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

第!"卷第"期#$%&’()$*+,-,.%’./,&0.12$*/345!"’35"总第6!期!77!年08.,’8,(’91,8+’$)$:20;<

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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

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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

一步是从发酵液中分离出固体!经固体分离后"目的产物存在于滤液中"滤液体积大浓度低需要进行浓缩和初步纯化"

称为提取过程!提取后体积变小"但纯度提高不多"需要进一步进行精制!提取精制后根据产品应用时的要求"最后还需要对成品进行加工!

为适应不同产品后处理过程的需要"已提出了多种提取精制方法#$"%&’"并应用于发酵产品的工业生产中!常用的提取精制方法有吸附(沉淀(结晶(萃取(离子交换等!吸附法利用发酵液中

不同组分与吸附剂分子间力的不同"

把目的产物吸附到吸附剂上而与其他杂质分离!吸附过程具有选择性好(解吸容易(操作条件温和(吸附剂可反复使用等优点"但存在废液量大(收率低(不能连续操作等缺点!沉淀法利用物理环境的变化引起溶质的溶解度降低"形成固体凝聚物来浓缩目

的产物!它具有操作简单(

收率高(成本低(废液量少等优点"缺点是有结构类似的杂质和产物同时沉淀"

沉淀物纯度低"有相态变化!结晶法原理与沉淀法类似"但产物分子规整排列形成晶体"故结晶过程选择性高"晶体纯度高!萃取法利用溶质在互不相溶的两相之间分配系数的不同而使

溶质得到纯化或浓缩"

它的优点是选择性好(能耗低(接触时间短(连续操作"缺点是过程中有乳化现象"

给两相分离带来困难!离子交换法利用离子交换树脂与目的产物之间的化学亲和力"有选择性地将目的产物吸着在树脂上"然后在适宜的条件下洗脱下来"使目的产物浓度(纯度同时提高!离子交换法设备简单(操作方便(成本低(有机溶剂用量少"但生产周期长"稳定性差的产物不适用!

膜技术作为一种新型的提取精制方法#)’已开始应用于发酵液后处理过程中"有望在多种发酵产品的生产过程中得到广泛应用!

*膜技术在后处理过程中的应用

膜技术已成功地应用于海水淡化(超纯水制造(合成氨驰放气中氢气的回收等过程中!在发酵液后处理过程中的应用已进行了大量实验研究"有些已实现了工业化!研究工作集中在抗生素(维生素(氨基酸(酶制剂等方面!

*+,抗生素后处理中的应用

青霉素发酵滤液中存在副产物(残留培养基以及可溶性蛋白"萃取时将发生乳化现象"水相与酯相分相困难"影响青霉素在两相间的传递"延长了萃取过程时间"降低萃取工段青霉素的收率!用超滤膜对青霉素发酵液进行处理"能有效去除蛋白质及其他大分子杂质"消除萃取时的乳

化现象#%%-%.’!超滤后可溶性蛋白质全部截留"

青霉素的超滤与萃取总收率与原萃取收率基本持平"而且萃取时容易实现相分离"减少了溶剂损失"无需加入破乳剂"降低了成本!硫酸卡那霉素

生产中用超滤膜清除脱色液中的细菌和热原#%/’"

取代原工艺中的无菌板框过滤"除菌去热原效果良好"克服无菌板框除菌效果不稳定的现象"免除蒸气消毒过程"简化操作!用超滤膜处理头孢

菌素0发酵滤液#/’"

去掉蛋白质等大分子杂质和红棕色色素!抗生素发酵液后处理过程除了应用超滤去掉大分子杂质这种方法外"还可以用纳滤#%1"%2’或

反渗透#%)’去掉小分子杂质"如用亲水性纳滤膜浓缩发酵液滤液"除去大部分水和无机盐"然后用溶媒萃取提取抗生素"这样可大幅度提高萃取过程生产能力"减少萃取剂用量3或用疏水性纳滤

膜浓缩萃取液"这样可节省溶媒蒸发设备投资和蒸发所需热能#%4’!

抗生素生产过程的废水处理问题是水处理难题"其废水间歇排放"污染负荷高"成分复杂"含

有抑菌作用的抗生素"使生化处理方法很难解决!用反渗透法膜处理#%$’"

可把抗生素全部截留浓缩"进一步处理加以回收"透过液返回发酵过滤工段继续使用!

