張 麗

(華北制藥威可達有限責任公司,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

(華北制藥威可達有限責任公司,河北,石家莊,050031)

本文詳細論述了微濾,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)的機理,優(yōu)勢,分類。對三種膜進行了詳細的介紹。提出了提高納濾濃縮倍數(shù)的一點看法。

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,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?，F(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,提煉占相當高的比例。應(yīng)用現(xiàn)代化工藝是提高經(jīng)濟效益的重要途徑。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力,在外界能量或化學(xué)位差的推動作用下對混合物中雙組分或多組分溶質(zhì)和溶劑進行離、濃縮、提純及凈化技術(shù),從而達到分離、提純和濃縮的目的。

2 發(fā)酵液特點

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%的生物殘渣、一定鹽分和約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,可以將細菌、微粒、亞微粒、膠團等不溶物除去,濾液純凈,國際上通稱為絕對過濾。由于微濾孔徑相對較大,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行菌體的錯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,錯流過濾法具有如下優(yōu)點: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,從而達到分離目的的技術(shù).UF膜分離是一種錯流過濾,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)都有兩個出口,一個是回流液 (濃縮液出口,另一個是透析液出口。影響膜通量的因素主要有料液含固量、粘度、無機鹽含量、有機物質(zhì)含以及膜的清洗恢復(fù)情況等。我們用此工藝對發(fā)酵液進一步提純。

3.3 納濾 (NF) 納濾截留的相對分子量為 100-1000,其操作壓力較低,一般在0.5～1.5MPa;。納濾恰好填補了超濾與反滲透之間的空白,納濾的分離機理與反滲透相似.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。因無機鹽能透過納濾膜,其滲透壓遠比反滲透膜低。因此,由方程式可看出,在通量一定時,納濾所需的外加壓力要低于反滲透,而在壓力相同時,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低分子量有機溶質(zhì)和鹽分離效果較好,能使有機溶質(zhì)得到同步脫鹽和濃縮。對發(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,納濾這三個膜分離技術(shù)后,濾液澄清度上升,減少了下面工序的負擔。同時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)濟效益的角度,都比以前的工藝有很大改進。

4 影響納濾膜分離性能的因素

在納濾應(yīng)用中一個很重要的參數(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降低水通量與脫鹽率。因此在應(yīng)用納濾技術(shù)時應(yīng)根據(jù)具體情況臺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,提高離子的濃度會降低納濾膜的水通量與脫鹽率.而離子半徑的增大或電價的提高有利于提高納濾膜對該離子的截留率。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.溶液 PH值變化會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)型包括毛細管、進料管道與透過管道高度、L隙率和毛細管直徑等。

5 結(jié)束語

隨著膜工業(yè)的進一步發(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),靈活運用。在組合膜的選用上還要考慮運行的一致性,膜選用的配套上,使得組合膜不僅能夠跟上生產(chǎn)進度,還要很好的發(fā)揮功效。同時還要注意膜的污染問題,濃差極化問題,合理用膜,及時清洗,必要的時候還要通過加絮凝劑等物質(zhì)對料液進行純化。我相信未來會有更多的膜應(yīng)用到發(fā)酵液提煉中來,而且技術(shù)越來越純熟。

Q815

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1003-3467(2010)10-0065-01