膜分離技術在發(fā)酵液提取濃縮中的應用

1、收稿日期 :2005-12-20作者簡介 :徐飛 (1980- , 男 , 碩士研究生 ; 聯(lián)系人 :李桂水教授 , 聯(lián)系電話 膜分離技術在發(fā)酵液提取濃縮中的應用徐 飛 , 李桂水 , 樓文君(天津科技大學 , 天津 300222摘 要 :發(fā)酵液組分復雜 , 分離技術繁多 , 同其它方法相比膜分離技術以其獨特的優(yōu)勢在該領域中獲得推廣 。 本文簡單概述了膜分離技術在多糖 、 抗生素 、 飲料 、 酶制劑及乙醇發(fā)酵 液提取濃縮中的應用以及國內(nèi)外在這一領域的進展 。 對膜分離過程應用于該領域的前景 進行了分析 。關鍵詞 :膜分離 ; 酵液 ; 提取 ; 濃縮中圖分類號 :

2、TQ028.8文獻標識碼 :A文章編號 :1005-8265(2006 02-0026-04前言經(jīng)固液分離后 , 目的產(chǎn)物存在于濾液中 , 濾液體積 大 、 濃度低 , 需要進行濃縮和初步純化的過程稱為提 取過程 。 從發(fā)酵液中提取產(chǎn)品的傳統(tǒng)方法主要有吸附 法 、 溶媒萃取法 、 離子交換法和沉淀法 , 但這些工藝 往往十分繁雜 , 所需時間長 , 提取過程中需要消耗大量 的原料 , 能耗高 , 產(chǎn)品在漫長的提取過程中易變性失 活 , 產(chǎn)品回收率低 , 廢水污染嚴重且處理難度大 , 得到 的溶液中產(chǎn)品濃度往往很低 。分離膜是一種特殊的 , 具有選擇性透過功能的 薄層物質(zhì) , 能使流體內(nèi)的一種或

3、幾種物質(zhì)透過的膜 分離過程作為一門新型的高效分離 、 濃縮 、 提純技 術 , 近年來發(fā)展迅速 , 已成為解決當代能源 、 資源和 環(huán)境污染問題的重要高新技術及可持續(xù)發(fā)展技術的 基礎 。 各種膜過程具有不同的分離機理 , 分別適合 不同的對象和要求 , 但有其共同特點 , 如操作過程 較 簡 單 , 經(jīng) 濟 性 好 , 往 往 沒 有 相 變 , 分 離 系 數(shù) 大 , 能 耗 低 , 可 連 續(xù) 操 作 , 效 率 高 , 可 在 常 溫 下 工 作 , 可直接放大 , 可專一配膜等1。 由于膜過程特別適用于熱敏性物質(zhì) (如藥物 、 飲料 、 酶制劑等 的處 理 , 在再生植物資源利用中有其

4、獨特的適用性 。 其 中由于某些膜分離技術 (如超濾 、 納濾 、 反滲透等 可用于一些含有各種小分子質(zhì)量可溶性溶質(zhì) , 以及 高分子物質(zhì)等溶液的分離 、 濃縮 、 提純和凈化 , 越 來越引起人們的重視 。 因此膜分離技術將逐漸取代 一些傳統(tǒng)的分離技術 , 成為一種重要的發(fā)酵液提取濃縮的方法 。1膜分離在多糖提取濃縮中的應用從發(fā)酵液中提取濃縮多糖是一重要的工序 。 目 前 , 許多生產(chǎn)廠家采用多效蒸發(fā)進行提取濃縮多糖 , 該技術投資大 , 能耗高 , 對某些殘?zhí)呛扛叩漠a(chǎn)品焦 糖化還可能造成結垢堵塞 。 發(fā)酵過程中如果能把多 糖 及 時 回 收 , 有 利 于 維 持 細 胞 活 力 , 以

