黃 洲，繆冶煉，陳介余，李文莉

(1.南京工業(yè)大學(xué)食品與輕工學(xué)院，南京211800； 2.日本秋田縣立大學(xué)生物資源學(xué)部，秋田0100195)

溶液中木質(zhì)素和葡萄糖的超濾分離

黃 洲1，繆冶煉1，陳介余2，李文莉1

(1.南京工業(yè)大學(xué)食品與輕工學(xué)院，南京211800； 2.日本秋田縣立大學(xué)生物資源學(xué)部，秋田0100195)

以木質(zhì)素和葡萄糖的混合溶液為木質(zhì)纖維素水解液模型，采用截留相對(duì)分子質(zhì)量為5 000的卷式聚醚砜膜對(duì)葡萄糖和木質(zhì)素進(jìn)行全回流模式的分離，探討了木質(zhì)素和葡萄糖濃度、操作壓力、錯(cuò)流速率對(duì)通量、木質(zhì)素和葡萄糖截留率的影響。結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，通量隨葡萄糖濃度和木質(zhì)素濃度的增加而降低，并隨操作壓力、錯(cuò)流速率的增加而增加。木質(zhì)素截留率不受任何條件的影響，基本穩(wěn)定在97%。葡萄糖截留率隨木質(zhì)素濃度的增加而增加，并隨錯(cuò)流速率的增加而減小。在0.8 g/L的木質(zhì)素質(zhì)量濃度條件下，當(dāng)錯(cuò)流速率從0.12 m/s增加到0.17 m/s時(shí)，葡萄糖截留率從14%減小到7.3%。由此可見(jiàn)，在混合溶液的超濾過(guò)程中，通過(guò)合理選擇錯(cuò)流速率，能夠改善木質(zhì)素和葡萄糖的分離。

酶解；葡萄糖；木質(zhì)素；木質(zhì)纖維素；膜分離

預(yù)處理和水解是以木質(zhì)纖維素材料為原料生產(chǎn)生物乙醇的主要操作步驟。然而，在預(yù)處理和水解過(guò)程中，可溶性木質(zhì)素會(huì)進(jìn)入水解液，對(duì)發(fā)酵微生物產(chǎn)生毒性，影響木質(zhì)纖維素水解液的發(fā)酵效率[1]。在發(fā)酵前需除去可溶性木質(zhì)素的方法有活性炭吸附法[1]、過(guò)量石灰澄清法[2-3]、離子交換樹(shù)脂法[4]及酶解法等[5]。本研究中筆者提出通過(guò)膜分離去除木質(zhì)纖維素水解液中木質(zhì)素，與現(xiàn)有方法相比，膜分離法具有對(duì)木質(zhì)素成分的依賴(lài)性低、不會(huì)產(chǎn)生后續(xù)的毒性物質(zhì)、處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

造紙黑液呈強(qiáng)堿性，木質(zhì)素和固形物含量高。在對(duì)黑液的膜分離中，通量、固形物和木質(zhì)素截留率受到膜的材料和截留相對(duì)分子質(zhì)量[6-7]、黑液的木質(zhì)素[6]和固形物含量[7-8]、操作溫度[8]和壓力[7-8]等因素的影響。而木質(zhì)纖維素水解液與造紙黑液的性質(zhì)有很大區(qū)別。首先，兩者的主要成分不同。木質(zhì)纖維素水解液主要含有葡萄糖、木糖和阿拉伯糖等還原糖，而造紙黑液主要含有木質(zhì)素和固形物；其次，木質(zhì)纖維素水解液與造紙黑液中木質(zhì)素的相對(duì)分子質(zhì)量不同。木質(zhì)纖維素水解液中的木質(zhì)素質(zhì)量濃度小于1 g/L，而造紙黑液中的木質(zhì)素質(zhì)量濃度可達(dá)到5～60 g/L[9]?？扇苄阅举|(zhì)素的相對(duì)分子質(zhì)量隨木質(zhì)纖維素材料、提取方法和條件不同而變化[10-12]。木質(zhì)纖維素水解液的性質(zhì)必然影響其中還原糖和木質(zhì)素的分離過(guò)程和效果。

