崔凤霞①；任蓓蕾②王敬臣①
（①郑州拓洋实业有限公司技术中心，郑州450066；②河南蓓蕾环境工程有限公司，郑州450066）
摘要：为提高D-核糖提取收率，改善成品品质，本文采用膜技术对D-核糖树脂解析液进行预浓缩。研究了反渗透膜预浓缩D-核糖树脂解析液的最佳操作运行条件：压力5.0MPa，温度35℃，浓缩倍数4.0。由于D-核糖树脂解析液是D-核糖发酵液经超滤、脱色、树脂脱盐一系列净化工序制得，质量好，纯度高，能够很好地保持反渗透膜的通量，这种膜分离技术处理效果佳，能将D-核糖含量由5%浓缩到20%，得到的预浓缩液澄清透明，质量优。
关键词：D-核糖；反渗透；预浓缩；工艺条件
中图分类号：TQ028.8文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）08-0182-02
0引言
D-核糖（D-ribose，D-R）是生物体内核糖核酸、某些抗生素和许多辅酶的组成部分[1]，它的生产方法主要有三种：一是抽提法，二是化学合成法，三是生物发酵法。前两种因其产率低、成本高、环境污染大等诸多问题，在规模化生产中基本上被淘汰，而生物发酵法因其成本低、易于大规模生产、环境污染较小等优点[2]，已得到国内外D-核糖生产厂家的普遍采用。采用葡萄糖进行微生物发酵的目标产物就是D-核糖，因此从发酵液中提取D-核糖结晶的过程，实质是一个分离纯化的过程，一般都需要进行浓缩。采用常规的热浓缩法浓缩能耗高，使产品成本增加，同时长时间加热容易发生糖分的热分解，而导致成品品质不稳定，为了解决这一矛盾，我们经过多次试验探索，利用反渗透法（ReverseOsmosis，Hyperfiltration，RO）在分离过程中不涉及相变化，有效成分保留率高，品质稳定性好等特点[3]，首先使用反渗透技术对D-核糖树脂解析液进行预浓缩[4]。
本实验以D-核糖树脂解析液为研究对象，以D-核糖的质量为控制指标来进行反渗透工艺参数考察，探讨该膜技术用于D-核糖提取工艺的可行性以及节能优势。
1实验部分
1.1原料D-核糖树脂解析液，由本公司提供，D-核糖发酵液经超滤净化处理、脱色、离子交换脱盐制得，D-核糖含量5%，PH=7.0，电导率约100us/cm；
复合型加酶清洗剂，由厦门三达膜科技有限公司提供
1.2实验设备1812卷式反渗透膜分离装置，设备主要由浓缩循环罐、清洗泵、保安过滤器、循环泵、膜组件组成，操作压力<6MPa,温度=20-60℃，功率为1500W，由厦门三达膜科技有限公司提供；
膜组件采用螺旋卷式结构，经过前期研究对比，为本试验筛选了双酚型聚砜材质（S-473型）和芳香族聚酰胺复合材质（S-475型）两种膜芯，膜面积均为0.8m2，截留分子量（MWCO）均为100道尔顿；
RE-52A旋转蒸发仪，功率为1500W，上海亚荣生化仪器厂；
HPLC高效液相色谱仪，日本岛津
1.3实验考察指标①操作压力、温度、膜通量及其稳定性的考察；②浓缩倍数；③膜芯对D核糖的截留情况；④清洗剂清洗对膜通量恢复的考察。
1.4D-核糖的提取工艺（路线）如图1
1.5操作方式先进行预备试验，比较在不同压力下，各种膜对D-R的截留能力，考查膜通量和透析液中是否存在D一核糖，据此决定选用何种膜[5]。然后在一定压力下(5.0MPa)，以分批操作方式，用反渗透设备在一定运行条件下进行浓缩，测定通量随浓缩倍数的变化情况，并测定料液的浓度，通过测定固定时间透析液量计算膜的平均通量，表征膜的性能。最后以全回流操作方式，测定在一定浓度下通量随操作压力的变化情况。
1.6分析方法D-核糖的含量：HPLC法[6]。
1.7实验过程将料液投入中试设备料罐中，检查各阀们、开关是否处于正常状态；启动设备，在实验过程中定时记录实验起至时间、压力、温度等相关数据，并定时测定过滤速度（计算膜通量）；分别取样检测透析液的旋光值、D-核糖含量等指标。
在操作结束后，排除浓缩液，用清水冲洗系统后，加入含有加酶膜清洗剂的水溶液清洗，在40~50℃运行30~45分钟，用清水冲洗至pH值中性即可。
2结果与讨论
