陶瓷膜过滤万古霉素的研究总结

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2022-08-06    环球过滤分离技术网   guolvfenlitech9

摘要


本文重点介绍赵士明发表的《陶瓷膜过滤万古霉素的研究》，同时还简单介绍了两种构型多孔陶瓷膜过滤性能的差异及超声波在膜过滤中的应用两篇文章。首篇文章主要研究万古霉素发酵液的预处理、膜通量计算方法、连续洗滤（CFD）过滤的效果和膜的清洗方法等内容。

关键词：陶瓷膜；万古霉素；过滤；超声

发酵液性质和前处理

万古霉素发酵液呈棕黄色，有发酵液特有的气味，黏性较大，流动性差，其内含菌丝体、蛋白、万古霉素等，万古霉素质量浓度为4～7 g/L。万古霉素发酵液pH 7.5～8.0，陶瓷膜过滤前需用10%NaOH调节pH至9～10，过滤期间需在线控制其pH值。

陶瓷膜过滤

  采用错流过滤方式。将预处理后的万古霉素发酵液连续置于膜设备中，控制温度在20～30 ℃，调节操作压力为290 kPa，膜面流速为5 m/s，发酵液浓缩一定倍数后加纯水洗滤，考察陶瓷膜对万古霉素发酵液的分离纯化效果，记录通量、温度和时间，期间取原液、清液和浓缩液。

陶瓷膜通量测定

水通量测定：设备稳定运行10 min后，待直至水通量基本稳定，在0.1 MPa、常温条件下测量水通量，直接读取浮子流量计刻度或通过以下公式计算：


料液通量测定：测定陶瓷膜过滤过程中某一时间段的通量情况，即计算出单位时间、单位膜面积渗透液的通量值，计算方法如①所示，单位L/（h·m2）。

膜过滤通量测定：记录陶瓷膜过滤的耗时（即从进料开始至停止出料所用时间），测定系统渗透液的总质量，并计算出单位时间、单位膜面积滤液的通量值，计算方法如①所示，单位kg/（h·m2）。

膜过滤过程

当料液从初始料液体积V0被浓缩至保留液体积Vd时，保持保留液体积（Vd）恒定，流加洗水体积（Vw）与滤液的透出速度相同，称此过程为连续洗滤过程（continuous feeddiafiltertration，CFD）。如果洗水是间歇添加的，并且每次添加洗水体积Vw洗水后保留液均保持在相同体积，则称此过程为间歇洗滤（intermittent feed diafiltertration，IFD）。

定义浓缩阶段结束时初始料液体积V0与保留液体积Vd的比值a为浓缩倍数；洗滤阶段，洗水体积Vw（洗水总体积）与初始料液体积V0的比值b为洗水倍数，即：a =V0 /Vd；b=Vw/V0。过滤结束后，得到体积增长率K的计算公式如下：K =V/V0－1=b－1/a


间歇洗滤（IFD ）过滤过程对膜过滤通量和收率的影响

将预处理后万古霉素发酵液连续置于超滤设备中进行试验，当料液浓缩至2 倍时开始间歇洗滤，以每次5 L 的洗水量控制洗水的进出速度。 本次实验主要考察了IFD 过滤过程对膜过滤通量和收率的影响，结果如图1 所示。

连续洗滤（CFD ）过滤过程对膜过滤通量和收率的影响

将预处理后的万古霉素发酵液连续置于超滤设备中进行试验，当料液浓缩至1.71 倍时开始连续洗滤，以每次1 L 的洗水量控制洗水的进出速度。 本次实验主要考察了CFD 过滤过程对膜过滤通量和收率的影响，实验结果如图2 所示。


不同孔径陶瓷膜对膜通量和收率的影响

将预处理后万古霉素发酵液连续置于超滤设备中进行试验，当料液浓缩至1.66 倍时开始连续洗滤，以每次1 L的洗水量控制洗水的进出速度。 运用CFD 过滤，考察不同孔径陶瓷膜对膜通量和收率的影响，实验结果如图3 所示。



浓缩倍数与收率的关系

在保证万古霉素过滤收率相同的条件下，料液体积越小，所需的清洗加水量就越小，且体积越小，操作时间就越短，但随着浓缩的进行，总固形物将增大，料液通量会逐渐下降，操作时间将大大延长。 因此，需要找到最佳浓缩点，来保证操作时间最短。本研究 将预处理后万古霉素发酵液连续置于超滤设备中进行实验，超滤过程中体系温度控制在20～30 ℃ ，操作压力为290 kPa ，膜面流速5 m/s。 浓缩至一定倍数后开始CFD 过程，以每次1 L 的洗水量控制洗水的进出速度。 实验结果如表1 所示。




膜清洗方法

针对万古霉素发酵液体系，首先可用水冲刷，去除气泡和膜表面的可逆污染；再结合化学试剂和高流速低压循环对污染物进行分解 、

置换作用，尽可能地在膜面产生较大的剪切力以去除不可逆污染[4，16] 。经多次试验证实，化学清洗主要是用质量分数为2%～3%（以循环水质量计，下同）NaOH分解污染物，结合0.5%～1.0% NaClO氧化难分解的污染物，再通过清水冲洗干净，如此水通量重复恢复率可达98%以上 。




两种构型多孔陶瓷膜过滤性能试验

       为了尽可能增大多孔陶瓷膜单位体积的有效过滤面积和减少膜渗透流过的距离，选用扇形过流通道多孔陶瓷膜，同时把其中间通道设置为渗透液汇集通道，即多孔陶瓷膜构型同时具有中间通道侧和陶瓷膜外侧两个渗透侧。 上图１为试验选用的两种多孔陶瓷膜构型的断面。结果表明，两种构型的多孔陶瓷膜去除效果基本相同，但是扇形过流通道多孔陶瓷膜的过滤性能优于圆形过流通道多孔陶瓷膜，其过滤通量是圆形过流通道多孔陶瓷膜的1.45倍。以上引自梁恒国《两种构型多孔陶瓷膜过滤性能试验》


超声在陶瓷膜处理中的应用

实验表明分离体系中, 超声发生功率在一定范围内,超声不仅起到破乳的作用, 而且可以强化传质, 提高膜分离效率。在相同的膜过滤操作条件下, 引入超声使过滤稳定通量提高了近一倍, 并且膜截留效果也有一定提高。超声探头发射位置对膜分离效果也有一定影响, 当探头位置接近膜管中部时, 膜稳定通量较大。超声的发生方向对膜稳定通量的影响不大, 但按照膜的截留效果考虑, 以超声方向与料液流动方向一致为宜.

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