右旋糖酐(Dextran)亦称葡聚糖，是利用蔗糖分子中的葡萄糖单元经肠膜状明串珠菌发酵，使葡萄糖单元脱水聚合而成的一种高分子葡萄糖聚合物[1].右旋糖酐有增加血容量的作用,是目前公认的优良血浆代用品之一.此外，因其生物相容性好、安全、无毒，右旋糖酐还被广泛应用于食品和色谱分析等领域[2-4].

然而，由于右旋糖酐的分支结构多样且复杂，分子量分布较广，使用前需对其进行提纯.例如，在临床应用上，对右旋糖酐的纯度要求较高，如若所用的右旋糖酐纯度水平不够，会导致严重的临床副作用.因此，在右旋糖酐的生产过程中，对其的分离提纯至关重要[5-6].目前，国内分离右旋糖酐主要采用传统的乙醇沉淀法.该方法主要是将发酵液中的粗酐通过乙醇沉淀，以除去其中的副产物果糖和其它杂质.但使用该种方法，乙醇消耗量大，沉降时间长，且易造成副产物果糖的浪费，甚至还会造成环境污染[7-9].

按照实行最严格水资源管理制度的总体目标，水利部下达黄河流域重要水功能区水质达标率阶段控制指标为：2015年达到60%，2020年达到79%，2030年达到95%。全国重要水功能区水质监测覆盖率：2012年要达到60%，2015年达到80%。其中，省界监测覆盖率2012年要达到100%。

膜分离技术作为一种新型的分离技术，近年来发展迅速，因其分离效率高、操作方便、能耗低等特点已越来越多地被应用于右旋糖酐的分离纯化[9-13].陈山等[1]采用不同切割分子量的再生纤维素超滤膜成功对右旋糖酐进行分级分离精制.结果表明，采用多级超滤能更有效地控制右旋糖酐产品的分子质量分布，取代传统的分级乙醇沉淀法.郭振友等[8]采用超滤技术代替传统工艺中的乙醇沉淀粗酐的工序，此方法节约了大量的乙醇，同时回收了副产物果糖.花逾冬等[14]利用不同切割分子量的高分子膜分离相对分子质量差异较大的右旋糖酐聚合物和非聚合物，实现了右旋糖酐按不同分子量分布范围的分级和纯化,分级精度较传统醇沉工艺提高了1%.Pu等[15]采用多级超滤联合水洗分离精制右旋糖酐，结果表明,经过5次水洗后，得到了窄分子量分布(Mw≈35 000)的右旋糖酐，使得右旋糖酐的分子量分布更加集中.膜分离过程操作较为灵活，还可以与其它生产过程相结合，从而提高右旋糖酐的生产效率和产品品质.姜毅等[16]采用酶法耦合多级膜分离技术制备右旋糖酐，结果表明，发酵液经0.45 μm的微滤膜和切割分子量为100 000、50 000、30 000、10 000的超滤膜可分别获得符合药用级别要求的重均相对分子量为67 000、42 000、20 000的右旋糖酐产品.从上述研究可以看出，采用膜技术代替传统的乙醇沉淀法展现了良好的发展前景.然而，上述研究报道中应用于右旋糖酐分离纯化的多为有机膜材料，关于使用陶瓷膜分离纯化右旋糖酐的研究报道较少.且由于常规的有机膜材料与糖类物质之间具有较好的亲和性，膜污染问题仍没有得到较好的解决.相比于有机膜，陶瓷膜具有机械强度高、耐高温、使用寿命长、抗污染、易清洗等特点[17-18].本文采用自制的陶瓷超滤膜分离纯化右旋糖酐，主要研究了操作参数如压力、温度、膜面流速以及料液浓度等对陶瓷膜分离纯化右旋糖酐性能的影响，并对操作参数进行了优化,以期为陶瓷超滤膜在右旋糖酐分离的推广和规模化应用提供数据支撑.

1 实验部分

1.1 实验材料

实验用试剂如表1所示.

