膜分离技术在发酵液提取浓缩中的应用

1、收稿日期 :2005-12-20作者简介 :徐飞 (1980- , 男 , 硕士研究生 ; 联系人 :李桂水教授 , 联系电话 膜分离技术在发酵液提取浓缩中的应用徐 飞 , 李桂水 , 楼文君(天津科技大学 , 天津 300222摘 要 :发酵液组分复杂 , 分离技术繁多 , 同其它方法相比膜分离技术以其独特的优势在该领域中获得推广 。 本文简单概述了膜分离技术在多糖 、 抗生素 、 饮料 、 酶制剂及乙醇发酵 液提取浓缩中的应用以及国内外在这一领域的进展 。 对膜分离过程应用于该领域的前景 进行了分析 。关键词 :膜分离 ; 酵液 ; 提取 ; 浓缩中图分类号 :

2、TQ028.8文献标识码 :A文章编号 :1005-8265(2006 02-0026-04前言经固液分离后 , 目的产物存在于滤液中 , 滤液体积 大 、 浓度低 , 需要进行浓缩和初步纯化的过程称为提 取过程 。 从发酵液中提取产品的传统方法主要有吸附 法 、 溶媒萃取法 、 离子交换法和沉淀法 , 但这些工艺 往往十分繁杂 , 所需时间长 , 提取过程中需要消耗大量 的原料 , 能耗高 , 产品在漫长的提取过程中易变性失 活 , 产品回收率低 , 废水污染严重且处理难度大 , 得到 的溶液中产品浓度往往很低 。分离膜是一种特殊的 , 具有选择性透过功能的 薄层物质 , 能使流体内的一种或

3、几种物质透过的膜 分离过程作为一门新型的高效分离 、 浓缩 、 提纯技 术 , 近年来发展迅速 , 已成为解决当代能源 、 资源和 环境污染问题的重要高新技术及可持续发展技术的 基础 。 各种膜过程具有不同的分离机理 , 分别适合 不同的对象和要求 , 但有其共同特点 , 如操作过程 较 简 单 , 经 济 性 好 , 往 往 没 有 相 变 , 分 离 系 数 大 , 能 耗 低 , 可 连 续 操 作 , 效 率 高 , 可 在 常 温 下 工 作 , 可直接放大 , 可专一配膜等1。 由于膜过程特别适用于热敏性物质 (如药物 、 饮料 、 酶制剂等 的处 理 , 在再生植物资源利用中有其

4、独特的适用性 。 其 中由于某些膜分离技术 (如超滤 、 纳滤 、 反渗透等 可用于一些含有各种小分子质量可溶性溶质 , 以及 高分子物质等溶液的分离 、 浓缩 、 提纯和净化 , 越 来越引起人们的重视 。 因此膜分离技术将逐渐取代 一些传统的分离技术 , 成为一种重要的发酵液提取浓缩的方法 。1膜分离在多糖提取浓缩中的应用从发酵液中提取浓缩多糖是一重要的工序 。 目 前 , 许多生产厂家采用多效蒸发进行提取浓缩多糖 , 该技术投资大 , 能耗高 , 对某些残糖含量高的产品焦 糖化还可能造成结垢堵塞 。 发酵过程中如果能把多 糖 及 时 回 收 , 有 利 于 维 持 细 胞 活 力 , 以

5、 提 高 生 产 率 。张宁 、 彭志英2等采用截留分子量为 50000的内压 式 中 空 纤 维 超 滤 膜 对 微 生 物 胞 外 多 糖 PS-9415发酵液进行浓缩分离的研究 。 研究表明 , 膜的透过通 量受温度 、 料液浓度 、 操作压力等操作参数的影响 , 其中高温 、 低浓度的料液在较高的操作压力下有较高 的透过通量 。 经过稀释 、 离心除菌的发酵液比不经过 处理的发酵液透过通量高 , 衰减慢 。 0.05MPa 下对3%的料液 3L 超滤浓缩 , 可得到 5.8%的浓缩液 , 多糖 回 收 率 为 82.7%,0.1MPa 下 0.5%的 料 液 可 浓 缩 至 2.95%

6、, 浓度提高了 4.9倍 。 采用内压式中空纤维超滤器可以将发酵液适当地浓缩 , 培养基中残余的蔗 糖 、 少量氮源和无机离子其分子量均小于膜的截留 量 , 可在超滤过程中分离 , 可应用于该多糖的进一步 扩大再生产 。2膜分离在抗生素提取浓缩中的应用分离膜技术是一种新型 、 高效的分离技术 , 不仅 大大简化了工艺 , 分离选择性高 , 而且可长时间稳定 运行 , 能有效去除抗生素发酵液中的可溶性蛋白 , 滤26 结晶苄青霉素钠一直都采用溶剂萃取法 , 分直接 法和间接法 。 直接法是通过溶剂萃取 、 脱色后直接提取 苄青霉素钠 , 直接法收率较高但产品纯度低 , 不符合药 典要求 ; 间接

