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肌苷发酵液的陶瓷膜过滤研究解读

第19卷第2期2004年　6月湖南科技大学学报（自然科学版）

JournalofHunanUniversityofScience&Technology（NaturalScienceEdition）Vol.19No.2Jun.　2004

肌苷发酵液的陶瓷膜过滤研究

曾坚贤1,2,　邢卫红3,　徐南平3

（1.湖南科技大学化学化工学院,湖南湘潭411201;2.中南大学化学化工学院,湖南长沙410083;3.南京工业大学膜科学技术研究所,南京210009）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　摘　要:

以工业化陶瓷膜考察了肌苷发酵液在不同浓缩比下的拟稳定通量、粘度及湿固含量变化,在此基础上,将发酵液进、出口调换,可使膜通量提高;分析了水洗方式对肌苷含量及膜通量的影响;探讨了膜的污染机理,提出了有效的膜清洗方法.结果表明:

200nm膜适宜于肌苷发酵液的膜过滤,按流加率4%加入洗水有利于菌体的洗涤,不可逆污染阻力Rf在总阻力中占主要地位,有效的化学清洗方法是:

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,膜通量可迅速恢复.图7,表2,参8.

　　关键词:

工业化陶瓷膜;肌苷发酵液;膜污染;膜清洗

　　中图分类号:

TQ028.8　　　　文件标识码:

A　　　　文章编号）022*******

　　肌苷是一种重要的生物化学药品,主要是通过发酵法制得,原料在适宜的条件下发酵后,发酵液中主要含有肌苷、色素、无机盐、残糖、菌体和副产物蛋白、嘌呤碱、嘌呤核苷等,然后通过分离、提取和精制得到肌苷的精品[124].

无机陶瓷膜具有耐高温、孔径分布窄、强度高、化学稳定性好和耐微生物侵蚀等优点,使其在化工、食品及发酵等领域中有着广泛的应用前景[527],在肌苷提取过程中引入陶瓷膜分离技术,除去发酵液中菌体及其它大分子杂质,能简化生产工艺,提高产品质量.

作者以工业化的多通道陶瓷膜来过滤肌苷发酵液,探讨膜过滤及膜污染行为,为陶瓷膜在该领域中的工业化应用提供基础数据.

瓷膜,最可几孔径分别为20、50nm和200nm,分别以

代号M1、M2和M3表示,其中M2和M3膜通道数为19,通道内径4mm;M1膜通道数为7,通道内

径6mm.所有膜管长为240mm,管外径30mm,以Al2O3为支撑体和过渡层,ZrO2为分离层.1.2　试验装置及方法

建立如图1所示装置,以考察膜过滤及污染行为.

1　试验

1.1　试验材料

1-储液罐　2-流量计　3-膜组件4-压力表　5-离心泵　6-温度计　7-换热器

西安化工厂生产工业级的次氯酸钠;西安化工厂生产分析纯的盐酸;齐鲁化工厂生产分析纯的氢氧化钠;肌苷发酵液;上海手术器械厂生产的8022离心机;上海天平仪器厂生产的NDJ21型旋转式粘度计;上海精密科学仪器有限公司生产的UV2754型分光光度计;南京工业大学膜科学技术研究所提供的工业化陶

图1

　肌苷发酵液的膜过滤装置示意图Fig.1　Schematicdiagramofmembranefiltrationset2upfor

inosinefermentationbroth

　　将不同浓缩倍数的发酵液加入储液罐中,分别用不同孔径的工业化陶瓷膜过滤,膜面速度由流量计读数换算而得;过滤压差由进口压力、出口压力及渗透侧

　　收稿日期:

2003212220

　　作者简介:

曾坚贤（19702）,男,湖南涟源人,讲师,博士生,主要从事膜分离技术发酵研究.

