中空纤维更新液膜萃取回收青霉素G

高瑞昶，武艳艳，李明雪，康 伟



中空纤维更新液膜萃取回收青霉素G

高瑞昶，武艳艳，李明雪，康 伟

(天津大学化工学院，天津 300350)

采用中空纤维更新液膜对青霉素G溶液进行萃取回收．以安伯莱特离子交换树脂(Amberlite LA-2)、正辛醇、煤油作为液膜相，Na2CO3溶液作为反萃相，研究了载体浓度、油水比、进料相青霉素G浓度、进料相pH、反萃相pH、两相流率对萃取率的影响，确定了最适操作条件．结果表明：载体Amberlite LA-2浓度为100,mmol/L、油水比为1∶20、进料相青霉素G浓度为10,mmol/L、进料相pH为5、反萃相pH为10、管程流速为0.6,cm/s、壳程流速为0.48,cm/s时，青霉素G的萃取率能达到85%,，展现出很好的工业应用前景．

青霉素G；中空纤维更新液膜；传质；Amberlite LA-2；萃取；回收

青霉素G(penicillin G)又称盘尼西林，是一种应用广泛的β-内酰胺类抗生素，同时也是半合成青霉素类抗生素的原料．传统的回收青霉素G的方法是溶媒法，即在pH为1.8～2.5的条件下，以乙酸丁酯为萃取剂，回收发酵液中的青霉素G．由于青霉素G在低pH条件下降解严重，使得该方法存在回收率低、生产能耗大、溶剂回收困难等缺点[1-2]．

液膜技术由于其可将萃取和反萃过程耦合起来，实现萃取和反萃的连续操作而受到广泛关注[3-5]．常见的液膜技术有支撑液膜(SLM)、乳化液膜(ELM)、大块液膜(BLM)等，关于采用液膜技术萃取回收青霉素G的研究有很多，例如：Juang等[6]采用Amberlite LA-2为载体，研究了支撑液膜体系中青霉素G的传质机理，确定了速率控制步骤．沈力人等[7]研究了乳化液膜萃取过程中各因素对萃取效果的影响．Ren等[8]研究了以TBP(磷酸三丁酯)为载体，搅拌速率、TBP浓度、稀释剂种类等对大块液膜萃取效果的影响．然而，由于支撑液膜的稳定性差，乳化液膜破乳困难，且溶胀现象严重，大块液膜不容易工业化生产等问题，使得利用这些技术处理青霉素G的放大化研究比较困难．

中空纤维更新液膜(HFRLM)是一种基于表面更新理论[9-10]的新型液膜技术，由于液膜有机相的液滴可以连续不断地在纤维膜管中再生，实现了萃取和反萃过程的耦合，同时可以加快传质速率，降低管程流体的传质阻力，被广泛应用在萃取回收有机酸[11-12]、金属离子[13-16]以及废水处理[17-18]等方面．已有大量文献报道了用中空纤维更新液膜萃取青霉素G的研究成果．例如：高磊等[19]研究了磷酸三丁酯(TBP)-异辛醇-煤油体系萃取青霉素G，由于TBP属于中性萃取剂，对青霉素G的结合能力较弱，萃取率最高只有35%,，远远达不到工业生产的要求；Ren等[20]研究以二辛胺(DOA)为载体萃取青霉素G的传质过程，结果表明，仲胺类萃取剂作载体能有效促进传质，但是二辛胺的价格昂贵、毒性强、对水环境污染严重，不适合作萃取剂，并且二辛胺作为载体时萃取率较低，只有40%,；Smith等[21]研究了以Amberlite LA-2为载体，进料相PH和温度对萃取效果的影响，萃取率可以达到50%,以上，但是该实验并没有考虑稀释剂等其它单因素对实验结果的影响．

载体的特异性决定萃取效果．大量研究表明Amberlite LA-2作为碱性萃取剂在支撑液膜中做载体时，对青霉素G有很好的萃取效果[2-3, 6, 22]．然而，关于以Amberlite LA-2为载体，研究其在中空纤维更新液膜中对青霉素G的萃取效果的报道还很少．

