马铃薯淀粉加工废水中超滤回收马铃薯蛋白质

陈钰，潘晓琴，钟振声，王剑

（华南理工大学化学与化工学院,广东广州510640）

马铃薯淀粉加工废水中超滤回收马铃薯蛋白质

陈钰，潘晓琴，钟振声*，王剑

（华南理工大学化学与化工学院,广东广州510640）

研究超滤法回收马铃薯淀粉加工废水中的蛋白质的可行性。以蛋白质截留率和渗透通量为指标进行综合考虑，得出超滤的最佳条件为：操作压力为0.10 MPa，室温22℃，pH 5.8。在此条件下超滤回收蛋白质的截留率高达80.46%，处理后的废水的CODCr值由原来的9280.04 mg/L降为3898.41 mg/L。对超滤膜清洗效果最佳的清洗剂是0.05%的碱性蛋白酶，其次是0.5%的NaOH水溶液，恢复系数高达99.55%和89.12%。

超滤；渗透通量；截留率；清洗；蛋白质

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

联合国教科文组将2008年定为“马铃薯年”，2008年4月6日的第十届中国马铃薯大会上，农业部副部长危朝安指出，发展马铃薯产业对保障我国粮食安全、促进农民增收意义重大。我国马铃薯产业近年来发展迅速，在许多地区马铃薯加工产业链带动了当地的经济发展。目前全国生产淀粉的企业大小数千家，年产马铃薯淀粉总量达40多万t，年加工马铃薯近300万t，年排放马铃薯淀粉废水800多万t（化学需氧量COD含量高达10000 mg/L以上）[1]，由于冰冻的天气无法满足生化处理的要求，加上马铃薯淀粉加工企业布局分散以及高昂的投资成本，加大了废水治理的难度，这些含有蛋白质及低聚糖等生理活性物质的工艺废水大部分被直接排放，不仅极大浪费了资源，而且造成了生态环境的恶化。

但是废水中这些生理活性物质含量较低，传统的方法如蒸汽热凝浓缩、生物处理、化学絮凝等，存在能耗大、产品附加值低等问题。近年来，随着膜分离技术研究和膜组件开发的不断发展，为低浓度溶液的浓缩和分离提供了有效的手段[2]，使高效处理马铃薯淀粉废水成为可能。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鲜马铃薯、碱性蛋白酶及中性蛋白酶：广州裕立宝生物技术有限公司，酶活20×104U/g；焦亚硫酸钠（AR）：广东光华化学厂有限公司；硫酸铜（AR）：天津市耀华化学试剂有限责任公司；硫酸钾（AR）：天津市福晨化学试剂厂；浓硫酸（AR）：衡阳市凯信化工试剂有限公司；浓盐酸（AR）：广东光华化学厂有限公司；氢氧化钠（AR）：广东光华化学厂有限公司；次氯酸钠（AR）：广州化学试剂厂；三聚磷酸钠（AR）：天津市化学试剂一厂；乙二胺四乙酸二钠（AR）：天津市福晨化学试剂厂；吐温-20（AR）：天津市科密欧化学试剂有限公司；十二烷基硫酸钠（AR）：上海润捷化学试剂有限公司；硼酸（AR）：上海凌峰化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

皇冠牌JC-028榨汁搅拌机：皇冠电器有限公司；HITACHI（日立）：himac CR22GⅡ高速冷冻离心机；试验用膜分离装置：上海亚东核级树脂有限公司、PS-10（截留分子量为10000 u）；聚砜中空纤维内压式超滤膜组件：上海亚东核级树脂有限公司；珠江牌XJ-1型COD消解装置：广东省环境保护仪器设备厂；PHB-3便携式pH计：上海三信仪表厂；B-220恒温水浴锅：上海亚荣生化仪器厂；秒表：深圳追日电子科技；85-2磁力搅拌器：上海闵行虹浦仪器厂；KDN-103F自动定氮仪：上海纤检仪器有限公司。

1.3 测定方法

1.3.1 蛋白质含量的测定

采用国标GB/T5009.5-2003微量凯式定氮法来测定蛋白质的含量[3]。

1.3.2 蛋白质截留率的测定[2]

1.3.3 渗透通量的测定[4]

渗透通量R是指一定操作下，每单位时间内水或溶液通过单位膜面积S的透过量[L/（m2·h）]：R=Q/ST，

式中：本试验所采用的膜面积S为0.2 m2，Q表示透过液的体积，L；T表示透过所需的时间，h。

1.3.4 清洗效果的测定[5]

清洗效果通常用去离子水渗透通量恢复率K来表示：

式中：R1为污染膜的去离子水渗透通量[L/（m2·h)]；R为清洗后膜的去离子水渗透通量，[L/（m2·h)]；R0为新膜的去离子水渗透通量，[L/（m2·h)]。

