對1，3-丙二醇發(fā)酵液用金屬納濾膜過濾的研究

畢生雷，杜 平，王 珂

（河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司，河南南陽 473000）

對1，3-丙二醇發(fā)酵液用金屬納濾膜過濾的研究

畢生雷，杜 平，王 珂

（河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司，河南南陽 473000）

考察了l，3-丙二醇發(fā)酵液金屬膜過濾在不同條件下的通量、收率及蛋白含量的變化。在此基礎(chǔ)上，初步探討了膜的過濾機(jī)理，確定了金屬膜過濾的工藝參數(shù)。結(jié)果表明，100 nm膜適用于過濾1，3-丙二醇發(fā)酵液，按料液體積20%從開始過濾2 h后就持續(xù)加入去離子水，在4.2/3.6 MPa壓力下，60℃，pH值為7的條件下，5 h內(nèi)完成過濾，并且收率達(dá)到87%以上，運行時間短而且對后續(xù)工藝壓力最小。

金屬納濾膜；1，3-丙二醇發(fā)酵液過濾；收率

1，3-丙二醇發(fā)酵液是復(fù)雜的多相系統(tǒng)，含有細(xì)胞、代謝產(chǎn)物和未用完的培養(yǎng)基等，分散在其中的固體和膠質(zhì)物質(zhì)，具有可壓縮性，其密度又和液體相近，粘度很大，屬非牛頓性液體，因而從發(fā)酵液中分離出固體很困難。目前工業(yè)上主要采用的有離心、板框過濾、絮凝等方法。尋找一種有效的發(fā)酵液處理方式可以大幅度提高整個后提取和精制工藝的水平。隨著膜材料、膜分離裝置的不斷改進(jìn)以及應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，金屬膜以其錯流過濾、分離精度高、耐污染易清洗、操作簡單、占地面積小、良好的強度、韌性、可焊接性、化學(xué)穩(wěn)定性、抗震性等優(yōu)點，正在各個領(lǐng)域顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?］。本文從金屬膜對發(fā)酵液過濾角度出發(fā)，探討過濾的相關(guān)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料

金屬管式膜分離小試設(shè)備，50、100、200 nm凱能高科技工程（上海）有限公司；1，3-丙二醇發(fā)酵液，天冠集團(tuán)技術(shù)中心提供。

1.2 分析測定

1.2.1 可溶性蛋白質(zhì)的測定分析方法

本文使用蛋白去除率（PR）作為衡量去蛋白效果的指標(biāo)，計算公式如下PR=（過濾前OD-過濾后OD）/過濾前OD×100%

將樣品溶液稀釋10倍在650 nm波長測定其吸收值，PR可以反映去蛋白效果［2］。

1.2.2 1，3-丙二醇的測定分析方法

采用高效液相色譜儀測定色譜柱為Aminexresin-based 87H，柱溫65℃ 流動相為0.005 mol/L硫酸水溶液，流速0.8 mL/min，檢測器為CTO-10VP折光示差檢測器［3］。

1.3 操作方法

直接將發(fā)酵液升溫至90℃滅菌，然后壓至金屬膜物料罐進(jìn)行過濾，在一定操作條件，過濾得到澄清的發(fā)酵液，考察周期、孔徑、溫度、壓力、pH值等對過濾效果的影響，并測定其蛋白去除率和1，3-丙二醇的收率。

2 結(jié)論與討論

2.1 孔徑對過濾的影響

發(fā)酵液中存在大量的菌體蛋白、雜蛋白、膠體物質(zhì)，顆粒大小不同過濾效果不同。在進(jìn)出膜壓力為4.2/3.6 MPa，溫度60℃下，不同膜孔徑對過濾效果的影響見表1。

表1 不同孔徑對過濾的影響

從表1可以看出?？讖皆酱筮^濾速度越大，而蛋白去除率則下降許多，1，3-丙二醇收率則基本不變。為了平衡流速、蛋白去除率、收率之間的關(guān)系，以下試驗均采用100 nm金屬膜進(jìn)行試驗。

2.2 壓力對過濾的影響

金屬膜過濾采用錯流過濾，它能夠控制膜表面污染層保持在一個較薄的穩(wěn)定水平，防止出現(xiàn)快速堵塞而影響過濾進(jìn)程。壓力變化會影響到污染層的厚度和積累的速度，因此對過濾效果有所影響。

表2 壓力對過濾的影響（過濾溫度均為60℃）

從表2可以看出，操作壓力逐漸增大，則平均流速逐漸變大，因此我們選擇較高的操作壓力；但壓力過大，引起污染層快速積累，從而影響過濾時間和整體產(chǎn)量，所以采用4.2/3.6 MPa為好。

