林可霉素发酵液的磁场强化膜分离工艺研究

            作者：王振川 王萍 郭玉凤 杜鹃 李杰妹 

【摘要】  在混合醇萃取前，引入磁场强化膜分离技术对板框过滤后的林可霉素发酵液进行提纯和浓缩。研究结果表明，磁化作用对改善浓差极化和防止膜污染效果显著，PES10超滤膜的1h初始膜通量和6h稳定膜通量分别增加了36.2%和28.6%，蛋白去除率提高了10.4%；NF270纳滤膜的1h初始膜通量和6h稳定膜通量分别增加了21.2%和48.5%，蛋白去除率提高了4.8%。浓缩液再进行萃取，混合醇用量随料液体积明显减少，萃取效率和林可霉素收率均较原工艺有明显提高。

【关键词】  磁化 超滤 纳滤 林可霉素发酵滤液 膜通量

    Membrane separation process of lincomycin fermentation

     ABSTRACT  The lincomycin filtered broth by plate and framefilter was purified and concentrated with membrane separation techniques in magnetic field, and further extracted with mixed alcohols. We found membrane magnetization to improved the concentration polarization and membrane pollution significantly. At 1h and6h filtration, the fluxes of ultrafiltration membrane PES10 increase with 36.2% and 28.6%, respectively. The removal rate of proteins increased with 10.4%. At 1h and 6h filtration, the fluxes nanofiltration membrane NF270 increased with  21.2% and 48.5%, respectively. The removal rate of proteins increased with 4.8%. The mixed alcohol consumption decreased due to less solution of extraction. Consequently, the production  of lincomycin in the improved process increased significantly compared with no magnetization treatment process.

    KEY WORDS  Magnetization;  Ultrafiltration;  Nanofiltration;  Lincomycin fermentation filtration;  Membrane flux

   膜分离技术在发酵得到实际应用的主要障碍是浓差极化和膜污染。主要由溶质(尤其是蛋白等大分子胶体)吸附积累在膜表面或小分子在膜孔中结晶沉积所致，这不仅使膜通量很快下降，还使膜分离性能发生不利于产品的变化。目前在超滤(UF)、纳滤(NF)等以压力差为推动力的液体膜分离技术的研究中，解决浓差极化和膜污染的一般途径主要有优化膜的操作策略、改善膜面流动等物理方法［1］。    由于大部分水溶性胶体带有电荷，有学者提出在膜两侧施加一定的电磁场，使被截留粒子背离膜面运动而避免在膜面的沉积和吸附，以解决膜污染和浓差极化问题，取得了一定的效果［2～5］。但在实际应用中，对于具有一定构型的膜组件，尤其是已经投入生产的膜分离装置，在薄膜两侧施加电磁场是很难实现的。

    本文在原林可霉素提取工艺的板框过滤和混合醇萃取工序之间引入膜分离工艺，并采用横向磁场处理，使膜分离装置的进水管道从电磁铁的两磁极之间通过，然后再经膜对产品进行分离纯化和浓缩。解决浓差极化和膜污染效果明显，达到了改进工艺、节能降耗、提高收率、减少排污从而实现清洁生产的目的。

    1  实验部分

    1.1  原材料

    实验中选用PES系列聚醚砜超滤膜和NF270聚醚砜、DK聚酰胺复合纳滤膜，参数见表1。

    林可霉素发酵液板框滤液(河北制药集团华栾有限公司提供)，pH11.59；林可霉素效价4002u/ml，蛋白含量62.8mg/L，CODCr 40100mg/L。

    1.2  实验装置及流程

    (1)磁处理  CDC?II型磁化装置(自制)，磁极间距10mm，磁极间磁感应强度在0～10000Gs(0～1T)范围内可调，对流体可进行横向或者纵向磁场处理。

    (2)超滤  超滤膜分离装置［安得膜分离技术工程(北京)有限公司］，工作流程见图1。表1      实验用超滤膜和纳滤膜的型号和特征

    1.3  实验过程

    先将料液在常压通过一定强度的磁场，(调节输出电压，由输入电流大小改变电磁铁极间的电磁感应强度)磁化1h，然后再加压进行膜分离。超滤的操作压力为0.6Mpa，料液流量40L/h，进料温度(20±1)℃；纳滤的操作压力为0.8～0.9Mpa，料液流量35L/h，进料温度(20±1)℃。

    1.4  主要评价指标测试方法

    林可霉素效价用旋光法测定［6］，蛋白含量用考马斯亮兰染色法测定［7］，CODCr用重铬酸钾法测定［8］。

    2  实验结果与讨论

    2.1  磁场强度对膜通量的影响

    在一定磁场强度范围内，分别对用于纯化浓缩林可霉素发酵液的超滤和纳滤膜分离过程进行磁处理，不同磁感应强度下膜通量变化结果见图3、图4。

    由图3可见，PES5、PES10、PES20三种超滤膜的通量比无磁场作用时均有所增加，膜通量的增量随磁感应强度不同呈现波动性变化，在0.6～0.7T之间增幅最大。在相同磁感应强度下，超滤膜通量的增量随着截留分子量的增大依次增加，但增幅依次减小，说明磁场对截留分子量较大的超滤膜通量影响较大。但在滤液透光率(或脱色率)上PES20不及PES10［9］，实验发现碱性料液中部分呈负电性的色素分子去除率基本上随膜孔径的增大而减小，即与林可霉素收率成反比。由于透光度在一定程度上也反映了杂质的去除率，因此PES10是实验超滤膜中的最佳选择。