7、法则是由苄青霉素酸先生成钾盐后再转 为钠盐 , 间接法虽然纯度高但是成本也较高并且工艺 复杂 。因此 , 如何降低成本提高收率就成为一个研究热 点 。 李十中等 3采用超滤 /萃取新方法直接结晶苄青霉素 钠 , 选用聚偏氟乙烯 (PVDF 超滤膜 , 操作压力 0.1MPa , 温度 14 。 工艺流程如图 1。与传统工艺相比 , 采用超滤单元操作的直接结晶 苄青霉素钠的方法所得产品完全符合药典要求 , 且收 率比间接法高 6.76%。青霉素在提炼过程中使用膜分离技术 , 可以去除 蛋白质及其他大分子杂质 , 消除萃取时的乳化现象 , 提 高萃取过程的收率和产品质量 。史荣梅 4报道在青霉素提

8、取中使用超滤代替旋转 真空过滤可以解决萃取时的乳化问题 。 超滤设备是 18根并联的聚偏氟乙烯管式超滤膜 , 温度 12 15 , 操 作压力 0.20.8MPa , 膜截留相对分子质量 10万 。 超滤 后可溶性蛋白质全部被截留 , 青霉素的超滤与萃取总 收率与原收率基本持平 , 而且萃取时容易实现相分离 , 减少了溶剂损失 , 无需加入破乳剂 , 降低了成本 。曹学君等 5利用 Millipore 公司的 Nonamax-50型RO 膜进行了回收 6-APA 的研究 。 在一定的压力下 , 采 用全循环操作工艺截留 6-APA, 使苯乙酸 、 青霉素 G 、 硼酸及一些无机盐类透 RO 膜

9、 , 透过液重新返回初滤 液中再次进行浓缩 。 当操作压力为 2.02.5MPa 、 温度 为 6 10 时 , 经过多次浓缩后 , 浓缩与结晶总收率达 84%左右 , 产品纯度符合企业标准 。3膜分离在饮料提取浓缩中的应用膜分离在牛奶工业中的应用始于 70年代 , 首先应用的是乳酪 , 然后发展到在乳清蛋白的增浓 、 牛奶粉和 凝乳的制造以及蛋白和肽的分离等领域的应用 , 而且 在脱脂牛奶的除菌和牛奶的浓缩方面有着很好的应用 前景 。M.Piot 等人 , 于 1987年首次将无机膜用于全脂牛奶的过滤除菌 , 所用陶瓷膜的内径为 4mm , 膜孔径为1.8m , 可以截留 98%的脂肪 ,

10、基本没有蛋白质的截留 。 牛奶微滤的中试是采用 1.4m 的氧化铝陶瓷膜 ,将部分渗透液回流以保证沿过滤管的操作压力稳定 , 其过滤通量达 700L/m 2 h , 操作 6h , 压力增加 0.01MPa , 其细菌截留率达 99.7%. 用 0.2m 的碳 -ZrO 2微滤膜制脱脂乳 , 在 72 下巴氏杀菌 15s , 微滤的表面流 速液中舍有磷酪蛋白可进一步分离纯化 。 用陶瓷膜从 干酪乳清中回收乳清蛋白 , 其中含有约 7%的固形物 , 0.7%的蛋白质 , 5%的乳糖及少量的灰分 、乳酸等 , 用无 机超滤膜浓缩乳清蛋白制得蛋白粉的技术研究也在进 行之中 , 用 100nm 的陶瓷

11、膜浓缩 , 其浓缩倍数可达 20倍 , 蛋白可浓缩至 25%。茶饮料自 80年代初开发上市以来 , 已成为国际上 增长速度最快的新时代软饮料之一 。 茶饮料的生产逐 渐走向分工化和配方化 。 因此 , 高品质的茶浓缩汁的 加工技术就显得非常重要 。 适合配制茶饮料的茶浓缩 汁 , 除要求保持原茶叶所具有的色香味外 , 还要求具 有良好的溶解性 、 澄清度 , 不易出现混浊或沉淀 。罗龙新等 6采 用 UF +RO 、 RO 、 UF+EC (蒸 发 和 EC 工艺分别对绿茶 、红茶和乌龙茶汁进行浓缩 , 结果 表明 , 四种工艺对三种茶浓缩汁中主要的化学成分保 留率影响明显不同 。 从茶多酚

