陶瓷膜在生物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：陶瓷膜、超滤、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【1】，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【2】鲁抗医药股份有限公司于2004年开始应用陶瓷膜技术，已成功用于洛伐他汀、大观霉素、麦迪霉素、氨基酸发酵液的分离。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
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。

图1试验装置图
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。
膜系统采用错流过滤：流体一进二出，流动方向与膜表面平行，削薄膜面的浓差极化层、减少过滤阻力，膜面不易堵塞，过滤速度较快。如右图所示
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: 膜是一种起分子级分离过滤作用的介质，当溶液或混和气体与膜接触时，在压力下，或电场作用下，或温差作用下，某些物质可以透过膜，而另些物质则被选择性的拦截，从而使溶液中不同组分，或混和气体的不同组分被分离，这种分离是分子级的分离。分离机理主要为筛分：膜表面有微孔，流体流经膜一侧的表面时，部分较小的分子随部分溶剂穿过膜到达另一侧，形成透析液，而大分子则被截留在原来的一侧，形成截留液，从而达到了将大分子溶质与小分子溶质及溶剂分离开的目的。
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【3】。


膜分离过程中膜的浓差极化是不能忽视的, 特别是对以压差为推动力的膜过程的分离效果和过程可靠性有极大影响, 尤以对超滤和微滤的影响最大[3 ] 。正是由于极化现象的存在, 才使料液中小于膜孔径的颗粒被截留, 而达到比较好的分离效果和比较稳定的运行过程。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，用饮用水、酸和碱液对膜进行清洗再生，以便下次再用。在分离效果达到技术要求的基础上, 研究操作压力、膜面流速、料液浓度对膜稳定通量及截留效果的影响,同时研究了膜污染后的清洗问题。
2 　结果与讨论
2.1 　操作压力的影响
在进口压力为0.1 MPa , 膜面流速2.3 m/ s 的条件下, 测得不同出口压力下稳定膜通量和透过液固含量的变化情况, 如图2 所示。

可以看出对浓度大(发酵液菌浓65 %) 的料液的过滤, 膜稳定通量与操作压力基本呈线性关系; 随压力升高, 膜截留效果一直很好, 透过液中的固含量都为0 , 说明压力升高起推动力作用占主导地位,而压力升高导致滤饼增厚, 过滤阻力增大的因素占次要地位。考虑到膜组件的承受压力、密封性能,选择膜进口压力选择在0.1 MPa , 出口压力范围选择在0.048～0.054 MPa。如图3 所示,

对浓度低(发酵液菌浓36 %) 的料液, 膜的稳定通量随压力的升高而升高, 膜稳定通量在压力为0.06 MPa 时开始下降,膜的截留效果是在压力为0.54 MPa时就开始变差,透过液中固含量开始增大, 这是因为浓度低的料液的过滤, 其因浓差极化而形成的极化层相对薄, 膜过滤阻力也相应减小, 而极化层能够承受的压力也就小, 所以当压力升高超过极化层承受的压力时, 就可能使粒径小于膜孔径的颗粒拥有足够的推动力来穿透极化层和膜孔而进入清液滤, 为了维持膜的有效过滤的稳定性,选择出口压力范围在0.048～ 0.052 MPa。另外,压力升高到0.06 MPa 时, 膜稳定通量开始下降,是因为小粒径的颗粒有部分穿透了膜孔, 有部分被压入膜面或膜孔内, 使其比阻力增大, 而造成膜通量下降。

2.2 　膜面流速的影响
在膜进口压力0.1 MPa , 出口压力维持在0.05MPa 左右条件下, 测得不同流速下的膜稳定通量的变化情况。如图4 所示,

膜面流速的升高, 膜通量基本呈线性增长。这是因为在高的膜面流速下,产生较大的剪切作用带走了膜面悬浮颗粒等组分使膜面极化层减薄, 减轻了浓差极化的影响, 使过滤阻力减小而造成的, 但膜面流速并非越高越好, 过高的膜面流速下, 速度可能对膜通量的影响不大, 反而使单位时间循环量增大而导致动力消耗增大。因此在保证过滤效果和满足设计要求条件下, 选择膜面流速在2.1～2.5 m/ s。
2、3 　料液浓度（菌浓）和浓缩比
料液浓度: 在膜面流速为2.3 m/ s , 进口压力为0.1 MPa , 出口压力维持在0.05 MPa 下, 测得不同料液浓度下膜通量和过滤效果的变化。用新膜和清洗干净、膜通量恢复的膜, 考察了两种浓度料液的膜通量随时间的变化情况。
如图5和图6 所示。


