肌苷发酵液的陶瓷膜过滤研究

1、第19卷第2期2004年6月湖南科技大学学报(自然科学版)JournalofHunanUniversityofScience&Technology(NaturalScienceEdition)Vol.19No.2Jun.2004肌苷发酵液的陶瓷膜过滤研究曾坚贤1,2,邢卫红3,徐南平3(1.湖南科技大学化学化工学院,湖南湘潭411201;2.中南大学化学化工学院,湖南长沙410083;3.南京工业大学膜科学技术研究所,南京210009)摘要:以工业化陶瓷膜考察了肌苷发酵液在不同浓缩比下的拟稳定通量、粘度及湿固含量变化,在此基础上,将发酵液进、出口调换,可使膜通量提高;分析了水洗方式对肌

2、苷含量及膜通量的影响;探讨了膜的污染机理,提出了有效的膜清洗方法.结果表明:200nm膜适宜于肌苷发酵液的膜过滤,按流加率4%加入洗水有利于菌体的洗涤,不可逆污染阻力Rf在总阻力中占主要地位,有效的化学清洗方法是:用1%NaOH和0.2%NaClO混合溶液清洗膜40min后,再以0.5%HNO3溶液清洗5min,膜通量可迅速恢复.图7,表2,参8.关键词:工业化陶瓷膜;肌苷发酵液;膜污染;膜清洗中图分类号:TQ028.8文件标识码:A文章编号:167229102(2004)0220091204肌苷是一种重要的生物化学药品,主要是通过发酵法制得,原料在适宜的条件下发酵后,发酵液中主要含有肌苷、色

3、素、无机盐、残糖、菌体和副产物蛋白、嘌呤碱、嘌呤核苷等,然后通过分离、提取和精制得到肌苷的精品124.无机陶瓷膜具有耐高温、孔径分布窄、强度高、化学稳定性好和耐微生物侵蚀等优点,使其在化工、食品及发酵等领域中有着广泛的应用前景527,在肌苷提取过程中引入陶瓷膜分离技术,除去发酵液中菌体及其它大分子杂质,能简化生产工艺,提高产品质量.作者以工业化的多通道陶瓷膜来过滤肌苷发酵液,探讨膜过滤及膜污染行为,为陶瓷膜在该领域中的工业化应用提供基础数据.瓷膜,最可几孔径分别为20、50nm和200nm,分别以代号M1、M2和M3表示,其中M2和M3膜通道数为19,通道内径4mm;M1膜通道数为7,通道内径

4、6mm.所有膜管长为240mm,管外径30mm,以Al2O3为支撑体和过渡层,ZrO2为分离层.1.2试验装置及方法建立如图1所示装置,以考察膜过滤及污染行为.1试验1.1试验材料1-储液罐2-流量计3-膜组件4-压力表5-离心泵6-温度计7-换热器西安化工厂生产工业级的次氯酸钠;西安化工厂生产分析纯的盐酸;齐鲁化工厂生产分析纯的氢氧化钠;肌苷发酵液;上海手术器械厂生产的8022离心机;上海天平仪器厂生产的NDJ21型旋转式粘度计;上海精密科学仪器有限公司生产的UV2754型分光光度计;南京工业大学膜科学技术研究所提供的工业化陶图1肌苷发酵液的膜过滤装置示意图Fig.1Schematicdia

5、gramofmembranefiltrationset2upforinosinefermentationbroth将不同浓缩倍数的发酵液加入储液罐中,分别用不同孔径的工业化陶瓷膜过滤,膜面速度由流量计读数换算而得;过滤压差由进口压力、出口压力及渗透侧收稿日期:2003212220作者简介:曾坚贤(19702),男,湖南涟源人,讲师,博士生,主要从事膜分离技术发酵研究.91© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.压力计算获得;渗透通量采用秒表、量筒测定一定时间内流出的液体体积并结合

6、膜面积计算而得.在未作说明时,发酵液pH值为3.5,膜面错流速度为3.25m/s,温度为70,20、50nm膜操作压差为0.2MPa,200nm膜压差为0.1MPa.1.3分析方法表1浓缩比对粘度及湿固含量的影响Tab.1Effectofconcentrationrateonviscosityandwetsolidcontent浓缩比/Cr粘度/mPa.s湿固含量/%12.57.3312.520.5636.440.1810121470.5295.6960.11856.251.860.272.387.6粘度:采用NDJ21型旋转式粘度计测定;肌苷含量:由离子交换法测定3;湿固含量:取一定量的发酵

7、液经离心分离后,以沉淀部分占总发酵液的重量百分数来表示.随着浓缩比的增大,发酵液的粘度迅速升高,反映在膜通量上的变化是:大孔径膜的拟稳定通量显著下降,这与2.1节中所得的结论是相符的,即粘度的变化反映通量的变化.另外,随着浓缩程度的提高,湿固含量迅速上升,膜过滤逐渐较为困难.2.3膜进、出口调换对通量的影响2结果与讨论2.1膜孔径对不同浓缩比下通量的影响在发酵液浓缩过程中,当膜通量急剧下降时,将膜进、出口调换,以流出滤液累计体积对膜通量作图,并与未调换的情况作比较,所得结果如图3所示.在刚开始过滤时,膜通量下降较快,然后经过一个平台,再急剧下降,这与Nagataetal(1989)所得的结论是

