肌苷發(fā)酵液的陶瓷膜過(guò)濾研究

1、第19卷第2期2004年6月湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JournalofHunanUniversityofScience&Technology(NaturalScienceEdition)Vol.19No.2Jun.2004肌苷發(fā)酵液的陶瓷膜過(guò)濾研究曾堅(jiān)賢1,2,邢衛(wèi)紅3,徐南平3(1.湖南科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,湖南湘潭411201;2.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410083;3.南京工業(yè)大學(xué)膜科學(xué)技術(shù)研究所,南京210009)摘要:以工業(yè)化陶瓷膜考察了肌苷發(fā)酵液在不同濃縮比下的擬穩(wěn)定通量、粘度及濕固含量變化,在此基礎(chǔ)上,將發(fā)酵液進(jìn)、出口調(diào)換,可使膜通量提高;分析了水洗方式對(duì)肌

2、苷含量及膜通量的影響;探討了膜的污染機(jī)理,提出了有效的膜清洗方法.結(jié)果表明:200nm膜適宜于肌苷發(fā)酵液的膜過(guò)濾,按流加率4%加入洗水有利于菌體的洗滌,不可逆污染阻力Rf在總阻力中占主要地位,有效的化學(xué)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,膜通量可迅速恢復(fù).圖7,表2,參8.關(guān)鍵詞:工業(yè)化陶瓷膜;肌苷發(fā)酵液;膜污染;膜清洗中圖分類號(hào):TQ028.8文件標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):167229102(2004)0220091204肌苷是一種重要的生物化學(xué)藥品,主要是通過(guò)發(fā)酵法制得,原料在適宜的條件下發(fā)酵后,發(fā)酵液中主要含有肌苷、色

3、素、無(wú)機(jī)鹽、殘?zhí)?、菌體和副產(chǎn)物蛋白、嘌呤堿、嘌呤核苷等,然后通過(guò)分離、提取和精制得到肌苷的精品124.無(wú)機(jī)陶瓷膜具有耐高溫、孔徑分布窄、強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好和耐微生物侵蝕等優(yōu)點(diǎn),使其在化工、食品及發(fā)酵等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景527,在肌苷提取過(guò)程中引入陶瓷膜分離技術(shù),除去發(fā)酵液中菌體及其它大分子雜質(zhì),能簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝,提高產(chǎn)品質(zhì)量.作者以工業(yè)化的多通道陶瓷膜來(lái)過(guò)濾肌苷發(fā)酵液,探討膜過(guò)濾及膜污染行為,為陶瓷膜在該領(lǐng)域中的工業(yè)化應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).瓷膜,最可幾孔徑分別為20、50nm和200nm,分別以代號(hào)M1、M2和M3表示,其中M2和M3膜通道數(shù)為19,通道內(nèi)徑4mm;M1膜通道數(shù)為7,通道內(nèi)徑

4、6mm.所有膜管長(zhǎng)為240mm,管外徑30mm,以Al2O3為支撐體和過(guò)渡層,ZrO2為分離層.1.2試驗(yàn)裝置及方法建立如圖1所示裝置,以考察膜過(guò)濾及污染行為.1試驗(yàn)1.1試驗(yàn)材料1-儲(chǔ)液罐2-流量計(jì)3-膜組件4-壓力表5-離心泵6-溫度計(jì)7-換熱器西安化工廠生產(chǎn)工業(yè)級(jí)的次氯酸鈉;西安化工廠生產(chǎn)分析純的鹽酸;齊魯化工廠生產(chǎn)分析純的氫氧化鈉;肌苷發(fā)酵液;上海手術(shù)器械廠生產(chǎn)的8022離心機(jī);上海天平儀器廠生產(chǎn)的NDJ21型旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì);上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的UV2754型分光光度計(jì);南京工業(yè)大學(xué)膜科學(xué)技術(shù)研究所提供的工業(yè)化陶?qǐng)D1肌苷發(fā)酵液的膜過(guò)濾裝置示意圖Fig.1Schematicdia

