（化学工程专业论文）头孢菌素c发酵液的膜过滤工艺研究.pdfVIP

摘要 摘要 头孢菌素c ( 简称头c ) 是生产头孢菌素类抗生素的原料，头c 发酵液粘稠， 给膜分离带来很大困难。膜分离是一门新型的分离、浓缩、提纯及净化技术。超滤 膜是膜分离技术中的一个重要分支，它是指利用微孔膜在压力推动下透过液透过膜 的过程。 本论文以头c 发酵液为研究体系，对头c 发酵液的流变特性、可压缩性及其膜 分离工艺过程进行研究。主要内容如下： 1 、通过分析效价的检测方法，建立发酵液法的效价检测方法，得出由发酵液 法检测效价计算得到的膜过滤产率是合理的、准确的。这种方法不仅适用于头c 发 酵液，也适用于其它发酵液。 2 、研究头c 发酵液的流变特性，根据体系的凯松模型确定本构方程，发现多 数发酵液具有触变性而少数具有反触变性，还研究了触变性与温度的协同效应，使 头c 发酵液这类特殊的非牛顿流体的流变学理论得以完善。提出剪切增稠时间的概 念，可促进对头c 发酵液流变特性的分析。研究头c 发酵液流变特性对膜分离的影 响，得出发酵液减油措施可以提高膜分离效率，可应用于工业生产。从理论上分析 可知改变膜板间狭缝尺寸可以改变流体的流动状态。 3 、研究头c 发酵液，确定头c 发酵液具有一定的可压缩性，可压缩性指数在 0 3 0 , - - , 0 4 5 之间。提出有效透膜压差的概念，认为膜通量与有效透膜压差成正比，对 膜通量分析有积极作用。进一步探讨发酵液可压缩性对膜分离的影响，得出结论： 可压缩性指数越小，有效透膜压差和透过通量越大，越有利于膜分离过程。 4 、研究头c 发酵液的膜超滤过程，得到透过通量和透过率随时间降低的规律、 扩散系数和传质系数随膜时变阻力增大系数变化的关系。 5 、研究分析膜分离头c 发酵液的工艺过程，确定膜过滤的最佳工艺条件：浓 缩比为3 0 5 0 、补水方式为间歇少量多次补酸水，认为间歇少量多次补酸水和陶 瓷膜过滤发酵液可应用于工业生产。在全回流超滤头c 钠盐水溶液时，膜不仅截留 头c 分子而且吸附钠离子，膜通量、溶质透过率随时间而降低，膜污染程度随钠离 子含量而加剧。提出膜时变阻力增大系数的概念，有利于超滤过程中膜污染程度和 传质的分析。对于膜的清洗再生效果，氧化再生比酸碱再生效果好，而且有适宜的 浓度、温度和时间。 关键词：头孢菌素c ，流变特性，可压缩性，膜，超滤，通量，污染 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c e p h a l o s p o r i nc i st h er a wm a t e r i a lo fc e p h a l o s p r o n i ca n t i b i o t i c su s e dm o s tw i d e l y a th o m ea n da b r o a d i nh i g hd e n s i t ys u s p e n d i n gc u l t i v a t i o n ，t h eu n u s u a lt h i c k n e s so ft h e f e r m e n t a t i o nb r o t hb r i n g sd i f f i c u l t yt of i l t e rs e p a r a t i o n f i l t e rs e p a r a t i o ni sak i n do fn e w t e c h n o l o g yw h i c hc a l lb eu s e df o rs e p a r a t i o n ，c o n c e n t r a t i o n ，p u r i f i c a t i o na n dc l e a n s e u l t r a f i l t r a t i o nf i l t e ri sa l li m p o r t a n tb r a n c ho ff i l t e r s e p a r a t i o nt e c h n o l o g yw h i c h e m p l o y e e sf lm i c r o p o r o u sf i l t e ra n dt h el i q u o rp e r m e a t e st h ef i l t r eu n d e rp r e s s u r e - d r i v i n g o nt h eb a s i so ft h ef e r m e n t a t i o nb r o t hs y s t e mo fm i c r o b e ，w eh a ds t u d i e dt h e r h e o l o g i c a lp r o p e r t ya n dt h ec o m p r e s s i b i l i t yo ft h eb r o t ha n dt h ep r o c e s so ff i l t e r s e p a r a t i o no fc e p h a l o s p r i nc f e r m e n t a