从图2中可以看出，陶瓷超滤膜的切割分子量约为2 700.根据PEG直径与分子量之间的关系，可计算超滤膜切割分子量对应的stocks尺寸，计算公式为[20]：

 

表1 实验试剂

 

Table 1 Experiment reagents

  

试剂名称规格生产厂家PEG10000CPSigma-AldrichPEG4000CPSigma-AldrichPEG1500CPSigma-AldrichPEG600CPSigma-AldrichDextran5ARAladdinFructoseARAladdinPurewater实验室自制(电导率<5μS/cm)

1.2 分析方法及仪器

实验过程：配制浓度为60 g/L，右旋糖酐与果糖质量比为1∶1的模拟右旋糖酐发酵液.采用实验室自制的错流过滤装置(如图1所示)，对模拟右旋糖酐发酵液进行分离.实验过程中，每隔10 min测定一次膜通量，稳定运行1 h后，分别取原料液和渗透液，采用凝胶色谱(GPC, Waters, Ultrahydrogel, USA)测定其中右旋糖酐和果糖的浓度.

克氏原螯虾(Procambarus clarkii)是我国主要淡水养殖品种。克氏原螯虾味道鲜美，是一种低脂肪、低胆固醇、高蛋白的健康食品。2016年我国克氏原螯虾养殖面积超过60万hm2，产量达89.91万t[1]。克氏原螯虾收获季节性极强，每年4—9月是克氏原螯虾收获的旺季，其他时间是克氏原螯虾收获的淡季。因此，针对克氏原螯虾需要解决的问题是发展一种新的冷冻保鲜技术，使克氏原螯虾在市场上能突破季节的限制，克氏原螯虾产业才可能获得更高的经济效益。

在料液溶度为60 g/L，其中右旋糖酐与果糖质量比为1∶1，温度为20 ℃，膜面流速为1.7 m/s的条件下，考察跨膜压差对膜通量和截留率的影响，结果如图4和图5所示.

  

图1 自制错流过滤装置图Fig.1 Schematic diagram of cross-flow filtration

渗透性能通过测定一定时间内渗透液的质量，然后根据式(1)计算得到.

运河引配水工程保证生产、生活用水，对杭州市经济发展有长期的正面影响。通过满足工业需水，促进工业经济增长；水质改善可以减少工业器械的腐蚀磨损，延长使用寿命，间接减少企业成本，减少资源浪费。保证农业灌溉用水及其水质，使农田增产，农作物保质，增加农民收入，促进农村经济发展。优质充足的水资源促进了杭州市以西湖为核心的旅游产业发展。旅游业的发展促进了交通、金融及服务业等的发展，使得杭州市财政收入增加，杭州市居民总体受益。

 

(1)

式中，J为渗透率，L/(m2·h·MPa)；m为渗透液质量，g；p为跨膜压差，MPa；ρ为水的密度，g/L；A为 膜面积，m2；t为操作时间，h.

式中，α为分离因子；Cp1和Cp2分别表示渗透侧右旋糖酐和果糖的浓度，mol/L；Cb1和Cb2分别表示原料侧右旋糖酐和果糖的浓度，mol/L.

 

(2)

式中，R为截留率,%；Cp为渗透侧溶质的浓度，mol/L；Cb为原料侧溶质的浓度，mol/L.

分离因子α可以根据式(3)计算得到[19].

(3)

截留率通过测定渗透液和原料液中溶质的含量，然后根据式(2)计算得到.

2 结果与讨论

2.1 陶瓷超滤膜表征

陶瓷超滤膜的表面和断面微结构如图3所示.从图中可以看出，陶瓷超滤膜表面光滑平整无缺陷，膜层结构清晰.过渡层和分离层厚度均匀，分离层平均膜厚约为1.5 μm，膜层与过渡层之间结合紧密.