本文旨在研究以Amberlite LA-2为载体，采用中空纤维更新液膜从水溶液中连续萃取回收青霉素G．以煤油作溶剂，乙酸丁酯和正辛醇作稀释剂，Na2CO3溶液作反萃相，确定了有机相组成，研究了载体浓度、油水比、进料相青霉素G浓度、进料相pH、反萃相pH、两相流率对萃取率的影响，确定了最适操作条件，为中空纤维更新液膜萃取回收青霉素G的工业化生产提供实验依据．

1 实 验

1.1 实验试剂与仪器

青霉素G，AR，天津市南开区艾勒嘉生物技术开发中心；安伯莱特离子交换树脂(Amberlite LA-2)(w＝374,g/mol)，AR，萨恩化学技术(上海)有限公司；乙酸丁酯、正辛醇、煤油、碳酸钠、硫酸、氢氧化钠，AR，天津市元立化工有限公司；磷酸盐缓冲液(PBS)，AR，pH为7.2～7.4，天津艾克泽生物科技有限公司．

FE20K台式pH计，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；BT600-2J蠕动泵，保定兰格恒流泵有限公司；TU-1901双光束紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司．

1.2 实验过程

1.2.1 进料相溶液和反萃相溶液

取一定量的青霉素G溶于PBS缓冲液作为进料相溶液；将质量分数为5%,的Amberlite LA-2溶于煤油作为有机相，稀释剂是乙酸丁酯或正辛醇；反萃相是浓度为0.2,mol/L的Na2CO3溶液．

1.2.2 HFRLM实验

实验采用自制的中空纤维膜组件，实验装置图如图1所示．为了使膜孔中充满有机相，膜组件预先浸泡在有机溶液中24,h．有机相为质量分数为5%,的Amberlite LA-2溶于30%,(体积分数)正辛醇、70%(体积分数)煤油的混合溶液，反萃相pH为10，有机相和反萃相以1∶20的油水比(有机相∶水相)泵入管程，流速为0.6,cm/s．进料相是浓度为10,mmol/L的青霉素G溶液，pH为5，采用蠕动泵逆流泵入壳程，流速为0.48,cm/s．用稀H2SO4溶液和NaOH溶液调节溶液pH．每隔30,min测量1次管程出口侧和壳程出口侧青霉素G浓度．

图1 HFRLM实验装置

膜组件为天津膜天膜科技股份有限公司定制，膜材料为聚丙烯腈超滤膜，具有耐化学腐蚀、热稳定性好、价格便宜等优点，膜组件相关参数如表1所示.

萃取率的计算方法为

式中：f和t分别是进料相泵入和泵出时的青霉素G的浓度，mmol/L．

表1 膜组件相关参数

2 结果与讨论

2.1 反应机理

青霉素G是有机一元酸，其在pH为5～7.8时以游离态存在，青霉素G在水溶液中的电离平衡[2]为

 (2)

式中：HP代表青霉素G分子；H＋代表溶液中的氢离子；P-代表游离的青霉素G离子．

青霉素G离子与载体Amberlite LA-2在酸性条件下发生络合反应，载体Amberlite LA-2作为萃取剂将青霉素G从进料相萃取到有机相，其反应方程式[22]为

 (3)

式中：A代表载体Amberlite LA-2；(HP)A代表青霉素 G与Amberlite LA-2的络合物；aq表示水相；o表示油相．

有机相中的络合物经扩散到达有机相与反萃相接触界面，在碱性条件下发生解络反应，其反应方程式为

 (4)

中空纤维更新液膜的工作原理如图3所示．预先浸润的中空纤维膜孔内充满有机相，进料相中的青霉素G与有机相中的萃取剂发生络合反应，进入由于表面张力和浸润性的共同影响而附着在中空纤维管腔内表面的有机液膜层，完成萃取过程．在管程流体剪应力的作用下，有机液膜表面形成微小有机液滴并均匀分散在反萃相溶液中，在液滴表面发生青霉素G的反萃过程．同时，分散在溶液中的有机液滴能不断地补充到有机液膜层，实现液膜的更新，避免了液膜由于乳化和不稳定造成的流失．

