CN1142010C - 粘多糖超滤浓缩分离与冷杀菌一体化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是粘多糖超滤浓缩分离与杀菌一体化系统及方法，该系统由装有搅拌器的料液槽、恒温器、泵、流量计、超浓缩膜分离与冷杀菌组件、压力表、料液罐通过管道相连接构成；该方法为：按一定工艺步骤通过电场对分离物系中电荷的电场作用力，对带大量电荷的粘多糖进行有选择、高效地浓缩分离并利用电场控制荷负电膜的截留和分离粘多糖。本发明能有选择、高效分离粘多糖，且实现了超浓缩膜分离与杀菌一体化，减轻膜污染和浓差极化现象，膜通量增加2～4倍，截留率及杀菌率均达95%以上，系统结构简单、能耗低、应用范围广。

Description

粘多糖超滤浓缩分离与冷杀菌一体化系统及方法

本发明是粘多糖超滤浓缩分离与冷杀菌一体化系统及方法，属粘多糖浓缩提纯技术，特别涉及粘多糖膜分离和冷杀菌技术。

粘多糖是动物体内蛋白多糖分子中的糖链部分，主要由氨基己糖与己糖醛酸或半乳糖交替结合而构成的长链分子，并在线型长链上分布着组成上和数量上不同的酸性基团，其在许多生物学、生理学和病理学过程中起重要作用，具有特殊的生物功能和生物活性。因此，从生物体内提取分离粘多糖引起人们的广泛重视；由于膜分离是一种非加热分离技术，具有无相变、能耗低和分离效率高的特点，所以，对于分离粘多糖显示极大的优越性。采用溶剂沉淀法、季胺盐分级法等可能制备出均一的多糖，但是这些方法溶剂消耗量大，分离量甚少，有时还会引起多糖的降解。而采用超滤膜分离技术进行多糖的分离纯化，收率高且极少破坏，因此，粘多糖的分离、浓缩和分级过程越来越多地采用超滤膜分离技术。因为所提取的粘多糖的水溶液是胶体溶液，粘度大并且不稳定、带有大量硫酸基和羧酸基等负电荷，在超滤膜分离过程中存在严重的膜污染(膜吸附和膜孔堵塞等)和浓差极化现象，导致膜透过量的迅速衰减，从而使超滤浓缩分离粘多糖的效率降低和操作费用增加，限制超滤技术在粘多糖分离纯化工业方面的应用。此外，随着膜分离过程的进行，粘多糖浓缩液的浓度不断增加，在超滤膜表面形成凝胶层，较高的粘多糖浓缩极容易引起微生物污染，导致细菌含量严重超标，所以，必须经常对膜组件、装置等进行彻底的清洗并对微生物污染的浓缩液进行杀菌，由此，不但增加操作步骤，而且影响分离效率。目前，改善粘多糖膜分离性能主要采取边界层控制(如增加膜表面流速)、提高湍流程度(如利用脉冲、湍流促进器等)以及改善膜材料(如选择荷负电膜材料等)等方法。而粘多糖的超滤分离体系主要采用酸碱冲洗、消毒液、加热杀菌并在无菌室进行灭菌操作；虽然以上方法对于控制浓差极化和膜污染等膜分离过程以及防止微生物污染有一定效果。但是，提高流速和设置湍流器，流体剪切力加剧，会导致生物制品的活性降低，影响产率；新型膜合成和膜改性需要使用新的原料或添加剂，这些涉及膜稳定性、材料的安全性、合成路线和成本等问题；而超滤过程需要在比较严格的无菌条件下进行。因而，在实际应用中受到一定限制。

本发明的目的就是为了克服和解决现有粘多糖膜分离技术中存在严重的膜污染和浓差极化现象以及料液细菌污染等问题，研究发明一种采用直流电场使产生浓差极化和膜污染的带负电粘多糖粒子产生背向膜面的运动，减少其在膜面上的沉积，从而控制膜分离过程的浓差极化和膜污染，在提高超滤膜分离性能的同时并对料液进行冷杀菌，从而延长膜的使用寿命，强化膜分离过程，实现粘多糖的高效率、高选择性的分离，建立粘多糖超滤浓缩分离与冷杀菌一体化系统及其方法。