Toledano等[11]比較了截留相對(duì)分子質(zhì)量為5 000、10 000和15 0000的陶瓷膜對(duì)造紙黑液木質(zhì)素(重均相對(duì)分子質(zhì)量和數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量分別為5 654、1 879)的分離性能。木質(zhì)纖維素水解液中的還原糖主要為葡萄糖、木糖和阿拉伯糖，其質(zhì)量濃度分別為8.9、4.7和0.3 g/L[13]，相對(duì)分子質(zhì)量分別為180、150和150 。木質(zhì)素和還原糖的相對(duì)分子質(zhì)量相差較大，為膜分離提供了技術(shù)依據(jù)。

筆者為了把握木質(zhì)纖維素水解液中木質(zhì)素和還原糖的膜分離特性，以木質(zhì)素和葡萄糖的混合溶液為木質(zhì)纖維素水解液模型，采用截留相對(duì)分子質(zhì)量為5 000的卷式聚醚砜膜對(duì)葡萄糖和木質(zhì)素進(jìn)行分離，以期探討木質(zhì)素和葡萄糖濃度、操作壓力、錯(cuò)流速率對(duì)通量、木質(zhì)素和葡萄糖截留率的影響。

1 材料與方法

1.1 木質(zhì)素和葡萄糖的混合溶液

在5 L純水中加入一定量的木質(zhì)素(日本關(guān)東化學(xué)株式會(huì)社)和葡萄糖(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，制備木質(zhì)素和葡萄糖的混合溶液?；旌先芤旱哪举|(zhì)素質(zhì)量濃度為0～1.6 g/L，葡萄糖質(zhì)量濃度為2～15 g/L。

木質(zhì)素的相對(duì)分子質(zhì)量(Mr)采用凝膠滲透色譜法測(cè)定[14]。取木質(zhì)素0.1 g，用0.1 mol/L 磷酸鹽緩沖液(pH 6.0)定容至100 mL，制備出質(zhì)量濃度為1 g/L的木質(zhì)素溶液。取木質(zhì)素溶液1 mL，用0.22 μm微濾膜過(guò)濾后，取20 μL上樣分析。利用上海曦玉分析儀器科技有限公司XY100型GPC-凝膠滲透色譜系統(tǒng)及色譜儀進(jìn)行分析。檢測(cè)器為XY100型UV紫外檢測(cè)器、檢測(cè)波長(zhǎng)為220 nm，分離柱為凝膠滲透色譜柱(7.8 mm×30 cm，SEC-150)，流動(dòng)相為0.1 mol/L 磷酸鹽緩沖液，標(biāo)準(zhǔn)試樣為聚氧化乙烯，流動(dòng)相流速為0.6 mL/min，柱溫為40 ℃，柱壓為0.2 MPa。

圖1表示木質(zhì)素累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨相對(duì)分子質(zhì)量(lgMr)的變化。由圖1可知:木質(zhì)素的相對(duì)分子質(zhì)量分布范圍為350～34 000。相對(duì)分子質(zhì)量5 000時(shí)的累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50.3%。木質(zhì)素的重均相對(duì)分子質(zhì)量、數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量分別為6 858、2 370，比文獻(xiàn)[10]中芒草木質(zhì)素(通過(guò)7.5% NaOH、90 ℃、90 min處理得到)的重均相對(duì)分子質(zhì)量5 654、數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量1 879 稍大。兩者的多分散系數(shù)相近，在3左右。

圖1 木質(zhì)素累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨相對(duì)分子質(zhì)量的變化Fig.1 Change of the cumulative weight fraction with molecular weight of lignin

