秦冬玲,馬玉潔,陸國太,楊 剛,邢衛(wèi)紅

(南京工業(yè)大學 材料化學工程國家重點實驗室,江蘇南京 210009)

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大豆乳清蛋白的超濾分離及膜污染分析

秦冬玲,馬玉潔,陸國太,楊 剛*,邢衛(wèi)紅

(南京工業(yè)大學 材料化學工程國家重點實驗室,江蘇南京 210009)

本文以大豆乳清蛋白為研究對象,采用孔徑為5 nm的陶瓷膜對大豆乳清廢水進行超濾實驗,考察不同操作條件對超濾過程分離性能的影響,并結合Cake-complete模型對膜污染機理進行分析研究。實驗結果表明:在0.15 MPa壓力下,最大滲透通量為6.85 L·m-2·h-1;當壓力由0.15 MPa增大到0.20 MPa時,濃差極化占主導因素,有效推動力降低,此時壓差的增大對膜通量的影響不再顯著。同時,乳清蛋白的截留率可通過料液pH進行調節(jié),在pH為6左右時,截留率最高可達73.3%。此外,采用組合模型對實驗數據的擬合效果最佳,擬合度達到0.99以上,說明膜污染過程并非由單一機理控制,而是由多種污染類型共同造成的。以上結果為進一步的工業(yè)應用奠定了基礎。

陶瓷膜,超濾,大豆乳清蛋白,組合模型,膜污染

大豆是蛋白質含量最豐富的植物之一[1],通常被加工成各類豆制品。然而,以提取大豆分離蛋白為目的的加工企業(yè),每天都要排放大量的乳清廢水,廢水中主要含有大豆乳清蛋白、大豆低聚糖、異黃酮等營養(yǎng)價值和經濟價值很高的生物功能性物質[2]。因而,乳清廢水屬于高濃度有機廢水,若直接排放,不僅對水體造成嚴重污染,也是一種生物質資源的浪費。

目前,大豆乳清廢水的處理方法主要有生物凈化工藝、濃縮蒸發(fā)和膜分離技術等[3]。其中生物凈化工藝能夠達到國家要求的排放水平,但受環(huán)境條件的影響較大;蒸發(fā)濃縮可回收乳清蛋白,但回收濃度太低,且能耗較大,制約了其進行大規(guī)模的生產應用;膜分離技術作為一種應用在食品加工行業(yè)的新興技術[4],不僅分離效果好,過程簡單,節(jié)能高效,而且能夠最大限度地保留廢水中的活性成分,因而更加有利于工業(yè)化推廣。雖然通常所使用的有機膜對乳清蛋白的截留效果較好[5],但是無機陶瓷膜具有高分子聚合膜沒有的優(yōu)勢,如機械強度大、耐高壓,可以反向沖洗;抗微生物污染,可用于生物工程和醫(yī)療領域[6]。

目前采用無機陶瓷超濾膜從大豆乳清廢水中提取乳清蛋白的研究鮮有報道,故本文采用陶瓷超濾膜處理大豆乳清廢水,從中回收大豆乳清蛋白?？疾靿毫?、pH和溫度對膜分離性能的影響,得到最佳的工藝條件;并借助組合污染模型對膜污染的內在機理進行分析。借此為陶瓷膜在大豆乳清蛋白提取的工業(yè)化應用上奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

自制實驗裝置如圖1所示,由膜過濾循環(huán)系統(tǒng)組成,采用膜孔徑為5 nm,孔道為61,膜面積0.0383 m2的管式陶瓷超濾膜(美國陶氏集團)。利用低溫恒溫槽(YRDC-0506型,上海亞榮生化儀器廠)進行循環(huán)保溫,采用高壓柱塞泵(SSE1413型,意大利英特公司)提供動力。采用紫外分光光度計(LAMBDA950)測量大豆乳清蛋白濃度。