5、 提 高 生 產(chǎn) 率 。張寧 、 彭志英2等采用截留分子量為 50000的內(nèi)壓 式 中 空 纖 維 超 濾 膜 對 微 生 物 胞 外 多 糖 PS-9415發(fā)酵液進行濃縮分離的研究 。 研究表明 , 膜的透過通 量受溫度 、 料液濃度 、 操作壓力等操作參數(shù)的影響 , 其中高溫 、 低濃度的料液在較高的操作壓力下有較高 的透過通量 。 經(jīng)過稀釋 、 離心除菌的發(fā)酵液比不經(jīng)過 處理的發(fā)酵液透過通量高 , 衰減慢 。 0.05MPa 下對3%的料液 3L 超濾濃縮 , 可得到 5.8%的濃縮液 , 多糖 回 收 率 為 82.7%,0.1MPa 下 0.5%的 料 液 可 濃 縮 至 2.95%

6、, 濃度提高了 4.9倍 。 采用內(nèi)壓式中空纖維超濾器可以將發(fā)酵液適當?shù)貪饪s , 培養(yǎng)基中殘余的蔗 糖 、 少量氮源和無機離子其分子量均小于膜的截留 量 , 可在超濾過程中分離 , 可應用于該多糖的進一步 擴大再生產(chǎn) 。2膜分離在抗生素提取濃縮中的應用分離膜技術是一種新型 、 高效的分離技術 , 不僅 大大簡化了工藝 , 分離選擇性高 , 而且可長時間穩(wěn)定 運行 , 能有效去除抗生素發(fā)酵液中的可溶性蛋白 , 濾26 結晶芐青霉素鈉一直都采用溶劑萃取法 , 分直接 法和間接法 。 直接法是通過溶劑萃取 、 脫色后直接提取 芐青霉素鈉 , 直接法收率較高但產(chǎn)品純度低 , 不符合藥 典要求 ; 間接

7、法則是由芐青霉素酸先生成鉀鹽后再轉(zhuǎn) 為鈉鹽 , 間接法雖然純度高但是成本也較高并且工藝 復雜 。因此 , 如何降低成本提高收率就成為一個研究熱 點 。 李十中等 3采用超濾 /萃取新方法直接結晶芐青霉素 鈉 , 選用聚偏氟乙烯 (PVDF 超濾膜 , 操作壓力 0.1MPa , 溫度 14 。 工藝流程如圖 1。與傳統(tǒng)工藝相比 , 采用超濾單元操作的直接結晶 芐青霉素鈉的方法所得產(chǎn)品完全符合藥典要求 , 且收 率比間接法高 6.76%。青霉素在提煉過程中使用膜分離技術 , 可以去除 蛋白質(zhì)及其他大分子雜質(zhì) , 消除萃取時的乳化現(xiàn)象 , 提 高萃取過程的收率和產(chǎn)品質(zhì)量 。史榮梅 4報道在青霉素提

8、取中使用超濾代替旋轉(zhuǎn) 真空過濾可以解決萃取時的乳化問題 。 超濾設備是 18根并聯(lián)的聚偏氟乙烯管式超濾膜 , 溫度 12 15 , 操 作壓力 0.20.8MPa , 膜截留相對分子質(zhì)量 10萬 。 超濾 后可溶性蛋白質(zhì)全部被截留 , 青霉素的超濾與萃取總 收率與原收率基本持平 , 而且萃取時容易實現(xiàn)相分離 , 減少了溶劑損失 , 無需加入破乳劑 , 降低了成本 。曹學君等 5利用 Millipore 公司的 Nonamax-50型RO 膜進行了回收 6-APA 的研究 。 在一定的壓力下 , 采 用全循環(huán)操作工藝截留 6-APA, 使苯乙酸 、 青霉素 G 、 硼酸及一些無機鹽類透 RO 膜

