陶瓷超滤膜在发酵液分离中的应用

scg698

陶瓷超滤膜在发酵液分离中的应用

摘要：采用陶瓷膜对发酵液的分离进行了研究，探讨了操作参数如操作压力、膜面流速、发酵液的效价（浓度）和温度对膜分离效果及膜通量的影响规律，确定了适宜的分离工艺条件，有效地解决了膜污染后的清洗问题。
关键词：陶瓷超滤膜、发酵液、膜污染、清洗
发酵液的成份是非常复杂的，不但与生产的产品和工艺有关，同时也因发酵的工艺条件、使用培养基的不同等，而有非常大的差别。抗生素发酵液中含有菌丝体、颗粒物、可溶性蛋白、残留营养物、残留发酵原料、灰份、水和有效成份等。发酵液分离的目的就是要去除无效成份，而最大程度地回收有效成份。传统分离工艺采用转鼓过滤机、板框压滤机、自动出渣离心机等来进行，由于过滤精度低，仅去除大部分的菌丝体和固体颗粒物，无法去除其他杂质，滤液的质量不理想。同时后处理工序负荷较大，且最为关键的是：传统工艺对染菌料液处理困难，不但浪费原料，同时也影响生产过程。膜分离技术的出现不但提高了料液质量，同时还解决了对染菌料液处理困难的难题。超滤材料大多数是有机高分子膜，而无机膜材料近年有所应用，无机陶瓷膜具有化学稳定性好，耐酸、耐碱、耐高温，机械强度大，抗微生物侵蚀，使用寿命长，易清洗，再生能力强等优点，在越来越多的领域得到应用，本文以采用陶瓷膜分离法从发酵液中提取洛法他汀有效成份为例，研究了陶瓷超滤膜分离发酵液的工艺，为发酵液固液分离寻求一种好方法。
1  试验材料与方法
1.1膜材料
采用的膜是8通道多孔管式陶瓷芯
外形尺寸：膜管外径φ25mm，通道内径φ6mm，管长1178mm
膜材质：氧化锆、三氧化二铝、二氧化钛
膜孔径：150KD
爆破压力：≥9.0MPa
最大工作压力：≤ 1.0MPa
pH适用范围：0~14
工作温度：≤350℃
灭菌温度：121℃
单只膜面积：0.2m2
陶瓷膜简介及其工艺
1.2  试验料液
由鲁抗医药股份公司生产的洛伐他汀发酵液，它是一种含有菌丝体、颗粒物、可溶性蛋白、残留营养物、残留发酵原料、灰份、水和洛伐他汀的混合液。
1.3  试验装置及流程
如图1所示，膜分离系统由膜组件、进料泵和循环泵组成，进料泵提供压力，循环泵提供流量。膜组件由三组平行的膜单元组成，每个膜单元由两个装有99根膜管的膜壳串联组成。采用冷冻盐水作为冷却介质，保证系统的温度维持在40℃以下。
操作过程采用批处理间歇式操作过程，不断地对发酵液进行过滤浓缩，当发酵液浓缩至原总量的60%时，开始加入透析水，共加入透析水量为总料液体积的400%，将有效成份从料液中透析出，并转移到过滤液中，从而提高有效成份的收率。每批料液过滤完成后，使酸和液对膜进行再生，以便下次再用。
图1试验装置图
1.4    检验方法
发酵液的效价、滤液效价用高效液相法检测，酸、碱含量用化学法
1.5  试验原理及方法
膜分离原理
膜分离主要是压力驱动的分离过程，按分离孔径的大小可以有如下的分离过程：微滤、超滤、纳滤和反渗透。微滤膜的分离范围为0.1-10μm，用于最粗级别的分离，将菌丝体、颗粒物、胶体等较大颗粒的物质截留；超滤膜的分离范围为切割分子量从1000道尔顿到数十万道尔顿（孔径相当于0.001-0.05μm），超滤膜除微滤拦截的物质之外，还可以截留大分子蛋白、油脂等；纳滤主要用于浓缩抗生素、有机酸大分子、多糖、色素、二价离子等，而允许一价无机盐和溶剂等通过。