图3 中空纤维更新液膜原理示意

2.2 有机相组成的确定

为了确定有机相组成，采用Amberlite LA-2质量分数为5%,，管程流率为0.6,cm/s，壳程流率为0.48,cm/s，进料相青霉素G浓度为10,mmol/L，进料相pH为5，反萃相为浓度是0.2,mol/L的Na2CO3溶液，反萃相pH为10，油水比为1∶20．萃取率()随稀释剂含量的变化如表2所示．

表2 稀释剂对萃取率的影响

Tab.2 Influence of diluent on the extraction efficiency

由表2可以看出，纯煤油作稀释剂时，萃取率()很小，只有6.8%,，说明几乎没有质量传递发生．随着乙酸丁酯(BA)含量的增加，也增加，当BA体积分数为30%,时，最大可以达到54.7%,．但是，实验过程中，以煤油和乙酸丁酯作稀释剂时，由于乙酸丁酯溶于水，导致萃取前后进料液的体积变化很大，这会导致液膜相的损失，不利于萃取反应的进行．以煤油和正辛醇作稀释剂时，随着正辛醇体积分数的增加，增加，最大可以达到86.8%,．但是，正辛醇含量为40%,时，乳化现象严重，不利于分离，且正辛醇体积分数从30%,提高到50%,时，萃取率没有很大变化，仅提高了3.2%,．故选择煤油和正辛醇作为稀释剂，正辛醇体积分数为30%,，后续实验采用Amberlite LA-2、正辛醇、煤油作为液膜有机相．

2.3 载体浓度的影响

为了考察载体浓度对萃取效果的影响，采用Amberlite LA-2浓度为0～120,mmol/L，管程流率为0.6,cm/s，壳程流率为0.48,cm/s，进料相青霉素G浓度为10,mmol/L，进料相pH为5，反萃相为浓度是0.2,mol/L的Na2CO3溶液，反萃相pH为10，油水比为1∶20．萃取率随Amberlite LA-2浓度的变化曲线如图4所示．

图4 载体浓度对萃取率的影响

由图4可以看出，随着载体Amberlite LA-2浓度的增加，萃取率的数值也随之增加．原因是由于中空纤维更新液膜的传质机理是载体促进传质，载体浓度越高，萃取和反萃速率越快，传质效果越好，所以随载体浓度的增加而增加，最大可以达到85%．当载体浓度达到100,mmol/L时，载体浓度继续增大，几乎保持不变．原因是载体浓度增大导致溶液黏度增加，增大了青霉素G络合物的跨膜阻力，不利于青霉素G络合物从进料相与有机相界面扩散至有机相与反萃相界面．同时，载体浓度过大，溶液容易乳化，导致萃取剂的回收困难．所以载体的最适浓度为100,mmol/L．

2.4 油水比的影响

为了考察有机相与反萃相的混合比(即油水比)对萃取效果的影响，采用Amberlite LA-2浓度为100,mmol/L，管程流率为0.6,cm/s，壳程流率为0.48,cm/s，进料相青霉素G浓度为10,mmol/L，进料相pH为5，反萃相为浓度是0.2,mol/L的Na2CO3溶液，反萃相pH为10．萃取率随油水比的变化曲线如图5所示．

由图5可知，随着油水比的增加，萃取率呈现先增大后减小的趋势．油水比是1∶50时，萃取率较低，只有50%,左右．原因是油水比太小，液膜中的载体数量过低，其对青霉素G的萃取量较少，同时由于油水比较低，导致有机液滴与反萃相的接触面积较小，导致反萃速率较低，进而影响解络后的载体Amberlite LA-2再次与青霉素G络合的萃取过程，最终导致萃取率较低．随着油水比的增大，萃取率也随之增大，油水比为1∶20时，萃取率可以达到80%,．油水比继续增大时，萃取率反而减小．原因是油水比过大，液膜中的有机相过多，容易发生乳化现象，增大传质阻力，同时导致萃取剂的回收困难．因此，液膜中的最佳油水比为1∶20．

图5 油水比对萃取率的影响

2.5 进料相青霉素G浓度的影响

为了考察进料相青霉素G浓度对萃取效果的影响，采用Amberlite LA-2浓度为100,mmol/L，管程流率为0.6,cm/s，壳程流率为0.48,cm/s，进料相青霉素G浓度为10～60,mmol/L，进料相pH为5，反萃相为浓度是0.2,mol/L的Na2CO3溶液，反萃相pH为10，油水比为1∶20．萃取率随进料相青霉素G浓度的变化曲线如图6所示．