1.2 膜分離實(shí)驗(yàn)裝置

膜分離實(shí)驗(yàn)裝置主要由不銹鋼材質(zhì)原料罐、高壓柱塞泵(HYDRA-CELL，美國(guó)普菲克公司)、超濾膜組件、溫度表、壓力表、流量計(jì)、截留液和滲透液取樣口等部分組成。其中，原料罐的外徑為185 mm，內(nèi)徑為155 mm，高度為340 mm，高壓柱塞泵的最大流量為8.4 m3/h，最高壓力為7 MPa，超濾膜(PT1812C型，美國(guó)GE-Osmosis公司)的特性如表1所示。

表1 超濾膜的特性Table 1 Characteristics of the ultrafiltration membrane

注：以上數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)GE-osmosis公司。

操作溫度會(huì)改變?nèi)芤旱酿ざ龋瑥亩绊懲?，但?duì)截留率的影響很小[8,15]。本研究的主要討論內(nèi)容為木質(zhì)素和還原糖的超濾分離特性，因此選擇在室溫條件下進(jìn)行分離操作。原料罐采用夾層結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)中，向原料罐夾層中通入自來(lái)水，以維持料液溫度在室溫。

1.3 超濾

超濾前，首先測(cè)定膜的純水通量。向原料罐內(nèi)倒入純水5 L，在操作壓力0.6 MPa、室溫、錯(cuò)流速率0.12 m/s的條件下使純水在分離裝置內(nèi)循環(huán)。在穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)下，測(cè)定純水的流量。上述操作重復(fù)2次，取平均值。

排除原料罐中的純水，加入木質(zhì)素和葡萄糖的混合溶液5 L，采用全回流模式進(jìn)行分離。所謂全回流分離操作模式，就是混合溶液經(jīng)過(guò)高壓柱塞泵打入超濾膜組件中，流出的截留液和滲透液全部返回原料罐中，以保證原料罐中的混合溶液處于濃度穩(wěn)定狀態(tài)[16]。使混合溶液在一定的操作壓力和錯(cuò)流速率條件下運(yùn)行10 min后，測(cè)定滲透液和截留液的流量，取出滲透液5 mL和截留液5 mL作為木質(zhì)素和葡萄糖分析試樣。超濾中，混合溶液溫度一定(室溫)，操作壓力分別設(shè)定為0.2、0.4、0.6、0.8和1 MPa，錯(cuò)流速率分別設(shè)定為0.12、0.13、0.15、0.17、0.20和0.22 m/s。每個(gè)條件的分離操作重復(fù)2次，其測(cè)定取平均值。

超濾結(jié)束后，排出混合溶液，向料液罐內(nèi)裝入清洗液(三聚磷酸鈉5 g/L，十二烷基苯磺酸鈉2 g/L)5 L，運(yùn)行15 min，再用純水5 L運(yùn)行15 min，反復(fù)4～5次，以沖洗分離裝置。

通量(Jv)采用式(1)計(jì)算。

(1)

式中：Q為滲透液流量，L/h；S為膜的有效面積，m2。

木質(zhì)素或葡萄糖的截留率(R)采用式(2)計(jì)算。

(2)

式中:ρp為滲透液中木質(zhì)素或葡萄糖的質(zhì)量濃度，g/L；ρr為截留液中木質(zhì)素或葡萄糖的質(zhì)量濃度，g/L。

1.4 木質(zhì)素濃度的測(cè)定

木質(zhì)素濃度采用紫外分光光度法測(cè)定[1]。取測(cè)試液2 mL，在280 nm波長(zhǎng)處測(cè)定溶液的吸光值，并按照式(3)計(jì)算木質(zhì)素質(zhì)量濃度。

木質(zhì)素測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)曲線制作方法如下。準(zhǔn)確稱(chēng)取木質(zhì)素100 mg，用蒸餾水定容至500 mL，然后分別稀釋至質(zhì)量濃度0.012、0.018、0.024、0.030、0.036和0.042 g/L，作為標(biāo)準(zhǔn)溶液。采用紫外分光光度計(jì)(752S型紫外分光光度計(jì)，上海棱光技術(shù)有限公司)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液在280 nm處的吸光值A(chǔ)280。吸光值與木質(zhì)素質(zhì)量濃度的關(guān)系見(jiàn)式(3)：