t i o nb r o t h t h eo b j e c tm a t t e rw a sa sf o l l o w s ： 1 t h r o u g ha n a l y s i n gt h ea s s a yo fd e n s i t yo ft h eb r o t h ，an e wa s a yh a db e e nr a i s e d w i t ht h en e wa s s a y ，t h ec a l c u l a t i o no ft h ey i e l do fm e m b r a n es e p e r a t i o nh a sb e e nr a t i o n a l a n dt r u e t h en e wa s s a yw o u l db es u i t a b l en o to n l yf o rc e p h a l o s p o r i ncb r o t hb u ta l s of o r o t h e rb r o t h s 2 t h er h e o l o g i c a lp r o p e r t yo ft h i sk i n do fm u l t i p h a s es y s t e mw a sd e v e l o p e di nt h i s p a p e r w ec o n f i r m e dt h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o nb yc a s s o nb o d yo fe e p h a l o s p o r i nc f e r m e n t a t i o nb r o t h i th a db e e nf o u n dt h a tt h i sn o n n e w t o n i a lf l u i dh a st h i x o t r o p i c c h a r a c t e r t h et h i x o t r o p y t h e o r y o ft h i sn o n - n e w t o n i a lf u i da s c e p h a l o s p r i nc f e r m e n t a t i o nb r o t hw a sp e r f e c t e d an e wc o n c e p th a sb e e np u tf o r w a r d ，w h i c hw a sa l l e x p r e s s i o no ft i m ea n df a v o u r sa n a l y s i n gt h er h e o l o g i c a lp r o p e r t yo fc e p h a l o s p o r i nc f e r m e n t a t i o nb r o t h ag o o dm e a s u r et h a to i l b e a nc o u l db ed e c r e a s e di nt h eb r o t hm i g h t b ea p p l i e dt oi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n 3 t h r o u g hs t u d y i n gc e p h a l o s p o r i ncb r o t h ，w ec o n f i r m e dt h a tc e p h a l o s p o r i nc b r o t hw a sc o m p r e s s i b l ea n dt h ev a l u eo ft h ec o m p r e s s i b i l i t yo fi t sc a k er a n g e df r o m o 3 0 o 4 5 an e wc o n c e p to ft h ee f f e c t u a lp r e s s u r ed r o po ft r a n s f e r r i n gm e m b r a n e ( a p e ) w a sr a i s e da n dw et h i n k e dt h ef l u xw a sp r o p o r t i o n a lt o p e t h ee f f e c to ft h e c o m p r e s s i b i l i t yo nm e m b r a n es e p a r a t i o ns t u d i e d ，w ed r e wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h e d e c r e a s eo ft h ec o m p r e s s i b i l i t ya n dt h ev i s c o s i t yw a sf a v o u r a b l et oa p ea n df