  

图2 陶瓷超滤膜对PEG的截留性能曲线Fig.2 Retention of ceramic ultrafiltration membrane for PEG

通过BIM技术建立装配式建筑预制构件库的BIM模型，以数字和图形形式表示这些构件的信息，用BIM平台进行智能化控制：根据装配式建筑部品部件的用途和使用位置进行分类，统计数量和规格，逐步形成标准化的预制构件库[5]，为标准化设计积累素材。BIM技术还可通过可视化设计和信息化管理对装配式建筑中的预制构件进行精细化拆分设计，对预制构件的类型和数量进行优化设计。

 

(4)

在料液浓度为60 g/L，操作压力为0.3 MPa，膜面流速为1.7 m/s的条件下，考察温度对陶瓷膜分离右旋糖酐的影响.温度对膜通量的影响如图6所示.从图中可以看出，当温度从20 ℃升高至60 ℃，膜通量随温度的升高不断增加，当温度达到60 ℃时，膜通量增大至40 L/(m2·h).这主要是由于温度升高，一方面导致料液黏度减小，减小了液体在膜孔中的传质阻力；另一方面，温度升高增大了溶质的溶解度以及扩散系数，减少了浓差极化层厚度和传质阻力，最终使得膜通量增大[22-24].

综上，针对急性阑尾炎实施手术治疗的患者，在常规护理的同时实施心理护理进行干预，可有效改善患者的焦虑、抑郁情绪，效果较好，值得推广。

根据式(4)计算所得，ZrO2超滤膜切割分子量对应的Stocks-Einstein直径为2.6 nm.

  

图3 陶瓷超滤膜表面及断面微观形貌Fig.3 Micrographs of ceramic ultrafiltration membrane

实验采用单管陶瓷超滤膜，其顶层分离膜材料为ZrO2，外形尺寸为：外径=12 mm, 内径=8 mm，长度=110 mm.实验测出其纯水通量为375 L/(m2·h·MPa).陶瓷超滤膜对PEG的截留性能曲线如图2所示.

2.2 跨膜压差对右旋糖酐分离纯化的影响

采用场发射扫描电镜(FESEM,S4800,Hitach,Japan)表征膜层表面和断面的微观形貌；采用如图1所示自制的陶瓷膜性能测试装置进行陶瓷膜纯水渗透通量、PEG截留测试；采用凝胶色谱(GPC, Waters, Ultrahydrogel, USA)测定溶液中有机物含量.PEG溶液由相对分子量分别为600、1 500、4 000和10 000的PEG复配而成，总浓度为3 g/L.

  

图4 跨膜压差对陶瓷超滤膜渗透通量的影响Fig.4 Effect of transmembrane pressure on the flux of ceramic ultrafiltration membrane

  

图5 跨膜压差对右旋糖酐和果糖截留率的影响Fig.5 Effect of transmembrane pressure on the retention rate of dextran and fructose

从图4中可以看出，在同一压力下，膜通量均能快速达到平衡并保持稳定.因而，在后续实验中均取10 min时的膜通量作为设定测试条件下的参考通量.从图中还可以看出，膜通量随压力的升高而升高.当压力为0.1 MPa时，膜通量稳定在10 L/(m2·h)左右，当压力升高至0.5 MPa时，膜通量提高至32 L/(m2·h).这主要是由于，压力升高，提高了分离过程的驱动力，使得渗透通量增加.然而，膜通量并未随着跨膜压差的增加呈线性增加[21].这主要是由于，根据Darcy定律，膜通量可以由传质推动力和传质阻力的比值来表示.其中，传质推动力为跨膜压差，而传质阻力主要由两部分构成：膜材料阻力和浓差极化层/污染层阻力.膜通量随跨膜压差增大的同时也增加了膜表面的浓差极化程度，使得总传质阻力增加，抵消了部分跨膜压差的影响.

从图5中可以看出，当跨膜压差从0.1 MPa增大到0.3 MPa时，右旋糖酐的截留率不断增大；当跨膜压差进一步增加时，右旋糖酐的截留率保持在87%左右，变化不大.果糖的截留率随跨膜压差的增加略有提升，但总体变化不大.这主要是由于，中性物质透过陶瓷膜时存在两种过程：压力梯度下的对流过程和浓度梯度下的扩散过程.随着跨膜压差的升高，溶剂的透过率增加，对流作用增强使得截留率上升.进一步增大压力，膜通量升高，膜表面的浓差极化现象增强，扩散作用增加.当对流作用的效果与扩散作用的效果部分抵消时，截留率趋于平衡.当压力为0.3 MPa时，右旋糖酐与果糖的分离因子在7左右，此时右旋糖酐与果糖的分离效果最好.在实际生产中，过高的操作压力对设备要求较高，且会增加生产成本以及能耗，同时过高的跨膜压差会加剧膜表面的浓差极化现象.综合考虑陶瓷膜对右旋糖酐的截留性能和渗透性能的影响，选择0.3 MPa作为合适的操作压力.