圖1 實驗裝置流程Fig.1 Schematic of diagram crossflow membrane filtration system注:1-溫度計;2-料槽儲罐;3-柱塞泵;4-壓力表;5-膜組件;6,7,8-閥門;9-量筒。

大豆乳清廢水采用堿溶酸沉法自制,具體制備方法如下[7]:低溫脫脂豆粕經粉碎后,與水以1∶13的比例混合,用2 mol/L的NaOH調節(jié)pH至8.6,在50 ℃條件下攪拌1 h,抽濾除掉固體顆粒物,然后取濾液用2 mol/L的HCl回調pH至4.5,離心,得上清液即為大豆乳清廢水。

1.2 實驗方法

實驗采用錯流過濾,系統(tǒng)溫度保持在(25±1) ℃,控制操作壓力分別為0.10、0.15、0.20 MPa,運行200 min,測量不同壓力下滲透通量隨時間的變化及截留率,并且借助Cake-complete組合模型分析膜污染機理;考察操作壓力為0.15 MPa,溫度為10、15、20、25、30 ℃下,運行200 min,測量運行穩(wěn)定后的滲透通量及截留率;同時,考察操作壓力為0.15 MPa,操作溫度在(25±1) ℃條件下,不同料液pH對截留率的影響。截留率的計算如公式(1)所示,式中R為截留率,Cf為原料液濃度,Cp為滲透液濃度。

式(1)

大豆乳清蛋白的檢測方法使用考馬斯亮藍法,在一定蛋白質濃度范圍內,蛋白質與染料形成的復合物在595 nm的吸光度與蛋白質含量成正比。200 μg/mL牛血清白蛋白溶液作為標準溶液,測得的數據如下:

由表1中數據,以蛋白質濃度C(g/L)為橫坐標,吸光度A595為縱坐標,作圖可得到一標準曲線。

計算所得回歸方程:y=4.922x-0.0079R2=0.9983

表1 考馬斯亮藍法測定蛋白質含量
Table 1 Bradford protein content determination

編號蛋白質標準溶液(mL)去離子水(mL)濃度(g/L)吸光度(A)00100101090020078202020040194304060080371406040120594508020160798610020961

由回歸方程和圖2所示,蛋白質濃度和吸光度值具有良好的線性關系。根據測出的未知樣品的波長λ=595 nm時的吸光度A595 nm,代入標準曲線即可得出蛋白質的濃度。

圖2 蛋白質標準曲線Fig.2 Protein standard curve

2 結果與討論

2.1 操作壓力對滲透通量及截留率的影響

滲透通量在不同操作壓力下隨時間的變化曲線如圖3所示。由圖可知,初始通量隨著壓力的增大而增大,而運行穩(wěn)定之后的通量則先增大后減小。三種壓力下,運行130 min后滲透通量均達到穩(wěn)定狀態(tài),且0.15 MPa穩(wěn)定后的滲透通量由0.10 MPa的3.87 L·m-2·h-1增加到6.85 L·m-2·h-1。這是因為壓力的增加使傳質速率加快,因此通量增加。而當壓力進一步增加到0.20 MPa時,穩(wěn)定后的滲透通量低于0.15 MPa下的滲透通量。這可能是因為操作壓力的進一步增加,使膜表面蛋白的濃度也增加,蛋白顆粒在膜表面沉積,使得膜表面的顆粒濃度大于料液主體濃度,從而造成濃差極化現象,降低了有效推動力;同時蛋白顆粒在膜表面的沉積加大了過濾阻力,從而使得滲透通量下降。

圖3 操作壓力對滲透通量的影響Fig.3 Effects of driving pressure on permeating flux

在不同的操作壓力下,滲透通量穩(wěn)定后的蛋白質截留率變化如圖4所示。從圖中可以看出,從0.10 MPa到0.15 MPa，截留率由39.8%增加到41.5%,這主要是因為推動力增加,蛋白質的截留率也隨之增大;而當壓力由0.15 MPa升高至0.20 MPa時,截留率由41.5%降低到39.7%,這可能是因為濃差極化現象和膜污染的加劇導致截留率的降低。因此,最佳的操作壓力為0.15 MPa。

