基于聚醚砜(PES)超滤膜的粘杆菌素发酵液预处理过程优化*

魏安静，田丽，凤权

(安徽工程大学安徽省电气传动与控制重点实验室，安徽芜湖，241000)

基于聚醚砜(PES)超滤膜的粘杆菌素发酵液预处理过程优化*

魏安静，田丽，凤权

(安徽工程大学安徽省电气传动与控制重点实验室，安徽芜湖，241000)

利用超滤对粘杆菌素发酵液进行膜分离处理并对其工艺过程进行优化。根据膜材料特性，选择聚醚砜(PES)为基材的超滤膜，通过不同截留分子量超滤膜的分离性能比较、操作条件选择，最终确定PES－10(截留分子质量为10 000 u)为超滤膜件，适宜的操作压力为0.3 MPa、料液pH值为6。经过超滤处理，滤液蛋白质含量为4.6mg/100mL，蛋白质去除率为96%，吸光度为0.185，发酵液中的色素得到有效地去除。

发酵液，聚醚砜，超滤，优化

粘杆菌素对革兰氏阴性菌有很强的抗菌作用，在动物体内不会通过耐药因子传递耐药性，而且几乎无残留。粘杆菌素含有二氨基丁酸，存在游离氨基，因此呈碱性，在临床常制成硫酸盐使用，称作硫酸粘杆菌素，又名克利斯汀、多粘菌素 E、抗敌素等［1－2］。硫酸粘杆菌素是最安全的畜禽促生长抗生素之一。

膜分离技术是近年来迅速发展的一项新兴的物质分离浓缩技术，整个过程无需加入任何试剂，无相变，可在常温下连续操作，尤其适宜于加热易变性的热敏性物质［3］。膜分离可根据其截留组分的分子量的大小分为微滤、超滤、纳滤和反渗透［4－6］。笔者在该项目研究的前期，已对粘杆菌素发酵液进行陶瓷膜微滤处理，即用孔径为0.2μm、膜面积为0.06 m2的管式陶瓷膜为微滤膜，对发酵液进行微滤处理。经微滤处理后，有效地去除了发酵液中的菌体、胶体蛋白及部分色素等［7］。微滤处理是粘杆菌素发酵液膜分离处理的第1个预处理阶段，而本研究利用PES基超滤膜对经过微滤处理后的发酵液进行超滤处理，进一步去除可溶性蛋白和色素，这是发酵液纳滤浓缩前的第2个预处理阶段。研究中，根据经陶瓷膜微滤处理的发酵液的理化特征、溶质的组成分布及其分子质量大小和构型等采用聚醚砜超滤膜对其进行超滤膜分离处理，并对其工艺参数进行优化，以期替代传统的板框压滤，树脂除杂的粘杆菌素浓缩纯化工艺。

1 材料与方法

1.1 试验材料

微滤膜分离后的粘杆菌素发酵液:由安徽工程大学发酵工程重点实验室发酵生产［8］，经过草酸酸化，pH约3.0，再经0.2μm孔径的管式陶瓷膜微滤处理的滤液，效价为 9.25×104U/mL，蛋白质含量:115mg/100mL，吸光度为0.394。

1.2 仪器设备

超滤膜分离装置由芜湖普朗膜技术有限公司提供，卷式聚醚砜(PES)超滤膜，截留分子量(MWCO)分别为50 000、20 000、10 000、5 000(编号分别为:PES－50、PES－20、PES－10、PES－5)，膜面积 0.45 m2;紫外可见分光光度计等。

生物效价测定器材参见《中华人民共和国药典》2005版，附录XIA(抗生素微生物鉴定法)。

1.3 测试方法

1.3.1 粘杆菌素生物效价测定

按照药典规定的“二剂量法”测定［9］。

1.3.2 透光度测定

在470 nm处，以蒸馏水为空白在紫外可见分光光度计上测定。

1.4 试验方法

通过对PES超滤膜截留分子量、分离过程中施加的操作压力、料液的pH值等因素对经微滤处理后的粘杆菌素发酵液的膜分离效果的影响，确定最优工艺参数。膜分离系统示意图见参考文献［7］。