l u x 4 t h ep r o c e s so ff i l t e ru l t r a f i l t r a t i o ns t u d i e d ，w eo b t a i n e dt h ee f f e c to ft i m eo n f l u x ( k s t ) a n dp e r m e a b i l i t ya n dc o n f i r m e dar e l a t i o n s h i pa b o u tt h ee f f e c to ft h es o l u t e t r a n f e rc o e f f i c i e n t 5 i nt h ep r o c e s so ft h ef i l t e rs e p e r a t i o no fc e p h a l o s p r i ncb r o t h ，w ec o n f i r m e dt h a t a b s t r a c t t h e o p t i m a lo p e r a t i n gp o i n t s w e r ec o n c e n t r a t i o n r a t i o ( 3 0 - 5 0 ) ，w a t e r a d d e d w a y ( i n t e r m i t t e n c e ，al i t t l e a n dm o r et i m e s ) t h em e a s u r eo fa c i d w a t e ra d d i n ga n d c e r a m i cf i l t e rm i g h tb ea p p l i e dt oi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n i nt h ep r o c e s so fu l t r a f i l t r a t i o no f c e p h a l o s p o r i ncs o d i u ms a l ts o l u t i o n ，n o to n l yc e p h a l o s p o r i ncw a sr e t e n t e db u ta l s o s o d i u mi r o nw a sa d s o r b e db yf i l t e r t h ef l u xa n ds o l u t et r a n s f e rc o e f f i c i e n td e c r e a s e d 、析t ht i m ea n dt h ef i l t e rw a sf o u l e db ys o d i u mi r o n an e w c o n c e p to ft h ec o n t e n to ff i l t e r f o u l i n gw a sr a i s e d ，w h i c hf a v o u r sa n a l y s i n gt h ec o n t e n to ff i l t e rf o u l i n g t ot h ee f f e c to f f i l t e rc l e a n i n ga n dr e c u r r e n c e ，t h er e c u r r e n tm e t h o do f o x i d i z i n gw a sb e t t e r k e yw o r d s ：c e p h a l o s p o r i nc ，r h e o l o g i c a lp r o p e r t y ，c o m p r e s s i b i l i t y ，f i l t e r ，u l t r a f i l t r a t i o n ， f l u x ，f o u l i n g i i i 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一虢岛 唧年，月万日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 函不保密。 ( 请在以上方框内打“4 ”) z 学位论文作者签名二一二生乇# 么 卅7 年j ，月巧同。 | 二 方 莎钿 氢 月 币 三 j y 了- l 溯 绛 导 p 匕日 口 叫 二 方 如 名 月 暨卜 师 手 撕 年 导哆 撩 加 第1 帝绪论 第1 章绪论 头孢菌素c ( c e p h a l o s p o r i nc ，简称头c 或c p c ) 是1 9 4 5 年意大利细菌学教授 g i u s e p p eb r o t z u 在意大利撒丁岛卡利亚里港分离到的一种头孢霉菌，1 9 5 3 年经英国 牛津大学n e w t o n 和a b r a h 玉n 进一步分离，相继找到三种抗生素：头孢菌素p ( p 1 p 5 甾体结构) 、头孢菌素n ( 即青霉素n ) 和头孢菌素c 1 。