2.3 温度对右旋糖酐分离纯化的影响

  

图6 温度对陶瓷超滤膜渗透通量及右旋糖酐溶液黏度的影响Fig.6 Effect of temperature on the flux of ceramic ultrafiltration membrane and the viscosity of the dextran solution

式中，r为PEG的Stocks-Einstein半径，Å；Mw为PEG的分子量.

考察温度对右旋糖酐及果糖截留率的影响，结果如图7所示.从图中可以看出，随着温度的升高，右旋糖酐的截留率不断下降，而果糖的截留率略有下降，但变化不大.这主要是由于，温度升高，溶质的扩散作用增强，溶质分子的透过率增加，截留率有所降低；此外，过高的操作温度会导致右旋糖酐的理化性质[24-25]发生改变.综合考虑温度对陶瓷膜分离右旋糖酐的截留率和渗透性能以及对溶液性质的影响，选择40 ℃作为合适的操作温度.

  

图7 温度对右旋糖酐及果糖截留率的影响Fig.7 Effect of temperature on the retention rate of dextran and fructose

2.4 膜面流速对右旋糖酐分离纯化的影响

在料液浓度为60 g/L，操作压力为0.3 MPa，温度为40 ℃条件下，考察膜面流速对陶瓷膜分离右旋糖酐的渗透性能和截留性能的影响.考察膜面流速对膜通量的影响，结果如图8所示.从图中可以看出，在一定的膜面流速范围内，膜面流速增加，膜通量略有增大.这是因为，膜面流速的增加，会减缓膜表面的浓差极化，减少料液组分对膜表面的污染程度，使得膜通量增大[26].

考察膜面流速对右旋糖酐和果糖的截留率的影响，结果如图9所示.从图中可以看出，当膜面流速从0.8 m/s增加到2.8 m/s时，右旋糖酐的截留率随着膜面流速的增加而增大，从80%增加到92%.这是由于膜面流速增加，使得膜面沉积物质被带走，浓差极化现象减弱，表观截留率增加.膜面流速增加，果糖截留率变化不大，稳定在1.5%左右.因而，适当提高膜面流速可以提升陶瓷超滤膜对右旋糖酐和果糖的分离因子.然而，过高的膜面流速提高了对设备的要求，增加操作成本.综合考虑，本文选择膜面流速为2.8 m/s作为合适的膜面流速.

当前，全球蜜蜂总量在急速下降，保护蜜蜂刻不容缓。不少企业也投入到保护蜜蜂的行动中。据先正达中国大区总裁顾思锐介绍，作为绿色增长计划的重要内容之一，先正达在过去三年中，与中国农科院蜜蜂研究所、全国农技推广中心、佳沃鑫荣懋集团等合作伙伴大力开展“授粉行动”和“农场放蜂”等项目，2017年在中国10391公顷耕地上开展了促进生物多样性的措施。

1.3治疗方法 入院后立即补液抗休克治疗,所有补液方法均按第三军医大学补液公式[2]进行;需气管切开及切开减张的患者,立即手术治疗,度过休克期后及早手术切痂植皮封闭创面,防止高钠血症的发生;对已发生高钠血症者,积极限制钠盐摄入、促进排出,同时积极保护各脏器功能,防止肾功能衰竭的发生;对由于感染引起的高钠血症,及早手术清除坏死感染病灶,同时积极行微生物培养及药敏试验,选用敏感抗生素抗感染治疗;必要时行CRRT治疗。

  

图8 膜面流速对陶瓷膜分离右旋糖酐渗透性能的影响Fig.8 Effect of crossflow velocity on the permeability of ceramic ultrafiltration membrane

  

图9 膜面流速对右旋糖酐及果糖截留率的影响Fig.9 Effect of crossflow velocity on the retention rate of dextran and fructose

2.5 陶瓷膜分离纯化右旋糖酐的操作稳定性

在操作压力为0.3 MPa，温度为40 ℃，膜面流速为2.8 m/s的操作条件下，考察料液浓度分别为60、100和120 g/L时，陶瓷膜分离纯化右旋糖酐的操作稳定性，结果如图10所示.