12、、 香气成分及儿茶素总量 的保留率上 , 去除蛋白质和果胶的效果上 , 以 UF+RO 和 UF+EC 工艺最佳 ; 而传统的 EC 工艺在茶多酚 、 香 气成分及儿茶素总量的保留量及茶汁中去除蛋白质和 果胶的效果上均是较差 。 四种浓缩方法生产的茶浓缩 汁的色差值 、 粘度和感官品质 (色 、 香 、 味 也存在明显的 差异 。 其中 UF+RO 制备的浓缩汁品质最好 , 茶汁透明 澄清 , 色香味保持好 ; RO 工艺制备的浓缩汁 , 色香味 保持好 , 但茶汁澄清透明度差 ; UF+EC 制备的茶汁 , 茶 汁透明度好 , 但香味较差 ; 采用 EC 浓缩工艺制备的浓 缩汁 , 品质最差

13、 。 因此 ,UF+RO 浓缩工艺制备的茶浓缩 汁最适合作为生产液体茶饮料的原料 。4膜分离在酶制剂提取浓缩中的应用从微生物体内提取的酶溶液中 含 有 许 多 无 机 盐 、 糖 、 和氨基酸之类的低分子物质 , 它们对酶制剂的颜 色 、 气味 、 吸湿性和结块性等都有很大的影响 。 通常所 采用的减压浓缩 、 盐析即有机溶剂沉淀等方法 , 虽然能 将这些组分去除掉但其过程较复杂 , 制品纯度和回收 率都比较低 。 应用膜分离技术对酶进行浓缩和提纯 , 操 作过程简单 , 减少了杂菌污染与酶失活的机会 , 提高了 酶的回收率并改善了产品的质量 。 采用膜分离技术对 酶制剂进行精制 、 浓缩 ,

14、 可使产品的纯度较传统的方法 提高 45倍 , 酶回收提高 23倍 , 高污染液产出量减发酵滤液超滤液PVDF 膜超滤乙酸丁酯 (BA 萃取 pH2.0, 不加破乳剂1BA水洗 1BA20%(V/V 水洗活性炭脱色2BANa 2CO 3反萃 丁醇共沸结晶 苄青霉素钠图 1超滤 /萃取工艺流程图27 少到原来的 1/31/4。Toussaint et al 7以平均孔径为 0.5m 的中空纤维 过滤器从发酵液中回收酶 , 当剪切率 1500s -1增大到 3000s -1时 , 通量从 30L/m 2 h 增大到 45L/m 2 h; 酶 的传递通量在剪切率为 1500s -1和压差为 2040

15、kPa 时达到最大值 。朱卫兵 8也用中空纤维超滤膜对青霉素酰化酶进 行了浓缩 , 青霉素酰化酶是医药工业上的酶类 。 此酶的 浓缩和脱盐是一个比较复杂的过程 , 用传统的硫铵法 不仅收率低 , 而且得到的浓缩酶液含有大量的硫酸铵 , 需要多次透析脱盐才能用于制备固定化酶 , 而用超滤 方法不会引起物料的相变化 , 因此在操作过程中 , 酶 的活性不会遭到破坏 。 且浓缩和提纯可同时进行 , 非 常适用于大规模的连续工业化生产 。 在本试验中 , 采 用截留分子量为 4万的中空纤维超滤膜对青霉素酰化 酶溶液进行浓缩 , 不仅在经济上是可行的 , 而且同时 可达到部分纯化和脱盐的目的 。 具有操

16、作方便 、 节省时 间 、 经济合理的优点 。5膜分离在乙醇发酵液提取浓缩中的应用 因为膜分离过程中不产生相变化 , 因此作为分离 工程中的一项节能技术而倍受关注 。 利用现代膜分离 技术对酒精水溶液进行分离 , 以期达到节约能源 , 降低 生产比能耗 , 提高设备利用率 , 这是近年来在膜分离 技术上的主要研究课题之一 。 在对低浓度酒精进行膜 分离 , 以获得高浓度乙醇方面的研究现在已经进入实用 化阶段 , 有众多国内外学者对这一过程进行了研究 。 在国外 M elzoch et al 9将管式超滤膜与发酵罐耦合起来 , 实现了发酵过程的连续化 , 发酵所得的乙醇在膜上得到 分离 , 细胞

17、被 100%截留 , 稀释率为 0.030.3h -1, 底物浓 度为 50300g/L , 所得的最大乙醇产率为 15g/L h, 乙 醇的最大浓度可达 81g/L 。 Ohash i et al 10将发酵罐与 多孔氧化铝陶瓷膜进行耦合 , 细胞被膜截留后返回发 酵罐中 ; 膜透过液送入蒸发器中蒸发得到乙醇 , 残留 液经冷却后继续用于发酵 , 当细胞浓度增至 236g/L 时 , 乙醇产率 13.1g/L h 。在国内汤斌 11等人利用交联聚酰胺复合膜 (SU-800 对乙醇水溶液进行反渗透法浓缩 , 乙醇水溶液供给液的 质量分数分别为 5%, 10%, 20%, 30%, 乙醇的截留率

