维普资讯 http://www.cqvip.com 第２５卷第１期 ２００８年３月 苏州科技学院学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｓｕｚｈｏｕ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） ＶｏｌＩ２５ Ｎｏ．１ Ｍａｒ．２００８ 利用陶瓷膜过滤古龙酸发酵液的研究 刘 杰 ，秦苏东 ，于广瑛 ，唐礼升 ，柏文静 ，王 辉 （１．江苏江山制药有限公司，江苏靖江２１４５００；２．江苏久吾高科技股份有限公司，江苏南京２１００６１） 摘要：研究了利用陶瓷膜过滤古龙酸发酵液，该发酵液是指有机膜过滤古龙酸发酵液至一定浓缩倍数时的料液。 其内容包括利用陶瓷膜分离技术从浓缩的古龙酸发酵液中直接分离出古龙酸钠的可行性及其最适宜的工艺，并对 分离过程中存在的膜污染与膜清洗作了研究。结果表明，采用孔径为５０ ｎｍ的陶瓷膜，浓缩的古龙酸发酵液中古龙 酸钠含量为９％左右，过膜压差为０．３５ ＭＰａ，膜面流速为４．５ ｎｌ・ｓ～，操作温度为３５℃，浓缩倍数为３倍，膜过滤通量 维持在３５－５０ Ｌ・（ｍ ・ｈ）～，在此条件下，陶瓷膜的透析液质量优良，单批产品收率达到９９％以上。 关键词：陶瓷膜；浓缩的古龙酸发酵液；膜污染 中图分类号：ＴＱ０２８．８ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２－０６８７（２００８）０１—００３０—０５ 目前世界上维生素Ｃ的生产主要以两步发酵法为主，即以Ｄ一山梨醇为原料经两步微生物发酵转化为 Ｖｃ前体２一酮基一Ｌ一古龙酸。采用细菌发酵，发酵液中蛋白胶体及细菌代谢产物的分离是提取工段的难题，而 且此分离提取的费用占总成本的很大比例，因此采用先进的分离提取技术，对降低Ｖｃ的生产成本非常重 要【ｌ０】。为此，针对现有的有机膜过滤古龙酸发酵液至较高浓缩倍数的工艺中所存在的问题（浓缩倍数比较 低，洗水量较大），选择了陶瓷膜作为浓缩的古龙酸发酵液后期分离古龙酸钠的主要手段。笔者系统地研究 了操作参数对陶瓷膜分离过程的影响，选择了提高膜通量和截留率的有效途径，并分析了陶瓷膜的污染机 理，提出了有效的膜清洗方法。 １ 实验部分 实验所采用的膜管为江苏久吾高科技股份 有限公司生产的管式膜。陶瓷膜的参数为：支撑 体材质为 —ＡＩ：０３，膜材质为ＺｒＯ：，膜孔径５０ ｎｍ， １９孔道，通道内径４ ｍｍ，膜管外径３０ ｍｍ，单根 膜管的膜面积为０．２２ ｉｎ 。 １．１实验装置及操作方法 本实验所采用的实验装置是由江苏久吾高 ｌ一料罐，２一排料阀，３一进料泵，４一旁通阀，５一膜组件，６一回流阀，７一透析 科技股份有限公司提供的错流式陶瓷膜设备，如 图１所示。 侧出口阀，８一循环侧流量计，９一透析侧流量计，ｌＯ一换热器，Ｔ一温度计，Ｐｌ一 新膜用无离子水测定水通量时，记录运行中膜前压力表，Ｐｒ膜后压力表 人料罐中喜， 氅 曼曼 二 垄 以陶瓷膜过滤，利用该装置配有的变 ，图。陶瓷膜过滤装置示意图 一 ………………一 频器调节系统压力、流速，浓缩至一定程度时进行洗滤操作，洗滤的时间以及套加水量根据具体批次而定。记 录套加水的始、终时间及体积。实验过程中，记录各种运行参数，并测相应时间点的各取样点料液质量。 【收稿日期】２００７－０９－１４ 【基金项目】国家“８６３”项目（２０Ｑ６ＡＡ０２０３０３） 【作者简介】刘杰（１９６５－），男，江苏靖江人．工程师，研究方向：发酵液中的有效物质分离与纯化。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期 刘 杰等：利用陶瓷膜过滤古龙酸发酵液的研究 ３ｌ 膜面流速ｕ＝Ｑ／ａ，式中，Ｑ一流量，ｍ。・ｓ一；Ａ一膜截面积，ｍ 。 过膜压差△ｐ＝【（ｐ－＋ｐ２）／２］－ｐ３。 式中，ｐｌ一膜前压力，ＭＰａ；ｐ２一膜后压力，ＭＰａ；ｐ３－透析侧压力，ＭＰａ。 透析液通量 ＝ ・（ｔ・Ｊｓ）一。 