本发明是通过下述技术方案来实现的：本发明的粘多糖超滤浓缩与杀菌一体化系统结构示意图如图1所示，图2是其超滤浓缩膜分离与冷杀菌一体化组件结构示意图，该系统由装有搅拌器1的料液槽11、恒温器12、蠕动泵或离心泵10、流量计9、超滤浓缩膜分离与冷杀菌组件4的进口压力表2、球形阀门3、5，膜分离与冷杀菌组件4的出口压力表6、料液罐7、调电压直流电源8共同连接构成，其相互连接关系为：装有搅拌器1的料液槽11安装于恒温器12内，蠕动泵或离心泵10分别通过管道分别与料液槽11及流量计9相连通或连接，膜分离与冷杀菌组件4的进口压力表2分别通过管道分别与流量计9、球形阀门3相连接或连通，球形阀门3分别通过管道分别与流量计9、膜分离与冷杀菌组件4相连通，球形阀门5分别通过管道分别与膜分离与冷杀菌组件4、料液槽11、膜分离与冷杀菌组件4的出口压力表6相连通或连接，料液罐7通过管道与膜分离与冷杀菌组件4相连接，调电压直流电源8通过电源线与膜分离与冷杀菌组件4相连接；其中：膜分离与冷杀菌组件4由上凹形板19与下凹板21通过螺钉压紧连接构成的超滤浓缩膜分离与冷杀菌室、密封圈20、阳极板22、阴极板23、超滤膜18共同连接构成，其相互位置连接关系为：阳极板22装置于上凹形板19顶部，阴极板装置于膜分离与冷杀菌室的中间部位，阳、阴极板通过螺钉固定压紧，密封圈20压接于上凹形板19与下凹形板21之间以起密封作用，超滤膜18装置于膜分离与冷杀菌室内阳极板22与阴极板23之间的中心位置，膜分离与冷杀菌室分别通过管道及处理液进口13、浓缩液出口14、膜透过液出口15分别与球形阀门3、球形阀门5、料液罐7相连通，阳极板22及阴极板23分别通过电源导线及其阳极板导线接口16、阴极板导线接口17与调压直流电源8相连接。

本发明的方法方案为：通过直流电场或脉冲电场对分离物系中电荷粒子的电场作用力、对带大量负电荷的粘多糖进行有选择、高效地浓缩分离，并利用电场控制荷负电膜的截留和分离粘多糖以获得不同分子量的粘多糖；其实质是将电场和流体力场有机地结合起来，利用电场对带电荷沉积物的排斥力和流体力场的冲洗作用，减少粘多糖在分离膜上的污染和浓差极化现象，增加膜分离过程的膜通量，提高分离效率；为此设计出一种高效、分离与杀菌一体化、可同时控制超滤浓缩分离与杀菌过程的粘多糖连续分离系统；其工艺步骤如下：(1)开启料液槽恒温器，引入重量百分比浓度为0.5～2％的粘多糖溶液，然后以60～120转/分的搅拌速度开始搅拌，并且在20～50℃温度下恒温15～30分钟；(2)全部开启超滤回流阀门，开动蠕动泵或离心泵，处理液流速达到恒定值，并使超滤膜内外压力差为零，即使整个系统达到全回流状态；(3)缓慢关闭回流阀门，使超滤膜分离与冷杀菌一体化组件的进口压力差逐渐升高到0.05～0.3MPa，并维持膜内外压力差恒定；(4)施加电场强度为90～350V/cm的直流电压给超滤分离系统，强化膜分离过程，并对分离体系进行冷杀菌；(5)当粘多糖超滤膜分离浓缩和冷杀菌完毕后，首先关闭进行冷杀菌和分离强化的直流电场；然后，完全开启回流阀门，解除超滤膜内外的压力差；最后，关闭蠕动或离心泵和料液槽恒温器；其中：①超滤膜可以是聚醚砜膜(PES)、聚丙烯腈膜(PAN)、磺化高分子合金(SPK)、荷负电丙烯三元共聚膜等，截流分子量为10000～20000；②处理料液为：采用蛋白酶降解法提取的鲨软骨粗粘多糖，重量百分比浓度为0.5～2％，pH为7.0，电导率为1.0～13.8mS；③操作条件为：电场强度E＝0～350V/cm；膜两侧压力P＝0.05～0.3MPa；温度T＝20～50℃；料液流量300～900mL/min。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：(1)在膜分离粘多糖中引入电场技术，利用电场对带负电荷粘多糖的作用，选择性地截留粘多糖，根据分离组分的电学性质不同进行快速分离其它电中性的杂质，使膜通量增加2～4倍，截留率达到95％以上，达到高效分离粘多糖的目的；(2)采用错流流动方式造成一定的湍流状态，对沉积在膜表面上的污染物质能产生冲洗作用，减轻膜污染和浓差极化现象；(3)利用电场强化膜分离过程的同时，能够对分离体系进行有效地冷杀菌，杀菌率达到95％以上，实现分离与杀菌一体化；(4)可及时检测一些影响分离的主要因素，如温度、膜压力、料液浓度、电场强度等，有利于最佳分离条件的控制；(5)采用全封闭式设计，减少水分蒸发与污染；(6)本发明的一体化装置结构简单，能耗低，应用范围广，易于大规模生产。