图6 进料相青霉素G初始浓度对萃取率的影响

由图6可知，随着青霉素G浓度的增加，呈明显降低趋势．原因是由于青霉素G浓度越高，在浓度差做驱动力的分布平衡过程中，位于纤维膜膜孔的有机相和液膜中的青霉素G及其与载体形成的络合物的浓度也随之增大，增加了青霉素G从有机相向反萃相运输的传质阻力，同时，过饱和的青霉素G及其络合物减慢了液膜相的更新速度，不利于萃取、反萃反应的连续进行．虽然青霉素G的浓度增加导致有机相和反萃相的浓度梯度增加，有利于反萃反应的进行，但是，由于传质阻力也随之增加，最终导致萃取率呈下降趋势．因此选择进料相青霉素G浓度为10,mmol/L．

2.6 进料相pH的影响

为了考察进料相pH对萃取效果的影响，采用Amberlite LA-2浓度为100,mmol/L，管程流率为0.6,cm/s，壳程流率为0.48,cm/s，进料相青霉素G浓度为10,mmol/L，进料相pH为4.5～7，反萃相为浓度是0.2,mol/L的Na2CO3溶液，反萃相pH为10，油水比为1∶20．萃取率随进料相pH的变化曲线如图7所示．

图7 进料相pH对萃取率的影响

由图7可知，随着进料相pH的增加，萃取率呈降低的趋势，pH＝4.5时，萃取率最高可以达到85%,，pH＝7时，萃取率只有50%,左右．如式(3)所示，由于Amberlite LA-2属于碱性萃取剂，其与游离态的青霉素G离子在酸性条件下发生络合反应，从而完成青霉素G从进料相到有机相的萃取过程，进料相H＋浓度越高，越有利于络合反应的进行，同时，进料相和反萃相的pH相差越大，H＋浓度梯度越大，传质驱动力也越大，越有利于萃取和反萃过程的进行．又因为由式(2)可知，青霉素G在pH＜5时以分子态存在，不利于萃取反应的进行，因此进料相最适pH选择5．

2.7 反萃相pH的影响

为了考察反萃相pH对萃取效果的影响．采用Amberlite LA-2浓度为100,mmol/L，管程流率为0.6,cm/s，壳程流率为0.48,cm/s，进料相青霉素G浓度为10,mmol/L，进料相pH为5，反萃相为浓度是0.2,mol/L的Na2CO3溶液，反萃相pH为7.5～10，油水比为1∶20．萃取率随反萃相pH的变化曲线如图8所示．

图8 反萃相pH对萃取率的影响

由图8可知，随着反萃相pH的升高，萃取率也随之升高，萃取率最大可以达到82%,．原因是由于碱性条件有利于反萃反应的进行，pH越高，反萃相与进料相的H＋浓度梯度越大，传质驱动力越大，同时，pH越高，越有利于青霉素G与Amberlite LA-2的络合物的解络反应，有利于青霉素G从液膜相向反萃相的转运过程，反萃速度加快反过来促进萃取反应的发生，最终导致萃取率增大．因此反萃相最适pH选择为10．

2.8 两相流率的影响

为了考察两相流率对萃取效果的影响．采用Amberlite LA-2浓度为100,mmol/L，进料相青霉素G浓度为10,mmol/L，进料相pH为5，反萃相为浓度是0.2,mol/L的Na2CO3溶液，反萃相pH为10，油水比为1∶20．以壳程流率为研究对象时，管程流率始终控制为0.6,cm/s，以管程流率为研究对象时，壳程流率始终控制为0.48,cm/s，萃取率随两相流率的变化曲线如图9所示．