2 结果与分析

2.1 超滤膜的选择

对粘杆菌素发酵液进行超滤的主要目的是去除其中的大分子蛋白质、胶体、色素、多糖等。发酵液中的大分子杂质分子量一般在几万到几百万之间，若选择的超滤膜的截留分子量太小，则膜通量太小影响分离效率，同时也可能影响粘杆菌素的得率。若膜的截留分子量太大，杂质的截留率太低，则达不到分离效果。综合考虑，选择截留分子量为5 000～50 000的超滤膜为研究对象。

膜材料的选择主要是考虑膜的性质和膜的结构，材料的选择主要要考虑以下几点:(1)根据被分离对象的性质，如溶液的pH值、温度、黏度等对膜的要求;(2)膜材料不能与被分离液中的任何组分发生反应;(3)被分离对象有关组分的等电点及膜材料的荷电性。目前超滤膜材料有:醋酸纤维素(CA)、聚丙烯睛(PAN)、聚酰胺(PA)、聚砜(PS)、聚醚砜(PES)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏氟乙烯(PVDF)等。其中，聚醚砜(PES)是当前发展较快的一类超滤膜材料，分子主链中含有砜基结构，结构中的硫原子处于最高价态，醚键改善了聚砜的韧性，苯环结构提高了聚合物的力学强度，因此聚醚砜(PES)具有良好的化学稳定性和力学性能，不易水解，可耐酸碱，其适用pH值在2～12(粘杆菌素发酵液在经草酸酸化后pH值在2.5～3.0)。

综合以上各因素，采用MWCO分别约为50 000、20 000、10 000和5 000的 PES卷式超滤膜(编号:PES－50、PES－20、PES－10、PES－5)，处理粘杆菌素发酵液。并对其分离性能进行比较研究。处理的原料液为经0.2μm孔径的管式陶瓷膜微滤处理的滤液，效价为9.25×104U/mL，蛋白质含量:115 mg/100mL，吸光度为0.394。结果见图1。

从图1可以看出，几种膜在操作的前2 h通量衰减最快，后面逐渐趋于稳定。超滤膜的截留分子量不同，其渗透通量的大小及衰减速度有明显的差异。截留分子量大的超滤膜其渗透通量大于截留分子量小的超滤膜，渗透通量的大小顺序依次为:PES－50＞PES－20＞ PES－10＞ PES－5。

根据超滤膜的通量衰减情况，利用公式1得出其衰减系数。

式中:Jt，J1——分别为膜运转 t h和1h后的渗透通量;t——运转时间;m——衰减系数。

表1 不同超滤膜的通量衰减系数

图1 不同超滤膜的渗透通量

通过膜衰减系数反映渗透通量的衰减幅度，从表1可以看出，截留分子量大的超滤膜其通量衰减系数大于截留分子量小的超滤膜，也就是说截留分子量较小的超滤膜其衰减速度慢，其中PES－10和PES－5的渗透通量的衰减速度明显小于另外2个超滤膜。衰减系数越小，越有利于超滤过程的长期稳定运行。

不同的超滤膜其蛋白质的去除率有较大差异，由表2可看出，相同操作条件下，对大分子蛋白质等杂质的截留率随切割分子量增大而减小，PES－10和PES－5的效果最好。实验结果同时表明，4种膜对粘杆菌素都能全部透过。

表2 不同超滤膜的蛋白质去除率及滤液吸光度

透光度反映料液中杂质的多少，最终反映产品的纯度。通过吸光度检测，其杂质和色素的去除效果依次为:PES－5＞ PES－10＞ PES－20＞ PES－50，即超滤液的透光度是随膜截留分子量的增大而减小，也就是说膜的MWCO越大，杂质透过越多，透光度就越低，最终粘杆菌素产品的纯度就越低。

从膜渗透通量、衰减系数、透过液的透光度及蛋白质的截留率可得出，能达到透光度的要求、收率较高、过程运行稳定、可以实际应用的膜为PES－10。

2.2 操作压力与超滤膜分离性能的关系

超滤膜分离的操作压力为分离过程的推动力，被处理的溶液在压力差推动下，以错流的方式流向膜表面，操作压力不仅是影响膜渗透通量的一个重要因素，不同的压力对膜分离性能也有影响。对不同料液的超滤过程最佳的操作压力是不同的，压力太低，膜的渗透通量会很小，运行时间就会延长;压力太高，动力消耗就增大，成本就会增加。所以选择一个最佳压力是不可缺少的。研究中，利用PES－10超滤膜对粘杆菌素微滤液进行超滤实验，确定最佳操作压力。