2.3 溫度對過濾的影響

1.3 -丙二醇生產(chǎn)菌株較為特別，是一種帶莢膜細(xì)菌，本身粘度較高，溫度較高時可以顯著降低粘度，從而提高過濾速度。

表3 溫度對過濾的影響（進(jìn)出膜壓力為4.2/3.6 MPa）

從表3可看出，溫度提高時，會引起膜孔徑張大，從而使一些較小的蛋白透過孔徑，在引起通量上升的同時，引起蛋白過濾效果的下降，從而對后面工序造成不利影響，因此我們采用40℃。

2.4 不同過濾時間對過濾的影響（見表4）

表4 時間對過濾的影響

從表4看出，隨操作時間的延長，膜污染越來越嚴(yán)重，到一定程度通量極低，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度，對清洗造成不利影響。因此我們選擇在100 nm孔徑下，4.2/3.6 MPa操作壓力下，60℃時，工作5 h左右既停止開始清洗，這樣可以有效利用金屬膜的性能而盡量節(jié)約時間。

2.5 透析水量對過濾的影響

隨著過濾的進(jìn)行，膜腔內(nèi)運行的物料粘度越來越高，如果不加入透析水則影響過濾的速度，而且隨著過濾進(jìn)行到后期，物料中殘留大量的PDO，如果不進(jìn)行加水透析，則影響PDO收率。詳見表5。

表5 透析水量對過濾的影響 %

從表5可以看出，透析水加入越多，PDO收率越高。但是在濃縮除水工序還要把水除去，蒸發(fā)1 t水需要0.8 m3、0.4 MPa的蒸汽，如果添加水量過大，會增加后續(xù)工序壓力，增加生產(chǎn)成本。因此綜合考慮后，我們采用加水量20%。加水時間對過濾的影響見表6。

表6 加水時間對過濾的影響

從表6可看出，加水越早平均過濾速度越快，過濾持續(xù)時間會越短。但是過早加水會導(dǎo)致加水量過大。因此我們采用過濾開始2 h后再加水，并且是連續(xù)加水，加水量為物料總體積的20%。

2.6 不同pH值對過濾的影響

1，3-丙二醇下罐料的pH值在6.8左右。因為蛋白質(zhì)在一定pH值下會分解、沉降，從而影響過濾速度。在上述優(yōu)化工藝條件下，不同pH值對過濾效果的影響見表7。

表7 pH值對過濾效果的影響

調(diào)pH值，在一定程度上減少了過濾難度，大大提高了過濾速度，但同時引入了大量離子，使后序工藝處理難度較大，且加堿調(diào)pH值后，泡沫多，加入油脂、消泡劑效果均不理想，影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。因此我們考慮不調(diào)整pH值進(jìn)行過濾。

3 結(jié)論

通過上述試驗，得出的1，3-丙二醇發(fā)酵液過濾的適宜工藝參數(shù)為：采用100 nm金屬膜，在4.2/ 3.6 MPa壓力下，60℃，采取過濾開始2 h后就開始持續(xù)加入透析水，加水量為料液總體積的20%，這樣使整個過濾過程盡量維持在5 h以內(nèi)，以充分發(fā)揮金屬膜的效能，盡可能高提高收率。

［1］ 鄭領(lǐng)英，王學(xué)松.膜技術(shù)［M］.北京：化工工業(yè)出版社，2000，11.4-10.

［2］ 李凡鋒，周玉杰，劉德華.1，3-丙二醇發(fā)酵液的絮凝預(yù)處理研究［J］.微生物學(xué)通報.2004，31（3）：31-35.

［3］ 邱 健，劉德華.1，3-丙二醇發(fā)酵液電滲析法膜［J］.過程工程學(xué)報，2005，5（1）：36-39.

Study on Filtration of 1，3-propanediol Broth by Metal Nanofiltration Membrane

BI Sheng-lei，DU Ping，WANG Ke
（Henan Tianguan Enterprise Group Co.Ltd.，Nanyang 473000，China）

The change of flux，yield and protein content of Filtration of 1，3-propandio broth by metal membrane at different conditions.Base on it，the filter mechanism of membrane is studied，the parameters of filtration by metal membrane are determined.The result shows，100 nm membrane is suitable for filtration of 1，3-propanediol broth，deionized water is sustainale added with 20%after 2 hours from start filtering，at 4.2/3.6 MPa pressure，60℃，pH value is 7，5 h to complete filtration，the yield is 87%or more，the running time is short and the pressure is minimum for the following process.

metal nanofiltration membrane；1，3-propanediol broth；yield

TQ028.8

A

1003-3467（2010）13-0039-03

2010-01-21

畢生雷（1981-），男，從事1，3-丙二醇發(fā)酵液預(yù)處理工作，電話：（0377）63036075。