膜分離技術(shù)在發(fā)酵液提煉中的應(yīng)用

張 麗

(華北制藥威可達(dá)有限責(zé)任公司,河北,石家莊,050031)

膜分離技術(shù)在發(fā)酵液提煉中的應(yīng)用

張 麗

(華北制藥威可達(dá)有限責(zé)任公司,河北,石家莊,050031)

本文詳細(xì)論述了微濾,超濾,納濾這三種技術(shù)組合的膜技術(shù)在發(fā)酵液提取中的應(yīng)用,提供了一種新型組合膜工藝。概述了膜分離技術(shù)的機(jī)理,優(yōu)勢,分類。對(duì)三種膜進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。提出了提高納濾濃縮倍數(shù)的一點(diǎn)看法。

膜分離技術(shù);發(fā)酵液;提煉

膜分離作為新興的分離純化技術(shù),以其精密、高效、低耗、環(huán)保、純物理分離過程等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于水處理、食品、化工、生物醫(yī)藥、冶金等工業(yè)領(lǐng)域。現(xiàn)已應(yīng)用膜過程有反滲透、納濾、超過濾、微孔過濾、透析電滲析、氣體分離、滲透蒸發(fā)、控制釋放、液膜、膜蒸餾膜反應(yīng)器等。 發(fā)酵液的提煉包括分離,純化和濃縮。在產(chǎn)品的成本構(gòu)成中,提煉占相當(dāng)高的比例。應(yīng)用現(xiàn)代化工藝是提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。目前,膜分離技術(shù)越來越多地應(yīng)用到提煉工藝中,取代了傳統(tǒng)的工藝,取得了良好的效益。

1 膜分離技術(shù)簡介

膜分離技術(shù)是一種使用半透膜分離方法,其分離原理是依據(jù)物質(zhì)分子尺度的大小,采用天然或人工合成高分子薄膜借助膜的選擇滲透作用,在常溫下以膜兩側(cè)壓力差或電位差為動(dòng)力,在外界能量或化學(xué)位差的推動(dòng)作用下對(duì)混合物中雙組分或多組分溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行離、濃縮、提純及凈化技術(shù),從而達(dá)到分離、提純和濃縮的目的。

2 發(fā)酵液特點(diǎn)

發(fā)酵液大都是具有生物活性的低聚糖、氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)等物質(zhì),黏度大.目的產(chǎn)物濃度很低。發(fā)酵法生產(chǎn)的抗生素原液中含有 4%的生物殘?jiān)⒁欢}分和約0.1%～0.2%的抗生素。發(fā)酵液含有大量的其他雜質(zhì),如菌絲體,蛋白質(zhì),殘存可溶底物,中間代謝產(chǎn)物、發(fā)酵液預(yù)處理過程中加入的物質(zhì)等;而且某些目的產(chǎn)物的耐熱、耐 PH值和耐有機(jī)溶劑性差,在分離過程中容易變性失活,因此要從發(fā)酵液折中去掉大量雜質(zhì),制取高純度的合乎藥典規(guī)定的產(chǎn)品,提煉是很重要的環(huán)節(jié)。

3 發(fā)酵液提煉的膜工藝

3.1 微濾 (MF) 微濾 (MF)是發(fā)展最早,制備技術(shù)最成熟的膜形式之一,孔徑在0.05～l0 m之間,可以將細(xì)菌、微粒、亞微粒、膠團(tuán)等不溶物除去,濾液純凈,國際上通稱為絕對(duì)過濾。由于微濾孔徑相對(duì)較大,單位膜面積透水率高,而且制備成本最低,使用范圍非常廣。利用微濾或超濾操作進(jìn)行菌體的錯(cuò)流過濾分離是膜分離法的重要應(yīng)用之一。與傳統(tǒng)的濾板,餅過濾和硅藻土過濾相比,錯(cuò)流過濾法具有如下優(yōu)點(diǎn):①透過通量大;②濾液清凈,菌體回收率高;③添加助濾劑或絮凝劑.回收的菌體純凈,有利地進(jìn)一步分離操作 (如菌體破碎,胞內(nèi)產(chǎn)物的回收等);④適于大規(guī)模連續(xù)操作。⑤易于進(jìn)行無菌操作,防止雜菌污染。在發(fā)酵液提煉中我們用它把菌絲體與其他雜質(zhì)分離,起到過濾的作用。

3.2 超濾(UF) 超濾是一種壓力驅(qū)動(dòng)的膜分離過程,在一定流速下,用超濾膜的選擇透過性將溶液中的組分進(jìn)行分離,允許某些組分透過而保留混合物中其他組分,從而達(dá)到分離目的的技術(shù).UF膜分離是一種錯(cuò)流過濾,過濾介質(zhì)平行通過膜,在過濾過程中料液通過泵的加壓,料液一定流速沿著濾膜的表面流過,大于膜截留分子量的物質(zhì)分子不透過膜流回料罐,形成回流液;小于膜截留分子量的物質(zhì)或分子透過膜,形成透析液。因此,膜系統(tǒng)都有兩個(gè)出口,一個(gè)是回流液 (濃縮液出口,另一個(gè)是透析液出口。影響膜通量的因素主要有料液含固量、粘度、無機(jī)鹽含量、有機(jī)物質(zhì)含以及膜的清洗恢復(fù)情況等。我們用此工藝對(duì)發(fā)酵液進(jìn)一步提純。