压力计算获得;渗透通量采用秒表、量筒测定一定时间内流出的液体体积并结合膜面积计算而得.在未作说明时,发酵液pH值为3.5,膜面错流速度为3.25m/s,温度为70℃,20、50nm膜操作压差为0.2MPa,200nm膜压差为0.1MPa.1.3　分析方法

表1　浓缩比对粘度及湿固含量的影响

Tab.1　Effectofconcentrationrateonviscosityand

wetsolidcontent浓缩比/Cr粘度/mPa.s湿固含量/%

12.57.3

312.520.5

636.440.1

70.5295.6960.11856.251.8

60.2

72.3

87.6

粘度:

采用NDJ21型旋转式粘度计测定;肌苷含量:

由离子交换法测定[3];

湿固含量:

取一定量的发酵液经离心分离后,以沉淀部分占总发酵液的重量百分数来表示.

　　随着浓缩比的增大,发酵液的粘度迅速升高,反映在膜通量上的变化是:

大孔径膜的拟稳定通量显著下降,这与2.1节中所得的结论是相符的,即粘度的变化反映通量的变化.另外,随着浓缩程度的提高,湿固含量迅速上升,膜过滤逐渐较为困难.2.3　膜进、出口调换对通量的影响

2　结果与讨论

2.1　膜孔径对不同浓缩比下通量的影响

在发酵液浓缩过程中,当膜通量急剧下降时,将膜进、出口调换,以流出滤液累计体积对膜通量作图,并与未调换的情况作比较,所得结果如图3所示.在刚开始过滤时,膜通量下降较快,然后经过一个平台,再急剧下降,这与Nagataetal（1989）所得的结论是一致的[8].此时,将膜的进、出口调换,通量上升较为显著.这可能是:

在膜过滤过程中,由于膜进口压差较膜出口压差要大,引起进口的滤饼压实较出口严重.当发酵液在膜管内流动反向时,使得原方向上形成的浓差极化层及原入口的滤饼层有所减薄,引起膜污染的下降,而互换后新的滤饼层及浓差极化层形成要有一定的过程,所以,通量是缓慢下降的.在多次调换过程中,后一次调换所能达到的初始最高通量总是较前一次的最高通量为低,这可能是发酵液不断被浓缩的结果

用M1、M2和M3膜在浓缩比（发酵液初始体积与浓缩结束时浓液体积之比,以Cr表示.）分别为1,3,6,8,10,12,14下考察发酵液的拟稳定通量变化情

况,所得结果如图2所示.随着Cr的增大,各膜拟稳定通量逐步下降,其中M2和M3膜的这种下降更为显著,而M1膜的这种通量变化不大,这可能是随着料液浓缩程度的提高,大孔径膜的污染迅速加重,使通量下降较快,而小孔膜的污染并不明显,使得各浓缩比下的通量差别不大.在不同浓缩比下,M3膜的拟稳定通量最大,采用M3膜过滤发酵液有利于通量的提高.在未作说明时,以下试验均采用M3膜

图3　进、出口调换对膜通量的影响

Fig.3　Effectofinletinexchangewithoutletonmembraneflux

图2　浓缩比对3种膜拟稳定通量的影响

Fig.2　Effectofconcentrationrateonthreemembrane

quasi2steadyflux

2.4　菌体水洗方式的选取

本文考察了以下3种水洗方式:

方式1:

连续流加.控制加水速率与膜过滤速率相等,保持浓缩液体积不变.

方式2:

流加率为4%.本文定义流加率为:

洗水体积占发酵液初始体积的百分率.在洗菌时,每次按该比例加入洗水,当获得与洗水等量体积的滤液时,再加入下一批相同体积的洗水.