圖4 操作壓力對截留率的影響Fig.4 Effects of driving pressure on rejection

2.2 溫度和pH對超濾過程的影響

運行穩(wěn)定后的滲透通量在不同溫度條件下的變化曲線如圖5所示,從圖中可以看出,滲透通量隨溫度的升高而增大,這可能是因為溫度升高,料液粘度降低,加快了其在膜表面的擴散速度;同時,蛋白質在溶液中的流動速度加快,不易沉積吸附在膜表面形成濾餅層。由圖6可知,乳清蛋白的截留率隨溫度的升高而降低,截留率由10 ℃時的62%下降到30 ℃時的36%,主要原因可能是較低溫度下,料液粘度大,易沉積在膜表面形成濾餅層,提高了膜的實際截留能力。兼顧滲透通量和截留率兩者,并考慮到蛋白質會因高溫而變性,故選擇最佳操作溫度為25 ℃。

圖5 溫度對滲透通量的影響Fig.5 Effects of temperature on permeating flux

圖6 溫度對截留率的影響Fig.6 Effects of temperature on rejection

pH對截留率的影響,通常是通過調節(jié)蛋白質的溶解度來控制的。在等電點處蛋白質的溶解度最小,且蛋白質更容易沉積在膜表面,從而加重膜污染,導致通量下降。本實驗考察了大豆乳清廢水在不同的pH時乳清蛋白截留率的變化情況,實驗結果如圖7所示。由圖可知,隨pH升高,大豆乳清蛋白的截留率先升高后降低,且在pH6附近達到最大值(73.3%)。這是因為大豆乳清蛋白屬于酸溶堿沉蛋白,其等電點為5.8[8],在等電點附近時蛋白質基本呈電中性,分子間斥力最小,此時溶液更易發(fā)生凝聚、沉淀現象,因而更有利于被超濾膜截留。

圖7 pH對截留率的影響Fig.7 Effects of driving pH on rejection

2.3 膜污染分析

膜過程中污染存在著三種情況[9]:1、溶質粒徑小于膜孔時,進入到膜孔內引起不可逆的污染;2、溶質粒徑接近膜孔徑時,部分膜孔會被溶質分子堵塞;3、當溶質粒徑大于膜孔徑時,被膜截留的粒子將在膜面形成污染層,在某些情況形成凝膠層。Field[10]等通過修改經驗模型,建立了應用在錯流過濾的通量衰減模型:

式(2)

不同的n值可表述上述三種不同的污染情況,分別對應的n值為1、1.5、2,式中:Jp為瞬時膜通量,m/s;Jpss為穩(wěn)態(tài)下的膜通量,m/s;KCF為數值常量,其值取決于壓力、粘度以及膜的固有阻力(Rm)。通常情況下,以上三個模型可以單獨使用,但有些情況并不能很好地解釋膜過程的污染機理,因而近年來許多學者采用模型進行組合對膜過程進行預測和分析,得到了較好的效果。Vincent等[11]在經典堵塞模型的基礎上,利用半經驗公式對膜的污染機理進行研究,較準確的預測了通量變化。Emilio[12]等研究得到組合模型:完全堵塞和濾餅過濾組合模型(Cake-complete blocking model),其表達式如下所示:

表2 經典模型參數擬合結果及相關度
Table 2 Fitting values of Hermia’s models parameters and the correlation

壓力(MPa)標準堵塞模型完全堵塞模型中間堵塞模型KsR2KcR2KiR201094054E-407962800035109948200044099788015271049E-4079158000238099359000263099362020718535E-4058910000494094667000633097037

式(3)

