（环境工程专业论文）超滤纳滤联合膜分离技术在土霉素提取中的应用研究.pdf

； 摘要 本文将膜分离技术应用于土霉素的生产过程中，分别研究了超滤、纳滤及超滤 纳滤组合工艺，研究开发出土霉素的清洁生产新工艺。通过超滤和纳滤筛选试验， 选出了对土霉素分离性能较好的超滤膜和纳滤膜，并确定了其操作工艺参数。结果 表明，采用膜分离工艺可以减少土霉素在提取工艺中的损失，提高结晶收率，降低 杂质吸光度，并改善废水的可生化性。本文的主要内容如下： 在超滤实验中，进行了聚酰胺、聚砜、聚醚砜三种材料，不同截留分子量的九 种超滤膜对土霉素发酵液分离性能比较，筛选出了p e s 2 0 超滤膜：并确定了超滤 操作压力为o 2 m p a ；在此压力下，p e s 2 0 膜对土霉素的透过率达9 5 ，结晶收率 为9 4 5 ，产品纯度可达到9 7 4 ，各项指标表明均比原工艺采用的树脂税色效果 要好。 实验结果表明三种纳滤膜中n f 2 7 0 膜的分离效果较好；纳滤操作压力确定为 1 2 m p a ；在此压力下，n f 2 7 0 对土霉素的截留率达9 8 2 ，并且能去除部分小分子 蛋白和色素等杂质：通过土霉素浓缩倍数对结晶收率和产品纯度影响实验，表明浓 缩至2 5 倍效果较好，浓缩后比浓缩酊收率和产品纯度均有所提高。 在超滤一纳滤连续性实验中，进一步验证了对土霉素的分离提纯膜分离技术比原 树脂税色效果好。采用p e s 2 0 超滤平均收率为9 5 ，结晶收率为9 4 5 左右，产 品纯度为9 6 ，废水c o d 。，值比原来平均减少了3 7 ：再进行n f - 2 7 0 纳滤浓缩2 5 倍后的平均结晶收率为9 6 ，纯度为9 8 4 ，排放废水中c o d 。总量减少了近2 5 倍；每年至少能挽回经济损失2 0 0 0 力元人民币。 关键词：土霉素：膜分离技术；清洁生产：超滤：纳滤 z a b s t r a c t t h i sp a p e ra p p l i e dm e m b r a n et e c h n o l o g yt op r o d u c i n gp r o c e s so fo x y t e t r a c y c l i n e r e s p e c t i v e l y s t u d i e du l t r a f i l t r a t i o n 、n a n o f i l t r a f i o na n dt h e g r o u pt e c h n o l o g y o f u l t r a f i l t r a t i o n - n a n o f i l t r a t i o n ，a n dr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dan e wt e c h n o l o g yo f c l e a n l y p r o d u c t i o no fo x y t e t r a c y c l i n e b ys c r e e n i n gt e s to fu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n e sa n d n a n o f i l t r a t i o nm e m b r a n e s ，t h i sp a p e re l e c t e db e t t e rm e m b r a n eo f s e p a r a t i o np e r f o r m a n c e t h a nt h eo t h e r s ，a n dd e f i n e t e dt e c h n o l o g yp a r a m e t e r a sar e s u l t ，m e m b r a n es e p a r a t i o n t e c h n o l o g yc o u l dr e d u c el o s so fo x y t e t r a c y c l i n ei na b s t r a c t i n gt e c h n o l o g y t r a i s ec r y s t a l r e c o v e r yr a t i o ，d e c r e a s ea b s o r b e n c yo f i m p u r i t y ，i n c r e a s ep u r i t yo f p r o d u c t s ，a n di m p r o v e b i o c h e m i c a la c t i v i t yo f w a s t ew a t e r n l eo b j e c tm a t t e ro f t h i sp a p e rw a sg i v e nb e l o w d u r i n gu l t r a f i l t r a t i o ne x p e r i m e n t ，p e s 一2 0w a s s e l e c t e