9、 , 透過液重新返回初濾 液中再次進行濃縮 。 當操作壓力為 2.02.5MPa 、 溫度 為 6 10 時 , 經(jīng)過多次濃縮后 , 濃縮與結晶總收率達 84%左右 , 產(chǎn)品純度符合企業(yè)標準 。3膜分離在飲料提取濃縮中的應用膜分離在牛奶工業(yè)中的應用始于 70年代 , 首先應用的是乳酪 , 然后發(fā)展到在乳清蛋白的增濃 、 牛奶粉和 凝乳的制造以及蛋白和肽的分離等領域的應用 , 而且 在脫脂牛奶的除菌和牛奶的濃縮方面有著很好的應用 前景 。M.Piot 等人 , 于 1987年首次將無機膜用于全脂牛奶的過濾除菌 , 所用陶瓷膜的內(nèi)徑為 4mm , 膜孔徑為1.8m , 可以截留 98%的脂肪 ,

10、基本沒有蛋白質(zhì)的截留 。 牛奶微濾的中試是采用 1.4m 的氧化鋁陶瓷膜 ,將部分滲透液回流以保證沿過濾管的操作壓力穩(wěn)定 , 其過濾通量達 700L/m 2 h , 操作 6h , 壓力增加 0.01MPa , 其細菌截留率達 99.7%. 用 0.2m 的碳 -ZrO 2微濾膜制脫脂乳 , 在 72 下巴氏殺菌 15s , 微濾的表面流 速液中舍有磷酪蛋白可進一步分離純化 。 用陶瓷膜從 干酪乳清中回收乳清蛋白 , 其中含有約 7%的固形物 , 0.7%的蛋白質(zhì) , 5%的乳糖及少量的灰分 、乳酸等 , 用無 機超濾膜濃縮乳清蛋白制得蛋白粉的技術研究也在進 行之中 , 用 100nm 的陶瓷

11、膜濃縮 , 其濃縮倍數(shù)可達 20倍 , 蛋白可濃縮至 25%。茶飲料自 80年代初開發(fā)上市以來 , 已成為國際上 增長速度最快的新時代軟飲料之一 。 茶飲料的生產(chǎn)逐 漸走向分工化和配方化 。 因此 , 高品質(zhì)的茶濃縮汁的 加工技術就顯得非常重要 。 適合配制茶飲料的茶濃縮 汁 , 除要求保持原茶葉所具有的色香味外 , 還要求具 有良好的溶解性 、 澄清度 , 不易出現(xiàn)混濁或沉淀 。羅龍新等 6采 用 UF +RO 、 RO 、 UF+EC (蒸 發(fā) 和 EC 工藝分別對綠茶 、紅茶和烏龍茶汁進行濃縮 , 結果 表明 , 四種工藝對三種茶濃縮汁中主要的化學成分保 留率影響明顯不同 。 從茶多酚

12、、 香氣成分及兒茶素總量 的保留率上 , 去除蛋白質(zhì)和果膠的效果上 , 以 UF+RO 和 UF+EC 工藝最佳 ; 而傳統(tǒng)的 EC 工藝在茶多酚 、 香 氣成分及兒茶素總量的保留量及茶汁中去除蛋白質(zhì)和 果膠的效果上均是較差 。 四種濃縮方法生產(chǎn)的茶濃縮 汁的色差值 、 粘度和感官品質(zhì) (色 、 香 、 味 也存在明顯的 差異 。 其中 UF+RO 制備的濃縮汁品質(zhì)最好 , 茶汁透明 澄清 , 色香味保持好 ; RO 工藝制備的濃縮汁 , 色香味 保持好 , 但茶汁澄清透明度差 ; UF+EC 制備的茶汁 , 茶 汁透明度好 , 但香味較差 ; 采用 EC 濃縮工藝制備的濃 縮汁 , 品質(zhì)最差

13、 。 因此 ,UF+RO 濃縮工藝制備的茶濃縮 汁最適合作為生產(chǎn)液體茶飲料的原料 。4膜分離在酶制劑提取濃縮中的應用從微生物體內(nèi)提取的酶溶液中 含 有 許 多 無 機 鹽 、 糖 、 和氨基酸之類的低分子物質(zhì) , 它們對酶制劑的顏 色 、 氣味 、 吸濕性和結塊性等都有很大的影響 。 通常所 采用的減壓濃縮 、 鹽析即有機溶劑沉淀等方法 , 雖然能 將這些組分去除掉但其過程較復雜 , 制品純度和回收 率都比較低 。 應用膜分離技術對酶進行濃縮和提純 , 操 作過程簡單 , 減少了雜菌污染與酶失活的機會 , 提高了 酶的回收率并改善了產(chǎn)品的質(zhì)量 。 采用膜分離技術對 酶制劑進行精制 、 濃縮 ,