.5第.期张月萍等膜分离技术及其在发酵液后处理中的应用

!"#维生素后处理中的应用

维生素$是用发酵法生产的典型维生素类产品%用膜技术处理&’发酵液已进行了大量研究()*%+,-++.%

并成功实现了工业化/&’由山梨醇在细菌作用下发酵形成中间体古龙酸%古龙酸经提纯后进一步转化生产/古龙酸发酵液经预处理去掉固形杂质和部分蛋白后%再经超滤去掉蛋白0多糖等大分子杂质%净化进入下一步离子交换的料液%使离子交换柱交换率增加%减少再生液

和洗水用量%

从而减少一步离子交换过程%节约能源/如果用反渗透膜处理(+).可去掉原料液中大部分的水分%代替生产中一级浓缩蒸发过程/膜技术的采用%缩短了原古龙酸提取的流程%减少了酸碱再生废液和清洗水用量%同时减少了浓缩过程中古龙酸的受热分解损失量%降低了生产成本/

!"!氨基酸后处理中的应用

谷氨酸是味精的主要成分%用发酵法生产/在谷氨酸生产中使用超滤膜分离(+1%+2.可将谷氨

酸与菌体蛋白分离%超滤液经等电点结晶%得到谷氨酸晶体/增加膜分离后工艺时间缩短%提取收率提高/

味精废水属于高浓度难降解有机废水%不仅有机物含量高%而且含有很高的34153和67+82%

传统生物处理技术很难使其达标排放%采用超滤膜去除味精废水中的菌体和大分子蛋白等成分(+9.%废水中66去除率可达::;以上%$7<’=

的去除率约为1,;%从而较好的减轻了生物法的处理负荷%同时回收了废水中的蛋白/

!">酶制剂后处理中的应用

酶是生物体产生的具有特殊催化功能的蛋白质%工业酶制剂传统生产工艺是发酵?絮凝沉淀?过滤?溶剂萃取?真空蒸发?干燥%其生产过程能耗高%酶失活率高%流失严重/用膜技术对

酶发酵液进行浓缩提纯(+@%+A .%

在常温下操作%减少了温度对酶制剂质量的影响B 去掉了蒸发过程相变化%能耗低B 操作简单B 不用或少用溶剂%减少溶剂消耗量和溶剂回收费用/

!"C 其他发酵液后处理中的应用

除了上述发酵产品外%膜技术还应用于其他发酵液的后处理中%如用超滤膜处理乳酸发酵液(+*.%可截留其中的细胞和蛋白质/后续以离子交换工艺%乳酸收率比结晶法高+:"+;(+:.%

同时缩短了生产周期/超滤浓缩液循环回发酵罐重新作为底物得到充分利用%

降低了能耗和废水量/丙酸杆菌可用来生产维生素D )+

%且有望用来从可再生资源中生产丙酸/在丙酸杆菌连续培养过程中(1,.%

可以用微滤膜回收发酵液中的菌体细胞%透过液循环回发酵罐以充分利用培养液%同时阻止细胞对发酵过程的抑制作用/

灵芝发酵液中的真菌多糖0蛋白质0核酸0核苷等%具有广泛的生理活性(1)./用超滤膜对其进

行浓缩%发酵液浓缩9倍以上%收率达:+"@;/

膜分离技术应用从+,世纪@,年代以来受到了广泛的重视%

已进行了大量的工作/研究工作现在集中在膜分离过程模型(@%1+-12.0膜的分离性能(19-1*.0膜分离与反应耦合过程(1,%1:%2,.0

膜分离实际应用0膜污染0清洗再生(2)-21.等方面/在发酵液后处理中的应用研究涉及抗生素0维生素0氨

基酸0酶制剂等多种物料%研究了膜组件形式0截留分子量0截留性能0对后续工艺过程影响0操作条件等/通过大量研究以后%维生素$提纯和硫酸卡那霉素除菌去热源都得到成功应用/由于不同文献使用的膜材料0膜结构等方面的差异%对同一种物料的研究结果相差较大%受到膜材料0发酵液性质0操作条件的影响/不同的物料其物理化学性质不同%要实现膜技术在发酵液后处理中的应用%还需要针对具体物料在膜与物料适应性0合适的截留分子量0分离效果0最佳操作条件0

对后续工艺过程影响0对产品质量影响等方面进行研究%在膜材料0膜结构0截留分子量0操作条2+河北科技大学学报+,,+年

件和清洗方法等方面进行优化处理!使后处理过程在低成本"高收率下进行!使膜分离这一环保型技术得到更广泛的应用#

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膜分离技术及其在发酵液后处理中的应用

作者：张月萍， 赵平， 焦运伏， 杨伯伦

作者单位：张月萍,赵平(河北科技大学化学与制药工程学院,河北石家庄,050018)， 焦运伏(石家庄制药集团企业技术中心,河北石家庄,050041)， 杨伯伦(西安交通大学环

境与化学工程学院,陕西西安,710049)

刊名：

河北科技大学学报

英文刊名：JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

年，卷(期)：2002，23(3)

引用次数：6次

参考文献(43条)

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5.李晓波.王晓静膜分离技术及其在废水处理中的应用[期刊论文]-河北工业科技 2005(4)

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本文链接：https://www.360docs.net/doc/794355083.html,/Periodical_hbkjdx200203005.aspx

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