d b yc o m p a r i n gn i n e m e m b r a n es e p a r a t i o np e r f o r m a n c e o p e r a t i o np r e s s u r ei so 2 m p a u n d e rt h i sp r e s s p o t e n c yp e r m e a t e dr a t i ob yp e s - 2 0i s9 5 tc t y s t a lr e c o v e r yr a t i oi s9 4 5 - p u r i t yo f p r o d u c t i sa b o u t9 7 4 e a c hi n d e xi sb e t t e rt h a nt h a to f o r i g i n a lt e c h n o l o g y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wn f 2 7 0w a st h eb e s ts e p a r a t i o np e r f o r m a n c ea m o n g t h r e en a n o f i l t r a t i o nm e m b r a n e o p e r a t i o np r e s so f n a n o f i l t r a t i o nw a s1 2 m p a u n d e rt h i s p r e s s ，o x y t e t r a c y c l i n er e j e c t e dr a t i ob yn f 2 7 0w a s9 8 2 ，a n dt h i sn a n o f i l t r a t i o nc o u l d w i p eo f fp a r to fl i t t l em o l e c u l ep r o t e i na n dp i g m e n t d u r i n gc o n c e n t r a t i o np r o c e s sf o r o x y t e t r a c y c l i n e ，t h er e s u l to ft w oa n dh a l ft i m e sc o n c e n t r a t e dw a sb e t t e r a f t e r o x y t e t r a c y c l i n es o l u t i o nc o n c e n t r a t e d ，c r y s t a lr e c o v e r yr a t i oa n dp u r i t yo f p r o d u c t sw e r e a l lr a i s o d d u r i n ge x p e r i m e n t a lp r o c e s so fu l t r a f i h r a t i o n - n a n o f i l t r a t i o n ，m e m b r a n et e c h n o l o g y 聃a st e s t e db e t t e rt h a n o r i g i n a lt e c h n o l o g y i n s e p a r a t i o n a n da b s t r a c t i o no f o x y t e t r a c y c l i n ef u r t h e r a v e r a g er e c o v e r yr a t i oo fp e s 一2 0w a s9 5 ，c r y s t a lr e c o v e r yw a s a b o u t9 4 5 ，p u r i t yo fp r o d u c tw a s9 6 ，c o d c ro fw a s t ew a t e rr e d u c e d3 7 a f t e r c o n c e n t r a t i n gt w oa n dh a l f t i m e s ，a v e r a g ec r y s t a lr e c o v e r yr a t i oo f c o n c e n t r a t e ds o l u t i o n o f n f 一2 7 0w a s9 6 ，p u r i t yo f p r o d u c tw a s9 8 4 ，c o d c ro f w a s t ew a t e rr e d u c e da b o u t t w oa n dh a l ft i m e s s ot h i sf a c t o r yc o u l dr e t r i e v ea b o u tal o s so ft w e n t ym i l l i o ny u a n e v e r yy e a r k e yw o r d s ：o x y t e t r a c y c l i n