由于头c 本身抗菌活性较 低，在化学结构确立后就开始结构改造的研究，1 9 6 2 年l i l l y 的研究者m o r i n 发现头 c 脱去侧链d c i 氨基己二酸生成7 氨基头孢霉烷酸( 简称7 - a c a ) ，此后开始头c 的c 7 位和c 3 位结构改造的研究，并不断研制出头孢新产品。 头孢菌素类药物由于具备抗菌谱广、耐酸、血浓维持时间长、抗耐药菌等优点 在国际上得到快速、广泛的应用，是目前具有较好疗效的一线药物，其长期稳定的 大量供应仍然是各国研究者的关注对象。头孢菌素类药物逐渐显示出很好的应用前 景，预示着作为半合成头孢菌素原料的头c 生产的广泛前景。 针对头c 的应用前景，本章综述了过滤分离头c 发酵液近几年的进展，阐述了 头c 的性质、用途、来源、生产方法，在此基础上简要阐述了本论文的研究内容。 1 1头孢菌素c 的性质和生产方法 1 1 1头孢菌素c 的性质 1 1 1 1 头孢菌素c 的结构及组分1 2 i 在顶头孢霉菌发酵终了的发酵液中，以头c 游离酸计，一般头c 含量 1 8 3 0 m g m l ，还含有5 - 1 5 的去乙酰头c ( 简称d - c p c ) 及微量的去乙酰氧头c ( 简 称d o c p c ) ，d c p c 、d o c p c 与头c 的性质和结构非常类似，结构式见图1 1 。 。= c 一譬- - ( c h 2 ) 。一量一n o = c h3 6 一n 0 i h 图1 1 分子结构式 f i g 1 。1m o l e c u l a rf o r m u l a 1 1 1 2 头孢菌素c 的理化性质1 2 i c c p c r = c h 2 c o o c h 3 d - c p c r = c h 2 0 h d o - c p c r = c h s 河北科技大学硕士学位论文 头c 为氨基酸类化合物，通常以两性离子存在，水溶性很大，头c ( 游离酸) c 1 6 h 2 1 0 8 n 3 s = 4 1 5 4 4 - 1 分子中2 个羧基和1 个氨基的p k 值分别为 1 1 迅速失活，同时失去 2 6 0 n m 紫外吸收峰。紫外光照射也可失活，对葡萄球菌产生的青霉素酶稳定，但易 为某些革兰氏阴性杆菌如蜡状芽孢杆菌所产生的头孢菌素酶水解。 1 1 2 头孢菌素c 的生产工艺过程 1 1 2 1头孢菌素c 的生产菌种 虽然在自然界中也发现其它一些能产生头孢菌素c 的微生物，但目前工业生产 上用的菌种仍是顶头孢霉菌，b r o t z u 发现的原始菌株一一顶头孢霉菌4 9 1 3 7 ( a t c c l l 5 5 0 ) 2 生产能力很低，经过世界各国育种工作者持续不断的努力，利用 诱变或基因重组技术，获得的高产菌株其头孢菌素c 工业发酵水平，现已达到3 0 0 0 0 l ag m l 左右的水平。 1 1 2 2 头孢菌素c 的生产水平 国内外头c 生产厂家的技术水平参差不齐，效价大约在2 0 0 0 0 3 5 0 0 0l ag m l ， 而国外先进水平达3 0 0 0 0l ag m l 以上；发酵液中d c p c 含量较高，因此7 - a c a 中 d 7 a c a 含量也较高( 1 5 ) ，而外商或需方对此指标的要求较高( l ) ，这一质 量问题亟待解决。因此，我国的头孢菌素产品要想在国际市场上占有一席之地，就 必须提高技经水平和产品质量。 令人可喜的是，国内有些企业己通过菌种改良及发酵过程自动化控制等途径提 高头c 效价和产品质量，降低了d c p c 含量，国内多家生产企业的头c 效价已能达 到2 5 0 0 0l ag m l 以上，部分企业已突破3 0 0 0 0l ag m l ，发展潜力仍很大。生产企 业应进一步进行技术攻关或与科研单位合作，尽快提高发酵产量和分离产率，以提 高国际竞争力。 1 1 2 3 头孢菌素c 的生产过程 2 第1 章绪论 工业生产采用斜面孢子悬浮液或接种菌丝接入一级种子罐，2 5 培养约需6 7 天，移入二级种子罐，2 8 。c 培养约7 2 9 6 小时，此时，菌丝代谢比较旺盛，转入发 酵罐，控制在2 5 2 8 。c 。发酵约3 0 h 时发酵液开始转色，标志着菌丝生长对数期基本 结束、头c 大量分泌开始，整个过程流加补入豆油、氨水、硫铵，到最后放罐约5 。6 天。发酵液酸化后膜分离，经过两次树脂吸附解吸后得到头c 解吸液，加入醋酸锌 进行结晶并经过滤、洗涤、干燥得到头c 锌盐成品。目前，生产头c 是以头c 的络 盐锌盐、钠盐或钾盐为终端产物，生产流程以头c 锌盐为例，如图1 2 。 头孢菌种( 砂土孢子) 原始斜面( 一代) 茄子瓶斜面( 二代) 菌丝摇瓶( 母瓶) 酸化超滤 一级种子液二级种子液发酵液坚三l 一酸化发酵液头c 滤液 解吸吸附解吸 丙酮水溶液阴离子树脂醋酸钠水溶液 饱和树脂( i ) 头c 解吸液i - 一饱和树脂( i i ) 头c 解吸液 ： i i 沉淀结晶过滤洗涤 千燥 醋酸锌 头c 锌盐结晶液头c 锌盐湿品头c 锌盐成品 图1 2 头c 生产工艺流程 f 嘻1 2c u r v eo f c p cp r o d u c t i o np r o c e s sf l o w 1 2 头孢菌素的用途 1 2 1 头孢菌素的临床应用 头c 抗菌活性低，在半合成青霉素的启示下，通过结构改造获得了很多有效的 半合成头孢菌素。