(3)

式中:A280為吸光值；ρL為木質(zhì)素質(zhì)量濃度，g/L。

1.5 葡萄糖濃度的測(cè)定

葡萄糖濃度采用DNS法測(cè)定[17]。取測(cè)試液2 mL于試管中，加入3,5-二硝基水楊酸(DNS試劑)(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)2 mL，置于沸水浴中加熱10 min，冷卻后加蒸餾水20 mL。用快速混勻器(SK-1型，常州國(guó)華電器有限公司)將試管中的液體充分混勻，靜置30 min，在波長(zhǎng)540 nm處測(cè)定吸光值，并按照式(4)計(jì)算葡萄糖質(zhì)量濃度。

葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作方法如下：準(zhǔn)確稱(chēng)取干燥至恒質(zhì)量后的葡萄糖100 mg，加少量蒸餾水溶解后，以蒸餾水定容至100 mL，即含葡萄糖為1.0 mg/mL。分別取標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液0、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 mL于試管中，用蒸餾水補(bǔ)足至2 mL，加入DNS試劑2 mL。在沸水浴中加熱10 min，冷卻后加蒸餾水20 mL，用快速混勻器將試管中的液體充分混勻，靜置30 min。在波長(zhǎng)540 nm下測(cè)定其吸光值A(chǔ)540。吸光值與葡萄糖質(zhì)量濃度的關(guān)系見(jiàn)式(4)。

(4)

式中:A540為吸光值；ρg為葡萄糖質(zhì)量濃度，g/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 膜通量的穩(wěn)定性

每次對(duì)混合溶液進(jìn)行超濾前，在操作壓力0.6 MPa、錯(cuò)流速率0.12 m/s的條件下測(cè)定膜的純水通量，以檢驗(yàn)?zāi)ね康姆€(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知：膜的純水通量幾乎不變，維持在130 L/(m2·h)左右。這說(shuō)明每次清洗能使膜通量恢復(fù)到初始水平，從而保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性。

圖2 實(shí)驗(yàn)前超濾膜的純水通量Fig.2 Pure-water flux of ultrafiltration membrane before each test

2.2 分離過(guò)程中通量、截留率的變化

在操作壓力0.6 MPa、錯(cuò)流速率0.12 m/s的條件下對(duì)混合溶液(木質(zhì)素質(zhì)量濃度為0.8 g/L，葡萄糖質(zhì)量濃度為6 g/L)進(jìn)行分離，圖3表示分離過(guò)程中通量的變化。由圖3可知：通量初始值為131 L/(m2·h)，5～20 min后穩(wěn)定在108 L/(m2·h)。

圖3 分離過(guò)程中通量的變化Fig.3 Changes of flux during separation

膜分離的操作壓力和錯(cuò)流速率分別設(shè)定在0.6 MPa、0.12 m/s。圖4表示分離過(guò)程中木質(zhì)素和葡萄糖截留率的變化。由圖4可知：木質(zhì)素截留率隨時(shí)間的變化很小，基本穩(wěn)定在97%。葡萄糖的初始截留率為3.4%，5 min后基本穩(wěn)定在14%。因此，本研究在超濾10 min后取樣，再測(cè)定通量、木質(zhì)素和葡萄糖的濃度。

圖4 分離過(guò)程中木質(zhì)素和葡萄糖截留率的變化 Fig.4 Changes of retention of lignin and glucose during separation

2.3 木質(zhì)素和葡萄糖濃度的影響

圖5 木質(zhì)素和葡萄糖質(zhì)量濃度對(duì)通量的影響Fig.5 Effects of concentration of lignin and glucose on flux