五、一般操作说明
注意事项：为避免损坏膜管，流动不稳（水流冲击）、气液混合、振动和泵空转都应避免；原料罐与清洗罐的液位均需高于泵的进口位置，以免造成泵吸入空气；开机和生产中不得有空气进入膜过滤系统。
停机保养：膜系统应清洗至中性保存。短期停机，需完全放空系统内介质；长期停机（超过24小时），完全排空设备内介质并定期循环清洗膜系统。
清洗用水的质量指标：
   Fe≤0.1ppm
   AI≤0.1ppm
   Si≤25ppm
   总硬度≤0.25mg/L CaCO3
   可溶解有机物 N2≤0.05mg/L
   污染指数≤1.5
清洗膜：第一次使用的膜均需进行循环清洗，方法为：
碱洗：用温度为80℃、浓度为2%的 NaOH溶液清洗，时间为30分钟，后用水漂洗至中性；
酸洗：用温度为50℃、浓度为2%的HNO3溶液清洗，时间为30分钟，后用水漂洗至中性；
水通量测定（用WFR125表示，即在温度为25℃、操作压力为0.1MPa，单位膜面积每小时流过膜管的体积升数。）：
TMP=(Pe+Ps)／2－Cp            
DE125=Qp×Kt／(TMP×A)
其中：TMP为操作压力，单位：bar
      Pe为物料进口压力，单位：bar
Ps为物料循环压力，单位：bar
Cp为渗透侧出口压力，单位：bar
      Qp为测定水流量，单位：l/h
      Kt为温度校正系数，温度校正系数见表1
      A为膜过滤面积，单位：m2
表1-2  温度校正系数
℃     Kt    ℃    Kt    ℃    Kt    ℃    Kt    ℃    Kt
0    2.003    16    1.245    32    0.860    48    0.634    64    0.495
1    1.934    17    1.214    33    0.839    49    0.624    65    0.488
2    1.870    18    1.184    34    0.822    50    0.612    66    0.482
3    1.808    19    1.153    35    0.816    51    0.603    67    0.471
4    1.751    20    1.127    36    0.788    52    0.594    68    0.468
5    1.696    21    1.009    37    0.773    53    0.585    69    0.461
6    1.645    22    1.073    38    0.759    54    0.575    70    0.454
7    1.595    23    1.048    39    0.744    55    0.566    71    0.449
8    1.549    24    1.022    40    0.730    56    0.557    72    0.442
9    1.505    25    1.000    41    0.717    57    0.549    73    0.436
10    1.463    26    0.977    42    0.703    58    0.541    74    0.431
11    1.422    27    0.955    43    0.691    59    0.533    75    0.426
12    1.383    28    0.934    44    0.678    60    0.525    76    0.420
13    1.346    29    0.913    45    0.667    61    0.517    77    0.414
14    1.311    30    0.893    46    0.656    62    0.509    78    0.409
15    1.287    31    0.875    47    0.644    63    0.502    79    0.404

六、膜清洗
由于膜的污染导致通量的下降，必须对膜进行清洗。膜清洗的一般原则是高流速、低压力下进行，渗透侧阀门必须闭合状态。一般来说，膜清洗方法通常可分为物理方法和化学方法，物理方法是指采用高流速水冲洗，海绵球机械清洗等去除污染物，化学方法是采用对膜材料本身没有破坏、对污染物有溶解作用或置换作用的化学试剂对膜进行清洗。
无机膜以其优异的化学稳定性和高的机械强度可采用更广泛的清洗方法进行清洗。无机膜化学清洗的一般规律为：无机强酸使污染物中一部分不溶性物质变为可溶性物质；有机酸主要清除无机盐的沉积；螯合物可与污染物中的无机离子络合生成溶解度大的物质，减少膜表面和孔内沉积的盐和吸附的无机污染物，表面活性剂主要清除有机物污染物；强氧化剂和强碱是清除油脂和蛋白、藻类等 生物物质的污染；而对于细胞碎片等污染体系，多采用酶清洗剂。对于污染非常严重的膜，通常采用强酸、强碱交替清洗，并加入次氯酸钠等氧化剂与表面活性剂。在这些清洗过程中，常采用高速低压的操作条件，有时配以反冲，以发挥处理方法的作用，最大程度地恢复膜通量。化学清洗结束后用清水漂洗至中性。
化学清洗剂的选择和清洗方法的确定视原料液的体系通过实验而定。