农作物秸秆低聚木糖膜分离纯化和浓缩的研究

【摘要】：在低聚木糖的制备过程中,木聚糖经酶水解后,得到的酶解液除含低聚木糖外,还含酶蛋白、木质素、色素、无机盐等杂质,影响产品感官品质,传统纯化方法如离子交换色谱法周期长、成本高而且操作复杂；酶解液经脱色脱盐后,得到的低聚木糖液浓度低,需进行浓缩才能作为商品出售。工业常用的真空浓缩法蒸汽消耗大、成本高、操作复杂且高温易使产品色泽加深。 本论文针对上述不足,采用膜分离中试实验设备,致力于超滤、纳滤、反渗透等膜技术纯化和浓缩低聚木糖的工艺研究,建立相关膜通量模型,并对膜清洗和膜通量恢复进行了初步研究,以期为高品质低聚木糖产品的工业开发和应用提供理论指导。 实验以秸秆木聚糖酶酶解液为原料,通过探索料液浓度、操作压力、温度、pH等工艺参数对膜通量、蛋白和木质素去除率、总糖转移率、超滤液的透光率和脱色率的影响,得到秸秆酶解液超滤纯化的最佳工艺条件为：料液浓度2.00-2.37°Bx、操作压力0.18MPa、温度25-35℃、pH为7。在此条件下,控制料液浓度2.24°Bx、温度25℃,经21min左右后膜通量基本稳定,由216.8L·m-2·h-1降至137.6L·m-2·h-1。超滤工艺使料液固形物含量由2.24°Bx降至1.75°Bx,总糖转移率90.1%,蛋白去除率67.9%,木质素去除率67.8%,透光率由75.7%提高到93.7%,脱色率80.6%。超滤透过液脱色效果显著,且较原液更澄清透亮。通过考察不同料液浓度和压力差下秸秆木聚糖酶酶解液的超滤膜通量变化,基于阻力叠加模型,建立了超滤膜通量模型,其平均偏差率低于1%,能很好地预测不同操作条件下的膜通量。 实验进行了纳滤膜和反渗透膜的纯水透过通量、除盐及浓缩性能的比较研究,确定纳滤在分离浓缩效率和操作成本上均优于反渗透。通过探索料液浓度、操作温度、压力、膜进口料液流量等工艺参数对纳滤膜通量的影响,并进行响应面优化,得到低聚木糖稀溶液纳滤浓缩的最佳膜分离性能工艺条件为：温度42℃、膜进口料液流量1290L/h、操作压力0.85MPa,此条件下实际膜通量为33.20L.m-2·h-1,与响应面预测值33.79L·m-2·h-1基本相符,所建立的二次回归模型很好地预测实验结果。在此条件下,浓缩初始可溶性固形物含量为2°Bx的低聚木糖稀溶液,经23min可将其浓缩至7.64°Bx,浓度提高近4倍。通过考察不同料液浓度和压力差下低聚木糖稀溶液的纳滤膜通量变化,基于经典的膜分离模型,建立了纳滤膜通量模型,其预测值与实验值相关系数达0.9937,能很好地预测实验结果。 通过比较不同清洗剂的清洗效果,得到超滤采用0.1%三聚磷酸钠与0.025%十二烷基苯磺酸钠复合清洗剂,清洗效果最好,膜纯水通量恢复率达99.6%。纳滤采用0.2%HCl溶液,清洗效果最好,膜纯水通量恢复率达97.9%。 【关键词】：低聚木糖 膜分离 纯化 浓缩
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 文献综述10-21
• 1.1 低聚木糖研究概况10-14
• 1.1.1 低聚木糖的组成、分子结构及应用10-11
• 1.1.2 低聚木糖的制备、分离纯化及浓缩方法11-14
• 1.2 膜分离技术在低聚木糖分离纯化和浓缩中的应用14-19
• 1.2.1 膜分离技术简介14-16
• 1.2.2 超滤在低聚木糖分离纯化中的应用16-18
• 1.2.3 纳滤在低聚木糖浓缩中的应用18-19
• 1.3 本课题的研究意义、方法、内容和创新之处19-21
• 1.3.1 研究意义19-20
• 1.3.2 研究方法20
• 1.3.3 研究内容20
• 1.3.4 创新之处20-21
• 第二章 实验材料与方法21-30
• 2.1 材料与仪器21-23
• 2.1.1 实验原料与试剂21-22
• 2.1.2 实验仪器22-23
• 2.1.3 实验膜分离装置示意图23
• 2.2 主要测定方法23-30
• 2.2.1 料液主要成分的测定23-25
• 2.2.2 料液的性质表征25-30
• 第三章 超滤分离纯化秸秆酶解液的工艺研究30-45
• 3.1 引言30
• 3.2 超滤膜过滤工艺的研究30-31
• 3.2.1 超滤工艺参数的确定30-31
• 3.2.2 膜清洗与膜通量恢复31
• 3.3 结果与讨论31-43
• 3.3.1 秸秆木聚糖酶酶解液主要成分分析31-32
• 3.3.2 超滤膜及膜组件的选择32-33
• 3.3.3 超滤工艺参数的确定33-41
• 3.3.4 最优化设计41-42
• 3.3.5 膜清洗与膜通量恢复42-43
• 3.4 本章小结43-45
• 第四章 超滤膜通量模型的建立45-58
• 4.1 引言45-46
• 4.2 秸秆酶解液超滤过程的控制46
• 4.3 超滤膜污染机理分析46
• 4.3.1 超滤分离机理46
• 4.3.2 超滤膜污染机理46
• 4.4 超滤膜通量模型46-57
• 4.4.1 超滤膜通量模型的建立46-48
• 4.4.2 超滤膜通量模型的假设48-49
• 4.4.3 超滤膜通量模型的求解49-56
• 4.4.4 超滤膜通量模型的检验及修正56-57
• 4.5 本章小结57-58
• 第五章 膜分离浓缩秸秆低聚木糖液的工艺研究58-75
• 5.1 引言58
• 5.2 膜分离浓缩工艺的研究58-60
• 5.2.1 纳滤和反渗透浓缩法的选择58-59
• 5.2.2 纳滤工艺参数的确定59-60
• 5.2.3 膜清洗与膜通量恢复60
• 5.3 结果与讨论60-73
• 5.3.1 纳滤和反渗透浓缩法的选择60-63
• 5.3.2 纳滤工艺参数的确定63-71
• 5.3.3 最优化设计71-72
• 5.3.4 膜清洗与膜通量恢复72-73
• 5.4 本章小结73-75
• 第六章 纳滤膜通量模型的建立75-81
• 6.1 引言75
• 6.2 低聚木糖稀溶液纳滤过程的控制75
• 6.3 纳滤分离机理与模型75-76
• 6.3.1 纳滤分离机理75
• 6.3.2 纳滤分离模型75-76
• 6.4 纳滤膜通量模型76-80
• 6.5 本章小结80-81
• 第七章 结论81-83
• 致谢83-84
• 参考文献84-91
• 攻读学位期间的研究成果91

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