液膜分离技术在生化产品提取中的应用进展

1、液膜 分离技术在生化产品提取中的应用进展696 化工进展CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGR年ES第S液膜分离技术在生化产品提取中的应用进展吕宏凌王保国( 清华大学化学工程系，北京 100084)摘要介绍了液膜的基本概念、分类和分离机理。与传统的生化产品分离提 纯技术相比，液膜分离技术具有简便、高效且成本低的特点。综述了液膜分离 技术在抗生素和氨基酸提取中的应用进展，如青霉素、半合成青霉素、头孢菌 素、麦白霉素、苯丙氨酸、亮氨酸和谷氨酸的取，并指出其发展前景。关键词液膜，分离，氨基酸，抗生素，提取中图分类号 TQ0288文献标识码 A 文章编号 1000-66

2、13(2004)07-0696051968 年，美籍华人黎念之博士首先提出液膜分离技术的概念。经过近 40年 的广泛研究，该技术在冶金、环保、医药、生物等领域的应用已日趋成熟。众 所周知，发酵法是生产生化产品的主要方法，目前发酵法生产中存在的问题之 一是发酵产物的分离和后续的浓缩。衡量一项技术能否用于下游过程要考虑如 下因素1: 浓缩能力、选择性、连续性、预处理和费用。液膜分离技术在 上述几方面较传统分离技术有显著优点，适于生化产品的提取。特别是利用促进迁移 的传质机理进一步提高液膜分离选择性，能够从含有多种产物的发酵液中高效分离目标产物，萃取和反萃取同时进行，显著提 高分离和浓缩效果。液膜分

3、离不需要大量预处理， 过程设计和放大基于经典的液一液萃取理论，易于 实现工业化。能耗低，化学品消耗少，不产生二次 污染，经济效益较好，被认为是生物化工产品提取 过程中最有应用前景的技术之一。本文在简要介绍液膜分离技术的基础上，对近 几年来国内外液膜分离技术在抗生素和氨基酸提取 中的应用进展进行较为详细地综述。1 液膜的基本概念 液膜通常由膜溶剂、表面活性剂、流动载体和 膜增强添加剂组成【 2-4 。膜溶剂是成膜的基体物 质，一般为水或有机溶剂，选择的依据是液膜的稳 定性和对溶质的溶解性。表面活性剂能明显降低液 体的表面张力或两相的界面张力，对液膜的稳定 性、渗透速度、分离效率和膜的重复使用有直

4、接影 响。流动载体的作用是选择性迁移指定的溶质或离 子，常为某种萃取剂。膜增强添加剂用于增加膜的 稳定性，即要求液膜在分离操作时不会过早破裂，在破乳工序中又容易被破碎。按形态和操作方式的不同，液膜分为乳状液膜 和支撑液膜两类 引，如图 1 所示。乳状液膜是先将 不互溶的内相与膜相充分乳化制成乳液，再在搅拌 条件下将其分散在外相制成。根据成膜材料即水膜 和油膜的不同，将上述多重乳液分为 O/W/O型和 W/O/W型。支撑液膜是将溶解了载体的膜相溶液 附着于多孔支撑体的微孔中制成，由于表面张力和 毛细管力的综合作用，形成相对稳定的分离界面。 a.W/O/W型乳状液膜 b. 支撑液膜 图 1 乳状液

5、膜和支撑液膜2 液膜的分离机理 液膜分离具有高效、快速、专一等优点，主要 源于膜结构和传递机理两方面的突破。其传质机理 主要分为以下三类【 0，。2.1 单纯迁移 膜中不含流动载体，内外相不含与待分离物质发 生化学反应的试剂，依据待分离组分 （A 和 B） 在膜中溶解度和扩散系数不同，从而导致待分离组分在膜中渗透速度不同实现分离。分离机理如图 2 所示收稿日期 2004-03-02; 修改稿日期 2004-03-19 。 基金项目国家自然科学基金 (No.20276033 ，No.20276014)和国 家973 项目 (No.2003CB615701)。第一作者简介吕宏凌 (198O一) ，

6、女，硕士研究生。联系人王保 国，副教授，主要研究膜分离科学与技术。电话E-mailemail=bgwangtshn4huabgwangtshn4hua/.crl 维普资讯第 7 期吕宏凌等 : 液膜分离技术在生化产品提取中的应用进展 697图 2 单纯迁移分离机理2.2I 型促进迁移 在接受相内添加与溶质发生不可逆化学反应的 试剂(R) ，使待迁移的溶质 (A) 与其生成不能逆扩 散透过膜的产物 (P) ，从而保持渗透物在膜相两侧 的最大浓度差，以促进溶质迁移。分离机理如图 3 所示。料液试剂(R)/A+R-P-图 3I 型促进迁移分离机理2.3