1.3.5 COD的测定

采用GB11914-89重铬酸钾法来测定水样的COD值[6]。

1.4 方法

1.4.1 模拟加工厂制备马铃薯淀粉废水

称取一定量的马铃薯，加水200 mL/kg（以鲜重计），焦亚硫酸钠1 g/kg鲜重，在榨汁机中搅碎成泥浆状，5500 r/min高速离心20 min，取上清液用G3沙芯漏斗抽滤，对滤液中的蛋白质进行测定，并稀释到蛋白质浓度为10 g/L左右[7]。

1.4.2 超滤试验操作步骤

超滤试验操作步骤见图1。

图1 试验型膜分离装置示意图Fig.1 Experimental UF device flow chart

1.4.3 废水超滤最适条件的确定

分别在不同的废水温度、操作压强、pH值的条件下，每隔10 min记录一次渗透通量值，得到不同影响因素下的渗透通量随时间的关系变化图。待超滤进行60 min时，膜面渗透通量趋于稳定，取一定体积的透过液，采用凯式定氮法测得透过液与原料液的蛋白质含量，计算求得蛋白质的截留率，确定不同影响因素对蛋白质截留率的变化关系。

1.4.4 膜的清洗

由于浓差极化、凝胶层的出现及其固化及膜孔堵塞的影响，超滤膜在使用一段时间后，渗透通量将降低，必须对污染后的膜进行清洗以恢复膜的通量，保证其使用寿命。本试验在室温22℃，压强0.1 MPa下，先用清水清洗膜的表面正反洗各20 min，再在40℃下，用不同的化学试剂反洗40 min，最后在室温下用清水冲洗至稳定。分别测定新膜的、污染后膜的以及清洗后膜的去离子水渗透通量，计算得到不同清洗剂的清洗效果。

2 结果与分析

2.1 操作压强对渗透通量和蛋白质截留率的影响

在pH 5.8，室温22℃的条件下，对模拟马铃薯废水进行超滤浓缩，由于本试验中的超滤装置膜能承受的最大压强为0.15 MPa，为了保护超滤膜，仅考察压强范围为0.03 MPa~0.14 MPa间的不同操作压强对渗透通量随时间的变化以及蛋白质截留率的影响。结果见图2和图3。

从图2可以看出，浓差极化不明显之前，随着操作压强的增加，渗透通量也随之增大。随着超滤时间延长，压力升高(0.10 MPa≤P＜0.14 MPa)导致浓差极化恶化，渗透通量阶梯性降低。当压力到一定数值后(P≥0.14 MPa)，膜面溶质浓度达到凝胶浓度时，将导致凝胶层形成。此时，通量通量由凝胶层阻力决定，几乎不依赖于压力[8]。

由图3可以看出，随着操作压强的增加，蛋白质截留率降低，但降低幅度减小。这可能是因为，在压力较小的时候，凝胶层尚未形成时，压力越大促使溶质透过超滤膜的推动力越大，使更多的分子变形挤过膜孔，对于需要截留的大分子物质来说，表观截留率将随之降低。由于0.10 MPa下渗透通量随时间较为稳定，而且0.10 MPa也是超滤装置的正常工作压力，本试验综合考虑，选择0.10 MPa为最佳操作压强。

图2 操作压强对渗透通量的影响Fig.2 Influence of operated pressure on permeation flux

图3 操作压强对蛋白质截留率的影响Fig.3 Influence of operated pressure on rejection coefficient of potato protein

图4 温度T对渗透通量的影响Fig.4 Influence of temperature on permeation flux

图5 温度T对蛋白质截留率影响Fig.5 Influence of temperature on rejection coefficient of potato protein

2.2 温度对渗透通量和蛋白质截留率的影响

在pH5.8，压强0.10 MPa的条件下，对模拟马铃薯废水进行超滤浓缩，由于本试验中的膜组件的正常工作温度为5℃～45℃，故仅选择此间的3个温度值，考察温度对渗透通量随时间的变化及蛋白质截留率的影响。结果如图4和图5。

由图4可以看出，随着温度的升高，渗透通量增加。这可能是因为随着温度升高，料液的黏度降低，扩散系数增加，减缓了浓差极化的影响。此外，温度升高还有利于蛋白质溶解度增大，降低了膜表面对蛋白质的吸附，因此渗透通量随温度的升高而增大，但通量的衰减也随温度的升高而增大。若温度持续上升（T＞60℃），则可能使蛋白质因变性而溶解度降低或无机盐的溶解度也降低，从而加重膜的污染[8]。

由图5可以看出，随着温度的增加，蛋白质截留率降低。这可能是因为随着温度升高，分子动能增加，料液黏度降低，浓差极化减小，而且凝胶层的厚度也减小了，导致蛋白质的截留率降低。本试验综合考虑，选择室温22℃为最佳工作温度。