5、gramofmembranefiltrationset2upforinosinefermentationbroth將不同濃縮倍數(shù)的發(fā)酵液加入儲(chǔ)液罐中,分別用不同孔徑的工業(yè)化陶瓷膜過(guò)濾,膜面速度由流量計(jì)讀數(shù)換算而得;過(guò)濾壓差由進(jìn)口壓力、出口壓力及滲透?jìng)?cè)收稿日期:2003212220作者簡(jiǎn)介:曾堅(jiān)賢(19702),男,湖南漣源人,講師,博士生,主要從事膜分離技術(shù)發(fā)酵研究.91© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.壓力計(jì)算獲得;滲透通量采用秒表、量筒測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)流出的液體體積并結(jié)合

6、膜面積計(jì)算而得.在未作說(shuō)明時(shí),發(fā)酵液pH值為3.5,膜面錯(cuò)流速度為3.25m/s,溫度為70,20、50nm膜操作壓差為0.2MPa,200nm膜壓差為0.1MPa.1.3分析方法表1濃縮比對(duì)粘度及濕固含量的影響Tab.1Effectofconcentrationrateonviscosityandwetsolidcontent濃縮比/Cr粘度/mPa.s濕固含量/%12.57.3312.520.5636.440.1810121470.5295.6960.11856.251.860.272.387.6粘度:采用NDJ21型旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)測(cè)定;肌苷含量:由離子交換法測(cè)定3;濕固含量:取一定量的發(fā)酵

7、液經(jīng)離心分離后,以沉淀部分占總發(fā)酵液的重量百分?jǐn)?shù)來(lái)表示.隨著濃縮比的增大,發(fā)酵液的粘度迅速升高,反映在膜通量上的變化是:大孔徑膜的擬穩(wěn)定通量顯著下降,這與2.1節(jié)中所得的結(jié)論是相符的,即粘度的變化反映通量的變化.另外,隨著濃縮程度的提高,濕固含量迅速上升,膜過(guò)濾逐漸較為困難.2.3膜進(jìn)、出口調(diào)換對(duì)通量的影響2結(jié)果與討論2.1膜孔徑對(duì)不同濃縮比下通量的影響在發(fā)酵液濃縮過(guò)程中,當(dāng)膜通量急劇下降時(shí),將膜進(jìn)、出口調(diào)換,以流出濾液累計(jì)體積對(duì)膜通量作圖,并與未調(diào)換的情況作比較,所得結(jié)果如圖3所示.在剛開始過(guò)濾時(shí),膜通量下降較快,然后經(jīng)過(guò)一個(gè)平臺(tái),再急劇下降,這與Nagataetal(1989)所得的結(jié)論是

8、一致的8.此時(shí),將膜的進(jìn)、出口調(diào)換,通量上升較為顯著.這可能是:在膜過(guò)濾過(guò)程中,由于膜進(jìn)口壓差較膜出口壓差要大,引起進(jìn)口的濾餅壓實(shí)較出口嚴(yán)重.當(dāng)發(fā)酵液在膜管內(nèi)流動(dòng)反向時(shí),使得原方向上形成的濃差極化層及原入口的濾餅層有所減薄,引起膜污染的下降,而互換后新的濾餅層及濃差極化層形成要有一定的過(guò)程,所以,通量是緩慢下降的.在多次調(diào)換過(guò)程中,后一次調(diào)換所能達(dá)到的初始最高通量總是較前一次的最高通量為低,這可能是發(fā)酵液不斷被濃縮的結(jié)果.用M1、M2和M3膜在濃縮比(發(fā)酵液初始體積與濃縮結(jié)束時(shí)濃液體積之比,以Cr表示.)分別為1,3,6,8,10,12,14下考察發(fā)酵液的擬穩(wěn)定通量變化情況,所得結(jié)果如圖2所示