头孢菌素类药物具有抗菌作用强、耐青霉素酶和伊内酰胺酶、临 床疗效高、毒性低、血浓维持时间长、抗耐药菌、过敏反应较青霉素少见等优点， 是被国内外广泛应用的一线药物。头孢菌素广泛用于临床，主要用于抗药性金葡菌 及严重感染性疾病，如败血症、脑膜炎、肺炎、尿路感染、新生儿脑膜炎及肠杆菌 科细菌所致成人脑膜炎3 1 。 头孢三嗪( 菌必治) 是唯一的一种每日注射1 次就能够2 4 h 保持有效血药浓度 的头孢菌素，对肠细菌、化脓性链球菌、流感杆菌、淋球菌等所致的混合感染疗效 最强。头孢哌酮( 先锋必) 是应用时间最长、用量最大的第三代头孢菌素种，在肺 部感染、泌尿系统感染和术围期或术后预防感染等方面已被广泛采用。头孢羧甲噻 肪( 复达欣) 在严重烧伤、混合感染、败血症时往往考虑使用，对厌氧菌特别是绿 脓杆菌的疗效为其它品种所不及【4 1 。 河北科技大学硕士学位论文 第四代头孢菌素如头孢匹罗、头孢吡肟等己成功地应用于呼吸道感染、尿路感 染、皮肤软组织感染，更适用于严重的医院和社会获得性感染，如医院获得性和严 重社会获得性肺炎、粒细胞缺少合并感染、医院感染性败血症、细菌性脑膜炎( 5 】。 头孢噻利与丁胺卡那联合应用于体外杀灭肺炎克雷白杆菌和耐第3 代头孢大肠 杆菌时，其时间杀灭效应曲线可见明显的协同作用；头孢噻利与替考拉宁体外联合 应用治疗异质性耐万古霉素金黄色葡萄球菌时有协同或相加作用【6 】。 1 2 2 头孢菌素的市场前景 头孢菌素药物一直在世界药物销售额排行榜上名列前茅，而且近几年伴随着世界 经济形势的发展和医药市场的良好前景，全球范围内用药结构和医药商业销售结构 均发生巨大变化，出现了前所未有的新特药大幅度增长的局面，特别是头孢类抗生 素药物，在各个国家和地区的竞相引进和推广下，已发展成为系列抗感染药物，并 进入成熟普及时期，其临床意义和市场价值甚至己超过青霉素类药品，成为非常重 要、首先选用的临床治疗药物。 近年来，国内外科研机构不遗余力、大力研究，新药层出不穷。第四代头孢菌 素是近年来研制并开始应用的新一代头孢菌素，其抗葡萄球菌、肠杆菌、绿脓杆菌 活性高，已在临床广泛应用，如头孢匹美、头孢匹罗、头孢齐定、头孢立定、头孢 噻利、头孢吡肟等，这些新药已在国外投入临床并投入规模化生产，而在国内还处 于实验研究阶段，因此头孢菌素作为原料药具有很好的市场前景。 1 3 发酵液的流变特性 1 3 1 发酵液流变学概述 工业发酵中，大部分采用高浓度悬浮培养，其发酵液是很粘稠的。一是因为细胞 的高含量，某些情况下细胞含量高达8 0 7 , 8 】，而胞外培养液粘度通常可忽略0 1 ， 二是因为工业上为降低成本，经常使用不易溶解的天然培养基【l 。 对于发酵工业来说，流体的最重要性质莫过于流变特性i l2 1 ，发酵液的流变特性决 定膜表面流体的流动，从而影响膜分离过程。 1 3 2 发酵液的非牛顿特性 生物学中的流体形式有牛顿型流体( n ) 和非牛顿型流体，常见的非牛顿型流体 有：宾汉( b i n g h a m ) 塑性流体( b ) 、拟塑性( p s e u d o p l a s t i c ) 流体( p ) 、涨塑性( d i l a t a n t ) 流体( d ) 、凯松( c a s s o nb o d y ) 流体( c ) 。各种流体的流态曲线如图1 3 所示。 一些早期的研究报告指出，黑曲霉、产黄青霉、灰色链霉菌等丝状菌发酵液为 宾汉塑性流体【”】，许多丝状菌如青霉、曲霉、链霉菌等的培养液往往表现出拟塑性 4 第1 章绪论 的流动特性1 4 】，朱守一等报告链霉素、四环素和庆大霉素的前期发酵液或培养液呈 f 6 0 罢 乏4 0 器 昱 = 2 0 白 兰 0 0246 s h e a rr a t e ( s 1 1 ) 图1 3 剪应力与剪切速度的关系 f i g 1 3r e l a t i o no fs h e a rs t r e s sa n ds h e a rr a t e 涨塑性【”】，青霉素发酵液为凯松流体，m e t z 还指出产黄青霉菌发酵液的屈服应力和 凯松粘度与青霉菌浓度及形态有关【1 4 1 。 1 3 3 非牛顿流体的触变性 1 3 3 1 触变的概念 触变性有正负之分【l6 1 ，正触变多简称触变，即在剪应力下粘度逐渐降低，随后 去掉应力，结构逐渐恢复。与此类型相反的行为，表现为在应力下粘度逐渐增加， 去掉应力随之恢复，称为反触变性。触变性常常发生在液体剪切变稀的情况，是在 同等前提下粘度水平随剪切速度增加而下降；按照同样的方法，反触变性常常表现 为剪切增稠，该效应有时间依赖性。在非牛顿流体中，剪切变稀的液体占绝大多数， 剪切增稠的液体仅占极少数。触变性是非牛顿流体的一类特性，可弥补本构方程的 不足之处。 触变是在大量系统中出现的一种现象，它有如下特征【16 】：结构可逆变化，即 当外界有一个力施加于系统时伴随有结构变化，而当此力除去后，系统又恢复到原 来的结构；在一定的剪切速度下，应力从最大值减小到平衡值；流动曲线是一 个滞后回路或滞后环。 