e ；m e m b r a n et e c h n o l o g y ：c l e a n l yp r o d u c t i o n ；u l t r a f i l t r a t i o n ； n a n o f i l t r a t i o n i i r+t 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 、一 研究生签名： 立盏磊 2 0 0 5 年9 月9e t 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的 或上网公布本学位论文的全部或部分内容 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位 于保密论文，按保密的有关规定和程序处 研究生签名：窒茎乏 硕卜论文超鹰纳忠联合嗲分毫技术d 十霉煮挺取中的h 用研究 1 1 引言 第l 章绪论 土霉素是通过生物合成得到的广谱抗生素，目前国内土霉素提取工艺为用草酸 ( 或磷酸) 做酸化剂调节p h 值，利用黄血盐硫酸锌作净化剂协同去除蛋白质等高分 子杂质，然后用1 2 2 树脂脱色进一步净化土霉素滤液，最后调p h 至4 8 左右结晶 得到土霉素碱产品，此工艺在生产中一直沿用至今。由于树目脱色和结晶过程流失 较多，产品的收率偏低，结晶母液中土霉素浓度为1 0 0 0 1 5 0 0 掣g m l ；产品杂质 吸光度偏高，纯度仅为9 6 9 7 ：土霉素生产废水为高浓度有机废水，其c o d c r 为1 3 0 0 0 1 6 0 0 0 m g l ，p h 值为4 5 5 0 ，草酸含量约9 3 0 0 m g l ，b o d f l c o d c r 约 o 2 9 ，由于废水中残留的土霉素和草酸具有很强的抑菌性，污水处理装置很难稳定 运行【5 q i 。随着市场竞争的加剧和对土霉素产品质量要求的提高，开发一种在提高 产品质量的同时，又能提高土霉素收率，并有助于解决废水污染的切实可行的新工 艺，是研究开发人员及土霉素生产厂所面临的新课题。 膜分离技术是本世纪六十年代发展起来的新兴分离技术。研究与应用事实表明， 膜分离技术在简化发酵生产工艺，提高产品质量、开发新产品和综合利用等方面都 显示了巨大的优越性f 9 】。膜分离与传统的过滤、萃取、蒸发、脱色、吸附、离心等 分离方法相比，具有节能、减少污染、无相变、在常温下操作、浓缩和纯化可同步 完成等优点。辛占昌【旧1 等人在降低土霉素杂质的工艺研究中，采用了美国p a l l 公 司的s a s 0 3 2 ( m ) g 5 4 h 4 型高精密度聚丙烯纤维过滤器后，大量的有色蛋白性杂 质和草酸盐结晶均被滤除，收到了良好的效果，4 9 0 n m 处的杂质吸光度明显下降， 结果表明，加强提取全过程的过滤系统是去除杂质、降低杂质吸光度的重要环节。 李十中【s 1 等人将超滤应用于土霉素重结晶过程中，在去除热源及杂质方面取得了较 好的结果；他们还将超滤与反渗透联合回收母液中的土霉素，得到的土霉素纯度 8 2 9 ，效价7 7 1f g m g ，回收率6 2 ，并使废水达到排放标准。本文将膜分离技 术应用于生产过程中，试采用超滤替代原树脂脱色进行土霉素纯化，再用纳滤进行 浓缩纯化，以此来提高收率及产品质量，改善废水的可生化性，最终达到清洁生产 的目的。 ， 颂十论文 超滤纳瘟联合嚷分离技术在十霉鬃提取中的啦用研究 1 2 膜分离技术及应用研究进展 1 2 1 膜分离技术简介 1 2 1 1 膜及膜过程 1 1 , 1 2 l 膜在自然界中，特别是生物体内是广泛而恒久地存在的，它与生命起源和生命 活动密切相关，是一切生命活动的基础。膜过程在许多自然现象中发挥了重大的作 用，在现代经济发展和人民的日常生活中也扮演着重要的角色。 膜是每一膜过程的核心部件，它可以看成是两相之间一个具有透过选择性的屏 障，或看作两相之间的界面。膜分离过程可由图1 1 示意，相l 为原料或上游侧， 相2 为渗透物或下游侧。原抖混合物中某一组分可以比其它组分更快地通过膜而传 递到下游侧，从而实现分离。 圈 蠛净 推动力 c ，a 只t ，e 图1 i 被膜分开的蕊相系统示意图 1 2 1 2 膜分离技术特点【1 3 l 在膜分离出现之前，已经有很多的分离技术在生产中得到广泛的应用。例如： 蒸馏、吸附、吸收、萃取、深冷分离等，与这些传统的分离技术相比，膜分离具有 以下特点。 第一，膜分离通常是一个高效的分离过程。例如，在按物质颗粒大小分离的预 域，以重力为基础的分离技术最小极限是微米( m ) ，而膜分离却可以做到颚粒大 小为纳米( n f n ) 级的物质进行分离。 第二，膜分离过程的能耗通常比较低。大多数膜分离过 比之下，蒸发、蒸馏、萃取、吸收、吸附等分离过程，都伴 气相的变化，而相变化的潜热是很大的。另外，很多膜分离 的温度下进行的，被分离物料加热或冷却的消耗很小。 第三，多数膜分离过程的工作温度在室温附近，特别适 理。