式中J0為初始膜通量,m/s;Kc為完全堵塞模型常數,s-1;Ks為標準堵塞模型常數;Kgl為濾餅過濾模型常數,α為完全阻塞污染的膜孔所占總膜孔的比重。

本文采用三種經典堵塞模型對實驗數據點進行擬合,探究了膜污染形成的機理。經典堵塞模型主要包括標準堵塞模型(Standard blocking model)、完全堵塞模型(Complete blocking model)和中間堵塞模型(Intermediate blocking model)。三種模型的擬合結果分別如圖8至圖10所示。

圖8 標準堵塞模型擬合曲Fig.8 Fitted curve for standard blocking model

圖9 完全堵塞模型擬合曲線Fig.9 Fitted curve for complete blocking model

圖10 中間堵塞模型擬合曲線Fig.10 Fitted curve for intermediate blocking model

三種模型的擬合結果及相關度列于表2。由表可知,標準堵塞模型在不同操作壓力下的擬合度均為最差,說明乳清蛋白的分子半徑大于膜孔半徑,分離膜對乳清蛋白分子的截留率較高,而對膜孔內部污染較小,因此該模型不符合膜污染的內在機理。完全堵塞模型在0.10 MPa和0.15 MPa下的擬合度較好,而在0.20 MPa下的擬合度稍差,說明這種類型的膜污染確實是在溶質粒徑大于膜孔徑的情況下產生的,符合料液體系特征;但在較大壓力下,膜表面將形成濾餅層,因而不完全符合。中間堵塞模型對數據點的擬合度稍好,在0.10、0.15、0.20 MPa下的相關度分別為0.99788、0.99362和0.97037,說明蛋白質分子容易產生形變,通過擠壓等方式進入膜孔;另外隨著壓力的增大,擬合度降低,這是因為壓力增大,膜污染嚴重,膜孔堵塞,因而不再適用中間堵塞模型。以上結果均與圖8至圖10相符。

由經典模型擬合結果可知,該體系超濾過程主要由完全堵塞污染機理控制,但要完全解釋污染機理尚存欠缺,因此使用組合污染模型對污染機理進行分析,擬合結果如圖11所示,相關度列于表3。由表可知,在0.10、0.15、0.20 MPa下,組合模型的擬合度均在0.994以上,且均高于單個經典模型的擬合相關度,說明分離膜的污染并非由單一的機理控制,將不同機理結合起來能更好地理解和分析膜污染的過程及內在因素。由此推斷膜污染過程為蛋白質分子先到達膜表面封閉膜孔而起到堵塞的效果,然后形成濾餅層并隨時間不斷增厚,最終導致通量衰減。

圖11 組合模型擬合曲線Fig.11 Fitted curve for cake-complete blocking model

壓力(MPa)組合模型KcKglαR201-000358005286008960099650015-0001820020680290120994770251645E-4039947036610099941

3 結論

本文通過考察大豆乳清廢水的超濾分離過程,得出如下結論:

運行穩(wěn)定后的滲透通量并不隨壓力的升高而線性增大,壓力增加會加速乳清蛋白的沉積使過濾阻力增加,同時也會使?jié)獠顦O化效應明顯,從而造成滲透通量下降。操作壓力為0.15 MPa時的滲透通量最大,為6.85 L·m-2·h-1。

滲透通量隨溫度的升高而增大,截留率隨溫度的升高而降低,綜合考慮最佳溫度條件為25 ℃左右。同時,大豆乳清蛋白的截留率可通過溶液pH調節(jié),在pH6左右時達到最大截留率73.3%。

采用組合模型對實驗數據的擬合效果最佳,能更準確地描述滲透通量的衰減過程,組合模型的優(yōu)越性說明膜污染過程并非由單一機理控制,而是由多種污染類型共同造成的。這將為超濾膜技術應用到實際生產中提供可靠的膜污染理論依據。

[1]Fadi Ali,Martin Mondor,Denis Ippersiel,et al. Production of low-phytate soy protein isolate by membrane technologies:Impact of salt addition to the extract on the purification process[J]. Innovative Food Science and Emerging Technologies,2011,12(2):171-177.