2.1膜的选择S-473和S-475两种膜对D-核糖树脂解析液的截留能力
透析液中D-R的含量均为0，说明两种膜对D-R都有很好的截留能力；从表中还可以看出操作压力相同、D-R浓度<13%的情况下S-473膜芯和S-475膜芯无明显差异,但随着浓缩液浓度的增高，S-475膜芯表现出优势，因此选用S-475膜芯进行以下试验。
2．2反渗透操作运行条件的选择
2．2．1操作压力的影响料液温度为35℃，浓度为5%的D-R，在不同压力下(2.0～6.0MPa)的膜渗透通量进行测定
可见，得出最适合的操作压力应为5.0MPa．正如文献[7]所说膜两侧的压力差是反渗透过程的推动力，对渗透通量起决定性的影响。在较小的操作压力范围内，渗透通量随压强保持正比增长关系，但过高的压力会在膜表面造成浓差极化，使渗透通量的增长逐渐减慢，直到渗透通量趋于定值。
2．2．2温度的影响浓缩时的温度升降在一定范围内对有机膜有两种相反的作用[8]。一方面，温度升高；料液的黏度下降，有利于增加膜的通量；另一方面，温度升高会加速有机膜元件内部结构的变化，对其产生不可逆转的慢性损伤，温度过高还会造成D-R变质和热分解破坏而加重膜的污染．因此，膜设备的正常工作应维持在适当的温度下，设定膜系统压力为5.0MPa，测定不同温度下(15～40℃)的膜通量。
30℃前温度每升高1℃，膜的渗透通量增加1％～1.3％，增加很快，而35℃后膜的通量变化趋缓．因此综合考虑结果，选择最佳操作温度为35℃。
2．2．3料液浓缩比的影响
在料液温度为35℃，系统压力为5.0MPa时，对不同浓缩比的膜渗透通量进行测定
膜渗透通量与料液浓缩比基本呈反比关系，随着浓缩过程的进行，当液体的浓缩比逐渐增大时，膜通量呈下降趋势．这是因为D-R在高压、低温条件下随着浓度的增加，黏性逐渐增强，在膜表面形成凝胶层，从而引起渗透压的增大，减小传质驱动力，增加透过阻力，严重影响膜的渗透通量，这就是浓差极化现象[9]，所以反渗透膜浓缩时一定要注意料液浓缩比的控制，以便提高生产效率，可见，当D-R浓缩比达到4.0时是结束浓缩的最佳时间，应立即进行清洗以恢复膜的通量。
2.3膜污染与清洗情况考察在实际生产上，膜组件一般采用间歇式工作方式，不宜长时间连续工作，一批次处理结束后必须及时清洗．本实验采用的是配套的专用复合型加酶清洗剂，清洗剂的浓度为2%，pH为9，清洗时间是60min，冲洗时采用反渗透的透过水作为冲洗水源，这样可以很好的提高水的利用率，降低生产成本，符合循环经济的要求。试验中，分别测得走料前的初始水通量，以及清洗后的水通量。
使用配套的专用复合型加酶清洗剂清洗效果良好，清洗后，水通量基本能恢复到走料前的水平。
2．4反渗透膜预浓缩的效果评价取10L含量为5%的D-R树脂解析液进行反渗透膜浓缩。压力控制在5.0MPa，计算浓缩至1/4体积时所消耗的时间。将同等体积的D-R树脂解析液置于旋转蒸发仪中，在60℃下真空蒸发浓缩，计算浓缩至1/4体积时所消耗的时间。测定浓缩后D-R的质量。
本实验所用膜分离实验装置和旋转蒸发仪功率接近，对于10L含量为5%的D-R树脂解析液，浓缩到相同倍数时，膜浓缩所耗时间仅是真空蒸发浓缩的1／15，同时反渗透后D-R料液澄清，破坏程度小，但是反渗透浓缩不能达到D-R的结晶浓度。如若将反渗透技术与加热蒸发浓缩相结合，首先使用反渗透对D-核糖树脂解析液进行预浓缩，即将浓度为5%的D-核糖树脂解析液浓缩到20%，然后再真空蒸发浓缩至所需的结晶浓度，则是缩短浓缩时间、提高产品质量与产量的较好途径。
3结论
①利用膜技术对D-R树脂解析液进行脱水预浓缩，D-R基本无破坏，可浓缩到4倍左右。②膜通量的大小与系统压力、温度成正比，与料液浓度成反比。③确定了反渗透法预浓缩D-R树脂解析液的最佳操作条件：压力5.0MPa，温度35℃，浓缩比达到4时对膜进行清洗以恢复膜通量。④反渗透法用于预浓缩D-R树脂解析液能有效降低D-R的破坏、大幅度减少料液的浓缩时间，显现出很大的经济效益，是切实可行的。
参考文献：
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