膜分离在食品加工、医药工业、生物技术等领域有其独 碗卜论文 超涟- 纳癌联合嗄分焉技术存十耀翥摊取中向用研兜 抗生素的生产中，一般用减压蒸馏法除水，很难完全避免设备的局部过热现象，在 局部过热地区抗生素受热后被破坏，产生有毒物质，它是引起抗生素针剂副作用的 重要原因。用膜分离脱水，可以在室温甚至更低的温度下进行，确保不发生局部过 热现象，大大提高了药品使用的安全性。 第四，膜分离设备本身没有运动的部件，工作温度又在室温附近，所以很少需 要维修，可靠度很高。它的操作十分简便。而且从开动到得到产品的时f b j 很短，可 以频繁的启动和停下工作。 第五，膜分离过程的规模和处理能力可在很大范围内变化，而它的效率、设备 单价、运行费用等都变化不大。 第六，膜分离由于分离效率高，通常设备的体积比较小，占地较少。而且膜分 离通常可以直接插入已有的生产工艺流程，不需要对生产线进行大的改变。 1 2 1 3 膜过程的分类 已工业化应用的膜过程及其基本特征见表i 1 。 表1 1 已r 业化府用噗过侔的分类受其墓本特征 推动力截留缉分分离矾理府嘲 微滤m f压力差0 0 2 1 0 , m 粒子筛分除颗粒物及细卤 超滤u f压力差1 2 0 n m 丈分子溶质筛分 除耨毒掌神l 蛋 纳滤n f压力差l n m 以上溶质 溶解d o n 擐 分子的浓缩 r 。咄质译雾无机然离子 渗透p v a 汽化p 觚善浓度苌鼋蒜髫獬扩散村等蒜嚣柳筹大，较难挥发物 一 有机物分离 渗折浓宦差 渗0 忻0 2 帆2 m 0 截0 5 舅m d 0 0 5 m 精筛分登甜 蝌化 渗折浓宦差 渗忻中 o 截”：。血液净化 电渗电翟沌眺酣菜煳仰萎囊磊麓荔 水脱盐 气体分晒觚耄浓度鹪物然鑫脯对獬扩散 富绷恪 譬等浓慧州在液膜中难溶解组分促鬻嚣嘴蓑蒌荔寡誓等羹 本实验所用的是以压力差为推动力的超滤膜和纳滤嗅。 硕 论文超滤纳鹰联台膜分离技术口十霉索提取中的嘶用研究 1 2 2 膜分离技术在制药工业中的应用 膜分离技术的大规模商业应用是从2 0 世纪6 0 年代的海水淡化工程开始的。目 前除大规模用于海水、苦成水的淡化及纯水、超纯水生产外，还用于食品工业、医 药工业、生物工程、石油、化学工业、环保工程等领域。膜分离技术在制药工业中 的应用包括生物发酵制药、中药生产和现代生物技术等。膜分离技术在抗生素、半 合成抗生素、维生素和氮基酸生产中尤其常见。随着膜材料、膜组件和膜设备的不 断改进，膜分离技术在制药工业中将扮演越来越重要角色。 1 2 2 1 抗生素及酸抑制剂、半合成抗生素 抗生素发酵液传统的分离方法一股为鼓式过滤、板框过滤和离心分离。与这些 传统工艺相比，采用膜分离技术对发酵液进行处理具有产率高、质量好、成本低和 废液少等优点。 a d i k a n e 等【1 4 】使用管式氧化锆微滤膜从发酵液中回收青霉素g ，回收率可达 9 8 。当流速提高2 9 倍时，膜平均通量提高了1 8 倍，从而缩短4 1 的处理时间， 而回收率保持不变。r u i z 等分别采用截留相对分子质量为2 0 0 0 0 和2 0 0 0 的聚砜 或聚醚砜超滤膜，对青霉素发酵液进行2 级超滤，最终透过液中的青霉素浓度约 2 0 9 l ，能够充分满足随后的酶裂解生成6 a p a 的工艺要求。 李春艳等【1 6 i 使用截留相对分子质量3 0 0 0 0 的u l t r a - r i o 超滤膜截留头孢菌素c 发 酵液中残留的菌丝体、蛋白质和悬浮微粒等杂质透过液中蛋白质含量由传统工艺 的2 3 降低到o 2 o3 ，不仅使滤液质量提高，而且后续工艺中的树脂收率 由原工艺的8 5 提高到9 0 。此外，由于u l t r a f l o 膜组件具有独特的内部结构，对 于固含量较高的发酵液体系能维持超乎寻常的膜通量。 棒酸是一种高效的b 内酰胺酶抑制剂，能增强青霉素及头孢菌素对许多产1 3 内酰胺酶微生物的抗菌活性。a l v e s 等【i ”对比了不同截留分子量的超滤膜分离棒酸 发酵液的效果，实验表明，截留相对分子质量为1 5 0 0 0 和2 0 0 0 0 的超滤膜不仅能达 到高通量和高收率的要求，而且透过液质量能够符合后续溶剂萃取工艺的要求，实 现良好的相分离效果。 s c h r o e n 等f l s 】在7 - a d c a 的酶法新工艺中用纳滤暝从己二酰7 a d c a 和 7 - a d c a 混合物中分离出己二酸，透过液中的己二酸可以回到发酵工艺循环使用。 而浓缩液中的己二酰7 a d c a 和7 - a d c a 则进入水解反应器中。该工艺实现了底 物和产物的损失最小化。d a n z i g 等【1 9 l 研究了在连续的酶催化反应制备6 - a p a 过程 中，采用反渗透膜分离法浓缩青霉素裂解液，随着浓缩倍数的增加，膜通量降低而 对6 - a p a 截留率基本能维持在9 8 5 以上。曹学君等 2 0 i 将反渗透应用于回收结晶母 液中残留的6 - a p a ，对6 a p a 截留率高达9 9 6 ，同样浓缩收率在9 8 以上。该工 4 顼t + 论文超虎- 纳l 虑联台暝分高技术仃十碌禁拄 杖中的m 斤j 研兜 艺应用于实际生产中具有十分可观的经济效益。