膜分离技术在发酵液提炼中的应用

膜分离技术在发酵液提炼中的应用 张 丽 (华北制药威可达有限责任公司 ,河北 ,石家庄 , 050031) 【摘要】 本文详细论述了微滤 ,超滤 ,纳滤这三种技术组合的膜技术在发酵液提取中的应用 ,提供了一种新型组合膜工 艺。概述了膜分离技术的机理 ,优势 ,分类。对三种膜进行了详细的介绍。提出了提高纳滤浓缩倍数的一点看法。 【关键词】 膜分离技术 ;发酵液 ;提炼 【中图分类号】 Q815 【文献标识码】 B 【文章编号】 1003 - 3467 (2010) 10 - 0065 - 01 膜分离作为新兴的分离纯化技术 ,以其精密、高效、低 耗、环保、纯物理分离过程等优点 ,已被广泛应用于水处理、 食品、化工、生物医药、冶金等工业领域。现已应用膜过程有 反渗透、纳滤、超过滤、微孔过滤、透析电渗析、气体分离、渗 透蒸发、控制释放、液膜、膜蒸馏膜反应器等。 发酵液的提 炼包括分离 ,纯化和浓缩。在产品的成本构成中 ,提炼占相 当高的比例。应用现代化工艺是提高经济效益的重要途径。 目前 ,膜分离技术越来越多地应用到提炼工艺中 ,取代了传 统的工艺 ,取得了良好的效益。 1 膜分离技术简介 膜分离技术是一种使用半透膜分离方法 ,其分离原理是 依据物质分子尺度的大小 ,采用天然或人工合成高分子薄膜 借助膜的选择渗透作用 ,在常温下以膜两侧压力差或电位差 为动力 ,在外界能量或化学位差的推动作用下对混合物中双 组分或多组分溶质和溶剂进行离、浓缩、提纯及净化技术 ,从 而达到分离、提纯和浓缩的目的。 2 发酵液特点 发酵液大都是具有生物活性的低聚糖、氨基酸、多肽、蛋 白质等物质 ,黏度大. 目的产物浓度很低。发酵法生产的抗 生素原液中含有 4%的生物残渣、一定盐分和约 0. 1% ～0. 2%的抗生素。发酵液含有大量的其他杂质 ,如菌丝体 ,蛋白 质 ,残存可溶底物 ,中间代谢产物、发酵液预处理过程中加入 的物质等 ;而且某些目的产物的耐热、耐 PH值和耐有机溶剂 性差 ,在分离过程中容易变性失活 ,因此要从发酵液折中去 掉大量杂质 ,制取高纯度的合乎药典规定的产品 ,提炼是很 重要的环节。 3 发酵液提炼的膜工艺 3. 1 微滤 (MF) 微滤 (MF)是发展最早 ,制备技术最成熟 的膜形式之一 ,孔径在 0. 05～ l0 m之间 ,可以将细菌、微粒、 亚微粒、胶团等不溶物除去 ,滤液纯净 ,国际上通称为绝对过 滤。由于微滤孔径相对较大 ,单位膜面积透水率高 ,而且制 备成本最低 ,使用范围非常广。利用微滤或超滤操作进行菌 体的错流过滤分离是膜分离法的重要应用之一。与传统的 滤板 ,饼过滤和硅藻土过滤相比 ,错流过滤法具有如下优点 : ①透过通量大 ; ②滤液清净 ,菌体回收率高 ; ③添加助滤剂或 絮凝剂 .回收的菌体纯净 ,有利地进一步分离操作 (如菌体破 碎 ,胞内产物的回收等 ) ; ④适于大规模连续操作。⑤易于进 行无菌操作 ,防止杂菌污染。在发酵液提炼中我们用它把菌 丝体与其他杂质分离 ,起到过滤的作用。 3. 2 超滤 (UF) 超滤是一种压力驱动的膜分离过程 ,在 一定流速下 ,用超滤膜的选择透过性将溶液中的组分进行分 离 ,允许某些组分透过而保留混合物中其他组分 ,从而达到 分离目的的技术. UF膜分离是一种错流过滤 ,过滤介质平行 通过膜 ,在过滤过程中料液通过泵的加压 ,料液一定流速沿 着滤膜的表面流过 ,大于膜截留分子量的物质分子不透过膜 流回料罐 ,形成回流液 ;小于膜截留分子量的物质或分子透 过膜 ,形成透析液。因此 ,膜系统都有两个出口 ,一个是回流 液 (浓缩液出口 ,另一个是透析液出口。