膜分离技术在发酵液提炼中的应用

张 丽

(华北制药威可达有限责任公司,河北,石家庄,050031)

膜分离技术在发酵液提炼中的应用

张 丽

(华北制药威可达有限责任公司,河北,石家庄,050031)

本文详细论述了微滤,超滤,纳滤这三种技术组合的膜技术在发酵液提取中的应用,提供了一种新型组合膜工艺。概述了膜分离技术的机理,优势,分类。对三种膜进行了详细的介绍。提出了提高纳滤浓缩倍数的一点看法。

膜分离技术;发酵液;提炼

膜分离作为新兴的分离纯化技术,以其精密、高效、低耗、环保、纯物理分离过程等优点,已被广泛应用于水处理、食品、化工、生物医药、冶金等工业领域。现已应用膜过程有反渗透、纳滤、超过滤、微孔过滤、透析电渗析、气体分离、渗透蒸发、控制释放、液膜、膜蒸馏膜反应器等。 发酵液的提炼包括分离,纯化和浓缩。在产品的成本构成中,提炼占相当高的比例。应用现代化工艺是提高经济效益的重要途径。目前,膜分离技术越来越多地应用到提炼工艺中,取代了传统的工艺,取得了良好的效益。

1 膜分离技术简介

膜分离技术是一种使用半透膜分离方法,其分离原理是依据物质分子尺度的大小,采用天然或人工合成高分子薄膜借助膜的选择渗透作用,在常温下以膜两侧压力差或电位差为动力,在外界能量或化学位差的推动作用下对混合物中双组分或多组分溶质和溶剂进行离、浓缩、提纯及净化技术,从而达到分离、提纯和浓缩的目的。

2 发酵液特点

发酵液大都是具有生物活性的低聚糖、氨基酸、多肽、蛋白质等物质,黏度大.目的产物浓度很低。发酵法生产的抗生素原液中含有 4%的生物残渣、一定盐分和约0.1%～0.2%的抗生素。发酵液含有大量的其他杂质,如菌丝体,蛋白质,残存可溶底物,中间代谢产物、发酵液预处理过程中加入的物质等;而且某些目的产物的耐热、耐 PH值和耐有机溶剂性差,在分离过程中容易变性失活,因此要从发酵液折中去掉大量杂质,制取高纯度的合乎药典规定的产品,提炼是很重要的环节。

3 发酵液提炼的膜工艺

3.1 微滤 (MF) 微滤 (MF)是发展最早,制备技术最成熟的膜形式之一,孔径在0.05～l0 m之间,可以将细菌、微粒、亚微粒、胶团等不溶物除去,滤液纯净,国际上通称为绝对过滤。由于微滤孔径相对较大,单位膜面积透水率高,而且制备成本最低,使用范围非常广。利用微滤或超滤操作进行菌体的错流过滤分离是膜分离法的重要应用之一。与传统的滤板,饼过滤和硅藻土过滤相比,错流过滤法具有如下优点:①透过通量大;②滤液清净,菌体回收率高;③添加助滤剂或絮凝剂.回收的菌体纯净,有利地进一步分离操作 (如菌体破碎,胞内产物的回收等);④适于大规模连续操作。⑤易于进行无菌操作,防止杂菌污染。在发酵液提炼中我们用它把菌丝体与其他杂质分离,起到过滤的作用。

3.2 超滤(UF) 超滤是一种压力驱动的膜分离过程,在一定流速下,用超滤膜的选择透过性将溶液中的组分进行分离,允许某些组分透过而保留混合物中其他组分,从而达到分离目的的技术.UF膜分离是一种错流过滤,过滤介质平行通过膜,在过滤过程中料液通过泵的加压,料液一定流速沿着滤膜的表面流过,大于膜截留分子量的物质分子不透过膜流回料罐,形成回流液;小于膜截留分子量的物质或分子透过膜,形成透析液。因此,膜系统都有两个出口,一个是回流液 (浓缩液出口,另一个是透析液出口。影响膜通量的因素主要有料液含固量、粘度、无机盐含量、有机物质含以及膜的清洗恢复情况等。我们用此工艺对发酵液进一步提纯。