触变在材料学中出现较多并且与体系结构有密切关系，如非晶系材料的剪切试 验中【1 7 】，速度梯度与剪应力的相关曲线呈“s 型，表明物质内部存在有立体结构网。 1 3 3 2 触变模型 描述无弹性流体触变性的模型大致有三类：l 、滞回曲线法；2 、应力应变率 时间曲线法：3 、结构原理法。 1 、滞回曲线法：用旋转圆筒式粘度计为测量工具，从低转速开始，均衡升高转 速，到达某一预先设定的最高值，然后逐渐降低转速，记录过程中的剪应力读数， 结果将显示上行线与下行线并不重合，然后用某些特定系数对此现象进行定量描述。 河北科技大学硕士学位论文 2 、应力应变率时间曲线法：对已形成稳定结构的触变流体以恒定切速进行剪 切，初始剪应力迅速下降，随剪切时间延长，剪应力达到一个平衡值，然后将过程 模拟为化学反应。 3 、结构原理法：某些学者通过结构分析研究，提出触变流体的本构方程是状态 方程和速率方程，在此基础上衍生出其他一系列模型。 此外，还有很多描述触变的方法【1 8 , 1 9 】，但不论哪种，在选取触变模型时，都需 要考虑流体自身特点1 2 0 j 以及流动和所研究课题的目的要求。 1 3 4 流变学及其在生物领域的发展 流变学主要研究物质的变形与流动，是一门横向切割有关领域并被广泛应用的 交叉学科。十九世纪三十年代开始，人们发现物体在很多情况下具有经典理论无法 解释的与时间有关的力学特征，1 9 2 9 年流变力学形成独立学科，各国先后成立了流 变学学会。随着理性力学从小变形理论到有限变形理论、从物性的线性理论到非线 性本构理论、从古典物体模型到微结构理论的发展，流变力学在1 9 6 5 年以后发展到 一个新阶段1 2 。 流变学工作开展较早并不断向各个领域延伸，值得特别提到的是，生物流变学 方面的工作开展得十分迅速。流变学在生化工程中有大量的应用，如生物工程中发 酵罐的设计与放大、各种发酵液的分离与提取。迄今，在生化工程领域，关于霉菌 和植物细胞培养液2 2 , 2 3 的流变特性研究已完成一些初步的工作，关于动物细胞培养， 也已有人注意并重视流动剪切力对细胞的损伤与生长的影1 】向 2 4 2 5 】，但关于高等真菌、 放线菌发酵液的流变特性研究还有很大的不足。 学术界与工业界对将流变学的基本概念用于生化工程的兴趣与日俱增，同时尚 有不少有争议或疑难问题有待解决。 1 4 膜分离技术 人们对于膜现象的研究是从17 4 8 年a b b en o l l e t 发现水会自发地扩散穿过猪膀 胱而进入酒精中开始的【2 6 1 ，但长期以来并未引起人们重视，膜分离技术的工业应用 是在二十世纪六十年代以后【z 7 1 。膜分离技术己被国际上公认为2 0 世纪末至2 1 世纪 中期最有发展前途、甚至会导致一次工业革命的重大生产技术，所以可称为前沿技 术，是世界各国研究的热点。 膜分离技术由于省能、高效，可代替传统的分离技术，如精馏、吸附、蒸发、 结晶、萃取等，不仅设备简单、造价低，且易操作，所以作为一种新型的分离技术， 可用于化工、食品、医药、生物工程等方面各种物质的分离、提纯。 膜分离技术包括微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、纳滤( n f ) 、反渗透( r o ) 、渗析( d ) 、 液膜( l ) 等，它可以除去液体中的微粒子。微孔滤膜能有效地去除比膜孔大的粒子 6 第1 章绪论 和微生物，不能去除无机溶质、热原和胶体。超滤膜通常是在常温下操作，能有效 地分离分子量大于5 0 0 的溶质，能够在较低压差下工作，特别适用于热敏性物料的 浓缩与分离，如用于生物制品、果酒、果汁的分离和提纯，蛋白质浓缩、超纯水制 备等。纳滤膜能够降低分子量将有机物与无机盐加以选择性分离。反渗透膜工作压 力比超滤高，能截留盐或小分子有机物，使水通过，可用于海水淡化或苦咸水除盐、 纯水制备、废水处理等【2 8 】。制药生产中的膜分离过程【2 9 1 ，见表1 1 。 表1 1 制药生产中的膜分离过程 t a b l e l it h ep r o c e s so f m e m b r a n es e p e r a t i o ni np h a r m a c e u t i c a lp r o d u c t i o n 1 4 1膜分离的特点及应用 膜分离的特点如下： 1 、膜分离过程不发生相变化，不需要提供蒸发热，所以节能。 2 、容易试验连续化生产，生产过程劳动强度低，流程简单，特别适用于大规模 生产，而不采用膜分离时，大部分工程都得采用间歇生产。 3 、整个流程接近封闭系统，因此废液处理负荷减轻。 4 、采用膜分离，则各工程所用装置的原理都相同，所以操作条件的设计和装置 的管理可以采用相同的程序。 5 、不需要加热，所以可防止原料中营养成分的损失。 6 、不会产生菌体的泄漏和飞散而损失掉。 7 、可以得到比其他过滤方法更洁净的过滤液。 8 、在分离的同时可以浓缩和脱盐。 9 、可以在低温条件下操作，生成物的性能下降可降低到最低的限度。 由膜的分离特性可知，膜分离的应用领域很广，在海水淡化、苦咸水淡化、电子 工业、食品工业、医药卫生、环境保护和生物工程等领域得到广泛的应用，如超滤 技术在v c 、红霉素、头孢菌素中的应用。