何旭敏等【2 i l 采用的超滤与纳滤组合 技术改造6 - a p a 的原有生产工艺，使6 - a p a 的平均收率由8 5 提高到9 0 以上， 采用纳滤浓缩裂解液来提高6 - a p a 结晶浓度，不仅降低了溶媒消耗，而且使结晶母 液中的6 - a p a 损失减少，从而提高了成品的收率。 d a v i e s 等b 2 】考察了不同培养基发酵液( 可溶性和油性培养基) 对孔径为o 2um d u r a p o r e 亲水性微滤膜回收红霉素的影响实验结果表明，虽然对于可溶性培养基发 酵液体系的膜通量较高，为3 5 9 l ( m 2 h ) ，但发酵过程所得的红霉素的效价较低，雨 油性培养基所得到的红霉素效价较高，但膜通量仅为1 2 8l “n f h ) ，该实验对优化 整体工艺有指导意义。z h a n g 等l 采用以聚砜为支撑层的复合膜n p 1 ，进行大环内 酯抗生素浓缩中试，结果可将抗尘素浓度从8 0 0 0 0 p g m l 浓缩到3 4 0 0 0 0 u g m l 。 在n p 1 表面涂覆上聚乙烯醇可改善膜的亲水性，从而减轻膜污染。 刘路等f 2 4 f 应用超滤和纳滤的组合分离技术对林可霉素发酵液进行分离和浓缩。 实验结果表明，采用超滤进行预处理，能有效去除林可霉素发酵液的固体颗粒及蛋 白质等大分子，减少了后续纳滤骥的污染。采用c a n f 一6 0 纳滤膜对超滤透过液 进行浓缩，可将4 0 0 0u g m l 的林可霉素浓缩至4 0 0 0 0 , u g m l ，透过液林可毒素的 损失仅为1 0 u g m l 。 1 2 2 2 维生素 膜分离技术在维生素中的应用，主要是水溶性b 族维生素和维生素c 的分离和 纯化。 葡萄牙的c r e s p o 等吲在丙酸杆菌发酵制备v b l 2 的实验中应用了超滤膜反应 器一方面移走有抑制作用的产物，另一方面通过料液的循环流动，避免了反应罐 中因细胞浓度剧增而导致料液的粘度变大和操作压力变大，对细胞的再生长和体系 的操作带来的负面影响实验结果表明，产物的体积产率比连续反应釜的体积产率大 1 7 倍。日本的b a i n o t t i 等【2 6 1 采用一体式膜反应器上流式厌氧过滤反应器( u a f r ) 进行v b l 2 的生产。膜反应器既起到分离的作用，又兼具催化的性能。实验结果表 明，最大v b l 2 的比浓度为5 1 mg g 。u a f r 中流体的细胞生长率为0 2 0g ，( l h ) 。 是恒化器培养时细胞生长率( 0 0 3 5g ( l h ) ) 的6 倍多。 东北制药总厂是国内较早应用超滤技术改进v c 生产工艺的制药厂口”。其成功 应用进一步增强了我国在世界v c 市场上的竞争力，同时对改革传统制药生产工艺 有重大影响。李春艳等【8 j 采用三达膜科技有限公司提供的超滤摸系统一步去除v c 发酵液中残留的菌丝体、蛋白质和悬浮微粒等杂质，省去了预处理、加热、离心等 工序既节约了能耗，又提高了古龙酸的收率。生产中结合对超滤的滤渣加水沈涤， 古龙酸的收率可达9 9 ，并且可达到高、恒定的膜通量。因此超滤膜系统是目前处 理v c 发酵液的最佳膜设备。 磅士论文超摩纳虑联台唱分高技术存十霉素提取中的啦用研究 1 2 2 3 氨基酸 曾碧榕等【2 9 l 采用u f 超滤膜直接处理赖氮酸的发酵液。实验结果表明，所用的 超滤系统能够一步截留未经任何处理的赖氨酸发酵液中的菌体蛋白、固体颗粒等杂 质，超滤收率可达9 7 以上。采用超滤技术直接处理赖氮酸的发酵液有以下几个优 点：1 ) 截留发酵液中的菌体蛋白、悬浮固体等杂质，有利于提高下一个工序离子交 换中树脂的使用效率和寿命；2 ) 截留住的滤渣含有丰富的菌体蛋白及少量的赖氮酸 可以作为饲料的高级添加剂；3 ) 减轻了后续工艺废水处理的压力。 加拿大的a g a r w a l 和h u a n g t 圳采用荷电的磺化聚苯醚复合超滤膜，从模拟发酵 液中分离出l 苯丙氮酸。m c g r e g o r t 3 1 1 采用复合反渗透膜浓缩生物反应器的收集培 养液。l i n 等【3 2 1 在谷氨酸盐生产中采用纳滤摸生物反应器对n a d ( 辅酶i ) 进行部分 固定化和浓缩，实现对n a d 的高再生，从而获得高的谷氨酸盐产率。 1 2 3 国内外实施清洁生产现状 推行清洁生产，从生产的准备过程就丌始对全过程所使用的原料、生产工艺以 及生产完成后的产品使用进行全面的分析，对可能出现的污染问题进行预防，这洋：城 市环境面临的危害就会大大减轻，建设绿色生态城市就有了良好的基础。 下面主要从膜分离技术工艺在各行业清洁生产中的应用研究现状。 ( 1 ) 染料生产新工艺 传统的染料提纯法是用盐析法将成品染料沉淀出来，然后进行扳框过滤，再溶 解结晶。但这样的方法不仅耗费大量的盐，染料的流失率高达1 2 2 0 ，且成品染 料中仍含有相当数量的无机盐，此外，排出的染料废水中含有大量的无机盐和副染 料，严重污染环境印l 。 在染料工业中，用膜分离方法去除柯染料浆液中的无机盐和副染料产品的研究 与应用在国外已有报道。我国近年也有报道，用纳滤对粗染料溶液脱盐净化和浓缩， 制备高纯度染料。结果表明：c a 纳滤摸可用于活性染料印染废水处理和染料回收。 