2.2　不同浓缩比下的粘度及湿固含量变化

发酵液的粘度及湿固含量变化,影响着膜通量的改变,测定这两个参数有利于了解膜的运行情况.在浓缩比分别为1,3,6,8,10,12,14时,测定膜过滤过程中发酵液的粘度和湿固含量变化,结果见表1所示.92

方式3:

流加率为8%.其余方法与方式2同

.获得

Jw=

.μwRm

（3）

式中,μw为蒸馏水的粘度;Rp,r为可逆极化层阻力,在

膜过滤操作参数下,以蒸馏水清洗20min即可消除.除去Rp,r后,以蒸馏水测定膜的水通量J′w,其计算式如下

Δ（4）J′w=μw（Rm+Rp,sr+Rf）.式中,Rp,sr为半可逆极化层阻力,除去Rp,r后,在低压和

高流速下,以蒸馏水冲洗20min可除去,再测定其蒸馏水通量J″w,其计算式如下

J″w=

μw（Rm+Rf）

图4　水洗方式对膜通量的影响

Fig.4　Effectofwaterwashingmodeonmembrane

flux

（5）

式中,Rf为不可逆污染阻力,很难以常规的物理方法消

除,需用到化学清洗剂

图5　水洗方式对肌苷含量的影响

Fig.5　Effectofwaterwashingmodeoninosinecontent

考察上述3种水洗方式的效果,控制每种方式下总的洗

水体积相等,膜通量及滤液中的肌苷含量变化如图4及5所示.在每种水洗方式下,随洗涤水的不断加入,膜通量逐渐升高,当洗涤水加入到一定量后,膜通量保持不变,达到拟稳定状态.其中以方式3的拟稳定通量最高,方式2次之,方式1为最低.在菌体洗涤过程中,通量越大越有利,但还得结合肌苷的洗涤效果来确定最佳洗水方式,由于图5得,随洗涤水加入量的增加,滤液中的肌苷含量逐渐下降,其中方式3洗涤结束时,滤液中的肌苷含量在8g/L左右,超过了工业生产所规定的标准;方式1和方式2的洗涤效果相差不大,但方式2的膜通量要大,过滤时间短,有利于工业生产.因此,本文认为方式2为最佳的菌体水洗流加方式.即按流加率为4%加入洗涤水有利于菌体的洗涤.2.5　膜污染机理的分析

图6　各阻力在膜表面的位置示意图

Fig.6　Schematicdiagramofsituationforresistances

onmembranesurface

根据上述原理,测定膜在不同状态下的Jv、Jw、J′J″w、w,并结合膜压差ΔP和粘度,由计算式（125）即可求出各阻力Rm、Rp,r、Rp,sr、Rf在总阻力Rt中所占的百分比,其结果如表2所示.

表2　各阻力在总阻力中所占的百分比

Tab.2　Percentageofresistancesinthetotalresistance

Rm/Rt

Rp,r/Rt

Rp,sr/Rt

Rf/Rt

9.31%10.15%27.52%53.02%

由于浓差极化和膜污染的原因,膜在运行过程中,

通量的衰减是不可避免的.根据Darcy定律,膜过滤过程中的通量表达式为

（1）jv=

μRt.ΔP为膜压差,μ为料液粘度,Rt为式中,Jv为膜通量,

总阻力.在此基础上,许多研究者对Rt提出了各自的分解方法,以确定不同污染物的阻力分布,即

（2）Rt=Rm+Rp,r+RP,sr+Rf.各阻力在膜表面的位置如图6所示.

Rm为膜层阻力,可由新膜的蒸馏水通量Jw计算

由上表可得,膜本身的阻力所占的比例较小,处于次要地位.由浓差极化和膜污染所引起的阻力起主要作用,是造成膜通量衰减的主要原因,其中可逆极化层阻力Rp,r和半可逆极化层阻力Rp,sr可借助水流的冲刷得以消除,而不可逆污染阻力Rf占总阻力的50%以上,需采用化学的方法进行清洗,因此,选择合适的化学清洗剂和清洗方法来再生膜就显得非常重要.2.6　膜的清洗

发酵液中主要含有肌苷、色素、无机盐、残糖、菌体和副产物蛋白、嘌呤碱、嘌呤核苷等,针对这些物质,考虑采用强酸、强碱和氧化剂来进行清洗,其顺序为:

先用水将系统内的残留发酵液洗净,测定水通量;再以1%

（w/w）NaOH和0.2%（w/w）NaClO混合溶液清洗膜

40min后,放出清洗剂,将系统洗至中性,测定水通量;最后以0.5%（w/w）HNO3溶液清洗5min,放出清洗

　　（3）在膜过滤过程中,将发酵液进、出口调换可使膜通量提高;

（4）当发酵液浓缩结束时,适宜的水洗方式是:

按流加率4%加入洗水;

（5）探讨了膜污染机理,不可逆污染阻力占主要地位,需采用化学清洗才能使膜通量有效恢复;

（6）适宜的化学清洗方法是:

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,膜通量可迅速恢复.参考文献:

[1]　曾坚贤,邢卫红,徐南平.膜过滤过程中的肌苷降解研究[J].湘

剂并洗至中性后,测定水通量,所得效果如图7所示.在

相同条件下,新膜的水通量为1724L/（m2・h）,经过多次清洗后,膜的水通量基本保持在1600～1650L/（m2・h）之间,通量恢复率在92.8%～95.7%之间,重复性较好,说明该清洗方法是有效可行的

潭矿业学院学报,2003,18

（1）:

91294.

[2]　董　明,邵琼芳.肌苷分离技术进展[J].江西师范大学学报,

1997,21

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[3]　王艳萍,韩英素,刘淑云,等.发酵液中肌苷含量测定方法的讨论

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38241.

A-水冲洗;B-1%NaOH+0.2%NaClO;C-0.5%HNO3

[4]　郑领英,姚恕.肌苷发酵液净化技术的研究[J].发酵科技通讯,

1993,22

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ChemicalEngineering,1986,9

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[6]　BHAVERR.Inorganicmembranessynthesis,characteristicsand

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[8]　NAGATAN,HEROUVISKJ.Cross2flowmembranemicrofiltration

ofabacterialfermentationbroth[J].BiotechnologyandBioengineer2ing,1989,34

（2）,4472466.

图7　清洗剂对膜通量的影响

Fig.7　Effectofcleanreagentsonmembraneflux

3　结论

（1）采用膜孔径为200nm的工业化陶瓷膜来处

理肌苷发酵液可获得较高的膜拟稳定通量;

（2）随着肌苷发酵液浓缩倍数的提高,粘度及湿固含量迅速增加,膜过滤变得较为困难;

MembraneFiltrationofInosineFermentation

BrothbyCeramicMembranes

ZENGJian2xian1,2,　XINGWei2hong3,　XUNan2ping3

（1.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China;2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;

3.MembraneScience&TechnologyResearchCenter,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China）

　　Abstract:

Atthedifferentconcentrationratethechangeofquasi2steadyfiltrateflux,viscosityandwetsolidcon2

tentforinosinefermentationbrothwereinvestigatedbyindustrializedceramicmembranes.Onbasisofthis,membranefiltratefluxcanbeenhancedintheprocessofinletinexchangewithoutlet.Theeffectofwaterwashingmodeontheinosinecontentandmembranefluxwasdiscussed.Themechanismofmembranefoulingwasinvestigatedandthemethodofmembranecleaningwasobtained.Itshonsthat200nmmembranewassuitedformembranefiltrationofin2osinefermentationbroth.Itwasadvantageousforthewashingofstrainstofeedwashingwaterbyfeedingratio4%.Inthetotalresistance,theirreversiblefoulingresistancewasprincipal.Theeffectivemethodofchemicalcleaningwasthatittook40minutestocleanmembranesbymixedsolutioncomposedof1%NaOHand0.2%NaClO,whereafter,0.5%HNO3wasusedtocleanmembranefor5minutes.Resultsindicatedthatmembranefluxcouldberecoveredrapidly.7figs.,2tabs.,8refs.

　　Keywords:

industrializedceramicmembranes;inosinefermentationbroth;membranefouling;membranecleaning

　　Biography:

ZENGJian2xian,male,bornin1970,M.E.,lecturer,applicationofindustrializedceramicmembraneinthefieldofinosineproduction.94

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