18、 最高可达 0.854, 透过液的流量可达 14.5×106m/s 实验 证明交联聚酰胺复合膜对低浓度乙醇具有较高的选择 透过性 。 但是同时可以看到交联聚酰胺复合膜 (SU-800 在对乙醇溶液进行膜分离时 , 在低浓度下进行分 离时获得较好的结果 , 而在交联聚酰胺复合膜 (SU-800 对高浓度乙醇溶液分离时 , 乙醇截留率与透过液 的流量下降较大 , 因此不适合对浓度较高的乙醇进行 分离 , 同时也限制了利用该膜进行乙醇溶液的连续分 离 , 以获得高浓度乙醇的可能性 。 这也将是今后研究 的主要课题 。6结语以上几个方面探讨了膜分离技术在发酵液提取浓 缩中的广泛应用前景和重大

19、意义 。 膜分离与传统工艺 相比较有以下优点 :1、 膜分离过程不发生相变 , 与有相 变化的分离法或其它方法相比能耗低很多 。 2、 膜分离 过程是在常温下进行的 , 特别适应于热敏性物质的分 离 , 同时由于在闭和回路中运转 , 减少了空气中氧对物 料的影响 。 3、 在操作时只需简单的加压输送 , 可以反复 循环 , 所以工艺流程简单 、 操作方便 。 4、 物料在通过膜 的迁移渗透中不会发生性质变化 。 5、 膜分离过程操作 不加入化学物质 , 因此就减少了环境污染 。 6、 由于只是 用压力来作为膜分离推动力 , 因此具有装置简单 、 操作 容易 、 易于控制和维修 、 设备费用等优

20、点 。 所以将膜分 离与发酵过程结合起来的思路已经逐渐成为生物化工 领域的研究热点之一 。 但是在发酵工业中采用膜分离 技术尚有大量的工作需要研究 , 如膜的选择 、 膜的清 洗 、 膜的抗污染能力 、 膜的使用寿命 、 膜的投资 、 膜的运 行费用等等 。 虽然问题还有很多可是发酵工业和膜工 业作为二十一世纪的高科技产业 , 发酵工业将成为膜 分离技术的重要应用领域 , 膜分离技术将成为发酵工 业技术进步的重要措施 , 共同的市场利益 , 经过相互之 间的渗透和合作开发 , 必将带来广阔的发展前景 。 参考文献 :1刘茉娥 . 膜分离技术 M . 北京 :化学工业出版 社 , 1998.21

21、.2张宁 , 彭志英 . 中空纤维超滤膜浓缩胞外多糖 PS-9415发酵液的研究 J . 食品工业科技 , 2002, (8 . 3李十中 , 胡永平 , 等 . J . 中国抗生素杂 志 , 2000,25(3:175.4史荣梅 , 徐亲民 . J . 国外医药抗生素杂志 , 1997,18(1:33-39.5曹学君 , 邬行彦 , 吴彤 , 等 . J . 生物工 程 学 报 , 1998,14(4:468.6罗龙新 , 尹军峰 , 钱晓军 . 茶汁膜分离浓缩工 艺与热蒸发浓缩工艺的比较研究 J . 茶叶科学 .2000. 7Toussain G,Ding L H,et al Recove

22、r of alpha-agarase enzyme from fermentation broths by membrane Crossflow filtration J.Sparation science and Technology, 2000,35(5:795-809.8朱卫兵 , 龚方红 . 中空纤维超滤膜在青霉素酰 化酶浓缩中的应用 J . 江苏石油化工学院学报 , 2000, (3 .28 Keywords:fossil fuel power plant ; sequestration ; CO 2; integrated coal gasification ; multi -co

23、generationApplications of Membrane Gas-separation Technologyin Clean Utilization of CoalsYANG Jing 1,2, CHEN Jie-rong 1, ZHANG Jian-min 2, LIU Yu 2(1. School of energy &power Engineering , Xi' an Jiao Tong University, Xi'an 710049,China ; 2.School of Environment &Chemistry Engineerin

24、g , Xi' an University of Engineering Science andtechnology, Xi' an 710048, China (上接第 7页 Abstract:Components of fermentation liquor are fairly complex and there are many relevant separation technologies for it.Compared with other separation methods, membrane separation technology was applied extensively because of unique advantages in this field.The domestic and abroad applications of membrane separation in extraction and concentration of amylose, antibiotics,drinks,enzyme preparations and ethanol fermentation liquor wer