采用膜分离技术，不仅可以提高染料品质，增加产品收率，而且可以减少染料 废水的排放量和无机盐的含量，减少环境污染，扩大尘产能力，同时利用合适的膜 系统。浓缩回收原辅材料，使染料生产符合清洁生产工艺的要求与规范。根据不同 的染料聚合浆液，采用不同的膜分离系统。一般可选用超滤膜、纳滤膜和反渗透膜， 但最理想的是纳滤膜。因为大多数染料的分子量在几百至几千，纳滤膜可以允许一 些无机盐或小分子染料通过，而对较大的染料分子进行截流。粗染料浆液经过膜系 统后，脱盐率可达9 8 以上，染料损失率小于0 1 。 ( 2 ) 膜分离工艺在食品工业清洁生产中的应用 6 颐t 论文 超缱- 纳摩联台睽分高技术n 十霉爨壬5 取中的m 田碑定 美国n e t h e r l a n d s 的a v e b ef o x h o l t 3 4 l 厂将歼槽式管式连续r o 膜清结生产系统用 以处理废水中的总悬浮固体( t s s ) 该系统将离心机出水分为2 股：( 1 ) 约9 0 m 3 l l 的渗透液：( 2 ) 含8 总固体( t s ) 的9 0 m h 的r o 截留液。r o 渗透液可再循环 至磨碎工序回收。全部的r o 截留液用蒸汽加热、浓缩、机械分离和干燥成高等级 的用于畜禽饲料的蛋白质浓缩物。机械蛋白分离所剩余的土豆浆水被蒸发浓缩到约 6 0 t s ，并作为一种销路好的产品销售。这一工艺既解决了废水处理问题，也使每 吨土豆原料耗水量由7 吨降到0 6 吨，两种副产品成为额外收入，其经济效益是明 显的。 纳滤膜已应用在食品工业清洁生产中的乳清渗透液或其它食品加工排水脱箍。 含盐干酪乳清中盐、乳清固体和c o d 含量分别为4 6 ，6 和4 5 0 0 0 m g f l 它 既不能直接排放，也因为含盐量高而不能同一般的干酪混合造成极大的浪费和产 生严重的废物问题。n f 系统能高效地去除n a c i 。n f 脱盐系统不但回收了物质， 而且解决了粘稠的废弃物问题。 牛奶厂在加工工艺中使用了磷酸，造成水中磷酸盐含量超过1 0 0 m g l 。r o 可 以使其作为化肥等有用物质，并将出水循环回用。醋酸纤维( c a ) 仍放认为是废 水处理中性能较好的膜，因为它有良好的截留性能，对磷的去除率大于9 5 ，而对 氮的去除率一般超过9 0 ，并且亚硝酸盐和硝酸盐的去除率一般也在8 4 9 7 之 日j 【3 5 】。 膜技术在食品工业清洁生产中，如果汁的浓缩生产、乳品加工、酒的生产中部 有着广阔的应用前景。 ( 3 ) 膜技术处理褐藻酸钠废水p q 薛德明等采用预处理一超滤一纳滤工艺处理褐藻咬生产废水，结果表明：经处 理后产水可回用于生产工艺，水的回收率 1 7 5 ；产生的浓缩水可与漂浮渣进行絮艇 反应。分离出的废渣和絮凝物又可通过生物工程制取海 废水资源化处理。 1 2 4 膜分离技术存在的问题 且前膜分离技术还存在一定的问题：( 1 ) 膜污染导 的清沈方法；( 2 ) 绝大部分膜耐药、耐热和耐溶剂能力 制：( 3 ) 单独使用膜分离技术分离效果有限。须和其他 顾卜论文超虑纳薄联合嗅分离技柬d 十霉索提取中的山用研究 1 3 土霉素 1 3 1 土霉素简介 土霉素有广谱抑菌作用。主要用于立克次体病，白氏杆菌病、支原体8 巾炎、衣 原体感染，也可用于敏感革兰氏阳性球菌与阴性杆菌引起的轻症感染。土霉素已应 用于兽医临床，使一些动物的传染病得到了控制。如猪喘气病是国内外普遍流行的 一种猪的“病毒性肺炎”，严重威胁养猪事业的发展用土霉素盐酸盐治疗这种病 毒性肺炎有较好疗效。土霉素还治疗鸡、鸭、鹅的巴氏杆菌病等此外，在饲料中 加入微量的土霉素能使仔猪、雏鸡和牛犊等长的很快在食品工业中，土霉素可用 作防腐剂来保藏肉类、鲜菜类等。 土霉素是通过生物合成得到的广谱抗生素，是以四并苯为母核的抗尘素，其结 构式如图1 2 所示产品为黄色结晶性粉末，从水中结晶得到的土霉素含2 分子结 晶水，水的含量达7 5 ，它的性状及标准列于表1 2 中。土霉素是两性化合物，其 等电点p h 为5 4 ，在等电点时，在水中的溶解度最小，不同p h 值的溶解度见表1 3 。 篮a b 德l l t c l | ) 2 4 4 ， 硕卜论文 越虎纳滤联合嗅分离技术在- 1 - 霉素 l 取中的声斤i 研究 1 3 2 土霉素提取方法及研究进展 根据土霉素的理化性质，常规可采用沉淀法、溶媒萃取法或离子交换法等从发 酵液中提取。 ( 1 ) 沉淀法 利用四环类抗生素在碱性下能和钙、镁、钡或某些季胺碱形成复合物而沉淀的 方法，在土霉素滤液中加入0 5 l 溴代十六烷吡啶，碱化至p h = 9 6 l o ，0 有 沉淀析出，沉淀过滤后用水洗涤，然后溶于5 草酸：浓盐酸( 4 ：1 ) 混合液中， 得到p h = 1 o 1 2 的溶液，再用活性炭脱色，调p h = 4 o 4 5 ，析出土霉素碱税制品。 由于发酵单位的提高，现在生产厂家一般采用将发酵液先用草酸或盐酸一草酸 酸化，然后加黄血盐、硫酸锌净化后。过滤，滤液采用1 2 2 树q 旨脱色后，调p h 至 等电点进行结晶。 ( 2 ) 溶媒萃取法 土霉素在碱性下成负离子能与溴代十六烷基毗啶相结合而溶于异辛醇中，然后 再在酸性下萃取到水相。 ( 3 ) 离子交换法 四环类抗生素在酸性下成一价阳离子，在等电点附近成偶极离子，在碱性下， 成一价阴离子，当碱性增加时，最终形成二价阴离子。 在酸眭下，磺基扫| 脂能吸附四环素反应过程如下： r s o ；h + + r + 。叶r s o ；r “+ h + 然后在碱性下进行沈脱，洗脱剂采用氮溶液，其反应过程如下： r s o ；r 七n h ：o h r s o j n h jj r 硭 i l 一尺，- 或尺。 以上两式中，r 为四环类抗生素。 为防止抗生素破坏，洗脱宜在低温下进行，解吸液随时中和，用草酸酸化至p h = 2 ，去除一些蛋白质，然后调至p h = 4 8 ，即将四环素碱析出。土霉素也可用此法生 产 9 ， 鼙 硕卜论文趁滤纳涟联台骥分离技术n 十冒寨键取中的廊用研究 但上述工艺往往十分繁杂，所需时日j 长，提取过程中需要消耗大量的原料，能 耗高，产品回收率低，废水污染严重且处理难度大。另外，抗生素在漫长的提取过 程中易变性失活 3 7 1 。随着科技与经济的发展，对抗生素的分离纯化方法提出了更高 的要求。膜分离技术是- f - j 新型的高分离、浓缩、提纯及净化技术，近年束发展迅 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，它具有节能，不破坏产品结构、少污染和操作简单等特点，因此在抗生素 提炼中的应用研究近年来十分活跃 3 7 , 3 钔，也是膜分离技术应用重点推广的领域之 一 将膜分离技术应用在提高土霉素纯度及回收废液中土霉素方面己做了一些研 究工作，并取得了一定的效果。 李十中等【5 。6 1 人在高纯度土霉素碱生产工艺研究中，把卡只1 5 0 9 土霉素碱用盐酸 溶解后，与a 酸络合形成的络合物溶液调节口h 至l 2 ，静冒，过滤，过滤后的滤 液加入0 0 9 ( w v ) 净化剂k 2 f e ( c n ) 6 z n s 0 4 ，用h f p s l 0 膜超滤净化液，在3 0 时 调d h 至5 o 5 2 。结晶，可得1 2 0 9 纯土霉素碱干粉，母液i 为5 2 0 , u g m l ( 原母 液效价1 0 0 0 1 2 0 0 g m l ) ，收率8 0 ；采用h p l c 法测定产品纯度，结果表明， 土霉素的纯度由粗碱的9 6 ，】4 提高到9 8 ，7 2 ，a d o t c 含量由1 8 9 下降至o ，3 7 ， 去除率达8 0 以上，在4 3 0 、4 9 0 n m 杂质吸光度降低，分别为o 0 8 、0 0 1 5 ，杂质 吸光度以及其他各项指标均与p l i v a 公司产品相当，甚至高于其质量标准。 在膜分离法回收土霉素结晶母液中的报道中【8 1 ，用n i t t o d e n k o ( h k ) 公司提供的 超滤膜n 1 u 3 1 5 0 ( m w c 0 5 0 0 0 0 ) 和反渗透膜n t r 7 4 5 9 ( 脱盐率9 9 ) 进行预处理和 浓缩。母液经超滤( m w c 0 5 0 0 0 0 ) 预处理后，通过反渗透膜，渗透液进行水质分析， 浓缩液经超滤( m w c o l 0 0 0 0 ，购自m i l l i p o r e 公司) 处理后，用1 5 氨水调节p h 值。 进行土霉素结晶，并与土霉素在未经超滤处理的浓缩液中结晶的结果进行比较。超 滤操作压力0 3 m p a ，体积浓缩l o 倍，反渗透操作压力1 8 m p a ，体积浓缩3 5 倍， 为避免温度升高，用激冷器( j u l a b o f t 2 0 0 0 ，g e r m a n ) 维持反渗透操作温度2 l 2 3 。用膜处理唛水前，先用盐酸将母液的p h 从4 5 调节至2 左右，以防土霉襄在 膜麦面结晶。反渗透处理母液后污染负荷c o d 、t o c 发生了显著变化，出水c o d 降至1 8 9 m 啦，t o c 降至9 3 m g l ，从实验结果可知，反渗透可以较大程度地去除 污染负荷，1 o c 和c o d 的去除率为9 8 ，反渗透出水的透过速率衰减办在可以接 受的范围，常规的化学清沈可以保持一定的透过速率，当浓缩倍数为3 5 时，r o 透过液通量为l o l ( m 2 h ) 。土霉素从1 0 0 0 m g l 浓缩至3 5 0 0 m g l ，浓度约为水中 溶解度的7 倍。从反渗透浓缩液中结晶回收土霉素，结晶过程溶液中土霉素在未经 超滤处理的浓缩液中不能结晶仅有少部分土霉素与生物大分子杂质相互形成絮凝 沉淀。而在超滤后的浓缩液中，则可以结晶，得到土霉素晶体。结晶结果的差异是由 1 0 硕十论文超滤纳摩联合瞑分震技术在十研鬃壬5 取中的i 二，f 珂研兜 于浓缩液中分子量小于超滤膜孔径( m w c 0 5 0 0 0 0 ) 的那部分来自培养基或代谢过程 产生的蛋白质、多糖等大分子，因自身结构具有亲水和疏水基团，属表面活性物质， 所以和母液中残留的土霉素有相互作用，使土霉素过饱和而不结晶。超滤去除这些影 响因素后，土霉素即可结晶。