    图4显示，纳滤膜通量的增量同样随磁感应强度呈波动性变化，在磁感应强度接近0.3T时膜通量的增量最大，0.52～0.62T之间磁场产生了负效应，NF270和DK复合膜通量的增量均出现负值。随着磁感应强度的变化，NF270膜通量增量的变化幅度较大，可见磁场对NF270膜比DK复合膜的影响大，这可能是由膜材料结构不同造成的。实验纳滤膜选NF270较合适。

    2.2  磁处理对膜分离效果的影响

    操作压力、流速、时间、温度保持不变，将板框滤液经0.65T的磁场处理后经PES10超滤膜进行超滤，所得超滤液再经过0.295T的磁场处理后通过NF270纳滤膜进行纳滤，结果见表2、表3。

    由表2可见，经磁处理后，超滤膜的分离性能明显得到改善。林可霉素收率、蛋白和COD去除率分别增加了1.6%、10.4%和6.5%，1h时初始通量和6h时稳定通量比无磁场作用时分别增加36.2%和28.6%，通量的增率随时间有所下降，说明磁处理对超滤膜污染的抑制是有限的，较长时间以后，当膜面凝胶层的厚度和密度达到一定程度时，磁场将不能再对膜的传质分离过程产生影响，这时膜污染就成为主要的渗透阻力，最终的稳定通量会倾向于原来的水平。表3显示，林可霉素收率(截留率)、蛋白和COD去除率较无磁场作用时分别增加了0.9%、4.8%和2.5%，1h时初始通量和6h时稳定通量呈上升趋势，增率分别为21.2%和48.5%。

    由此可见，适当的磁处理对膜分离过程可产生正效应，但对不同的膜过程可能具有不同表现，就本实验的超滤和纳滤而言，磁处理对前者在改善溶质分离性能方面作用较明显，而对后者在减小通量衰减或者提高产水率上具有更好的效果。

    2.3  对后序萃取工艺的影响

    将磁场强化UF?NF的浓缩液和原工艺用于萃取的料液分别按照实际生产中(有机相∶水相)体积比为1∶3，pH值为10.5～11.0，温度50～60℃的萃取条件在恒温水浴中进行混合醇一次萃取，并附加体积比为1∶1的萃取作为平行，比较料液和萃取液中林可霉素的效价，相应的萃取分配比和一次萃取率，结果见表4。

    由表4可见，林可霉素的效价、萃取分配比等较原工艺均明显提高；乳化层厚度和萃取液的色度明显低于原工艺。引入磁场强化膜分离工艺不仅可增强混合 表2   磁处理对超滤分离效果的影响 表3  磁处理对纳滤分离效果的影响表4    混合醇萃取实验结果比较的提取能力，还减轻了萃取后活性炭的脱色负担。原因可能是料液中的大部分蛋白大分子和一些灰份等小分子杂质在提纯和浓缩过程被去除，减少了两相间乳化的发生，促进了产品在萃取相的富集。在生产上将加快萃取至饱和的进程，即减少多级萃取次数，同时萃取剂的用量也将因纳滤后料液体积的缩小而相应减少。

    3  结论

    实验结果表明磁场强化膜分离技术可用于林可霉素提炼工艺，在磁场作用下，超滤、纳率膜通量均较使用磁场前明显增加。

    磁场强化改善了膜分离效果，在超滤工艺中林可霉素收率、蛋白和COD去除率分别增加了1.6%、10.4%和6.5%，1h时初始通量和6h时稳定通量比无磁场作用时分别增加了36.2%和28.6%；在纳滤工艺中林可霉素收率(截留率)、蛋白和COD去除率较无磁场作用时分别增加了0.9%、4.8%和2.5%，1h时初始通量和6h时稳定通量呈上升趋势，增率分别为21.2%和48.5%。

    引入磁场强化膜分离工艺不仅可增强混合醇的提取能力，还将减轻萃取后活性炭的脱色负担。

【参考】
  ［1］ 朱安娜，祝万鹏，王晓琳. 磁场对静态纳滤过程的膜通量及CaCO3结晶的影响［J］. 环境，25(5)：70

［2］ 李雁，郭祀远. 电磁作用改善酶膜反应分离过程的探讨［J］. 食品与发酵，1996(5)：66

［3］ Brunnwe G， Okoro E. Reduction of membrane fouling by means of an electric field during ultrafiltration of protein solution ［J］. BerBunsen?Gesphys Chem,1989,93(9):1026

［4］ Pupuat L, Rios G M, Joulie R, et al. Electronanofiltra?tion: A new process for ionseparation ［J］. Sep Sci Technol,1998,33(1):67

［5］赵宗艾，钟富优，王书伟，等. 电场作用下的十字流膜滤初探［J］. 过滤与分离，1995，4：14

［6］ 国家药典委员会. 中华人民共和国药典(二部)［S］. 北京：化学工业出版社，2005：附录38

［7］ Bradford M M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein dye binding ［J］. Anal Biochem,1976,72:248

［8］ 国家环保局. 水和废水监测分析方法(第三版)［M］. 北京：科学出版社，1999

［9］ 李杰妹，周培艳，王亚卿，等. 应用膜分离技术改进林可霉素提炼工艺［J］. 化工学报，2005，56(4)：738