下面对说明书附图进一步说明如下：图1是本发明的粘多糖超滤浓缩分离与冷杀菌一体化系统结构示意图；图2是其超滤浓缩膜分离与冷杀菌一体化组件结构示意图；图3是不同粘多糖浓度下不同电场强度对粘多糖超滤膜通量的影响曲线图；图4是温度30℃、压力差0.1MPa、料液流量550ml/min条件下不同电场强度对不同浓度粘多糖超滤截留量的影响曲线图；图5是粘多糖浓度1％，压力差0.12MPa、温度30℃、料液流量550ml/min条件下有电场和无电场情况下超滤浓缩分离粘多糖膜通量对比曲线图；图6是粘多糖浓度1％、压力差0.12MPa、温度36℃、料液流量550ml/min条件下，不同电场作用下超滤浓缩分离粘多糖的截留率的变化曲线图。图中：1为搅拌器，2、6分别为膜分离与冷杀菌一体化组件的进口、出口压力表，3、5为球形阀门，4为膜分离与冷杀菌一体化组件，7为料液罐，8为可调电压直流电源，9为流量计，10为蠕动泵或离心泵，11为料液槽，12为恒温器，13为处理液进口，14为浓缩器出口，15为膜透过液出口，16为阳极板导线接口，17为阴极板导线接口，18为超滤膜，19、21分别为构成超滤浓缩膜分离与冷杀菌室的上、下凹形板，20为密封圈，22为阳极板，23为阴极板。

本发明实施方式可为如下：(1)按图2所示，设计、加工制造膜分离与冷杀菌组件，其中：上、下凹形板19、21可选用有机玻璃板用机加工方法加工而成；密封圈20可选标准橡胶密封圈；阳极板22、阴极板23可选用镀钛板和不锈钢材料用机械加工方法加工而成；超滤膜18可选用截留分子量为20000的PES膜；然后按上面说明书所述的膜分离与冷杀菌组件的相互位置及连接关系用不锈钢螺钉压紧进行安装连接，便能实施制成膜分离与冷杀菌组件；(2)按图1所示，设计、加工、制造、选购本系统的部件，例如：搅拌器1可选用搅拌速度为30～150rPm/min的搅拌器；料液槽11可选用工程塑料压塑或注塑而成或用不锈钢材机加工而成；恒温器12可选用LB801型超级恒温器；蠕动泵10可选用RP-1型不锈钢滚动血泵，流量计9可选用LZB-10F型转子流量计；压力表2、6可选用0～0.5MPa气体压力表；球形阀门可选用符合要求的标准不锈钢球形阀门；直流电源8可选调压范围0～500V的调压直流电源，然后按上面书所述的连接关系用优质胶管进行安装连接，便能较好地实施本发明的粘多糖超滤浓缩分离与杀菌一体化系统(装置)。发明人经过多年的研制和试验，发明了本发明的方法及工艺步骤，只要按上面说明书所述的方法方案及工艺步骤逐步操作进行，便能较好地实施本发明。发明人有很多成功的实施例，下面仅举几个加以说明。

实施例1：

采用上述实施方式制成的有机玻璃作成的平板超滤分离和冷杀菌一体化(装置)，超滤膜是截留分子量为20000的PES膜，以鲨软骨粘多糖为对象进行超滤浓缩分离和杀菌试验。为了保持处理料液浓度恒定，开展全循环超滤试验，分别进行膜通量、截留率和杀菌率的测定；实验采取以下操作条件：温度为30℃，粘多糖浓度0.5～1.5％，流量550ml/min，压力差0.1MPa、电场强度范围0～180V/cm；膜通量J用单位时间内通过单位膜面积的透过液量表示，即：膜通量J＝透过液体积/膜有效面积/超滤时间；截留率R指膜阻止料液中粘多糖通过或截留粘多糖的能力，通常定义为截留率R＝(1-透过液浓度/进料液浓度)×100％；在固定操作使用压力差0.1MPa、温度30℃和进料流量550mL/min条件下，本实施例研究了进料粘多糖浓度对电场作用下超滤膜通量的影响，其结果如图3所示。从图3曲线可见：超滤过程中膜通量与膜面粘多糖浓度有关，进料浓度越高，以膜为界面所产生的渗透压力越大，压力方向与透过推动力方向相反，因而会有较低的膜通量；当施加电场时，膜面沉积的粘多糖会产生电泳作用，向主体溶液运动，减轻膜污染和浓差极化，加上膜孔内的液体电渗作用，可以增加膜通量。电泳和电渗作用随电场强度提高而提高，降低膜面浓度，从而减小以膜为界面所产生的渗透压力。