2.3 pH值对渗透通量和蛋白质截留率的影响

在pH5.8，室温22℃的条件下，对模拟马铃薯废水进行超滤浓缩，考察pH对渗透通量随时间的变化及蛋白质截留率的影响。结果如图6和图7。

马铃薯蛋白质是混合蛋白，在一定pH值条件下，各自带不同的电荷，膜面也呈现一种特定电荷，只有与膜的电性相反的蛋白质才能被吸附下来，而带其他电荷的蛋白质不能被吸附，只能在表面形成极化层或凝胶层。从图6可知，由于pH 3.8~4.8小于或等于蛋白质组分的等电点，大部分蛋白质带正电荷，与表层荷负电的聚砜膜电荷异性，膜表面对蛋白质的吸附最大，因此渗透通量最低。

膜和蛋白质相互作用主要依赖于范德华力及双电层作用[9]。从图7可以得出这样的结论，当pH值接近蛋白质等电点pI时，蛋白质溶解度低，膜面吸附增加，使得蛋白质截留率增大。随着溶液的值偏离等电点，当pH值大于pI时，蛋白质与膜电荷同性，因此不易形成蛋白质吸附层，蛋白质的截留率有所下降；而当溶液的pH值小于pI时，蛋白质与膜电荷异性，但由于蛋白质分子所带电荷相同，不易发生聚集，所形成的蛋白质吸附层较疏松，使蛋白质的截留率也会稍微下降一些[5]。由于工业中通常是长时间连续工作，pH3.8或4.8虽然有利于蛋白质的回收，但其通透衰减太大而不能达到工业要求，故选择废水的原pH值5.8为最佳工作pH。

图6 pH值对渗透通量的影响Fig.6 Influence of pH on permeation flux

图7 pH值对蛋白质截留率的影响Fig.7 Influence of temperature on rejection coefficient of potato protein

图8 清洗剂对膜的清洗效果Fig.8 The cleaning effect of cleaning agent

2.4 膜的最佳清洗条件的确定

在40℃，压强0.1 MPa下对膜进行化学试剂反洗，这是因为正反洗交替有利于强化清洗效果，而升高温度也有利于吸附蛋白质的溶解和分子的扩散。对污染膜分别采用酸、碱、表面活性剂、氧化剂及酶的清洗，考察化学清洗剂对膜的清洗效果。结果见图8。

从图8可以得知，用不同质量分数的NaOH清洗时，膜通量的恢复随着NaOH质量分数的增加而递增，这是因为膜面蛋白质的溶解度增大，降低了静电污染层与表面层的内部作用力，使之可以从膜表面脱落；但如果NaOH浓度过高时，污染层中的蛋白质易发生变性，使其结合更紧密，清洗效率也随之下降[10]，所以采用NaOH溶液清洗时，质量分数不宜超过0.5%。表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）可以降低分子表面张力，还能提高聚砜膜的亲水性，采用0.5%的SDS可以使蛋白质的肽连伸展，并与蛋白质结合使其带负电荷，从而阻止了蛋白质在膜表面和孔道内的吸附，恢复膜的通量[10]，但是该清洗液粘度大，难以清洗干净，一般不宜采用此清洗剂。利用NaClO的氧化性可以攻击静电吸附层，使其吸附键断裂，从而使污染物离开膜表面，还能增加膜的亲水性[10-11]及起到杀菌的作用，但是有机膜材料长期大量接触强氧化剂会加速有机材料腐蚀老化降解，造成膜穿孔等，一般不采用此清洗剂。清洗效果最显著的当属蛋白酶清洗剂，尤其是碱性蛋白酶，即使酶浓度低至0.05%，清洗后膜的恢复系数仍高达99.55%。碱性蛋白酶是目前市场上流行的洗涤添加剂，能大幅度提高洗涤去污（尤其是蛋白类污垢）能力，而且作用温和，不会破坏膜孔结构。但是酶添加量应小心控制，以免对膜造成新的污染。EDTA，三聚磷酸钠均可以减少无机盐在膜面上的沉积，阻止无机盐在膜与蛋白质之间形成“盐桥”，缓解蛋白质在膜面上的污染[10]。另外不同化学清洗剂协同作用，也可以提高膜的清洗效果。

3 结论

1）采用超滤法回收马铃薯淀粉加工废水中的蛋白质技术上是可行的，蛋白质截留率高，浓缩效果明显。

2）以蛋白质截留率和渗透通量为指标进行综合考虑，得出超滤的最佳条件为：操作压力为0.10 MPa，室温22℃，pH 5.8。在此条件下超滤回收蛋白质的截留率高达80.46%。

3）对超滤膜清洗效果最佳的清洗剂是0.05%的碱性蛋白酶，其次是0.5%的NaOH水溶液，恢复系数高达99.55%和89.12%。

4）超滤法还对废水的治理有较好的效果，经过超滤法处理后的废水，CODCr值由原来的9280.04 mg/L降为3898.41 mg/L。

根据试验研究可以认为采用超滤法回收马铃薯淀粉加工废水中的蛋白质是一种稳定、浓缩效率高、安全、自动化程度高的蛋白质回收的好方法。

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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

陈钰（1984—），女（汉），硕士研究生，应用化学专业。