影响膜通量的因素 主要有料液含固量、粘度、无机盐含量、有机物质含以及膜的 清洗恢复情况等。我们用此工艺对发酵液进一步提纯。 3. 3 纳滤 (NF) 纳滤截留的相对分子量为 100 - 1000,其 操作压力较低 ,一般在 0. 5～1. 5MPa;。纳滤恰好填补了超 滤与反渗透之间的空白 ,纳滤的分离机理与反渗透相似. 同 样遵循下列膜传递方程式 : JW = A (Ap一 △x) (1) J s = BAc (2)其中 w、J s分别为溶剂与溶质的膜通量 , A、B是与膜的材 料及性质有关的参数 , Ap、△x和 Ac分别为膜内外两侧的压 力差、渗透压差及溶质的浓度差。因无机盐能透过纳滤膜 , 其渗透压远比反渗透膜低。因此 ,由方程式可看出 ,在通量 一定时 ,纳滤所需的外加压力要低于反渗透 ,而在压力相同 时 ,其通量要大于反渗透。这就是纳滤具有操作压力低、通 量高等特性的原因。纳滤膜多为复合膜 ,其表面分离层由聚 电解质构成 ,存在道南效应 (Donnan effect) ,在筛分和静电作 用下对低分子量有机溶质和盐分离效果较好 ,能使有机溶质 得到同步脱盐和浓缩。对发酵液提炼方面的应用主要表现 在超滤液的浓缩 ,树脂解吸液的浓缩以及结晶母液回收。发 酵液通过微滤 ,超滤 ,纳滤这三个膜分离技术后 ,滤液澄清度 上升 ,减少了下面工序的负担。同时纳滤出来的水可以循环 利用。无论是从节能的角度 ,还是从经济效益的角度 ,都比 以前的工艺有很大改进。 4 影响纳滤膜分离性能的因素 在纳滤应用中一个很重要的参数就是浓缩倍数 ,浓缩倍 数上升 ,则意味着更加巨大的收益。如果浓缩倍数上升到一 ·56· 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　河南化工 　　　　　　　　　　 　2010年 5月 　第 27卷 　第 5期 (下 ) 　　　　　　HENAN CHEM ICAL INDUSTRY 4种硫化氢汽提塔顶 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 耐腐蚀性能 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 张传周 (西安石油大学机械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 ,陕西 ,西安 , 710065) 【摘要】 本文对四种硫化氢汽提塔顶材料进行浸泡实验 ,电镜分析 ,结果表明 : 20#、1Cr18N i9Ti、316L到 TA2,它们的耐蚀 性依次增强。并且为炼厂催化装置的硫化氢汽提塔顶的选材提供建议和参考。 【关键词】 硫化氢汽提塔顶 ;浸泡实验 ;电镜分析 【中图分类号】 TQ125. 1 + 2 【文献标识码】 B 【文章编号】 1003 - 3467 (2010) 10 - 0066 - 02 在炼厂 ,催化加氢装置是油品质量升级的关键装置之 一。我国目前大部分石油炼制设备是按含硫较低的情况设 计的 ,近几年来 ,含硫量较高的进口原油加工量逐步增加 ,因 此设备腐蚀问题日益严重。其中 ,催化加氢装置中塔顶空冷 系统大部分设计材质是 20#碳钢 ,部分区域由于腐蚀造成严 重减薄并影响到整套装置的安全运行 ,对生产造成损失。本 文模拟现场环境 ,运用浸泡实验 ,电镜分析通过对 20 #钢、 1Cr18N i9Ti、316L及 TA2 四种材料的耐腐蚀性能进行比较 , 为炼厂催化装置的硫化氢汽提塔的选材提供建议和参考。 