[2]Tetsuya Yamada,Yoshihiro Mori,Kazuho Yasue,et al. Knockdown of the 7S globulin subunits shifts distribution of nitrogen sources to the residual protein fraction in transgenic soybean seeds[J]. Plant Cell Reports,2014,33(12):1963-1976.

[3]杜明,劉鶴楠,易華西,等. 大豆乳清蛋白研究進展[J]. 食品工業(yè)科技,2008,29(2):302-307.

[4]李琦,李軍霞. 現代膜分離技術及其在大豆加工中的應用[J]. 食品工業(yè)科技,2012,33(5):380-383.

[5]馮曉,任南琪,陳兆波. 超濾膜分離工藝處理大豆乳清蛋白廢水的效能[J]. 化工學報,2009,60(6):1477-1486

[6]范益群,漆紅,徐南平. 多孔陶瓷膜制備技術研究進展[J]. 化工學報,2013,64(1):107-105.

[7]佟獻俊. 大豆黃漿水的綜合利用研究[D]. 大連:大連工業(yè)大學,2010.

[8]Iwabuchi S,Yamauchi F. Electrophoretic analysis of whey proteins present in soybean globulin fractions[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,1987,35(2):205-209.

[9]J. Hermia. Constant pressure blocking flltration laws-application to power-law non-newtonian fluids[J]. Trans Inst Chem Eng,1982,60(5):83-187.

[10]R W Field,D Wu,J A Howell,et al. Critical flux concept formicroflltration Fouling[J],J. Membr. Sci,1955,100(4):259-272.

[11]M Cinta,Vincent Vela,Silvia álvarez Blanco,et al. Analysis of membrane pore blocking models adapted to crossflow ultrafiltration in the ultrafiltration of PEG[J]. Chemical Engineering Journal,2008,149(1):232-241.

[12]Emilio J,de la Casa,Antonio Guadix,et al. A combined fouling model to describe the influence of the electrostatic environment on the cross-flow microfiltration of BSA[J]. Journal of Membrane Science,2008,318(2):247-254.

Ultrafiltration and membrane fouling analysis
for the separation of soybean whey protein

QIN Dong-ling,MA Yu-jie,LU Guo-tai,YANG Gang*,XING Wei-hong

(State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 210009,China)

In this work,soybean whey proteins’ removal experiments were conducted using a ceramic ultrafiltration(UF)membrane with the average pore size of ca. 5 nm,and effects of different operating conditions on separation performance were investigated. Additionally,the cake-complete model was employed to explain the ultrafiltration fouling mechanism. Results showed that the maximal permeation flux of 6.85 L·m-2·h-1was achieved under 0.15 MPa. When the pressure were increased from 0.15 to 0.20 MPa,the concentration polarization dominated,resulting in the diminishment of effective driving force and thus the flux were not increased significantly with increasing pressure. Besides,the rejection rate of whey protein could be adjusted by pH of solution and be up to 73.3% at pH6. Moreover,the best fitting result was obtained by using the cake-complete model,the fitting degree calculated was above 0.99,which suggested that the membrane fouling process was not controlled by individual mechanism and resulted from combined effects of diverse fouling types. Therefore,these results may provide a significant inside into the industrial separation of whey proteins.

ceramic membrane;ultrafiltration;soybean whey protein;combined model;membrane fouling

2016-04-27

秦冬玲(1985-)，女，碩士，實驗助理師，研究方向：水處理劑合成與應用，E-mail:qindl@njtech.edu.cn。

*通訊作者:楊剛(1966-)，男，博士，教授，研究方向：膜過程研究，E-mail: yanggang@njtech.edu.cn。

國家科技支撐計劃(2013BAE11B03)。

TS201.2

A

1002-0306(2016)23-0072-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.23.005