圖5表示木質(zhì)素和葡萄糖濃度對(duì)通量的影響。膜分離的操作壓力和錯(cuò)流速率分別設(shè)定在0.6 MPa、0.12 m/s。由圖5可知：通量隨葡萄糖和木質(zhì)素濃度的上升而下降。葡萄糖質(zhì)量濃度為2 g/L、木質(zhì)素質(zhì)量濃度為0時(shí)，通量為113 L/(m2·h)。當(dāng)葡萄糖質(zhì)量濃度上升到15 g/L，木質(zhì)素質(zhì)量濃度上升到1.6 g/L時(shí)，通量下降到89 L/(m2·h)。通量下降的主要原因在于驅(qū)動(dòng)力降低和濃差極化。在同一操作壓力下，木質(zhì)素和葡萄糖濃度增加使膜兩側(cè)的滲透壓差增大，驅(qū)動(dòng)力降低。與此同時(shí)，木質(zhì)素濃度越高，在膜表面形成濃差極化阻力越大。經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，葡萄糖濃度對(duì)木質(zhì)素和葡萄糖截留率影響很小。因此，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，混合溶液的葡萄糖質(zhì)量濃度設(shè)定為6 g/L。

圖6表示木質(zhì)素濃度對(duì)木質(zhì)素和葡萄糖截留率的影響。膜分離的操作壓力和錯(cuò)流速率分別設(shè)定在0.6 MPa、0.12 m/s。由圖6可知：木質(zhì)素截留率不受木質(zhì)素濃度影響，基本穩(wěn)定在97%。本研究中50.3%木質(zhì)素的相對(duì)分子質(zhì)量小于5 000(圖1)，而大部分小于膜截留相對(duì)分子質(zhì)量的木質(zhì)素也被截留，其原因在于木質(zhì)素分子具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。在秸稈的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中愈創(chuàng)木酚基團(tuán)和紫丁基基團(tuán)含量最多。而愈創(chuàng)木酚基團(tuán)的空間結(jié)構(gòu)松散，紫丁香基基團(tuán)的空間結(jié)構(gòu)緊湊。Toledano等[11]和Alriols等[12]發(fā)現(xiàn)，用不同截留相對(duì)分子質(zhì)量的膜對(duì)木質(zhì)素分級(jí)時(shí)，低相對(duì)分子質(zhì)量組分中含有較多的紫丁香基基團(tuán)，高相對(duì)分子質(zhì)量組分中含有較多的愈創(chuàng)木酚基團(tuán)。此外，可溶性木質(zhì)素含有大量的酚羥基和醇羥基，通過(guò)氫鍵[17-18]結(jié)合，會(huì)形成更大的聚合物。

葡萄糖截留率受木質(zhì)素濃度的影響較大。當(dāng)木質(zhì)素質(zhì)量濃度從0增加到1.2 g/L時(shí)，葡萄糖截留率從4%上升到16%，但是當(dāng)木質(zhì)素質(zhì)量濃度大于1.2 g/L時(shí)，葡萄糖截留率基本穩(wěn)定。這是因?yàn)椴糠帜举|(zhì)素堵塞在膜孔內(nèi)，使膜孔空隙變小，造成部分葡萄糖被截留。此外，膜表面形成木質(zhì)素濃差極化層，其厚度會(huì)隨著木質(zhì)素濃度的增加而增加，使葡萄糖截留率增大。當(dāng)木質(zhì)素濃度達(dá)到一定程度后，濃差極化層厚度趨于穩(wěn)定，葡萄糖的截留率不再增加[18]。

圖6 木質(zhì)素濃度對(duì)木質(zhì)素和葡萄糖截留率的影響Fig.6 Effects of lignin concentration on retention of lignin and glucose

2.4 操作壓力和錯(cuò)流速率的影響

因?yàn)槌瑸V是一種壓力驅(qū)動(dòng)的過(guò)程，所以操作壓力在分離過(guò)程中扮演著重要的角色[17]。本研究在不同壓力下對(duì)混合溶液(葡萄糖質(zhì)量濃度為6 g/L，木質(zhì)素質(zhì)量濃度為0.4 g/L)進(jìn)行分離，考察了操作壓力對(duì)通量、木質(zhì)素和葡萄糖截留率的影響。