3.3 纳滤 (NF) 纳滤截留的相对分子量为 100-1000,其操作压力较低,一般在0.5～1.5MPa;。纳滤恰好填补了超滤与反渗透之间的空白,纳滤的分离机理与反渗透相似.同样遵循下列膜传递方程式:JW =A(Ap一△x)(1)Js=BAc(2)其中 w、Js分别为溶剂与溶质的膜通量,A、B是与膜的材料及性质有关的参数,Ap、△x和 Ac分别为膜内外两侧的压力差、渗透压差及溶质的浓度差。因无机盐能透过纳滤膜,其渗透压远比反渗透膜低。因此,由方程式可看出,在通量一定时,纳滤所需的外加压力要低于反渗透,而在压力相同时,其通量要大于反渗透。这就是纳滤具有操作压力低、通量高等特性的原因。纳滤膜多为复合膜,其表面分离层由聚电解质构成,存在道南效应 (Donnan effect),在筛分和静电作用下对低分子量有机溶质和盐分离效果较好,能使有机溶质得到同步脱盐和浓缩。对发酵液提炼方面的应用主要表现在超滤液的浓缩,树脂解吸液的浓缩以及结晶母液回收。发酵液通过微滤,超滤,纳滤这三个膜分离技术后,滤液澄清度上升,减少了下面工序的负担。同时纳滤出来的水可以循环利用。无论是从节能的角度,还是从经济效益的角度,都比以前的工艺有很大改进。

4 影响纳滤膜分离性能的因素

在纳滤应用中一个很重要的参数就是浓缩倍数,浓缩倍数上升,则意味着更加巨大的收益。如果浓缩倍数上升到一定程度,可以省去后面的许多工艺,可以取代蒸发,吸附等浓缩工艺。这是不容忽视的。下面就这个问题展开讨论。由于纳滤膜自身结构上的特殊性.其分离性能除与膜材料自身的性质及制膜工艺有关外,还受操作条件、物质性质和组件构型三个方面的影响。

4.1 操作条件的影响 操作条件主要指操作压力、操作时间、料液流速与料液回收率.通常提高操作压力和料液流速可提高纳滤膜的水通量和脱盐率。由于纳滤膜耐压密性好.操作时间的延长基本上不降低纳滤膜的水通量与截留率.而提高料液回收率则会降低水通量与脱盐率。因此在应用纳滤技术时应根据具体情况台理选择操作条件以获得最佳分离效果。

4.2 物质性质的影响 物料性质包括待处理料液中中性物质的分子量、离子浓度、半径、电价及溶液的PH值等,在纳滤截留分子量以下,分子量越小、截留率越低;截留分子量越小的纳滤膜,对同一分子量物质的截留率越高。通常情况下,提高离子的浓度会降低纳滤膜的水通量与脱盐率.而离子半径的增大或电价的提高有利于提高纳滤膜对该离子的截留率。由于多数纳滤膜是荷电膜,其表面总带一定的电荷,因而在处理那些荷电性受 PH值影响的物质 (如氨基酸)时.溶液 PH值变化会改变物料与纳滤膜的相互作用,从而引起截留率的变化[2]。一般可调节 pH值来提高其截留率。

4.3 组件构型的影响 影响纳滤膜分离性能的因素除上述的操作条件及物料性质外,还有组件构型。也就是说,在操作条件和物料均相同的情况下,同一纳滤膜的分离性能将固其采用的膜组件构型不同而有较大差别。组件构型包括毛细管、进料管道与透过管道高度、L隙率和毛细管直径等。

5 结束语

随着膜工业的进一步发展,越来越多的膜产生了。我们应该根据我们的实际需要,根据发酵液的物理特性,选择合适自己企业生产的膜技术,灵活运用。在组合膜的选用上还要考虑运行的一致性,膜选用的配套上,使得组合膜不仅能够跟上生产进度,还要很好的发挥功效。同时还要注意膜的污染问题,浓差极化问题,合理用膜,及时清洗,必要的时候还要通过加絮凝剂等物质对料液进行纯化。我相信未来会有更多的膜应用到发酵液提炼中来,而且技术越来越纯熟。

Q815

B

1003-3467(2010)10-0065-01