3.3 納濾 (NF) 納濾截留的相對(duì)分子量為 100-1000,其操作壓力較低,一般在0.5～1.5MPa;。納濾恰好填補(bǔ)了超濾與反滲透之間的空白,納濾的分離機(jī)理與反滲透相似.同樣遵循下列膜傳遞方程式:JW =A(Ap一△x)(1)Js=BAc(2)其中 w、Js分別為溶劑與溶質(zhì)的膜通量,A、B是與膜的材料及性質(zhì)有關(guān)的參數(shù),Ap、△x和 Ac分別為膜內(nèi)外兩側(cè)的壓力差、滲透壓差及溶質(zhì)的濃度差。因無機(jī)鹽能透過納濾膜,其滲透壓遠(yuǎn)比反滲透膜低。因此,由方程式可看出,在通量一定時(shí),納濾所需的外加壓力要低于反滲透,而在壓力相同時(shí),其通量要大于反滲透。這就是納濾具有操作壓力低、通量高等特性的原因。納濾膜多為復(fù)合膜,其表面分離層由聚電解質(zhì)構(gòu)成,存在道南效應(yīng) (Donnan effect),在篩分和靜電作用下對(duì)低分子量有機(jī)溶質(zhì)和鹽分離效果較好,能使有機(jī)溶質(zhì)得到同步脫鹽和濃縮。對(duì)發(fā)酵液提煉方面的應(yīng)用主要表現(xiàn)在超濾液的濃縮,樹脂解吸液的濃縮以及結(jié)晶母液回收。發(fā)酵液通過微濾,超濾,納濾這三個(gè)膜分離技術(shù)后,濾液澄清度上升,減少了下面工序的負(fù)擔(dān)。同時(shí)納濾出來的水可以循環(huán)利用。無論是從節(jié)能的角度,還是從經(jīng)濟(jì)效益的角度,都比以前的工藝有很大改進(jìn)。

4 影響納濾膜分離性能的因素

在納濾應(yīng)用中一個(gè)很重要的參數(shù)就是濃縮倍數(shù),濃縮倍數(shù)上升,則意味著更加巨大的收益。如果濃縮倍數(shù)上升到一定程度,可以省去后面的許多工藝,可以取代蒸發(fā),吸附等濃縮工藝。這是不容忽視的。下面就這個(gè)問題展開討論。由于納濾膜自身結(jié)構(gòu)上的特殊性.其分離性能除與膜材料自身的性質(zhì)及制膜工藝有關(guān)外,還受操作條件、物質(zhì)性質(zhì)和組件構(gòu)型三個(gè)方面的影響。

4.1 操作條件的影響 操作條件主要指操作壓力、操作時(shí)間、料液流速與料液回收率.通常提高操作壓力和料液流速可提高納濾膜的水通量和脫鹽率。由于納濾膜耐壓密性好.操作時(shí)間的延長基本上不降低納濾膜的水通量與截留率.而提高料液回收率則會(huì)降低水通量與脫鹽率。因此在應(yīng)用納濾技術(shù)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況臺(tái)理選擇操作條件以獲得最佳分離效果。

4.2 物質(zhì)性質(zhì)的影響 物料性質(zhì)包括待處理料液中中性物質(zhì)的分子量、離子濃度、半徑、電價(jià)及溶液的PH值等,在納濾截留分子量以下,分子量越小、截留率越低;截留分子量越小的納濾膜,對(duì)同一分子量物質(zhì)的截留率越高。通常情況下,提高離子的濃度會(huì)降低納濾膜的水通量與脫鹽率.而離子半徑的增大或電價(jià)的提高有利于提高納濾膜對(duì)該離子的截留率。由于多數(shù)納濾膜是荷電膜,其表面總帶一定的電荷,因而在處理那些荷電性受 PH值影響的物質(zhì) (如氨基酸)時(shí).溶液 PH值變化會(huì)改變物料與納濾膜的相互作用,從而引起截留率的變化[2]。一般可調(diào)節(jié) pH值來提高其截留率。

4.3 組件構(gòu)型的影響 影響納濾膜分離性能的因素除上述的操作條件及物料性質(zhì)外,還有組件構(gòu)型。也就是說,在操作條件和物料均相同的情況下,同一納濾膜的分離性能將固其采用的膜組件構(gòu)型不同而有較大差別。組件構(gòu)型包括毛細(xì)管、進(jìn)料管道與透過管道高度、L隙率和毛細(xì)管直徑等。

5 結(jié)束語

隨著膜工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,越來越多的膜產(chǎn)生了。我們應(yīng)該根據(jù)我們的實(shí)際需要,根據(jù)發(fā)酵液的物理特性,選擇合適自己企業(yè)生產(chǎn)的膜技術(shù),靈活運(yùn)用。在組合膜的選用上還要考慮運(yùn)行的一致性,膜選用的配套上,使得組合膜不僅能夠跟上生產(chǎn)進(jìn)度,還要很好的發(fā)揮功效。同時(shí)還要注意膜的污染問題,濃差極化問題,合理用膜,及時(shí)清洗,必要的時(shí)候還要通過加絮凝劑等物質(zhì)對(duì)料液進(jìn)行純化。我相信未來會(huì)有更多的膜應(yīng)用到發(fā)酵液提煉中來,而且技術(shù)越來越純熟。

Q815

B

1003-3467(2010)10-0065-01