圖7、圖8分別表示操作壓力對(duì)通量和截留率的影響。其中，葡萄糖質(zhì)量濃度設(shè)定在6 g/L，木質(zhì)素質(zhì)量濃度設(shè)定在0.4 g/L，錯(cuò)流速率設(shè)定在0.12 m/s。由圖7可知：通量隨操作壓力的升高而呈線性增加。此時(shí)的膜分離中，滲透壓基本不變，因此驅(qū)動(dòng)力的增加與操作壓力的升高相一致[19]。在錯(cuò)流速率為0.12 m/s的條件下，當(dāng)操作壓力從0.2 MPa增加到1 MPa時(shí)，通量從33 L/(m2·h)增加到186 L/(m2·h)。由圖8可知：在0.2～1 MPa的操作壓力范圍內(nèi)，木質(zhì)素和葡萄糖的截留率基本不變，分別穩(wěn)定在97%、10%左右。

圖7 操作壓力對(duì)通量的影響Fig.7 Effects of applied pressure on flux

圖8 操作壓力對(duì)木質(zhì)素和葡萄糖截留率的影響Fig.8 Effects of applied pressure on retention of lignin and glucose

在操作壓力一定(0.6 MPa)、錯(cuò)流速率不同的條件下對(duì)混合溶液(葡萄糖質(zhì)量濃度為6 g/L，木質(zhì)素質(zhì)量濃度為0.8 g/L)進(jìn)行分離，測(cè)定通量、木質(zhì)素和葡萄糖的截留率。圖9表示錯(cuò)流速率對(duì)通量的影響。由圖9可知：當(dāng)錯(cuò)流速率從0.12 m/s增加到0.17 m/s時(shí)，通量從94 L/(m2·h) 增加到118 L/(m2·h)。當(dāng)錯(cuò)流速率大于0.17 m/s時(shí)，通量基本不變。由此可見(jiàn)，在一定范圍內(nèi)增加錯(cuò)流速率能夠減小膜表面的濃差極化，從而提高通量[17,20-21]。

圖9 錯(cuò)流速率對(duì)通量的影響Fig.9 Effect of crossflow velocity on flux

圖10表示錯(cuò)流速率對(duì)木質(zhì)素和葡萄糖截留率的影響。其中，葡萄糖質(zhì)量濃度設(shè)定在6 g/L，木質(zhì)素質(zhì)量濃度設(shè)定在0.8 g/L，操作壓力設(shè)定在0.6 MPa。由圖10可知：木質(zhì)素截留率在錯(cuò)流速率為0.12～0.22 m/s范圍內(nèi)基本不變，穩(wěn)定在97%。另一方面，在錯(cuò)流速率范圍0.12～0.17 m/s內(nèi)，葡萄糖截留率隨錯(cuò)流速率的增加而逐漸降低。在錯(cuò)流速率為0.12 m/s時(shí)，葡萄糖截留率為14%，當(dāng)錯(cuò)流速率大于0.17 m/s時(shí)，截留率保持穩(wěn)定在7.3%。

圖10 錯(cuò)流速率對(duì)木質(zhì)素和葡萄糖截留率的影響Fig.10 Effects of crossflow velocity on retention of lignin and glucose

一般來(lái)說(shuō)，膜表面的濃差極化和膜孔堵塞是葡萄糖被截留的主要原因。錯(cuò)流速率的增加可以減少濃差極化，從而降低葡萄糖截留率[17,20-21]。很明顯，錯(cuò)流速率的增加有助于提高處理能力，改善木質(zhì)素和葡萄糖的分離。