7、型促进迁移 在制乳时加人流动载体，载体分子 (R) 先在 外相选择性地与某种溶质 (A) 发生化学反应，生成 中间产物 (R1A)，然后这种中间产物扩散到膜的另 一侧，与液膜内相中的试剂 (R2) 作用，并把该溶 质(A) 释放到内相，而流动载体又扩散到外相侧， 重复上述过程，如图 4 所示。整个过程中，流动载 体没有被消耗，只起了搬移溶质的作用，被消耗的 只是内相中的试剂。这种含流动载体的液膜在选择 性、渗透性和定向性三方面更类似于生物细胞膜的 功能，使分离和浓缩同时完成。试 图 4型促进迁移分离机理3 液膜技术在生化产品提取过程的应用3.1 提取抗生素抗生素一般分为 5 类: 卢一内酰胺类

8、，包括 青霉素类、头孢菌素类等，它们都包含一个四元内 酰胺环，是当前最受重视的一类抗生素 ; 氨基糖苷 类，包括链霉素、庆大霉素等，它们既含有氨基糖 苷，又含有氨基环醇的结构 ; 大环内酯类，如红霉 素、麦迪加霉素，它们含有一个大环内酯作配糖 体，以苷键和 13个分子的糖相连 ; 四环素类， 如四环素、土霉素等，它们以四并苯为母核 ; 多肽 类，如黏多菌素、杆菌肽等。膜分离技术作为一种 新型的分离、浓缩和提纯技术，近年来在抗生素提 纯的研究中十分活跃，主要涉及超滤、纳滤、反渗 透及液膜分离。其中，液膜分离技术的应用实验主 要是青霉素的提取，对其他几类抗生素的提取也有 报道。3.1.1 青霉素的

9、提取青霉素是一种弱酸 (pK=2.75) ，传统的提取 工艺是向盐中添加酸使之成为游离酸，再用乙酸戊 酯或乙酸丁酯萃取游离酸，此工艺操作复杂且在低 pH值条件下易使青霉素损失【。用液膜法分离， 可在青霉素稳定的 pH值 (pH=57)条件下进行， 避免其水解。该法的传质推动力是内外相的 H 浓 度梯度，因内相 pH值很高，氢离子 H 和青霉素 酸阴离子 P 可通过载体 A转移至内相，机理如图 5 所示。外相膜相内相HPHP图 5 青霉素的在膜分离中的渗透机理 朱澄云等 研究了用乳状液膜法从发酵液中 提取青霉素 G时，不同实验条件对提取率的影响， 如表 1 所示。采用最佳实验条件，可达到提取率

10、76.5%、浓缩比 6.0 的效果。 由于表面活性剂直接影响液膜的稳定性及溶胀 表 1 液膜提取青霉素的实验条件 石蜡含量 /%20、40、 60、80、100 搅拌速率 /r min200、300、400、 500 三辛胺用量 0.0972 、0.2025 、0.2511 、 0.324 、 0.405碳酸钠溶液浓度 /rrd L0.05、0.1、0.2 、0.3Span80 用量 1.5、2.0、2.5、 3.0 、 3.5外相试剂603000.20250.13.0pH=5外相试剂为 0.1mol/L 柠檬酸一 0.1mol/L 柠檬酸钠。 维普资讯698化工进展 2004年第 23卷 程

11、度，是乳化液膜技术应用的关键之一，文献 8 进一步研究了乳化剂与载体配合时青霉素的提取率 与溶胀率。表 2 为不同乳化剂与载体三辛胺 TOA 的配合性能，表 3 为不同载体与乳化剂 Span 一 80 的配合性能。 TOA与 Span一 80 配合时溶胀率较 低，适合提取青霉素。但研究结果表明，过量的 TOA易使膜破裂，造成提取率下降。这是因为 TOA是两性化合物，极性基团具有与水亲和的强 烈趋势，非极性部分总指向油相，两种作用的结果 可能在界面上取代吸附的表面活性剂分子，从而改变界面膜的结构和性能，降低液膜稳定性。表 2 不同乳化剂与 TOA的配合性能 表 3 不同载体与 Span 一 8O