图9 两相流率对萃取率的影响

由图9可知，受管程流率的变化影响不大，却随着壳程流率的增大而增大，萃取率最大可以达到85%,左右．原因是由于管径较小，增大管程流速会导致管程内的溶液由层流流动变成湍流流动，不利于保持液膜的稳定性，同时，管程流速过快，不利于进料相和液膜的充分接触，影响萃取过程的完全进行，从而导致没有明显提高．由于随管程流速的增加变化不大，且没有降低的趋势，为了保证壳程侧压力始终略大于管程侧的压力，避免由于管程侧压力过大，将液膜相压出膜孔，影响传质效果，故确定管程流速为最大流速0.6,cm/s．增大壳程流速，随之增大，原因是由于流速增大使得膜孔靠近进料相的一侧所受的剪切力相应增大，导致进料相边界层变薄，降低了传质阻力，同时，壳程流速增大导致进料相溶液循环加快，有利于萃取反应的连续进行．因此确定壳程流速为0.48,cm/s．

3 结 语

以Amberlite LA-2为载体，采用中空纤维更新液膜萃取回收青霉素G，对影响萃取效果的各因素进行研究．以Amberlite LA-2为载体对青霉素G的萃取率可达到85%,，远高于TBP和DOA作载体时40%,左右的萃取率，表明Amberlite LA-2是中空纤维更新液膜萃取青霉素G的一种优良载体．通过实验，确定了液膜相的组成，即以Amberlite LA-2、30%,(体积分数)正辛醇、煤油作为有机液膜相，载体Amberlite LA-2的质量分数为5%,．通过单因素实验，确定了最适操作条件．萃取率随载体Amberlite LA-2浓度的增加而增加，最终保持稳定，确定载体Amberlite LA-2的最适浓度为100,mmol/L．随着油水比的增加，萃取率呈现先增大后减小的趋势，确定最适油水比为1∶20．随进料相青霉素G浓度的增加，由于从有机相向反萃相的传质阻力增加，导致萃取率随之减小，因此确定进料相青霉素G浓度为10,mmol/L．通过研究进料相pH和反萃相pH对萃取率的影响，确定进料相pH为5，反萃相pH为10．管程流速对萃取率的影响不大，随壳程流速增加，萃取率增加，确定管程流速为0.6,cm/s，壳程流速为0.48,cm/s．

［1］ He L，Li L，Sun W，et al. Extraction and recovery of penicillin G from solution by cascade process of hollow fiber renewal liquid membrane[J].，2016，110(11)：8-16.

［2］ Hossain M M，Dean J. Extraction of penicillin G from aqueous solutions：Analysis of reaction equilibrium and mass transfer[J].，2008，62(2)：437-443.

［3］ Cascaval D，Oniscu C，Cascaval C. Selective separation of penicillin V from phenoxyacetic acid using liquid membranes[J].，2000，5(1)：45-50.

［4］ Kocherginsky N M，Yang Q，Seelam L. Recent advances in supported liquid membrane technology[J]，2007，53(2)：171-177.

［5］ Yang X J，Fane A G，Soldenhoff K. Comparison of liquid membrane processes for metal separations：Permeability，stability，and selectivity[J]，2003，42(2)：392-403.

［6］ Juang R S，Lee S H，Shiau R C. Carrier-facilitated liquid membrane extraction of penicillin G from aqueous streams[J].，1998，146(1)：95-104.

［7］ 沈力人，杨品钊，吉炜青，等. 液膜法萃取青霉素的研究[J]. 膜科学与技术，1997，17(1)：24-28.

Shen Liren，Yang Pinzhao，Ji Weiqing，et al. Extraction of the penicillin G from simulated fermentation solution by an emulsion liquid membrane process[J].，1997，17(1)：24-28(in Chinese).

［8］ Ren Z，Lü Y，Zhang W. Facilitated transport of penicillin G by bulk liquid membrane with TBP as carrier[J].，2009，152(2)：286-294.

［9］ 张卫东，李爱民，李雪梅，等. 液膜技术原理及中空纤维更新液膜[J]. 现代化工，2005，25(4)：66-68.

Zhang Weidong，Li Aiming，Li Xuemei，et al. Principle of liquid membrane and hollow fiber renewal liquid membrane[J].，2005，25(4)：66-68(in Chinese).

［10］ Ren Z，Yang Y，Zhang W，et al. Modeling study on the mass transfer of hollow fiber renewal liquid membrane：Effect of the hollow fiber module scale[J].，2013，439(14)：28-35.

［11］ Ren Z，Zhang W，Li H，et al. Mass transfer characteristics of citric acid extraction by hollow fiber renewal liquid membrane[J].，2009，146(2)：220-226.

