COMSOL软件在枸杞多糖超滤膜生物反应器中膜阻塞模型构建中的应用

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210535

摘要/Abstract

摘要：

基于聚砜中空纤维超滤膜分离技术精制枸杞多糖（Lycium barbarum polysaccharide），通过COMSOL软件对枸杞多糖膜阻塞逆流提取及超声设备参数进行修正，获得更优的纯化工艺。采用微波-超声法提取枸杞多糖，并利用聚砜中空纤维超滤膜对枸杞多糖进行分离，采用单因素分析及正交实验考察枸杞多糖提取和分离过程中的重要参数，通过COMSOL软件对重要膜阻塞参数进行修正。结果表明，枸杞多糖提取较优工艺条件为：提取温度50~70 ℃之间，超声功率50 W，固液比例1∶8~1∶12（mg∶mL），提取时间40~60 min；当超滤膜截留相对分子质量为1×10⁴时，膜通量较好；正交实验结果表明，膜通量与料液温度关系最大，其次是膜pH值和分离操作压；COMSOL软件对枸杞多糖连续逆流提取设备进行仿真计算，结果发现与全封闭叶片相比，开孔叶片能够显著降低溶剂短路现象，使得最低流速提升高达65倍。基于COMSOL软件数据修订，枸杞多糖分离效率得到大幅度提升，为枸杞多糖工业化生产提供必要的数据积累。

关键词: COMSOL软件, 枸杞多糖, 超滤膜, 生物反应器, 膜阻塞

Abstract:

Lycium barbarum polysaccharide is refined based on polysulfone hollow fiber ultrafiltration membrane separation technology， and the lycium barbarum polysaccharide membrane blocking countercurrent extraction and ultrasonic equipment parameters are corrected by COMSOL software to obtain a better purification process. A microwave-ultrasonic method is used to extract Lycium barbarum polysaccharides， and polysulfone hollow fiber ultrafiltration membranes are used to separate Lycium barbarum polysaccharides. Single factor analysis and orthogonal experiments are used to investigate the important parameters in the extraction and separation process of Lycium barbarum polysaccharides. The important membrane blocking parameters are corrected by the COMSOL software. The optimal process conditions for the extraction of Lycium barbarum polysaccharides are： the extraction temperature between 50~70 ℃， ultrasonic power 50 W， solid-liquid ratio 1∶8~1∶12， and extraction time 40~60 min. When the ultrafiltration membrane relative molecular weight cut-off is 1×10⁴， the membrane flux is better. The orthogonal experiment results show that the membrane flux has the largest relationship with the temperature of the feed liquid， followed by the membrane pH value and separation operating pressure. COMSOL software performs continuous countercurrent extraction equipment for Lycium barbarum polysaccharides and the calculations show that compared with fully enclosed blades， perforated blades can significantly reduce the solvent short-circuit phenomenon and increase the minimum flow rate by up to 65 times. The COMSOL software performs simulation calculations on the ultrasonic equipment. When the double ultrasonic transducers are axially separated by 12 cm， the axis crosses 90（°） and the power is set to 50 W， the regional mass transfer flux can be significantly increased. Based on the revision of COMSOL software data， the separation efficiency of Lycium barbarum polysaccharides has been greatly improved， which provides necessary data accumulation for the industrial production of Lycium barbarum polysaccharides in the future.

Key words: COMSOL software, Lycium barbarum polysaccharide, Ultrafiltration membrane, Bioreactor, Membrane obstruction

中图分类号:

O658

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图/表 12

表1 枸杞多糖提取工艺条件设置

Table 1 Setting of extraction process conditions of Lycium barbarum polysaccharides

固液比 Solid-liquid ratio/（mg∶mL）	提取温度 Extraction temperature/℃	提取时间 Extraction time/min	超声功率 Ultrasonic power/W
1∶6	20	10	10
1∶8	40	20	15
1∶10	60	30	20
1∶12	80	40	25
-	-	50	30
-	-	60	35
-	-	-	40
-	-	-	45
-	-	-	50

图1 枸杞多糖超滤膜工艺流程

Fig.1 The technological process of wolfberry polysaccharide ultrafiltration membrane

表2 枸杞多糖超滤膜分离影响因素及水平

Table 2 Influencing factors and levels of ultrafiltration membrane separation of Lycium barbarum polysaccharides

水平 Level	因素Factor
水平 Level	A温度Temperature/℃	B压力 Pressure/MPa	C酸碱度 pH
1	25	0.04	5.0
2	30	0.07	6.0
3	40	0.10	7.0

图2 枸杞多糖提取温度对提取率的影响

Fig.2 Effect of extraction temperature of Lycium barbarum polysaccharide on extraction yield

图3 枸杞多糖提取时间对提取率的影响

Fig.3 Effect of extraction time of Lycium barbarum polysaccharides on the extraction yield