式中， 一透析液体积，Ｌ；ｔ一透过时间，ｈ；Ｊｓ一膜面积，ｍ 实验结束后，用清水冲洗膜组件１０ ｍｉｎ，尽量冲走管道及膜面的污染物；然后用适当的清洗剂，调配成 一定浓度（酸１％，碱２％），加入到料罐中，进行全循环式运行，约１０－３０ ｍｉｎ，排尽清洗液；再用清水冲洗，并 测量其清水通量，考察通量的恢复情况。 １．２分析与检测方法 古龙酸钠含量测定：碘量法。 １．３实验原料和清洗剂 古龙酸发酵液（经有机膜预浓缩，蛋白含量恒定）：由江苏江山制药有限公司提供；、氢氧化钠均为分 析纯。 ２结果与讨论 ２．１操作压力对膜通量的影响 本实验考察了操作压力对膜过滤通量的影响，测定了同一批料液在不同过滤压力下的膜过滤通量，所得 结果如图２所示。 由图２可见，膜通量随操作压力的升高出现先升后降的趋势，在压差为Ｏ．３５ ＭＰａ时，膜通量为最大值。 对于陶瓷膜过滤而言。在低压、低浓度、高流速状态下的膜通量应该与压差成正比。本实验中，在低压阶段，膜 通量随压力的增加呈增加趋势，由蛋白质等杂质粘附在膜面而形成的沉积层也随之增加。这两种增加的趋势 达到一平衡点之后，继续增加压力，膜面的污染层会被压密压实，导致该污染层阻力的急剧增加，压差的增加 量不足以克服污染层带来阻力的增加量，这样，膜通量随着压力的增加反而慢慢减少。所以在实际的操作中， 压力应该控制在上升阶段，尽量接近最大值点，可以选择系统的操作压力在０．３３－０．３５ ＭＰａ之间。 ２．２操作温度对膜通量的影响 温度对膜通量有着较重要的影响，但考虑到古龙酸钠是热敏性的物质，升高温度可能对其有破坏作用， 所以本试验采用同一批料液分别在１５、２Ｏ、２５、３Ｏ、３５ ｃｃ下，考察温度对膜通量的影响，图３给出了温度对膜 通量的影响关系。随着温度的增加，通量也相应的增加，这主要是发酵液的粘度改变所致（１５ ｃｃ时料液的粘 度为７．３ ｃＰ，３５ ｃｃ时料液的粘度为９．１ ｃＰ）。由于浓缩的发酵液中蛋白质含量较高，温度过高（４Ｏ ｃｃ以上）ｒＥ 会导致蛋白质变性，所以在操作中将系统温度控制在３５℃。 吕 吕 丫 丫 阚 圜 鳘 圜 鳘 ５ ｌ５ ２５ ３５ ４５ 压力／ＭＰａ Ｔ＝３０℃．ｕ＝４．０ ｎｌ・ｓ一 温度，℃ ｕ＝４．０ ｎｌ・ｓ一．Ａｐ＝Ｏ．３５ ＭＰａ 图２操作压力对膜通量的影响 图３操作温度对膜通量的影响 维普资讯 http://www.cqvip.com
３２ ２．３膜面流速对膜通量的影响 苏州科技学院学报（自然科学版） ２００８血 在膜过滤发酵料液的应用中，大多采用错流过滤的方式。由于流体剪切力的作用，可以降低膜表面的沉 积，减轻浓差极化，延缓膜的污染，维持膜通量在一段时期的稳定性翻。错流速度的范围一般在２￣８ ｍ 。本 实验选择的膜面流速分别为３．０、３．５、４．０、４．５、５．０ ｍ・ｓ～，考察了同一批料液不同膜面流速下的膜通量，图４给 出这种变化关系。由图４可见，随着膜面流速的增加，膜通量也逐渐增加，当流速增大到４．５ ｍ・ｓ 后，再增加 膜面错流速度，膜通量略有下降。由此可知，适宜的膜面流速在４．５ ｍ・ｓ 。 ２．４浓缩倍数对膜通量的影响 在试验过程中，料液不断被浓缩，料液中的污染物质，如菌丝体、蛋白质、糖类、无机盐类等都处于浓缩状 态。所以，必须考察浓缩倍数对膜通量及透析液质量的影响。图５为料液不断浓缩过程中，膜通量随时间的变 化情况。 由图５可知，膜浓缩过程中，膜通量随浓缩倍数的增加而不断下降。浓缩至３倍时，膜通量为 ４０．３ Ｌ・（ｍ２．ｈ）～，随后膜通量下降加快。当浓缩倍数达到４倍时，膜通量只有２５．１ Ｌ・（ｍ２．ｈ） ，同浓缩倍数３ 倍时的膜通量相比，下降了４０％左右。随着浓缩倍数的提高，截留液中的污染物浓度也在增加，导致透析液 中的蛋白含量相应地增加。浓缩至３倍时，透析液中的蛋白含量与前期的透析液几乎相同，浓缩至４倍时， 透析液的蛋白含量增加４５％，对产品质量将会有影响。此外，膜通量太小，不利于膜设备的工业化放大。综合 以上两点考虑，料液的浓缩倍数控制在３倍比较合适。 