膜分离技术及其在发酵液后处理中的应用

河北科技大学学报

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膜分离技术及其在发酵液后处理中的应用

张月萍F赵平?F焦运伏!F杨伯伦"

D?G河北科技大学化学与制药工程学院F河北石家庄7B77?@H!G石家庄制药集团企业

技术中心F河北石家庄7B77C?H"G西安交通大学环境与化学工程学院F陕西西安

I?77C J E

摘要>介绍了膜分离技术的原理以及发酵液后处理过程中常用的提取精制方法F如吸

附K沉淀K结晶K萃取K离子交换等L介绍了膜技术在抗生素K维生素K氨基酸K酶制剂及其

他发酵液后处理过程中的应用现状L实现膜技术在生产过程中的应用需要在膜与物料

的适应性K适宜的操作条件和清洗K再生等方面进行研究F使后处理过程在低成本K高收

率下进行L

关键词>膜分离H膜技术应用H发酵液

中图分类号>1M7!@G@文献标识码>(

N膜分离技术

膜分离技术利用膜对混合物中各组分的选择透过性能来分离K提纯和浓缩目的产物L膜分离过程在常温下进行F无相变化F能耗低F设备简单F操作控制方便F已在化工K医药K轻工K食品K纺织K电子K冶金等多个领域得到应用O?P L

N G N膜分离技术分类O Q F R P

适用于发酵液后处理的膜分离技术有微滤K超滤K纳滤和反渗透等L微滤膜截留7G7?S?7 T<以上的粒子F如菌体K细胞K不溶物等F常用作超滤的预处理过程H超滤膜截留分子量B777S B77777F膜孔径?S!7U

N G Q膜材料

按制膜材料的不同可将膜分为高分子膜K无机膜和液体膜L常用的是高分子膜F其次是无机膜L高分子膜材料有纤维素类K聚酰胺类K芳香杂环类K聚砜类K聚烯烃类K硅橡胶类K含氟高分子类等L高分子膜优点是种类多F可选择性大F价格低F膜组件结构较简单等H缺点是化学稳定性和

收稿日期>!77?A??A7@H修回日期>!77!A7C A!7H责任编辑>陈玉堂

基金项目>河北省重点科研计划资助项目D J I B C B B7J9E

作者简介>张月萍D?J6"A E F女F河北张家口市人F西安交通大学工程硕士研究生F研究方向为分离技术研究及应用L

热稳定性差!易受微生物降解!易压密等"无机膜多以金属#金属氧化物#陶瓷等制成!可以耐高

温#

高压!化学性质稳定!寿命长!物料通量大!允许使用苛刻的清洗条件$缺点是膜脆#易碎!设备费高%&’"鉴于膜材料的上述特点!

下面讨论常用的高分子膜"()*膜结构

按膜结构的不同分为对称膜和非对称膜"对称膜又称为均质膜"非对称膜又分为一般非对

称膜和复合膜"一般非对称膜又称为整体对称膜!

膜的表层和底层为同一种材料$复合膜又称为组合不对称膜!膜的表层和底层为不同材料"均质膜内孔道结构均匀一致!大于孔道直径的粒子被膜截留"为了保证均质膜在一定压差作用下的机械强度!膜必须有一定的厚度!使得组分通过

膜的阻力较大"超滤膜通常为非对称膜!

非对称膜中起截留作用的是致密的表面皮层!其厚度仅+,-.-/01!在皮层下有多孔网状结构的支撑层!支撑层厚度在/+.2/+01!

这样既保证对大分子物质的有效截留!又降低了分离操作时膜的阻力!提高了膜通量!同时具有一定的机械强度"

()3膜分离机理%

3’超滤与微滤的分离机理一般认为是简单的筛分过程%/’!

大于膜表面毛细孔的分子被截留!较小的分子则透过膜"关于反渗透膜的分离机理有许多理论!其中以溶解4扩散模型应用最普遍"溶解扩散模型是567869等于-

:;/年提出的!假定溶剂和溶质分子首先溶解在膜中!然后扩散通过膜"

当溶剂透过膜而溶质留在膜面上时!膜面上溶质浓度增大!溶剂浓度减小!使溶剂透过膜的

通量减小!出现浓差极化现象%;’"

超滤和微滤中处理的高分子或凝胶溶液在膜表面上浓度升高到一定程度后形成凝胶层!凝胶层的出现增大了溶剂通过膜的阻力"通常采用错流操作来减少浓差

极化!

此时溶液主体流动方向与透过液流动方向垂直!截留在膜表面的溶质被切向流体带走!以限制膜表面的溶质浓度"

()<膜组件结构

膜组件结构型式主要有平板式#管式#卷式和中空纤维式=种"平板式膜组件常用板框式结构!其优点是膜的清洗和更换容易!料液流通截面积大!不易堵塞$缺点是密封难度大!部件加工精度要求高!料液流程短!为达到一定浓缩度需多次循环!常用于小型选膜实验中"管式膜组件结构原理类似于管式换热器!它的优点是料液流速可调范围大!可处理悬浮固体浓度较高的料液!

清洗方便$缺点是单位体积膜面积较小!造价高"卷式膜组件结构与螺旋板换热器类似!单位体积中膜面积大$但压力降大!膜层间易堵塞!清洗困难"中空纤维膜的外径为+,/.211!

可在膜组件内自行支撑!膜组件单位体积内膜面积大!压力降小$但是易堵塞!料液需要预处理">发酵液后处理过程

用发酵的方法已能生产多种产品%?’!

如抗生素#维生素#氨基酸#酶制剂#有机酸和酒精等"发酵产品的一般生产过程是发酵液经过提取#精制过程去掉目的产物之外的杂质得到产品%@’!

提取精制过程为后处理过程"

经发酵过程制得的发酵液中目的产物浓度较低!一般在-+A 以下%?’!

有些甚至只有万分之几!其余成分主要是水及细胞#代谢产物和未用完的培养基等!形成了水#无机小分子#有机小分

子#

有机大分子#色素#多糖#蛋白#病毒#胶状物#菌体等构成的多相物系"其中有些物质的物理化学性质和目的产物相近或相似!胶状物有可压缩性#粘度高!目的产物通常不稳定!遇热#极端

B C #

有机溶剂会引起变性失活!这些都给发酵液的后处理过程带来很大困难"通常后处理过程第22河北科技大学学报2++2年