膜通量都随时间的增长而缓慢递减。在料液循环中, 料液浓度逐渐增大, 浓差极化现象严重, 过滤阻力增大, 膜通量递减, 当浓度超过一定值时, 界面浓差极化达到动态平衡, 膜通量随时间衰减幅度减小。对于浓度约为36 %的料液过滤, 过滤效果一直很好, 透过液中的固含量为0 ;浓度为65%的料液过滤, 过滤效果达到98 % ,二者的过滤液都是澄清、无色透明的。浓缩比: 浓度为36 %料液循环20 h 后出料, 浓缩比为8.33 , 跨膜压差在0.073～0.078 MPa , 膜通量在80～60 L/ (m2•h) ,膜过滤效果一直很好, 透过液中固含量为0 , 所以料液可循环到浓缩比大于8 的情况。对浓度为65%料液, 出料时, 浓缩到91%而膜过滤分离性能一直保持很好。浓缩后, 透过液体积为原废液体积的90 %以上。由此判断无机陶瓷膜超滤洛伐他汀发酵液性能较好。
2、4 　膜污染和清洗
在试验中, 料液连续地通过膜管, 料液中的油脂、蛋白质、菌丝体等吸附并沉积在膜表面或膜孔内, 使膜通量衰减。因此, 为减缓膜的污染, 必须寻找有效的清洗方法, 恢复膜通量。试验所处理的发酵液体系, 膜污染阻力可简化为两部分, 一部分是滤饼阻力, 包括浓差化、膜表面的吸附及沉积等形成的阻力, 通常用水力冲洗等物理方法就可以去除, 另一部分为膜孔的堵塞阻力,常规用物理方法难以去除, 需用化学方法清洗。
清洗工艺为：高速冲洗-自来水反冲-碱洗(0.2mol/LNaOH)1h-酸洗(0.1mol/LHC1)1h;反复清洗后,膜管通量恢复均在90％左右。选取以下几类清洗剂：无机强酸(硝酸)主要使污染物中的一部分不溶性物质变成可溶性物质；有机酸(柠檬酸)主要是清除无机盐的沉积(铁盐)；螯合剂(EDTA)主要与污染物中的无机离子络合，减少膜面和孔内沉积或吸附的无机盐类；表面活性剂(SDS)主要清除有机污染物；强氧化剂(次氯酸钠)和强碱(氢氧化钠)主要清除油脂和蛋白、藻类等物质的污染[4]。
因为在超滤中, 浓差极化不可忽视, 膜超滤分离效果在一定程度上靠的是起有效过滤的极化层, 此时的过滤阻力主要是浓差极化形成的极化层上的阻力, 因此, 膜通量衰减到一定程度后, 首先选择物理清洗方法来清洗。在试验中, 当过滤完浓度为65%料液后,换成浓度为36 %的料液过滤, 发现膜通量能逐渐恢复到过滤浓度为65%料液的初始通量,且透过液澄清透亮。
如图7 和8 所示,


从A 到B 是高浓度料液的过滤, 从C 到D 是低浓度料液的清洗。膜通量基本恢复可能是因为低浓度的料液进入膜管内, 其本体浓度小于前次过滤高浓度的料液因浓差极化积累到膜面上形成极化层的浓度, 所以高浓度料液过滤完后, 过滤低浓度料液, 一方面, 不可能出现因浓差极化而造成的膜污染, 另一方面,正因为低浓度的料液的浓度小于膜面极化层的浓度, 所以膜面上高浓度极化层上的颗粒向低浓度的料液的本体相扩散, 减小了过滤阻力, 膜通量逐渐增大, 低浓度的料液对膜面起了清洗作用, 当料液本体浓度与膜面上积累的颗粒浓度再达到平衡后,膜通量趋于稳定。这为膜清洗找到了一个合适的方法, 既避免了使用清洗剂清洗膜时, 膜使用寿命缩短, 又显著地延长了化学清洗周期, 确保膜长期稳定的运行, 既经济又有效。
3 　结　论
通过对含有菌丝体、颗粒物、可溶性蛋白、残留营养物、残留发酵原料、灰份、水和洛伐他汀的发酵液超滤研究, 说明采用无机陶瓷膜超滤含有上述物质的发酵液技术上是完全可行的, 同时也显示了技术上的优越性, 其特点是适用范围广, 操作方便使用寿命长,透过液质量好,膜再生容易, 不产生二次污染, 为含有菌丝体、颗粒物、可溶性蛋白、残留营养物、残留发酵原料、灰份、水和发酵产物的发酵液的净化处理找到了比较合适的方法。
(1) 无机陶瓷膜超滤所提供两种料液, 透过液通量在1.08～0.81 m3/ (m2 •h•MPa) , 透过液澄清,无色透明。适宜的操作条件为:膜进口压力0.1 MPa , 膜出口压力在0.05～0.053MPa , 膜面流速2.1～2.5 m/ s 。
(2) 无机陶瓷膜再生方便, 以低浓度料液或用其透过液进行清洗, 不仅膜通量可以基本恢复而且可以显著地延长化学清洗周期, 延长膜使用寿命,确保膜超滤的稳定运行。