对1，3-丙二醇发酵液用金属纳滤膜过滤的研究

2010-09-26毕生雷

河南化工 2010年13期

关键词：金属膜丙二醇发酵液

毕生雷，杜平，王珂

（河南天冠企业集团有限公司，河南南阳 473000）

对1，3-丙二醇发酵液用金属纳滤膜过滤的研究

毕生雷，杜平，王珂

（河南天冠企业集团有限公司，河南南阳 473000）

考察了l，3-丙二醇发酵液金属膜过滤在不同条件下的通量、收率及蛋白含量的变化。在此基础上，初步探讨了膜的过滤机理，确定了金属膜过滤的工艺参数。结果表明，100 nm膜适用于过滤1，3-丙二醇发酵液，按料液体积20%从开始过滤2 h后就持续加入去离子水，在4.2/3.6 MPa压力下，60℃，pH值为7的条件下，5 h内完成过滤，并且收率达到87%以上，运行时间短而且对后续工艺压力最小。

金属纳滤膜；1，3-丙二醇发酵液过滤；收率

1，3-丙二醇发酵液是复杂的多相系统，含有细胞、代谢产物和未用完的培养基等，分散在其中的固体和胶质物质，具有可压缩性，其密度又和液体相近，粘度很大，属非牛顿性液体，因而从发酵液中分离出固体很困难。目前工业上主要采用的有离心、板框过滤、絮凝等方法。寻找一种有效的发酵液处理方式可以大幅度提高整个后提取和精制工艺的水平。随着膜材料、膜分离装置的不断改进以及应用领域的扩展，金属膜以其错流过滤、分离精度高、耐污染易清洗、操作简单、占地面积小、良好的强度、韧性、可焊接性、化学稳定性、抗震性等优点，正在各个领域显示出巨大的发展潜力［1］。本文从金属膜对发酵液过滤角度出发，探讨过滤的相关参数。

1 材料与方法

1.1 材料

金属管式膜分离小试设备，50、100、200 nm凯能高科技工程（上海）有限公司；1，3-丙二醇发酵液，天冠集团技术中心提供。

1.2 分析测定

1.2.1 可溶性蛋白质的测定分析方法

本文使用蛋白去除率（PR）作为衡量去蛋白效果的指标，计算公式如下PR=（过滤前OD-过滤后OD）/过滤前OD×100%

将样品溶液稀释10倍在650 nm波长测定其吸收值，PR可以反映去蛋白效果［2］。

1.2.2 1，3-丙二醇的测定分析方法

采用高效液相色谱仪测定色谱柱为Aminexresin-based 87H，柱温65℃ 流动相为0.005 mol/L硫酸水溶液，流速0.8 mL/min，检测器为CTO-10VP折光示差检测器［3］。

1.3 操作方法

直接将发酵液升温至90℃灭菌，然后压至金属膜物料罐进行过滤，在一定操作条件，过滤得到澄清的发酵液，考察周期、孔径、温度、压力、pH值等对过滤效果的影响，并测定其蛋白去除率和1，3-丙二醇的收率。

2 结论与讨论

2.1 孔径对过滤的影响

发酵液中存在大量的菌体蛋白、杂蛋白、胶体物质，颗粒大小不同过滤效果不同。在进出膜压力为4.2/3.6 MPa，温度60℃下，不同膜孔径对过滤效果的影响见表1。

表1 不同孔径对过滤的影响

从表1可以看出。孔径越大过滤速度越大，而蛋白去除率则下降许多，1，3-丙二醇收率则基本不变。为了平衡流速、蛋白去除率、收率之间的关系，以下试验均采用100 nm金属膜进行试验。

2.2 压力对过滤的影响

金属膜过滤采用错流过滤，它能够控制膜表面污染层保持在一个较薄的稳定水平，防止出现快速堵塞而影响过滤进程。压力变化会影响到污染层的厚度和积累的速度，因此对过滤效果有所影响。

表2 压力对过滤的影响（过滤温度均为60℃）

从表2可以看出，操作压力逐渐增大，则平均流速逐渐变大，因此我们选择较高的操作压力；但压力过大，引起污染层快速积累，从而影响过滤时间和整体产量，所以采用4.2/3.6 MPa为好。