8、一致的8.此时,将膜的进、出口调换,通量上升较为显著.这可能是:在膜过滤过程中,由于膜进口压差较膜出口压差要大,引起进口的滤饼压实较出口严重.当发酵液在膜管内流动反向时,使得原方向上形成的浓差极化层及原入口的滤饼层有所减薄,引起膜污染的下降,而互换后新的滤饼层及浓差极化层形成要有一定的过程,所以,通量是缓慢下降的.在多次调换过程中,后一次调换所能达到的初始最高通量总是较前一次的最高通量为低,这可能是发酵液不断被浓缩的结果.用M1、M2和M3膜在浓缩比(发酵液初始体积与浓缩结束时浓液体积之比,以Cr表示.)分别为1,3,6,8,10,12,14下考察发酵液的拟稳定通量变化情况,所得结果如图2所示

9、.随着Cr的增大,各膜拟稳定通量逐步下降,其中M2和M3膜的这种下降更为显著,而M1膜的这种通量变化不大,这可能是随着料液浓缩程度的提高,大孔径膜的污染迅速加重,使通量下降较快,而小孔膜的污染并不明显,使得各浓缩比下的通量差别不大.在不同浓缩比下,M3膜的拟稳定通量最大,采用M3膜过滤发酵液有利于通量的提高.在未作说明时,以下试验均采用M3膜.图3进、出口调换对膜通量的影响Fig.3Effectofinletinexchangewithoutletonmembraneflux图2浓缩比对3种膜拟稳定通量的影响Fig.2Effectofconcentrationrateonthreemembra

10、nequasi2steadyflux2.4菌体水洗方式的选取本文考察了以下3种水洗方式:方式1:连续流加.控制加水速率与膜过滤速率相等,保持浓缩液体积不变.方式2:流加率为4%.本文定义流加率为:洗水体积占发酵液初始体积的百分率.在洗菌时,每次按该比例加入洗水,当获得与洗水等量体积的滤液时,再加入下一批相同体积的洗水.2.2不同浓缩比下的粘度及湿固含量变化发酵液的粘度及湿固含量变化,影响着膜通量的改变,测定这两个参数有利于了解膜的运行情况.在浓缩比分别为1,3,6,8,10,12,14时,测定膜过滤过程中发酵液的粘度和湿固含量变化,结果见表1所示.92© 1995-2005 Tsin

11、ghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.方式3:流加率为8%.其余方法与方式2同.获得Jw=.wRm(3)式中,w为蒸馏水的粘度;Rp,r为可逆极化层阻力,在膜过滤操作参数下,以蒸馏水清洗20min即可消除.除去Rp,r后,以蒸馏水测定膜的水通量Jw,其计算式如下(4)Jw=w(Rm+Rp,sr+Rf).式中,Rp,sr为半可逆极化层阻力,除去Rp,r后,在低压和高流速下,以蒸馏水冲洗20min可除去,再测定其蒸馏水通量Jw,其计算式如下Jw=.w(Rm+Rf)图4水洗方式对膜通量的影响Fig.4Effectofwate

12、rwashingmodeonmembraneflux(5)式中,Rf为不可逆污染阻力,很难以常规的物理方法消除,需用到化学清洗剂.图5水洗方式对肌苷含量的影响Fig.5Effectofwaterwashingmodeoninosinecontent考察上述3种水洗方式的效果,控制每种方式下总的洗水体积相等,膜通量及滤液中的肌苷含量变化如图4及5所示.在每种水洗方式下,随洗涤水的不断加入,膜通量逐渐升高,当洗涤水加入到一定量后,膜通量保持不变,达到拟稳定状态.其中以方式3的拟稳定通量最高,方式2次之,方式1为最低.在菌体洗涤过程中,通量越大越有利,但还得结合肌苷的洗涤效果来确定最佳洗水方式,由于

13、图5得,随洗涤水加入量的增加,滤液中的肌苷含量逐渐下降,其中方式3洗涤结束时,滤液中的肌苷含量在8g/L左右,超过了工业生产所规定的标准;方式1和方式2的洗涤效果相差不大,但方式2的膜通量要大,过滤时间短,有利于工业生产.因此,本文认为方式2为最佳的菌体水洗流加方式.即按流加率为4%加入洗涤水有利于菌体的洗涤.2.5膜污染机理的分析图6各阻力在膜表面的位置示意图Fig.6Schematicdiagramofsituationforresistancesonmembranesurface根据上述原理,测定膜在不同状态下的Jv、Jw、JJw、w,并结合膜压差P和粘度,由计算式(125)即可求出各阻