9、.隨著Cr的增大,各膜擬穩(wěn)定通量逐步下降,其中M2和M3膜的這種下降更為顯著,而M1膜的這種通量變化不大,這可能是隨著料液濃縮程度的提高,大孔徑膜的污染迅速加重,使通量下降較快,而小孔膜的污染并不明顯,使得各濃縮比下的通量差別不大.在不同濃縮比下,M3膜的擬穩(wěn)定通量最大,采用M3膜過(guò)濾發(fā)酵液有利于通量的提高.在未作說(shuō)明時(shí),以下試驗(yàn)均采用M3膜.圖3進(jìn)、出口調(diào)換對(duì)膜通量的影響Fig.3Effectofinletinexchangewithoutletonmembraneflux圖2濃縮比對(duì)3種膜擬穩(wěn)定通量的影響Fig.2Effectofconcentrationrateonthreemembra

10、nequasi2steadyflux2.4菌體水洗方式的選取本文考察了以下3種水洗方式:方式1:連續(xù)流加.控制加水速率與膜過(guò)濾速率相等,保持濃縮液體積不變.方式2:流加率為4%.本文定義流加率為:洗水體積占發(fā)酵液初始體積的百分率.在洗菌時(shí),每次按該比例加入洗水,當(dāng)獲得與洗水等量體積的濾液時(shí),再加入下一批相同體積的洗水.2.2不同濃縮比下的粘度及濕固含量變化發(fā)酵液的粘度及濕固含量變化,影響著膜通量的改變,測(cè)定這兩個(gè)參數(shù)有利于了解膜的運(yùn)行情況.在濃縮比分別為1,3,6,8,10,12,14時(shí),測(cè)定膜過(guò)濾過(guò)程中發(fā)酵液的粘度和濕固含量變化,結(jié)果見表1所示.92© 1995-2005 Tsin

11、ghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.方式3:流加率為8%.其余方法與方式2同.獲得Jw=.wRm(3)式中,w為蒸餾水的粘度;Rp,r為可逆極化層阻力,在膜過(guò)濾操作參數(shù)下,以蒸餾水清洗20min即可消除.除去Rp,r后,以蒸餾水測(cè)定膜的水通量Jw,其計(jì)算式如下(4)Jw=w(Rm+Rp,sr+Rf).式中,Rp,sr為半可逆極化層阻力,除去Rp,r后,在低壓和高流速下,以蒸餾水沖洗20min可除去,再測(cè)定其蒸餾水通量Jw,其計(jì)算式如下Jw=.w(Rm+Rf)圖4水洗方式對(duì)膜通量的影響Fig.4Effectofwate

12、rwashingmodeonmembraneflux(5)式中,Rf為不可逆污染阻力,很難以常規(guī)的物理方法消除,需用到化學(xué)清洗劑.圖5水洗方式對(duì)肌苷含量的影響Fig.5Effectofwaterwashingmodeoninosinecontent考察上述3種水洗方式的效果,控制每種方式下總的洗水體積相等,膜通量及濾液中的肌苷含量變化如圖4及5所示.在每種水洗方式下,隨洗滌水的不斷加入,膜通量逐漸升高,當(dāng)洗滌水加入到一定量后,膜通量保持不變,達(dá)到擬穩(wěn)定狀態(tài).其中以方式3的擬穩(wěn)定通量最高,方式2次之,方式1為最低.在菌體洗滌過(guò)程中,通量越大越有利,但還得結(jié)合肌苷的洗滌效果來(lái)確定最佳洗水方式,由于

13、圖5得,隨洗滌水加入量的增加,濾液中的肌苷含量逐漸下降,其中方式3洗滌結(jié)束時(shí),濾液中的肌苷含量在8g/L左右,超過(guò)了工業(yè)生產(chǎn)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn);方式1和方式2的洗滌效果相差不大,但方式2的膜通量要大,過(guò)濾時(shí)間短,有利于工業(yè)生產(chǎn).因此,本文認(rèn)為方式2為最佳的菌體水洗流加方式.即按流加率為4%加入洗滌水有利于菌體的洗滌.2.5膜污染機(jī)理的分析圖6各阻力在膜表面的位置示意圖Fig.6Schematicdiagramofsituationforresistancesonmembranesurface根據(jù)上述原理,測(cè)定膜在不同狀態(tài)下的Jv、Jw、JJw、w,并結(jié)合膜壓差P和粘度,由計(jì)算式(125)即可求出各阻