电场对粘多糖超滤截留率的影响的试验结果由图4表示。从图4可见，电场可以明显提高截留率，粘多糖的截留率都可以达到95％以上。在进料浓度高时，超滤膜截留多糖大分子的能力好，这主要与高进料浓度时膜面会堆积较厚的大分子和胶体物质有关；粘多糖在电场作用下产生电动现象，导致背离膜表面的运动，能够被拉向主体溶液，因而可以根据电场强度控制粘多糖的电泳作用，利用粘多糖和其它组分的电化学性质不同，有效地分离粘多糖和其它组分；粘多糖分离体系中暴露空气中一段时间，使体系污染一定细菌。通过粘多糖超滤分离与冷杀菌一体化装置进行三次杀菌实验，利用平板记数法测定的细菌个数取平均值，平均致死率通过方程[(1-处理后平均残留细菌数/处理前细菌数)×100]计算得出。粘多糖超滤分离与杀菌一体化系统的杀菌效果如表1所示。从表1可见，电场强度越大，细菌致死率越高，杀菌效果越好。当电场强度达到60V/cm时，细菌致死率可达到97％以上。

表1

电场强度(V/cm)	超滤时间(min)	平均残留细菌数(个/ml)	平均致死率(％)
				0	20	4.6×103	0
30	20	750	83.7
				60	20	130	97.2
90	20	80	98.3
				120	20	70	98.5
150	20	30	99.3
				180	20	20	99.6

实施例2：

对于浓度为1％的鲨软骨粘多糖处理料液，采取同实施例1同样的超滤浓缩分离与杀菌一体化装置进行处理，操作条件为：压力差0.12MPa、流量550mL/min、温度30℃和时间70min时，电场强度分别采用E＝0V/cm和E＝90V/cm进行超滤浓缩鲨软骨粘多糖，进行粘多糖的膜通量，膜截留率和细菌含量的测定，结果参见图5、图6和表2。从图5曲线可以知道，膜通量随超滤过程的进行不断下降，但是外加电场(E＝90V/min)超滤膜通量从进行浓缩分离开始，一直优于无电场(E＝0V/min)作用下的情况。在开始操作5min后，电场作用下超滤膜通量是E＝0V/min时操作的1.25倍，70min后是E＝0V/min时操作的1.91倍；当多糖溶液体积浓缩到3/4时，电场作用超滤只需要30min左右，而未加电场却需要70min，效率提高2.3倍，而此时的膜通量是未加电场的2.4倍，继续保持较高的超滤水平。可见，电场可以显著增加超滤浓缩分离粘多糖的膜通量，有效地减轻膜污染和浓差极化，控制超滤过程中的膜污染和浓差极化，极大地提高膜分离效率。

图6是电场作用下超滤浓缩分离粘多糖的截留率变化过程，截留率都随超滤时间的延长而提高，但是，电场作用下一直保持较高的截留率，在30min后的稳定状态，能够保持在95％以上。这说明，电场对超滤能够选择性地截留带负电荷的粘多糖，具有很好的浓缩粘多糖的特点。

在以上经过膜分离的样品在冰箱中贮藏100天，分别进行感官品质和细菌含量测量，其结果如表2所示。

表2

表2是经过超滤分离和冷杀菌处理后在0℃储藏100天后，粘多糖的浓缩液和透过液的细菌污染情况和感官品质。从表2可见，在超滤浓缩鲨软骨粘多糖时，施加外加电场(电场强度E＝90V/cm)时，能够有效地杀灭细菌，即使在0℃存放100天后，也能使粘多糖产品保持良好的外观品质和卫生指标。可见，超滤能够浓缩分离粘多糖，而电场强化超滤浓缩分离鲨软骨粘多糖过程，不仅能够显著增加膜通量、有效地降低膜污染和浓差极化，而且可以选择性地、高效地截留粘多糖，除去小分子的杂质，并能够杀灭细菌，实现分离与冷杀菌一体化。

Claims (3)