12、的配合性能 Lee 等-9J 用乳状液膜法提取青霉素 G，发现混 合两种表面活性剂作乳化剂较只采用其中一种的提 取率高。在分批提取中，进一步研究了 Span 一 80 和 PARABAR955组1 成的表面活性剂对分离效果 的影响【加 J。PARABAR955是1 多胺类物质，较 Span一 80 能在界面形成更紧密的吸附层，增加乳 液的稳定性。实验得到不同水油比时 Span一 80 最 佳体积分数为 5%或 10%，且低水油比时青霉素的 提取率较高，如图 6 所示。 将表面活性剂最佳组成比的结果用于连续提 取，研究总体流动速率、水油比和分散相流动速率 糌图 6 青霉素表观提取率与时间关系图

13、对提取率的影响。结果表明，尽管多数实验的提取 率大于 95%，但内相中青霉素的最高浓度仅仅为外相中的 2.4 倍，其原因归结为 Span一 80 引起的乳相溶胀3.1.2 半合成青霉素的提取 随着抗生素的广泛应用，其抗菌谱不广或具有 耐药性和副作用等问题产生。为解决这一问题，可 对原有抗生素品种进行化学改造。所谓半合成抗生 素就是指用化学或生物化学的方法改变已知抗生素 的化学结构，或引入特定的功能基团而获得的新抗 生素品种或其衍生物。目前研究的重点为一内酰 胺类抗生素，如半合成青霉素。几乎所有半合成青 霉素的制备都依托青霉素母核 6 一为基本合成 原料。Lu等【11J 研究在乳状液膜反应器中用

14、生物转化 法制备 6一 APA。采用青霉素酰基转移酶，发现青 霉素酰基转移酶的损失取决于膜组分 : 有机溶剂的 选择强烈影响乳状液的稳定性 ; 增加膜相中载体的 浓度会增加底物和产物的传递速率，但同时导致乳 状液不稳定 ;用双载体(N263一 N1923)比用单载体 所得 6 一 APA的收率高。在最佳条件下反应 30min后，外相中 6 一 APA的收率高于 80%，苯甲基青霉素的收率达 90%，同时乳状液的破损率低于 2%。3.1.3 头孢菌素的提取 发酵法生产头孢菌素时，发酵液中往往含有与 其结构相似的去乙酰头孢菌素。 Sahoo等【12 以 Aliquat336 为载体，用乳状液膜法选

15、择性地迁移富 集头孢菌素。3.1.4 麦白霉素的提取武凤兰等【 13 用液膜法提取麦白霉素，研究了 膜相组成和配比、表面活性剂种类与用量、制乳工 艺及提取时间等对提取效率的影响。二次提取 （ 前 一次不加载体，后一次以肉桂酸为载体 ） 的平均提 取总收率为 67.6%，高于采用树脂吸附法和溶剂 提取法的收率。4 与传统工艺的比较 在生化产品提取过程中，现有各工艺都存在一 定缺陷 18, 。溶剂萃取法虽然可进行连续生产， 但产物和料液本身都要求溶剂的再生处理，达到这 一要求可供选择的溶剂较少且对低浓度、低分配系 数的发酵液的提取不适用。离子交换法要求在分离 前对发酵液进行预处理，增加生产成本 ;

16、 生产过程 中 pn 值变化较大，不适用于稳定性较差的抗生 素。电渗析法近来发展较快，但应用中的一个重要 问题是离子交换膜的选择性和稳定性较差。色层分 离法虽然分离能力高，但需要大量的预处理，耗资 高且不易于放大。溶剂结晶法一般需在结晶过程中 加入第三种物质作为添加剂，操作条件苛刻，不利 于产品的最后分离精制。 液膜分离技术较传统工艺具有一定的优点，但 该技术同样存在需要解决的问题，如膜的选择性和 稳定性、膜的渗透溶胀现象、液膜配方具有一定毒 性等。上述实例中，研究者们为解决这些问题，都 进行了相关实验条件的探索，使提取效果在一定程 度上得到了改善。5 结语 液膜分离技术的应用研究已取得了很大

17、进展， 根据美国商务通讯公司 (BCC)2000年的市场预测，美国的液膜市场将从 2000年的 200万美元增加到2005年的 1700万美元 l2 。但同时应该看到，绝 大多数研究开发工作尚处于试验阶段，实际应用的 例子相对较少。究其原因，主要是作为一种新型分 离技术，膜分离过程本身存在许多技术问题有待解 决。总之，任何技术都是在不断探索与实践中得到 完善的，液膜分离技术在生化产品的提取中已显示 维普资讯700化工进展 2004年第 23卷 出了自身潜力，有望逐步实现工业化，取代耗能 大、费用高、效率低、环境污染严重的一些传统单 元操作。参考文献1ThienMP， HattonTA.1J.S

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