3 結(jié) 論

以木質(zhì)素和葡萄糖的混合溶液為木質(zhì)纖維素水解液模型，采用截留相對(duì)分子質(zhì)量為5 000的卷式聚砜膜對(duì)葡萄糖和木質(zhì)素進(jìn)行分離，在木質(zhì)素質(zhì)量濃度0～1.6 g/L、葡萄糖質(zhì)量濃度2～15 g/L、操作壓力0.2～1 MPa、錯(cuò)流速率0.12～0.22 m/s的范圍內(nèi)，分別探討了木質(zhì)素和葡萄糖濃度、操作壓力、錯(cuò)流速率對(duì)通量、木質(zhì)素和葡萄糖截留率的影響。

1) 通量隨葡萄糖濃度和木質(zhì)素濃度的增加而降低,隨操作壓力、錯(cuò)流速率的增加而增加。在葡萄糖質(zhì)量濃度6 g/L、木質(zhì)素質(zhì)量濃度0.8 g/L、操作壓力0.6 MPa的條件下，當(dāng)錯(cuò)流速率從0.12 m/s增加到0.17 m/s時(shí)，通量從94 L/m2·h 增加到118 L/(m2·h)。當(dāng)錯(cuò)流速率大于0.17 m/s時(shí)，通量不受錯(cuò)流速率的影響。

2)木質(zhì)素截留率不受木質(zhì)素和葡萄糖濃度、操作壓力、錯(cuò)流速率的影響，基本穩(wěn)定在97%。

3)葡萄糖截留率不受葡萄糖濃度、操作壓力的影響，隨木質(zhì)素濃度的增加而增加，并隨錯(cuò)流速率的增加而減小。在0.8 g/L的木質(zhì)素質(zhì)量濃度條件下，當(dāng)錯(cuò)流速率從0.12 m/s增加到0.17 m/s時(shí)，葡萄糖截留率從14%降到7.3%。當(dāng)錯(cuò)流速率大于0.17 m/s時(shí)，葡萄糖截留率不受錯(cuò)流速率的影響。

本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了采用截留分子相對(duì)質(zhì)量為5 000的卷式聚醚砜膜分離混合溶液中木質(zhì)素和葡萄糖的可行性，今后將以木質(zhì)纖維素水解液為對(duì)象，探討其中各成分對(duì)木質(zhì)素和還原糖分離的影響。

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(責(zé)任編輯 周曉薇)

Separation of lignin and glucose in solutions by ultrafiltration

HUANG Zhou1,MIAO Yelian1,CHEN Jieyu2,LI Wenli1

(1.College of Food and Light Industrial Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211800,China;2.Faculty of Bioresource Science,Akita Prefectural University,Akita 0100195,Japan)

Solutions of lignin and glucose were used as models of lignocellulose hydrolysates,and the lignin and the glucose were separated using a spiral-wound polyethersulfone membrane with a molecular weight cut-off of 5 000.The effects of lignin concentration and glucose concentration,applied pressure and crossflow velocity on solution flux,lignin retention and glucose retention were discussed.Under the experimental conditions,the solution flux decreased with increasing of glucose concentration and lignin concentration,and increased with increasing of applied pressure and crossflow velocity.The lignin retention was almost constant at 97%.The glucose retention increased with increasing of lignin concentration,and decreased with increasing of crossflow velocity.Under the condition of a lignin concentration at 0.8 g/L,the glucose retention decreased from 14% to 7.3% when the crossflow velocity increased from 0.12 m/s to 0.17 m/s.A suitable crossflow velocity could improve the ultrafiltration separation of the lignin and the glucose.

enzymatic hydrolysis;glucose;lignin;lignocellulose;membrane separation

10.3969/j.issn.1672-3678.2014.02.011

2012-11-19

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2009CB724700)

黃 洲(1986—)，男，江蘇常熟人，碩士研究生，研究方向：生物化工；繆冶煉(聯(lián)系人)，教授，E-mail：ylmiao@njtech.edu.cn

TK6

A

1672-3678(2014)02-0056-07