1、一种粘多糖超滤浓缩分离与杀菌一体化系统，其特征在于：它由装有搅拌器(1)的料液槽(11)、恒温器(12)、蠕动泵或离心泵(10)、流量计(9)、超滤浓缩膜分离与冷杀菌组件(4)的进口压力表(2)、球形阀门(3)、(5)，膜分离与冷杀菌组件(4)的出口压力表(6)、料液罐(7)、调电压直流电源(8)共同连接构成，其相互连接关系为：装有搅拌器(1)的料液槽(11)安装于恒温器(12)内，蠕动泵或离心泵(10)分别通过管道分别与料液槽(11)及流量计(9)相连通或连接，膜分离与冷杀菌组件(4)的进口压力表(2)分别通过管道分别与流量计(9)、球形阀门(3)相连接或连通，球形阀门(3)分别通过管道分别与流量计(9)、膜分离与冷杀菌组件(4)相连通，球形阀门(5)分别通过管道分别与膜分离与冷杀菌组件(4)、料液槽(11)、膜分离与冷杀菌组件(4)的出口压力表(6)相连通或连接，料液罐(7)通过管道与膜分离与冷杀菌组件(4)相连接，调电压直流电源(8)通过电源线与膜分离与冷杀菌组件(4)相连接。

2、按权利要求书1所述的一种粘多糖超滤浓缩分离与杀菌一体化系统，其特征在于所述的膜分离与冷杀菌组件(4)由上凹形板(19)与下凹形板(21)通过螺钉压紧连接构成的超滤浓缩膜分离与冷杀菌室、密封圈(20)、阳极板(22)、阴极板(23)、超滤膜(18)共同连接构成，其相互位置连接关系为：阳极板(22)装置于上凹形板(19)顶部，阴极板装置于膜分离与冷杀菌室的中间部位，阳、阴极板通过螺钉固定压紧，密封圈(20)压接于上凹形板(19)与下凹形板(21)之间以起密封作用，超滤膜(18)装置于膜分离与冷杀菌室内阳极板(22)与阴极板(23)之间的中心位置，膜分离与冷杀菌室分别通过管道及处理液进口(13)、浓缩液出口(14)、膜透过液出口(15)分别与球形阀门(3)、球形阀门(5)、料液罐7相连通，阳极板(22)及阴极板(23)分别通过电源导线及其阳极板导线接口(16)、阴极板导线接口(17)与调压直流电源(8)相连接。

3、一种利用权利要求1或2的系统使粘多糖超滤浓缩分离与杀菌一体化的方法，其特征在于：它是通过直流电场或脉冲电场对分离物系中电荷粒子的电场作用力、对带大量负电荷的粘多糖进行有选择、高效地浓缩分离，并利用电场控制荷负电膜的截留和分离粘多糖以获得不同分子量的粘多糖；其实质是将电场和流体力场有机地结合起来，利用电场对带电荷沉积物的排斥力和流体力场的冲洗作用，减少粘多糖在分离膜上的污染和浓差极化现象，增加膜分离过程的膜通量，提高分离效率；为此设计出一种高效、分离与杀菌一体化、可控制超滤浓缩分离与杀菌过程的粘多糖连续分离系统；其工艺步骤如下：(1)开启料液槽恒温器，引入重量百分比浓度为0.5～2％的粘多糖溶液，然后以60～120转/分的搅拌速度开始搅拌，并且在20～50℃温度下恒温15～30分钟；(2)全部开启超滤回流阀门，开动蠕动泵或离心泵，处理液流速达到恒定值，并使超滤膜内外压力差为零，即使整个系统达到全回流状态；(3)缓慢关闭回流阀门，使超滤膜分离与冷杀菌一体化组件的进口压力差逐渐升高到0.05～0.3MPa，并维持膜内外压力差恒定；(4)施加电场强度为90～350V/cm的直流电压给超滤分离系统，强化膜分离过程，并对分离体系进行冷杀菌；(5)当粘多糖超滤膜分离浓缩和冷杀菌完毕后，首先关闭进行冷杀菌和分离强化的直流电场；然后，完全开启回流阀门，解除超滤膜内外的压力差；最后，关闭蠕动或离心泵和料液槽恒温器；其中：①超滤膜是聚醚砜膜、聚丙烯腈膜、磺化高分子合金、荷负电丙烯三元共聚膜，截流分子量为10000～20000；②处理料液为：采用蛋白酶降解法提取的鲨软骨粗粘多糖，重量百分比浓度为0.5～2％，pH为7.0，电导率为1.0～13.8mS；③操作条件为：电场强度E＝0～350V/cm；膜两侧压力P＝0.05～0.3MPa；温度T＝20～50℃；料液流量300～900mL/min。

Images