2.3 温度对过滤的影响

1.3 -丙二醇生产菌株较为特别，是一种带荚膜细菌，本身粘度较高，温度较高时可以显著降低粘度，从而提高过滤速度。

表3 温度对过滤的影响（进出膜压力为4.2/3.6 MPa）

从表3可看出，温度提高时，会引起膜孔径张大，从而使一些较小的蛋白透过孔径，在引起通量上升的同时，引起蛋白过滤效果的下降，从而对后面工序造成不利影响，因此我们采用40℃。

2.4 不同过滤时间对过滤的影响（见表4）

表4 时间对过滤的影响

从表4看出，随操作时间的延长，膜污染越来越严重，到一定程度通量极低，严重影响生产进度，对清洗造成不利影响。因此我们选择在100 nm孔径下，4.2/3.6 MPa操作压力下，60℃时，工作5 h左右既停止开始清洗，这样可以有效利用金属膜的性能而尽量节约时间。

2.5 透析水量对过滤的影响

随着过滤的进行，膜腔内运行的物料粘度越来越高，如果不加入透析水则影响过滤的速度，而且随着过滤进行到后期，物料中残留大量的PDO，如果不进行加水透析，则影响PDO收率。详见表5。

表5 透析水量对过滤的影响 %

从表5可以看出，透析水加入越多，PDO收率越高。但是在浓缩除水工序还要把水除去，蒸发1 t水需要0.8 m3、0.4 MPa的蒸汽，如果添加水量过大，会增加后续工序压力，增加生产成本。因此综合考虑后，我们采用加水量20%。加水时间对过滤的影响见表6。

表6 加水时间对过滤的影响

从表6可看出，加水越早平均过滤速度越快，过滤持续时间会越短。但是过早加水会导致加水量过大。因此我们采用过滤开始2 h后再加水，并且是连续加水，加水量为物料总体积的20%。

2.6 不同pH值对过滤的影响

1，3-丙二醇下罐料的pH值在6.8左右。因为蛋白质在一定pH值下会分解、沉降，从而影响过滤速度。在上述优化工艺条件下，不同pH值对过滤效果的影响见表7。

表7 pH值对过滤效果的影响

调pH值，在一定程度上减少了过滤难度，大大提高了过滤速度，但同时引入了大量离子，使后序工艺处理难度较大，且加碱调pH值后，泡沫多，加入油脂、消泡剂效果均不理想，影响生产的正常进行。因此我们考虑不调整pH值进行过滤。

3 结论

通过上述试验，得出的1，3-丙二醇发酵液过滤的适宜工艺参数为：采用100 nm金属膜，在4.2/ 3.6 MPa压力下，60℃，采取过滤开始2 h后就开始持续加入透析水，加水量为料液总体积的20%，这样使整个过滤过程尽量维持在5 h以内，以充分发挥金属膜的效能，尽可能高提高收率。

［1］郑领英，王学松.膜技术［M］.北京：化工工业出版社，2000，11.4-10.

［2］李凡锋，周玉杰，刘德华.1，3-丙二醇发酵液的絮凝预处理研究［J］.微生物学通报.2004，31（3）：31-35.

［3］邱健，刘德华.1，3-丙二醇发酵液电渗析法膜［J］.过程工程学报，2005，5（1）：36-39.

Study on Filtration of 1，3-propanediol Broth by Metal Nanofiltration Membrane

BI Sheng-lei，DU Ping，WANG Ke
（Henan Tianguan Enterprise Group Co.Ltd.，Nanyang 473000，China）

The change of flux，yield and protein content of Filtration of 1，3-propandio broth by metal membrane at different conditions.Base on it，the filter mechanism of membrane is studied，the parameters of filtration by metal membrane are determined.The result shows，100 nm membrane is suitable for filtration of 1，3-propanediol broth，deionized water is sustainale added with 20%after 2 hours from start filtering，at 4.2/3.6 MPa pressure，60℃，pH value is 7，5 h to complete filtration，the yield is 87%or more，the running time is short and the pressure is minimum for the following process.

metal nanofiltration membrane；1，3-propanediol broth；yield