14、力Rm、Rp,r、Rp,sr、Rf在总阻力Rt中所占的百分比,其结果如表2所示.表2各阻力在总阻力中所占的百分比Tab.2PercentageofresistancesinthetotalresistanceRm/RtRp,r/RtRp,sr/RtRf/Rt9.31%10.15%27.52%53.02%由于浓差极化和膜污染的原因,膜在运行过程中,通量的衰减是不可避免的.根据Darcy定律,膜过滤过程中的通量表达式为(1)jv=Rt.P为膜压差,为料液粘度,Rt为式中,Jv为膜通量,总阻力.在此基础上,许多研究者对Rt提出了各自的分解方法,以确定不同污染物的阻力分布,即(2)Rt=Rm+Rp,r

15、+RP,sr+Rf.各阻力在膜表面的位置如图6所示.Rm为膜层阻力,可由新膜的蒸馏水通量Jw计算由上表可得,膜本身的阻力所占的比例较小,处于次要地位.由浓差极化和膜污染所引起的阻力起主要作用,是造成膜通量衰减的主要原因,其中可逆极化层阻力Rp,r和半可逆极化层阻力Rp,sr可借助水流的冲刷得以消除,而不可逆污染阻力Rf占总阻力的50%以上,需采用化学的方法进行清洗,因此,选择合适的化学清洗剂和清洗方法来再生膜就显得非常重要.2.6膜的清洗发酵液中主要含有肌苷、色素、无机盐、残糖、菌体和副产物蛋白、嘌呤碱、嘌呤核苷等,针对这些物质,考虑采用强酸、强碱和氧化剂来进行清洗,其顺序为:先用水将系统内的

16、残留发酵液洗净,测定水通量;再以1%93© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.(w/w)NaOH和0.2%(w/w)NaClO混合溶液清洗膜40min后,放出清洗剂,将系统洗至中性,测定水通量;最后以0.5%(w/w)HNO3溶液清洗5min,放出清洗(3)在膜过滤过程中,将发酵液进、出口调换可使膜通量提高;(4)当发酵液浓缩结束时,适宜的水洗方式是:按流加率4%加入洗水;(5)探讨了膜污染机理,不可逆污染阻力占主要地位,需采用化学清洗才能使膜通量有效恢复;(6)适宜的化学清洗

17、方法是:用1%NaOH和0.2%NaClO混合溶液清洗膜40min后,再以0.5%HNO3溶液清洗5min,膜通量可迅速恢复.参考文献:1曾坚贤,邢卫红,徐南平.膜过滤过程中的肌苷降解研究J.湘剂并洗至中性后,测定水通量,所得效果如图7所示.在相同条件下,新膜的水通量为1724L/(m2h),经过多次清洗后,膜的水通量基本保持在16001650L/(m2h)之间,通量恢复率在92.8%95.7%之间,重复性较好,说明该清洗方法是有效可行的.潭矿业学院学报,2003,18(1):91294.2董明,邵琼芳.肌苷分离技术进展J.江西师范大学学报,1997,21(1):75280.3王艳萍,韩英素,

18、刘淑云,等.发酵液中肌苷含量测定方法的讨论J.天津轻工业学院学报,1997,20(2):38241.A-水冲洗;B-1%NaOH+0.2%NaClO;C-0.5%HNO34郑领英,姚恕.肌苷发酵液净化技术的研究J.发酵科技通讯,1993,22(2):5210.5ZANETTIR.CeramicmakestrongbidfortoughmembraneusesJ.ChemicalEngineering,1986,9(1):19224.6BHAVERR.Inorganicmembranessynthesis,characteristicsandapplicationM.NewYork:VanNos

19、trandReinhold,1991.7HSIEHHP.InorganicmembranesforseparationandreactionM.NewYork:Elsevier,1996.8NAGATAN,HEROUVISKJ.Cross2flowmembranemicrofiltrationofabacterialfermentationbrothJ.BiotechnologyandBioengineer2ing,1989,34(2),4472466.图7清洗剂对膜通量的影响Fig.7Effectofcleanreagentsonmembraneflux3结论(1)采用膜孔径为200nm的工

20、业化陶瓷膜来处理肌苷发酵液可获得较高的膜拟稳定通量;(2)随着肌苷发酵液浓缩倍数的提高,粘度及湿固含量迅速增加,膜过滤变得较为困难;MembraneFiltrationofInosineFermentationBrothbyCeramicMembranesZENGJian2xian1,2,XINGWei2hong3,XUNan2ping3(1.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China;2.CollegeofChemistryandChem

21、icalEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;3.MembraneScience&TechnologyResearchCenter,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China)Abstract:Atthedifferentconcentrationratethechangeofquasi2steadyfiltrateflux,viscosityandwetsolidcon2tentforinosinefermentationbrothwereinvestig

22、atedbyindustrializedceramicmembranes.Onbasisofthis,membranefiltratefluxcanbeenhancedintheprocessofinletinexchangewithoutlet.Theeffectofwaterwashingmodeontheinosinecontentandmembranefluxwasdiscussed.Themechanismofmembranefoulingwasinvestigatedandthemethodofmembranecleaningwasobtained.Itshonsthat200nmmembranewassuitedform