1 实验部分 本实验参照 (国家 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 GB10124 - - 88)金属材料实验 室均匀腐蚀全浸泡实验方法 [ 1 ]。 1. 1 试剂与仪器 硫化氢气体为外购钢瓶气 ,纯度为 99. 9% ,可以满足试验介质条件的要求 ;所用实验溶液是在实验 室配置饱和硫化氢溶液 + 5%氯化钠 + 0. 5%冰乙酸 (NACE 标准溶液 ) ;电光天平 ,上海天平仪器厂 ;恒温水浴锅 ,西安化 机经营部 ;电镜扫描时用 S - 360型扫描电子显微镜 1. 2 实验装置 1. 硫化氢钢瓶 2. 氮气钢瓶 3. 不锈钢闸阀 4. 进气口 5. 温度计 6. 出气口 7. 500mL锥形瓶 8. 进气缓冲管 9. 出气缓冲管 10. 四级吸收瓶 图 1　 注 :各进气、出气口分别对应 ,另外 A、B、C、D四个瓶将 放在恒温水浴装置内。本实验装置主要由三大部分组成 ,即 供气部分 ,加热部分和尾气吸收部分。在供气部分中硫化氢 定程度 ,可以省去后面的许多工艺 ,可以取代蒸发 ,吸附等浓 缩工艺。这是不容忽视的。下面就这个问题展开讨论。由 于纳滤膜自身结构上的特殊性. 其分离性能除与膜材料自身 的性质及制膜工艺有关外 ,还受操作条件、物质性质和组件 构型三个方面的影响。 4. 1 操作条件的影响 操作条件主要指操作压力、操作时 间、料液流速与料液回收率. 通常提高操作压力和料液流速 可提高纳滤膜的水通量和脱盐率。由于纳滤膜耐压密性好. 操作时间的延长基本上不降低纳滤膜的水通量与截留率. 而 提高料液回收率则会降低水通量与脱盐率。因此在应用纳 滤技术时应根据具体情况台理选择操作条件以获得最佳分 离效果。 4. 2 物质性质的影响 物料性质包括待处理料液中中性物 质的分子量、离子浓度、半径、电价及溶液的 PH值等 ,在纳滤 截留分子量以下 ,分子量越小、截留率越低 ;截留分子量越小 的纳滤膜 ,对同一分子量物质的截留率越高。通常情况下 , 提高离子的浓度会降低纳滤膜的水通量与脱盐率. 而离子半 径的增大或电价的提高有利于提高纳滤膜对该离子的截留 率。由于多数纳滤膜是荷电膜 ,其表面总带一定的电荷 ,因 而在处理那些荷电性受 PH值影响的物质 (如氨基酸 )时. 溶 液 PH值变化会改变物料与纳滤膜的相互作用 ,从而引起截 留率的变化 [ 2 ]。一般可调节 pH值来提高其截留率。 4. 3 组件构型的影响 影响纳滤膜分离性能的因素除上述 的操作条件及物料性质外 ,还有组件构型。也就是说 ,在操 作条件和物料均相同的情况下 ,同一纳滤膜的分离性能将固 其采用的膜组件构型不同而有较大差别。组件构型包括毛 细管、进料管道与透过管道高度、L隙率和毛细管直径等。 5 结束语 随着膜工业的进一步发展 ,越来越多的膜产生了。我们 应该根据我们的实际需要 ,根据发酵液的物理特性 ,选择合 适自己企业生产的膜技术 ,灵活运用。在组合膜的选用上还 要考虑运行的一致性 ,膜选用的配套上 ,使得组合膜不仅能 够跟上生产进度 ,还要很好的发挥功效。同时还要注意膜的 污染问题 ,浓差极化问题 ,合理用膜 ,及时清洗 ,必要的时候 还要通过加絮凝剂等物质对料液进行纯化。我相信未来会 有更多的膜应用到发酵液提炼中来 ,而且技术越来越纯熟。 ·66· 　　　　　　　　河南化工 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　HENAN CHEM ICAL INDUSTRY　　　　　　　2010年 5月　第 27卷　第 5期 (下 )