾法還對(duì)廢水的治理有較好的效果，經(jīng)過(guò)超濾法處理后的廢水，CODCr值由原來(lái)的9280.04 mg/L降為3898.41 mg/L。

根據(jù)試驗(yàn)研究可以認(rèn)為采用超濾法回收馬鈴薯淀粉加工廢水中的蛋白質(zhì)是一種穩(wěn)定、濃縮效率高、安全、自動(dòng)化程度高的蛋白質(zhì)回收的好方法。

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Study on Recovery of Potato Protein from Starch Producing Waste Water by Ultrafitration

CHEN Yu,PAN Xiao-qin,ZHONG Zhen-sheng*,WANG Jian
（School of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong,China）

2009-10-10

陳鈺（1984—），女（漢），碩士研究生，應(yīng)用化學(xué)專業(yè)。