ｊ、 毫 ｇ 嘲 嘲 昭 餐 鳘 ０ ｌ ２ ３ ４ ５ 流速／ｍ・ｓ Ｔ＝３５℃．Ａｐ－－０．３５ ＭＰａ 浓缩倍数 Ｔ＝３５℃．ｕ－－４．５ ｍ・８～．Ａｐ＝０．３５ ＭＰａ 图４膜面流速对膜通量的影响 图５浓缩倍数对膜通量的影响 ２．５陶瓷膜在优化参数下的重复性试验 取一定量有机膜浓缩后的古龙酸发酵液，在过膜压差０．３５ ＭＰａ，膜面流速为４．５ ｍ・ｓ～，操作温度３５℃的 优化条件下，控制３倍左右的浓缩倍数，用于研究陶瓷膜试验的重复性。三批料液的试验结果如表ｌ所示。 表１陶瓷膜试验过程中的各种参数 从表１中可以看出，在相同的操作参数下，由于料液性质的不同，各批次间存在差异。陶瓷膜的过滤收 率在９９％以上，与有机膜的过滤收率相当。而洗水量减少显著，仅为加料量的０．７７￣０．８３倍之间，这主要是由 维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期 刘 杰等：利用陶瓷膜过滤古龙酸发酵液的研究 ３３ 于浓缩倍数高，相应减少了洗水量，从而减轻了后续工序的蒸发负担。 ２．６膜污染机理分析 在陶瓷膜实际的运用中，膜分离性能随物料、时间等因素的变化很大，最直观的一点就是膜的渗透通量 随时间的推移呈下降趋势。其主要原因是浓差极化和膜污染。膜通量的下降会导致分离效率的下降，必须设 法予以克服。对于可行的膜分离技术而言，在膜污染之后，必须能够通过清洗，使膜的各项性能指标尽量恢 复如初，以尽量延长膜的使用寿命，相对减少投入。可见，浓差极化和膜污染极大的制约了膜分离技术的发 展与推广［４一。 古龙酸发酵液对膜的污染主要表现为：（１）膜表面的凝胶极化污染。古龙酸发酵液经有机膜浓缩后，含 有的蛋白质、菌丝体及少量的糖类、无机盐类等物质浓度增加几十倍。这些物质在膜过滤过程中，极易沉积 在膜的表面，形成凝胶极化污染。（２）膜内孔的吸附、堵塞污染。古龙酸发酵液中含有在前期的发酵过程中加 入满足工艺需要的无机盐类物质，这些无机盐的微粒极易在膜表面及内孔发生吸附或堵塞现象嘲，沉积在膜 表面或膜的内孔，致使膜通量变小、产生分离性能恶化的暂时性不可逆变化的现象。 ２．７陶瓷膜清洗方法 采用化学清洗法清洗古龙酸发酵液在无机陶瓷膜表面造成的污染非常有效。对于金属氧化物表面的有 机物污染，如蛋白质、糖类及菌丝体的洗脱，采用ＮａＯＨ溶液具有良好的效果。而对于膜表面及内孔的无机盐 微粒，采用ＨＮＯ，清洗则非常有效。为适应工业化连续生产的需要，必须寻找简单有效的膜清洗方法。实验中 采用两种膜清洗方法进行对比：（１）水洗（１０ ｍｉｎ），先１％（ｗ／ｗ）ＨＮＯ，酸洗，后２％（ｗ／ｗ）ＮａＯＨ碱洗；（２）水洗， 先２％（ｗ／ｗ）ＮａＯＨ碱洗，后１％（ｗ／ｗ）ＨＮＯ，酸洗。 两种清洗法的效果如图６所示。 从图６中可以看出，方法一和方法二的膜通量最大恢复 率分别为９２．７％和８１．３％，即方法二比方法一所能恢复的最高 通量要大。这可能是由金属离子产生的沉淀物附着在紧贴膜 面及孔的内表面，而蛋白质、菌体等生物物质覆盖在金属沉淀 物的表面，先用碱清洗时，除去了表面的生物物质，有利于酸 餐｝ 皿圈Ｉ 熠 与金属沉淀物充分接触，故清洗效果较好；反之，清洗效果就 差。所以，膜的清洗顺序采用先碱后酸的方式较为有利。清洗 方法为：系统中浓缩的发酵液排空 清水漂洗１０ ｍｉｎ ２％（ｗ， ｗ）ＮａＯＨ清洗３０ ｍｉｎ 清水漂洗ｌ０ ｍｉｎ—ｌ％（ｗ／ｗ）ＨＮＯ３清 洗１０ ｍｉ 清水漂洗至中性。 ２．８ 陶瓷膜的工业装置运行状况 图６清洗次序和清洗效果的关系图 在以上研究的基础上，与江苏久吾高科技股份有限公司一起设计了一套陶瓷膜工业装置用于处理有机 膜浓缩后的古龙酸发酵液，每天的处理量为８０ ｔ，运行时间已近半年。经陶瓷膜处理后，古龙酸质量符合工艺 需求，运行费用较原有工艺的有所下降。 在小试的优化参数下，陶瓷膜工业装置的运行状况良好，料液的平均通量为３５－５０ Ｌ・（Ｉｎ ・ｈ）～，膜通量 运行稳定，膜的清洗重复性较好。 ３ 结论 在陶瓷膜处理浓缩的古龙酸发酵液实验过程中，重点考察了操作压力、温度、膜面流速、浓缩倍数对陶瓷 膜过滤的影响，分析了陶瓷膜的污染机理、确定了合适的清洗方法，得出以下结论： （１）采用５０ ｎｍ的陶瓷膜，在Ｔ＝３５ ｏＣ，ｕ＝４．５ Ｉｎ ，Ａｐ＝０．３５ ＭＰａ下控制浓缩倍数为３倍，可获得较高的 膜通量３５～５０ Ｌ・（Ｉｎ ・ｈ）～，透析液的质量符合工艺需求。 （２）利用陶瓷膜过滤古龙酸发酵液，合理的膜洗程序为：Ｈ ０ ２％Ｎａ０Ｈ—Ｈ２０ １％ＨＮ０，一Ｈｚ０。 维普资讯 http://www.cqvip.com 苏州科技学院学报（自然科学版） （３）在上述操作条件下，陶瓷膜运行稳定性较好，用于工业化生产经证实是可行性的。 参考文献： ２００８盘 【１】李春艳，方富林，夏海平，等．膜分离法提纯２一酮基一Ｌ一古龙酸的研究【Ｊ】．厦门大学学报：自然科学舨。２００１，４ｏ（４）：９０３—９０７ 【２】茂，高永涛，李晶．应用超滤技术改进Ｖｃ生产工艺【Ｊ】．膜科学与技术，２０００。２０（５）：６０－６１． 【３】许莉，朱企新，王淑娥，等．微孔陶瓷膜过滤（二）一清洁陶瓷膜的纯膜阻力与阻塞【Ｊ】．过滤与分离，１９９７，（１）：３ ． 【４】王晓琳．膜的污染和劣化及其防治对策【Ｊ】．工业水处理，２００１，２１（９）：ｌ一５． 【５】孙洪贵，夏海平，蓝伟光．分离膜材料的污染与清洗【Ｊ】．功能材料，２００２，３３（１）：２６—２８，３２． 【６】罗敏，王占生，候立安．纳滤膜污染的分析与机理研究【Ｊ】．水处理技术，１９９８，２４（６）：３１８—３２３． Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｕｌｏｎｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｌｉｑｕｏｒ ｂｙ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍｅｍｂｒａｎｅ ＬＩＵ Ｊｉｅ ，ＱＩＮ Ｓｕ－ｄｏｎｇ ，ＹＵ Ｇｕａｎｇ－ｙｉｎｇ ，ＴＡＮＧ Ｌｉ－ｓｈｅｎｇ２，ＢＡＩ Ｗｅｎ－ｊｉｎｇａ，ＷＡＮＧ Ｈｕｉ （１．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｊｉａｎｇｓｈａｎ Ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ Ｃｏ Ｌｔｄ，Ｊｉｎｇｊｉａｎｇ ２１４５００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｊｉｕｗｕ Ｈｉｇｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００６１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ印ｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｅｒａｍｉｃ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｉｎ ｔｈｅ ｕｈｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ２－ｋｅｔｏ－Ｌ－ｇｕｌｏｎｉｃ ａｃｉｄ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｌｉｑｕｏｒ．Ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｓ ａｃｔｕａｌｌｙ ｔｈｅ ｇｕｌｏｎｉｃ ａｃｉｄ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｌｉｑｕｏｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｔｏ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｓｅｖｅｒａｌ ｉｓｓｕｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｆｅａｓｉ— ｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｅｐａｒａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｄｉｕｍ ｇｕｌｏｎｉｃ ａｃｉｄ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｌｉｑｕｏｒ ｂｙ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｅｒａｍｉｃ ｍｅｍ— ｂｒａｎｅ ｃｅｎｔｒｌｉａｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｐｒｏｃｅｓｓ．ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｏｕｌｉｎｇ ａｎｄ ｃｌｅａｎｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｃｅｒａｍｉｃ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｗｉｈ ａ ｔｐｏｒｅ ｄｉｍｅｔａｅｒ ｏｆ ５０ ｎｍ，ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｌｉｑｕｏｒ ｗｉｈ ｔｔｈｅ ｓｏｄｉｕｍ ｇｕｌｏｎｉｃ ａｃｉｄ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ９％．ｕｎｄｅｒ ｈｅ ｗｏｒｋｉｔｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｒｅｓ— ｓｕｙｅ ｏｆ ｐａｓｓｉｎｇ ｍｅｍｂｒａｎｅ ａｔ Ｏ．３５ ＭＰａ．ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｌｏｗｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｓｕｒｆａｃｅ ａｔ ４．５ ｍ・ｓ～ａｎｄ ｏｐｅｒａ— ｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｔ ３５℃，ｋｅｅｐｉｎｇ ａ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ｏｆ ３ｘ，ｔｈｅ ｑｕａｌｉ￣ｏｆ ｆｉｌｔｅｒｅｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｅｘｃｅＨｅｎｔ， ａｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｅｒ ｐｂａｔｃｈ ｒｅａｃｈｅｓ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ９９％ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｌｕｘ ｃａｎ ｂｅ ｋｅｐｔ ａｔ ３５￣５０ Ｌ・（ｍ２・ｈ）～． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｅｒａｍｉｃ ｍｅｍｂｒａｎｅ；ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｇｕｌｏｎｉｃ ａｃｉｄ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｌｉｑｕｏｒ；ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｏｕｌｉｎｇ 责任编辑：李文杰