14、 可使產(chǎn)品的純度較傳統(tǒng)的方法 提高 45倍 , 酶回收提高 23倍 , 高污染液產(chǎn)出量減發(fā)酵濾液超濾液PVDF 膜超濾乙酸丁酯 (BA 萃取 pH2.0, 不加破乳劑1BA水洗 1BA20%(V/V 水洗活性炭脫色2BANa 2CO 3反萃 丁醇共沸結晶 芐青霉素鈉圖 1超濾 /萃取工藝流程圖27 少到原來的 1/31/4。Toussaint et al 7以平均孔徑為 0.5m 的中空纖維 過濾器從發(fā)酵液中回收酶 , 當剪切率 1500s -1增大到 3000s -1時 , 通量從 30L/m 2 h 增大到 45L/m 2 h; 酶 的傳遞通量在剪切率為 1500s -1和壓差為 2040

15、kPa 時達到最大值 。朱衛(wèi)兵 8也用中空纖維超濾膜對青霉素酰化酶進 行了濃縮 , 青霉素?；甘轻t(yī)藥工業(yè)上的酶類 。 此酶的 濃縮和脫鹽是一個比較復雜的過程 , 用傳統(tǒng)的硫銨法 不僅收率低 , 而且得到的濃縮酶液含有大量的硫酸銨 , 需要多次透析脫鹽才能用于制備固定化酶 , 而用超濾 方法不會引起物料的相變化 , 因此在操作過程中 , 酶 的活性不會遭到破壞 。 且濃縮和提純可同時進行 , 非 常適用于大規(guī)模的連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn) 。 在本試驗中 , 采 用截留分子量為 4萬的中空纖維超濾膜對青霉素?；?酶溶液進行濃縮 , 不僅在經(jīng)濟上是可行的 , 而且同時 可達到部分純化和脫鹽的目的 。 具有操

16、作方便 、 節(jié)省時 間 、 經(jīng)濟合理的優(yōu)點 。5膜分離在乙醇發(fā)酵液提取濃縮中的應用 因為膜分離過程中不產(chǎn)生相變化 , 因此作為分離 工程中的一項節(jié)能技術而倍受關注 。 利用現(xiàn)代膜分離 技術對酒精水溶液進行分離 , 以期達到節(jié)約能源 , 降低 生產(chǎn)比能耗 , 提高設備利用率 , 這是近年來在膜分離 技術上的主要研究課題之一 。 在對低濃度酒精進行膜 分離 , 以獲得高濃度乙醇方面的研究現(xiàn)在已經(jīng)進入實用 化階段 , 有眾多國內(nèi)外學者對這一過程進行了研究 。 在國外 M elzoch et al 9將管式超濾膜與發(fā)酵罐耦合起來 , 實現(xiàn)了發(fā)酵過程的連續(xù)化 , 發(fā)酵所得的乙醇在膜上得到 分離 , 細胞

17、被 100%截留 , 稀釋率為 0.030.3h -1, 底物濃 度為 50300g/L , 所得的最大乙醇產(chǎn)率為 15g/L h, 乙 醇的最大濃度可達 81g/L 。 Ohash i et al 10將發(fā)酵罐與 多孔氧化鋁陶瓷膜進行耦合 , 細胞被膜截留后返回發(fā) 酵罐中 ; 膜透過液送入蒸發(fā)器中蒸發(fā)得到乙醇 , 殘留 液經(jīng)冷卻后繼續(xù)用于發(fā)酵 , 當細胞濃度增至 236g/L 時 , 乙醇產(chǎn)率 13.1g/L h 。在國內(nèi)湯斌 11等人利用交聯(lián)聚酰胺復合膜 (SU-800 對乙醇水溶液進行反滲透法濃縮 , 乙醇水溶液供給液的 質(zhì)量分數(shù)分別為 5%, 10%, 20%, 30%, 乙醇的截留率