14、力Rm、Rp,r、Rp,sr、Rf在總阻力Rt中所占的百分比,其結(jié)果如表2所示.表2各阻力在總阻力中所占的百分比Tab.2PercentageofresistancesinthetotalresistanceRm/RtRp,r/RtRp,sr/RtRf/Rt9.31%10.15%27.52%53.02%由于濃差極化和膜污染的原因,膜在運(yùn)行過(guò)程中,通量的衰減是不可避免的.根據(jù)Darcy定律,膜過(guò)濾過(guò)程中的通量表達(dá)式為(1)jv=Rt.P為膜壓差,為料液粘度,Rt為式中,Jv為膜通量,總阻力.在此基礎(chǔ)上,許多研究者對(duì)Rt提出了各自的分解方法,以確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圖6所示.Rm為膜層阻力,可由新膜的蒸餾水通量Jw計(jì)算由上表可得,膜本身的阻力所占的比例較小,處于次要地位.由濃差極化和膜污染所引起的阻力起主要作用,是造成膜通量衰減的主要原因,其中可逆極化層阻力Rp,r和半可逆極化層阻力Rp,sr可借助水流的沖刷得以消除,而不可逆污染阻力Rf占總阻力的50%以上,需采用化學(xué)的方法進(jìn)行清洗,因此,選擇合適的化學(xué)清洗劑和清洗方法來(lái)再生膜就顯得非常重要.2.6膜的清洗發(fā)酵液中主要含有肌苷、色素、無(wú)機(jī)鹽、殘?zhí)?、菌體和副產(chǎn)物蛋白、嘌呤堿、嘌呤核苷等,針對(duì)這些物質(zhì),考慮采用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和氧化劑來(lái)進(jìn)行清洗,其順序?yàn)?先用水將系統(tǒng)內(nèi)的

16、殘留發(fā)酵液洗凈,測(cè)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,放出清洗劑,將系統(tǒng)洗至中性,測(cè)定水通量;最后以0.5%(w/w)HNO3溶液清洗5min,放出清洗(3)在膜過(guò)濾過(guò)程中,將發(fā)酵液進(jìn)、出口調(diào)換可使膜通量提高;(4)當(dāng)發(fā)酵液濃縮結(jié)束時(shí),適宜的水洗方式是:按流加率4%加入洗水;(5)探討了膜污染機(jī)理,不可逆污染阻力占主要地位,需采用化學(xué)清洗才能使膜通量有效恢復(fù);(6)適宜的化學(xué)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,膜通量可迅速恢復(fù).參考文獻(xiàn):1曾堅(jiān)賢,邢衛(wèi)紅,徐南平.膜過(guò)濾過(guò)程中的肌苷降解研究J.湘劑并洗至中性后,測(cè)定水通量,所得效果如圖7所示.在相同條件下,新膜的水通量為1724L/(m2h),經(jīng)過(guò)多次清洗后,膜的水通量基本保持在16001650L/(m2h)之間,通量恢復(fù)率在92.8%95.7%之間,重復(fù)性較好,說(shuō)明該清洗方法是有效可行的.潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2003,18(1):91294.2董明,邵瓊芳.肌苷分離技術(shù)進(jìn)展J.江西師范大學(xué)學(xué)報(bào),1997,21(1):75280.3王艷萍,韓英素,

18、劉淑云,等.發(fā)酵液中肌苷含量測(cè)定方法的討論J.天津輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1997,20(2):38241.A-水沖洗;B-1%NaOH+0.2%NaClO;C-0.5%HNO34鄭領(lǐng)英,姚恕.肌苷發(fā)酵液凈化技術(shù)的研究J.發(fā)酵科技通訊,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.圖7清洗劑對(duì)膜通量的影響Fig.7Effectofcleanreagentsonmembraneflux3結(jié)論(1)采用膜孔徑為200nm的工

20、業(yè)化陶瓷膜來(lái)處理肌苷發(fā)酵液可獲得較高的膜擬穩(wěn)定通量;(2)隨著肌苷發(fā)酵液濃縮倍數(shù)的提高,粘度及濕固含量迅速增加,膜過(guò)濾變得較為困難;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