  

图10 料液浓度对陶瓷膜膜通量的影响Fig.10 Effect of feed concentration on the permeability of ceramic ultrafiltration membrane

从图10可以看出，在同一料液浓度下，膜通量随时间增加基本保持稳定.料液浓度为60 g/L时，膜通量稳定在24 L/(m2·h)左右；当料液浓度升高至100 g/L时，膜通量稳定在20 L/(m2·h)左右；当料液浓度达到120 g/L时，膜通量稳定在16 L/(m2·h).膜稳定通量随着料液浓度的增加有所降低.这主要是由于随着料液浓度的升高，导致料液黏度升高，加剧了膜表面的浓差极化，降低了膜通量.但即使当料液浓度增加至120 g/L时，陶瓷超滤膜依然保持了较高的通量，远大于文献报道的有机膜通量(如表2所示)，说明陶瓷超滤膜具有良好的抗污染性能.同时，在料液浓度为60 g/L，连续运行12 h的情况下，右旋糖酐的截留率稳定在91.5%左右，果糖的截留率稳定在1.5%左右，渗透侧和原料侧右旋糖酐的浓度分别为2.61 g/L和30.87 g/L，渗透侧和原料侧果糖的浓度分别为31.61 g/L和32.09 g/L，分离因子稳定在11.5以上.说明陶瓷超滤膜在右旋糖酐的分离过程中具有良好的应用前景.

 

表2 陶瓷膜通量与文献报道值对比

 

Table 2 Comparison of the flux of ceramic membrane and the fluxes reported in literature

  

膜材料MWCO料液浓度/(g·L-1)压力/MPa膜通量/(L·m-2·h-1)文献有机膜100010.26[2]有机膜5000100.125[2]有机膜30000100-18[5]有机膜1000100.26.8[15]本工作2700600.325

3 结论

采用切割分子量为2 700，纯水渗透率为375 L/(m2·h·MPa)的陶瓷超滤膜分离纯化右旋糖酐.研究了压力、温度、膜面流速以及料液浓度等参数对陶瓷超滤膜分离右旋糖酐的渗透性能和截留性能的影响.优化陶瓷超滤膜分离纯化右旋糖酐的操作条件为：跨膜压差为0.3 MPa、温度为40 ℃以及膜面流速为2.8 m/s.在优化的操作条件下，陶瓷超滤膜操作性能稳定.当料液浓度为60 g/L时，陶瓷超滤膜在连续12 h的运行中，膜通量稳定在24 L/(m2·h)左右，分离因子稳定在11.5以上.陶瓷超滤膜在右旋糖酐的分离纯化过程展现出了良好的应用前景.

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Abstract: ZrO2 ultrafiltration membrane (MWCO=2 700) was used to separate and purify the dextran solution. The influences of operating pressure, temperature, crossflow velocity and feed concentration on membrane flux and retention rate as well as the stability were investigated. It was demonstrated that the membrane flux and retention rate of dextran increased with transmembrane pressure. When the transmembrane pressure was 0.3 MPa, the separation factor of dextran and fructose reached the maximum. With the increase of temperature, the membrane flux increased but the retention rate of dextran fell down. With the increase of crossflow velocity, the membrane flux also increased. When crossflow velocity was 2.8 m/s, retention rates of dextran achieved up to 92%. When the feed concentration was 60 g/L, the separation performance of ceramic membrane was almost stable in a 12 h operating test. The flux and separation factor were stable at 24 L/(m2·h) and 11.5, respectively. The results indicated that the ZrO2 ultrafiltration membrane exhibited a good potential application in the separation and purification of dextran.

Key words: ultrafiltration; ceramic membrane; dextran; separation