［12］ 李皓淑，任钟旗，张卫东，等. 利用中空纤维更新液膜技术从稀溶液中提取柠檬酸[J]. 食品科技，2007，33(10)：141-144.

Li Haoshu，Ren Zhongqi，Zhang Weidong，et al. Extraction of citric acid from dilute solutions with hollow fiber renewal liquid membrane technology[J].，2007，33(10)：141-144(in Chinese).

［13］ Ren Z，Zhang W，Liu Y M，et al. New liquid membrane technology for simultaneous extraction and stripping of copper(Ⅱ)from wastewater[J].，2007，62(22)：6090-6101.

［14］ Ren Z，Zhang W，Meng H，et al. Extraction separation of Cu(Ⅱ)and Co(Ⅱ)from sulfuric solutions by hollow fiber renewal liquid membrane[J].，2010，365(1/2)：260-268.

［15］ Liu J，Zhang W，Ren Z，et al. The separation and concentration of Cr(Ⅵ)from acidic dilute solution using hollow fiber renewal liquid membrane[J].，2009，48(9)：4500-4506.

［16］ Ren Z，Zhang W，Dai Y，et al. Modeling of effect of pH on mass transfer of Copper(Ⅱ)extraction by hollow fiber renewal liquid membrane[J].，2008，47(12)：4256-4262.

［17］ Fortuny A，Coll M T，Sastre A M. Ionic liquids as a

carrier for chloride reduction from brackish water using hollow fiber renewal liquid membrane[J].，2014，343(12)：54-59.

［18］ Ren Z，Zhu X Y，Liu W，et al. Removal of aniline from wastewater using hollow fiber renewal liquid membrane[J].，2014，22(11/12)：1187-1192.

［19］ 高 磊，韩 俭，刘君腾，等. TBP-异辛醇-煤油体系中空纤维更新液膜萃取青霉素G[J]. 中国科技论文，2010，5(9)：726-730.

Gao Lei，Han Jian，Liu Junteng，et al. Extraction of penicillin G with TBP-iso-octanol-kerosene in hollow fiber renewal liquid membrane[J].，2010，5(9)：726-730(in Chinese).

［20］ Ren Z，Zhang W，Lü Y，et al. Simultaneous extraction and concentration of penicillin G by hollow fiber renewal liquid membrane[J].，2009，25(2)：468-475.

［21］ Smith E，Hossain M M. Extraction and recovery of penicillin G in a hollow-fiber membrane contactor[J].，2010，2(5)：455-459.

［22］ Sang C L. Kinetics of reactive extraction of penicillin G by amberlite LA-2 in kerosene[J].，2010，50(1)：119-126.

(责任编辑：田 军)

Extraction and Recovery of Penicillin G by Hollow Fiber Renewal Liquid Membrane

Gao Ruichang，Wu Yanyan，Li Mingxue，Kang Wei

(School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300350，China)

The hollow fiber renewal liquid membrane was used for the extraction and recovery of penicillin G solution．The organic solution of Amberlite LA-2，1-octanol and kerosene was used as liquid membrane phase and Na2CO3solution was used as stripping phase．The effects of carrier concentration，ratio of oil to water，penicillin G concentration in the feed phase，pH of the feed phase，pH of the stripping phase，and flow rates of two phases on the extraction efficiency were studied，and the optimum operation conditions were determined．The results demonstrate that the extraction efficiency could reach 85%, when the carrier(Amberlite LA-2)concentration is 100,mmol/L，ratio of oil to water is 1∶20，penicillin G concentration in the feed phase is 10,mmol/L，pH of the feed phase is 5，pH of the stripping phase is 10，the tube side flow rate is 0.6,cm/s，and the shell side flow rate is 0.48,cm/s，which shows a good industrial application prospect.

penicillin G；hollow fiber renewal liquid membrane；mass transfer；Amberlite LA-2；extraction；recovery

10.11784/tdxbz201707016

TQ465.1

A

0493-2137(2018)07-0741-07

2017-07-12；

2017-09-14.

高瑞昶，gaoruichang@tju.edu.cn.

高瑞昶（1965—），男，博士，副研究员