图4 枸杞多糖提取功率

Fig.4 Extraction power of Lycium barbarum polysaccharides

图5 枸杞多糖提取固液比

Fig.5 Solid-liquid ratio of Lycium barbarum polysaccharide extraction

表3 超滤膜分离特性

Table 3 Separation characteristics of ultrafiltration membranes

截留相对分子质量Intercept relative molecular mass/kD

料液

Liquid

透过液

Permeate

截留率Retention rate/%

膜通量

Membrane flux/（mL·cm^-2·min^-1）

体积

Volume/L

多糖浓度

Polysaccharide concentration/（g·L^-1）

体积 Volume/L

多糖浓度

Polysaccharide concentration/（g·L^-1）

表4 枸杞多糖超滤膜分离多因素水平

Table 4 Multi-factor levels of Lycium barbarum polysaccharide ultrafiltration membrane separation

因素 Factor		膜通量 Membrane flux/（mL·cm^-2·min^-1）	截留率 Retention rate/%
温度 Temperature/℃	25	0.019±0.001 2	85.28±0.41
	30	0.028±0.001 0	83.16±0.59
	40	0.035±0.001 7	80.23±0.26
压力Pressure/MPa	0.04	0.017±0.000 3	88.86±0.73
	0.07	0.021±0.000 8	86.94±0.85
	0.10	0.024±0.000 9	83.58±0.84
pH	5.0	0.019±0.000 5	85.68±1.57
	6.0	0.018±0.000 4	86.45±1.82
	7.0	0.019±0.000 8	76.03±1.81

图6 超滤膜表面溶质分布图cm（mol/L）为超滤膜表面溶质浓度； cb（mol/L）为反应器本体溶质浓度； D为扩散系数； cp（mol/L）为超滤膜组件透过侧溶质浓度； JC（mL/（cm2·min））为溶质通过边界层的膜通量； JCp（mL/（cm2·min））为溶质通过超滤膜组件一侧的溶质通量

Fig.6 Solute distribution on the surface of the ultrafiltration membranecm（mol/L） is the solute concentration on the surface of the ultrafiltration membrane； cb（mol/L）is the solute concentration in the reactor； D is the diffusion coefficient； cp（mol/L） is the solute concentration on the side after passing through the ultrafiltration membrane module； JC（mL/（cm2·min）） is the membrane flux of the solute through the boundary layer； JCp（mL/（cm2·min）） is the solute flux through one side of the ultrafiltration membrane module

表5 恒压过滤堵塞模型

Table 5 Constant pressure filter clogging model

堵塞模型 Clogging model	滤饼层过滤模型 Filter cake layer filtration model	中间堵塞模型 Intermediate blockage model	标准堵塞模型 Standard clogging model	完全堵塞模型 Fully blocked model
数学模型 Mathematical model	1/J_p²=1/J₀²+K₁t/J₀	1/J_p=1/J₀+K₂t	1/J_p²=1/ $J 0 0.5$ +0.5 $J 0 0.5$ K₃t	1/J_p/1/J₀－K₄t
拟合方程 Fitting equation	y=K₁x+b	y=K₂x+b	y=0.5K₃x+b	y=－K₄x+b
y参数 y parameter	y=J₀/ $J p 2$	y=1/J_p	y=1/（J_PJ₀）	y/1/J_p
b参数 b parameter	b=1/J₀	b=1/J₀	b=1/J₀	b/1/J₀
x参数 x parameter	x=t	x=t	x=t	x=t

表5 恒压过滤堵塞模型

Table 5 Constant pressure filter clogging model

堵塞模型 Clogging model	滤饼层过滤模型 Filter cake layer filtration model	中间堵塞模型 Intermediate blockage model	标准堵塞模型 Standard clogging model	完全堵塞模型 Fully blocked model
数学模型 Mathematical model	1/J_p²=1/J₀²+K₁t/J₀	1/J_p=1/J₀+K₂t	1/J_p²=1/ $J 0 0.5$ +0.5 $J 0 0.5$ K₃t	1/J_p/1/J₀－K₄t
拟合方程 Fitting equation	y=K₁x+b	y=K₂x+b	y=0.5K₃x+b	y=－K₄x+b
y参数 y parameter	y=J₀/ $J p 2$	y=1/J_p	y=1/（J_PJ₀）	y/1/J_p
b参数 b parameter	b=1/J₀	b=1/J₀	b=1/J₀	b/1/J₀
x参数 x parameter	x=t	x=t	x=t	x=t

图7 全封闭叶片和开孔式叶片流线图A.全封闭叶片流线图； B.开孔式叶片流线图

Fig.7 Streamline diagrams of fully enclosed blades and perforated bladesA. Fully enclosed blade streamline diagram； B. Perforated blade streamline diagram

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