18、 最高可達 0.854, 透過液的流量可達 14.5×106m/s 實驗 證明交聯(lián)聚酰胺復合膜對低濃度乙醇具有較高的選擇 透過性 。 但是同時可以看到交聯(lián)聚酰胺復合膜 (SU-800 在對乙醇溶液進行膜分離時 , 在低濃度下進行分 離時獲得較好的結果 , 而在交聯(lián)聚酰胺復合膜 (SU-800 對高濃度乙醇溶液分離時 , 乙醇截留率與透過液 的流量下降較大 , 因此不適合對濃度較高的乙醇進行 分離 , 同時也限制了利用該膜進行乙醇溶液的連續(xù)分 離 , 以獲得高濃度乙醇的可能性 。 這也將是今后研究 的主要課題 。6結語以上幾個方面探討了膜分離技術在發(fā)酵液提取濃 縮中的廣泛應用前景和重大

19、意義 。 膜分離與傳統(tǒng)工藝 相比較有以下優(yōu)點 :1、 膜分離過程不發(fā)生相變 , 與有相 變化的分離法或其它方法相比能耗低很多 。 2、 膜分離 過程是在常溫下進行的 , 特別適應于熱敏性物質(zhì)的分 離 , 同時由于在閉和回路中運轉(zhuǎn) , 減少了空氣中氧對物 料的影響 。 3、 在操作時只需簡單的加壓輸送 , 可以反復 循環(huán) , 所以工藝流程簡單 、 操作方便 。 4、 物料在通過膜 的遷移滲透中不會發(fā)生性質(zhì)變化 。 5、 膜分離過程操作 不加入化學物質(zhì) , 因此就減少了環(huán)境污染 。 6、 由于只是 用壓力來作為膜分離推動力 , 因此具有裝置簡單 、 操作 容易 、 易于控制和維修 、 設備費用等優(yōu)

20、點 。 所以將膜分 離與發(fā)酵過程結合起來的思路已經(jīng)逐漸成為生物化工 領域的研究熱點之一 。 但是在發(fā)酵工業(yè)中采用膜分離 技術尚有大量的工作需要研究 , 如膜的選擇 、 膜的清 洗 、 膜的抗污染能力 、 膜的使用壽命 、 膜的投資 、 膜的運 行費用等等 。 雖然問題還有很多可是發(fā)酵工業(yè)和膜工 業(yè)作為二十一世紀的高科技產(chǎn)業(yè) , 發(fā)酵工業(yè)將成為膜 分離技術的重要應用領域 , 膜分離技術將成為發(fā)酵工 業(yè)技術進步的重要措施 , 共同的市場利益 , 經(jīng)過相互之 間的滲透和合作開發(fā) , 必將帶來廣闊的發(fā)展前景 。 參考文獻 :1劉茉娥 . 膜分離技術 M . 北京 :化學工業(yè)出版 社 , 1998.21

21、.2張寧 , 彭志英 . 中空纖維超濾膜濃縮胞外多糖 PS-9415發(fā)酵液的研究 J . 食品工業(yè)科技 , 2002, (8 . 3李十中 , 胡永平 , 等 . J . 中國抗生素雜 志 , 2000,25(3:175.4史榮梅 , 徐親民 . J . 國外醫(yī)藥抗生素雜志 , 1997,18(1:33-39.5曹學君 , 鄔行彥 , 吳彤 , 等 . J . 生物工 程 學 報 , 1998,14(4:468.6羅龍新 , 尹軍峰 , 錢曉軍 . 茶汁膜分離濃縮工 藝與熱蒸發(fā)濃縮工藝的比較研究 J . 茶葉科學 .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朱衛(wèi)兵 , 龔方紅 . 中空纖維超濾膜在青霉素酰 化酶濃縮中的應用 J . 江蘇石油化工學院學報 , 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頁 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