由于膜材质种类多种多样，膜分离技术 7 河北科技大学硕上学位论文 的应用就更加广泛。 超滤过程一般在常温低压下进行，对于分离热敏性的抗生素非常适用。超滤膜 在不使用破乳剂的条件下，能有效去除原料液中的蛋白质杂质，且对原料液有一定 的脱色作用，可降低产品色级，提高产品质量，作为抗生素提取分离的预处理过程 非常有效，应用前景广削3 0 】。 无机陶瓷膜由于其耐高温、耐化学腐蚀、耐生物侵蚀等特性。因而在食品与发 酵工业有着广泛的应用前景。汪勇等综述了无机陶瓷分离膜在食品与发酵工业中的 应用概况，包括乳制品、果汁和茶饮料、粮油加工、酒类等领域1 3 1 】。 a d i k a n e 等用管式陶瓷膜从发酵液中提取青霉素g ，较大的错流速度有利于膜过 滤，当其增大2 9 倍时，初始通量增大2 倍，稳定通量增大2 7 倍，平均通量增大1 8 倍，而回收率保持不变，可达9 8 3 2 j 。 山东鲁抗医药股份有限公司采用不锈钢管式微滤膜技术应用于大观霉素过滤工 艺中，操作简单，易控制，省能源，清洗过程简单、费用低，废水量少，过滤收率 可提高9 左右，总收率可提高3 ，社会效益、经济效益非常可观【3 3 】。 东北制药总厂采用超滤技术纯化v c 发酵液替代原工艺中的一次树脂交换和加 热工序，具有速度快、节约能源、收率高等优点，在改善生产环境、提高收率、减 少树脂损耗、自动化、连续化生产上明显优于加热和絮凝工艺，v c 提取收率提高5 以上【3 4 】。 北京大学技术物理系赵广英等进行了膜技术在健康饮水生产装置中的试验研 究，提出n f l 系统膜产水与n f 7 系统、a c m l 膜相比，在对有机物的去除上，特别 是对三致物质的去除上与a c m l 膜相差不多，且对t o c ( 总有机碳) 的去除率达到 9 3 9 以上。虽然对无机离子的去除率不如n f 7 与a c m l 膜，但却保留了一些必要 的有益离子，对于提供健康的饮水是很有好处刚巧】。 超滤技术在中药制剂生产中的应用主要包括提取中药有效部位和有效成分、制 备中药注射剂( 去除热原) 、制备中药服液、制备中药浸膏等【3 6 1 。 膜技术在医药和医院中，广泛应用于灭菌、除热源和病毒、血液净化、血液透 析( 人工。肾) 、血浆分离、空气无菌过滤、人- r - 月, 以及中草药，中草药中含有大量的 鞣质、蛋白、淀粉、树脂等无药效的大分子，而现在中药的生产大多为传统工艺， 如水醇法、改良明胶法等，生产周期长，易降低药效，杂质含量高，澄清度低，稳 定性差。若能将膜分离技术用于中药的生产过程，必将促进中草药的现代化生产， 使之能早日走向世界1 37 | 。 1 4 2 提高膜分离精度的方法 分离精度是指被分离组分彻底分开的程度，对膜分离系统，提高分离精度比提 8 第1 章绪论 高膜透过通量更为困难，如果尽可能使附着层变薄、发挥膜分离的效果，可以提高 分离精度，但是要将差别不太显著的物质分离开却是很困难的。膜分离的原理是“截 留”，因此有必要采用某种方法改变被分离物质的大小或者发挥膜的“截留”以外的 作用才能提高分离精度。 1 4 3 膜的污染 膜污染【38 】是指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质分子与膜发生物理化学相互 作用或因浓度极化使某些溶质在膜表面浓度超过其溶解度及机械作用而引起的在膜 表面或膜孔内吸附、沉淀造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的 不可逆变化现象。 膜清洗方法，通常可分为物理方法与化学方法，物理方法一般是指用高流速水 冲洗、海绵球机械擦洗和反洗等，它们的特点是简单易行。近年来新发展的抽吸清 洗方法具有不加新设备、清洗效果好的优点，受到人们青睐。另外，电场过滤、脉 冲清洗、脉冲电解冲洗及电渗透反洗研究十分活跃，具有很好效果。化学清洗通常 是用化学清洗剂，如稀碱、稀酸、酶、表面活性剂、络合剂和氧化剂等，对于不同 种类膜，选择化学剂时要慎重，以防止化学清洗剂对膜的损害。选用酸类清洗剂， 可以溶解除去矿物质及d n a ，而采用n a o h 水溶液可有效地脱除蛋白质污染；对于 蛋白质污染严重的膜，用含0 5 胃蛋白酶的0 0 1 nn a o h 溶液清洗3 0 分钟可有效地 恢复透水量。 1 4 4 膜分离的研究方向与展望 为实施某一具体对象的分离，将膜分离与其它分离和反应单元操作结合起来， 发挥各自的优点，往往能获得很好的分离效果，取得良好的经济效益。这是近年来 在膜分离技术发展中的一个新的动向。膜生物反应器是当前膜科学与技术研究的一 个边缘科学，膜生物反应器是将酶或细胞植入半透膜的膜组件反应器，膜作为酶和 细胞的一种特殊的固定化载体，因此膜生物反应器具有膜渗透和化学反应的双重功 能，它在发酵工业方面的应用必将使发酵工业取得长足的进步。预计膜生物反应器 的理论和应用研究在最近1 0 年必将又有较大的进展1 3 9 1 。 1 5 膜分离发酵液中头孢菌素c 的研究现状 1 5 1分离发酵液中头孢菌素c 的工业生产现状 分离发酵液中头c ，最初是将发酵液经预处理除去蛋白质和其它杂质离子后用 真空鼓式过滤机或板框加压过滤的分离方法，因发酵液粘稠需使用助滤剂，操作工 艺繁琐，滤液质量和产率较低，但是滤布容易清洗。