由实验结果知，反渗透处理土霉素母液可以去除污染负 荷9 8 以上，浓缩液中的土霉素在经过超滤处理后可以通过结晶的方法回收，所得 土霉素纯度为8 2 9 ，效价7 7 1p g n a g 回收率6 2 。结晶土霉素后的二次母液， 经与车j 日j 冲洗水等低污染负荷水混合后，可较容易地进行生物降解。 魏有权等【3 9 l 在萃取的基础上，进行了乳状液膜分离萃取发酵废液中土霉素试验 研究。采用o 4 氯代十六烷基毗啶( p c c ) 为载体，8 s p a n - 8 0 为表面活性刺， 煤油为稀释剂，异辛醇为助溶剂，0 5 m o l l 盐酸溶液为膜内相，稀释剂与助溶剂l ： l ，膜内比为4 ：1 ，可制得稳定的乳状液摸。经过试验，确定最佳操作条件为：恒 温2 0 ，外水相p h = 1 0 ，萃取搅拌速度1 5 0 r m i n ，乳水比为：1 ：6 ，萃取率可达 6 1 3 3 。如何进一步提高萃取效率和选择合适的破乳手段，还有待于深入研究。 1 4 本课题的主要内容和意义 随着市场竞争的加剧和对土霉素产品质量要求的提高，开发一种在提高产品质 量的同时，又能提高土霉素收率，并有助于解决废水污染的切实可行的新工艺，一 直是生产厂家及广大科研工作者所关注的课题，本文将现代高效分离技术一一膜分 离技术引入土霉素生产工艺中，进行了超滤暝对土霉素分离、提纯的研究及纳滤膜 对土霉素浓缩的研究。采用超滤纳滤联合技术，以此纯化和浓缩发酵液中的土霉素， 缩短生产周期，减少在提取过程中产生的差向土霉素和一些降解物等杂质，提高产 品纯度，提高结晶收率，减少母液中的土霉素含量，改善废水可生性。 随着生物技术的飞速发展，对与之相配套的尘物产品分离纯化的方法以及生化 过程控为! 技术提出了更高的要求。由于膜分离过程具有防止杂菌污染和热敏性物质 失活等特点，在生物化工过程中的作用正同益增大，在生化领域的应用前景十分广 阔。将膜分离技术应用于土霉素的生产过程中，以提高产品质量及收率，最终实现 资源最大限度利用和清洁生产。此课题的研究有利于医药行业及其它行业的发展， 并给企业和社会带来更多的经济效益和环境效益。 硕 论史超摩- 纳蔗联合谟分驾技术仃十霉豢挺取中的p 矸l 研究 2 1 引言 第2 章超滤实验 超滤( u f ) 是以压力差为推动力的一种膜分离过程，它适用于各类物质的分离、 浓缩、提纯和精制，是目前应用最为广泛的膜分离技术。超滤主要应用于将溶液中 的颗粒物、胶体和大分子与溶剂等小分子物质分离，目前已涉及电子工业、食品工 业、医药工业、环境保护和生物工程等领域。超滤是目前公认的去除热源比较理想 的方法，国内外对超滤去除热源做了大量研究( 卜4 1 。超滤主要是一种筛孔分离过程。 从理论上讲，小于膜孔径的溶质可以透过膜，而大于膜孔径的溶质被膜截留。但在 实际的超滤过程中，分离效率不仅与膜孔径的大小即膜截留分子量大小有关，还与 膜材料的性质、原料液的特性、操作条件等密切相关。因此在采用膜分离技术对土 霉素进行纯化时，要进行膜材料的选择及操作条件的确定实验。这对进一步扩大规 模生产有一定的指导意义。 2 2 实验材料 2 2 1 原料液 水样取自某土霉素生产厂的板框滤液，土霉素效价为1 2 9 0 8 , u g m l p h 值2 0 ， 透光度8 0 ，蛋白质含量1 8 7 , u g m l 。 2 2 2 膜材料 表2 1 实验目超藩暝犁号和土要性能一览表 硕论文超应纳毒联合膜分离技术在t 霉棠提取中的心用研究 2 2 3 试剂及配制 六水合三氯化铁盐酸氨水重铬酸钾硫酸亚铁铵浓硫酸硫酸汞( 均 为分析纯) 考马斯亮蓝( 优级纯) 1 ) 三氯化铁 配置方法：称取三氯化铁5 0 0 克( f e c l 3 6 h 2 0 称8 3 0 克) 用少量蒸馏水溶解过 滤，加浓盐酸3 0 m l ，加蒸馏水至4 0 0 0 m l 摇匀，放黄一天标化。根据初算结果用 蒸瑶水和2 m o l l 盐酸调节至酸度2 m o i l 和浓度1 0 。 标化方法： 浓度：取l o f e c b 液2 m l 于2 5 0 m l 碘瓶中，加蒸馏水3 0 m l ，3 0 碘化钾 5 m l 6 m o l l 盐酸3 m l ，盖好塞子封水摇匀，放暗处3 分钟，用o 0 7 5 m o l l 硫代硫酸 钠滴至蓝色刚消失为终点，o 5 淀粉作指示剂。 c v 0 1 6 2 f e c l 3 ( g m l ) = 半 c 一硫代硫酸钠的浓度( m o l l ) ； v 一硫代硫酸钠的用量( m l ) ； v i 1 0 三氯化铁溶液的取用量( m l ) 反应式： 2f e c l 3 + 2 _ 2f e c i z + 1 2 + 2 k c i 1 2 + 2 n a 2 s 2 0 3 = n a 2 s 4 0 6 + 2 n a l 酸度： 用一等i m l 吸管吸取1 0 f e c l 3 液0 5 m l 于2 5 0 m l 三角瓶中，加蒸馏水3 0 m l o 5 酚酞3 滴，用0 1 m o l l n a o h 标准液商定出现沉淀后，上清夜微红色为终点。 ( p h 8 0 8 ，4 ) 2 ) 2 m o i l 盐酸 配霞方法：量取浓