在超滤初期，刚加压时，通量增加速率较大，此时的超滤阻力可以认为是单一的膜阻力。

随着压力的不断增加，加快了凝胶层的形成，通量增加的幅度变得缓慢，有逐渐稳定的趋势，此时形成的凝胶层阻力相当大，随着浓差极化现象的出现，所增加的压力几乎被凝胶层阻力抵消，再增大压力，通量也趋于平缓。从图2可看出，0.3 MPa之后膜通量逐渐趋于稳定。

图2 操作压力对超滤膜分离性能的影响

实验同时研究了不同的操作压力对蛋白质截留率的影响。结果表明操作压力对蛋白质截留率基本没有影响。通过实验确定超滤的操作压力为0.3 MPa，此时滤液的蛋白质含量为4.6 mg/100 mL。

2.3 不同的pH值对超滤膜分离性能的影响

在操作压力一定的条件下，研究不同pH的料液对纳滤膜分离性能的影响。粘杆菌素在pH2～7时比较稳定，故在此范围内考察pH值对超滤膜分离特性的影响(渗透通量为前0.5 h的平均通量)，结果见图3。

图3 pH值对超滤膜分离性能的影响

从图3中可以看出，当pH＞6时，蛋白质的截留率较高，而且膜的渗透通量较大。蛋白质的等电点多数在pH 4～5，聚醚砜膜为荷负电膜。当pH小于蛋白质等电点时，其所带电荷与膜面电性相反，异性相吸，使之在膜面处吸附层加厚，膜面处蛋白质浓度大于主体浓度，浓差极化现象增强。浓差梯度使得扩散作用加强，静电作用和浓差极化双重作用使得截留率较高，通量也随之减小;随着pH值的逐渐增大，蛋白质呈负电荷性，浓差极化作用减弱，渗透通量增大，同时由于蛋白质和超滤膜的排斥作用，其截留率较高。但在pH＞7之后，粘杆菌素将不稳定，故pH不可过高。最终确定料液的最佳pH值为6。

3 结论

通过不同超滤膜的分离性能比较、操作条件选择，最终确定以截留分子量为10000的聚醚砜超滤膜(PES－10)为超滤膜件，其最佳操作压力为0.3MPa、料液 pH 6。经过超滤处理，滤液蛋白质含量为4.6mg/100mL，蛋白质去除率为 96%，吸光度为0.185，色素得到有效的去除。与传统工艺处理的工业标准相比，发酵液的质量得到较大提高。

致谢:本论文得到安徽工程大学汤斌教授的指导并得到发酵工程重点实验室的支持。

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［7］ 凤权，汤斌.粘杆菌素发酵液微滤膜分离处理过程研究［J］.生物学杂志，2010，27(1):43－45.

［8］ 凤权 ，汤斌，陈中碧.多粘芽孢杆菌发酵培养基优化及发酵特性研究［J］.食品与发酵工业，2007，33(7):46－48.

［9］ 国家药典委员会.中华人民共和国药典(二部)［S］.北京:化学工业出版社，2005，附录XIA抗生素微生物检定法.

Optimization of Ultrafiltration Processes in Bolistin Fermentation Broth on the Base of Polyether Sulphone(PES)Memebrane

Wei An-jing，Tian Li，Feng Quan
(Anhui Polytechnic University，Anhui Provicial Key Laboratory of Electric and Control，Wuhu 241000，China)

Ultrafiltration was used to pretreat colistin fermentation broth.According to the characteristics of the material and comparison of their ultrafiltration separation performance，polyether sulphone ultrafiltration membrane(MWCO=10 000)was selected.The optimum operating parameters had been determined:pressure was 0.3 MPa，pH was 6.0.Under these optimum parameters，the protein rejected ratio was 96%，absorbency was 0.185，and part of the pigment had been removed.

fermentation broth，polyether sulphone，ultrafiltration，optimization

硕士，讲师。

*安徽省高校省级自然科学研究项目(编号:KJ2011B027)

2011－06－14，改回日期:2011－08－27