近年来，随着膜技术的发展， 9 河北科技大学硕士学位论文 超滤膜技术作为一种新型的膜分离技术，逐渐在抗生素工业生产的分离中得到广泛 的应用和研究。目前，国内生产厂家分离头c 主要是采用平板超滤膜。超滤技术的 使用，代替了传统的过滤单元操作，一次截留发酵液中的菌丝体和蛋白质等大分子 物质，简化操作工艺流程、减轻劳动强度，由于不采用助滤剂而减轻环境污染，同 时滤液质量和产品收率也得到提高，但是平板超滤膜存在易堵塞、易染菌、不易清 洗等缺点。 头c 发酵液成分复杂、料液粘稠，给膜分离带来很大的困难，存在膜通量衰减 较快、膜污染严重、膜使用寿命短等一系列问题。膜分离产率较低，分析其原因为 计算误差和操作等因素，其中操作中影响较大的是发酵液流变性、传质和工艺操作。 为提高膜的分离效率和使用寿命，国内外科研人员一直在进行膜的筛选和研制、膜 分离操作工艺的优化研究工作。 1 5 2离发酵液中头孢菌素c 的研究现状 杨基础等【4 0 】对季铵盐7 4 0 2 反应性萃取头孢菌素c 的性能进行了系统研究，通过 对萃取剂、稀释剂、助溶剂的比较和筛选，确定萃取体系为7 4 0 2 - - 2 0 ( v v ) 正辛醇 一乙酸丁酯，但该体系的生理毒性尚未仔细检验，研究所用体系是纯体系，而非发 酵液体系，体系的萃取剂、稀释剂和助溶剂的损失和回收，体系的经济指标等工程 应用问题均未涉及，需要进一步仔细研究。 李春艳等用u l t r a f l o 超滤系统对头c 发酵液进行超滤实验，并与真空鼓式过 滤机过滤头c 发酵液的生产数据进行对照，实验结果表明：超滤膜过滤后的滤液中 蛋白质含量大大降低、收率明显提高；料液浓度和温度是膜通量的影响因素；膜的 清洗恢复性较强。 李春艳等【4 2 】用u l t r a f l o 超滤系统对未经任何预处理的头c 发酵液进行超滤实验， 对超滤过程中顶洗加水量进行实验分析，提出1 8 倍的理论加水量。 1 5 3分离发酵液中头孢菌素c 的其它方法的研究及展望 除传统的板框、真空鼓式过滤机和离心机过滤、溶剂萃取法和膜分离方法外， 许多学者将多种分离方法进行组合并深入研究，提出首先将发酵液通过微孔滤膜进 行微滤，除去发酵液中固形物后的滤液经另一组超滤系统以除去一些分子量较大的 蛋白质、多糖以及部分深棕色素，以得到色浅较纯的头c 滤液。 由综述文献可知头c 发酵液经过膜分离后可以除去菌体和大分子可溶性物质， 滤液质量和产率较好，因此膜分离发酵液中头c 是一种有效的分离方法。 1 6 本论文研究的内容 膜分离技术不仅简化工艺、降低能耗，同时能提高产品质量和收率，但是膜分 1 0 第1 章绪论 离存在膜易污染、清洗困难等因素，也制约了膜分离技术的广泛应用。 虽然分离发酵液中头c 已经进行了广泛的研究，但仍有许多问题需要完善和优 化。本论文以头c 发酵液为研究体系，对头c 发酵液的效价检测方法、流变特性和 可压缩性进行研究，并在分析总结了近年膜分离头c 发酵液的发展状况后进行了如 下内容的研究。 1 6 1 效价的检测方法 张兆起等【4 副曾采用高效液相色谱法测定青霉素g 发酵液中菌体浓度，测定样品 发酵液和稀释5 0 倍发酵液的效价分别记为u l 和u 2 ，认为菌体浓度= ( 1 u 2 u 1 ) 宰1 0 0 。 本论文以头c 发酵液为体系，在目前效价检测方法、发酵总亿计算方法和上述 菌浓测定方法的基础上，对其进行深入研究，以期提出一个准确、合理、简便的效 价检测方法，以便能准确计算发酵总亿和膜分离产率，为正确评价发酵水平和膜分 离产率提供一条新思路。 1 6 2 发酵液流变特性对膜分离的影响 目前，国内外对流变特性的研究多集中于植物细胞和血液细胞上，对于微生物 这类气液固三相共混的复杂体系，其流变学研究还不很充分。发酵液流变特性对膜 分离影响的认识还停留于表面，头c 发酵液体系的流变特性尚无报道，此类发酵液 的过滤只能凭借经验，因此深入了解头c 发酵液的流变特性是十分必要的，以期从 理论上分析流变特性对膜分离的影响。了解头c 发酵液的流变学，建立流变模型， 有助于膜分离过程中表面流体的理论分析和控制，对膜分离组件设备的设计和最佳 膜分离工艺条件的确定具有一定的理论价值。 本论文对头c 发酵液体系进行深入研究，考察各种因素对流变特性的影响作用， 并确定体系流变特性的测量方法，然后根据其特点确定体系的液流形式及本构方程， 在此基础上，分析流变特性对膜分离的影响以探讨提高膜分离效率的措施。 1 6 3发酵液可压缩性对膜分离的影响 目前，物料的可压缩性研究多集中于传统的过滤操作中可压缩滤饼的过滤压力、 透过液滤速与滤饼比阻的关系，在膜分离技术中认为透过通量与透膜压差成正比而 且未提及可压缩性对膜分离的影响，对头c 发酵液的可压缩性尚无研究报道。 本论文以头c 发酵液为体系，深入研究头c 发酵液的可压缩性，并就发酵液可 压缩性对膜分离中透膜压差和过滤滤速的影响进行进一步的探讨研究，以期为膜分 离提供理论支持。 河北科技大学硕士学位论文 1 6 4 发酵液在膜分离中的传质 目前，膜分离过程中的传质多集中于超滤溶液体系，而对发酵液传质的研究较 少，尚未