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膜行业动态

当代发酵技术人员进阶必看:膜分离技术




引言

经固液分离后,目的产物存在于发酵滤液中,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。因此研发人员需要探索一种新的方法或方法的组合,本文结合已经发表的文章,向大家系统的介绍膜分离技术,希望对您有所帮助。

? 分离膜优势

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。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。


? 膜分离技术

膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时,实现选择性分离的技术,半透膜又称分离膜或滤膜,膜壁布满小孔,根据孔径大小可以分为:微滤膜(MF)、超滤膜(UF)、纳滤膜(NF)、反渗透膜(RO)等,膜分离都采用错流过滤方式。

? 微滤

微滤膜能截留0.1-1微米之间的颗粒。微滤膜允许大分子和溶解性固体(无机盐)等通过,但会截留悬浮物,细菌,及大分子量胶体等物质。微滤膜的运行压力一般为:0.3-7bar


? 超滤

超滤膜的截留分子量范围是1000200,000道尔顿,超滤膜可以截留大分子杂质(如蛋白、色素、多糖等),透过目标产物;可以截留目标产物,透过小分子杂质(无机盐、小分子色素、单糖、灰份等)和水,也可以分离不同分子量的目标产物,从而替代传统活性炭脱色、树脂除杂、结晶萃取等纯化过程,达到脱色、除杂及产品分级的目的。



? 纳滤

纳滤膜截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间,约为200-800道尔顿。截留特性:对二价和多价阴离子优先截留,对单价离子的截留率大小与料液的浓度和组成相关。纳滤一般用于去除地表水中的有机物和色素、地下水中的硬度且部分去除溶解盐,在食品和生物医药生产中用于物质的提取、浓缩。纳滤膜的运行压力一般3.5-30bar

 

纳滤膜材质:聚酰胺,磺化聚醚砜、磺化聚砜。



? 反渗透

反渗透膜能截留大于0.0001微米的物质,是最精细的一种膜分离产品,其能有效截留所有溶解盐份及分子量大于100的有机物,同时允许水分子通过。 反渗透膜材质:聚酰胺,独特复合膜。


? 膜分离技术的优势

(1)在常温下进行有效成分损失极少,特别适用于热敏性物质,如抗生素等医药、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩

(2)无相态变化保持原有的风味,能耗极低,其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8

(3)无化学变化典型的物理分离过程,不用化学试剂和添加剂,产品不受污染

(4)选择性好可在分子级内进行物质分离,具有普遍滤材无法取代的卓越性能

(5)适应性强处理规模可大可小,可以连续也可以间隙进行,工艺简单,操作方便,易于自动化

(6)能耗低只需电能驱动,能耗极低,其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8



? 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。采用截留分子量为50 000 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, 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。0.05 MPa 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%,0.1 MPa 下0.5%的料液可浓缩至2.95%, 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。

? 在抗生素提取浓缩中的应用

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0.1 MPa ,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。

? 在酶制剂提取浓缩中的应用

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。具有操作方便、节省时间、经济合理的优点。

? 乙醇发酵液提取浓缩中的应用

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, 细胞被100%截留, 稀释率为0.03~0.3 h- 1, 底物浓度为50~300 g/L ,所得的最大乙醇产率为15 g/L·h, 乙醇的最大浓度可达81 g/L。         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236 g/L时, 乙醇产率13.1 g/L·h。        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意义。



 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意义。


中科瑞阳膜技术(北京)有限公司  

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