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1、1超滤去除红霉素发酵液乳化现象的研究作者：冯建立 许振良 王学军 杨志和 文生【摘要 】 目的 开发一种超滤法去除红霉素发酵液处理过程中乳化现象的新工艺。方法 采用自制的三种中空纤维超滤膜(UF1、UF2 和 UF3)对红霉素发酵液去除乳化现象进行了试验。结果 在优化的操作条件下，UF3 膜能够去除红霉素发酵液中蛋白质等引起乳化的杂质，超滤膜可以再生使用。结论 超滤法可达到去除乳化的目的，同时提高了萃取的收率和质量。 【关键词】 超滤 发酵液 乳化 红霉素 预处理Study on the demulsification of erythromycin fermentationABSTRACT
2、Objective To develop a new process used for demulsification of erythromycin fermentation broth by ultrafiltration membrane technique. Methods Three selfmade hollow fiber ultrafiltration membranes (UF1, UF2 and UF3) were tested to remove impurities which caused emulsification, e.g. protein, in the fe
3、rmentation broth. 2Results The experiments under optimum operation conditions indicates that UF3 is practicable to remove protein and polysaccharide which were the main cause of emulsitication of erythromycin fermentation broth, and the membrane could be recycled for using. Conclusions Ultrafiltrati
4、on method could be employed to demulsification successfully. At the same time, it could improve the yield and quality of extraction.KEY WORDS Ultrafiltration; Fermentation broth; Emulsification; Erythromycin; Pretreatment红霉素是一种大环内酯类抗生素，主要采用发酵法生产。由于发酵液中含有大量的菌丝体、蛋白和多糖等物质，给红霉素的分离提取带来困难，影响其收率和质量。因此，在分离提
5、取前必须对发酵液进行预处理。目前较常用的方法是絮凝和高速离心。前者除菌率较高，但去除蛋白和多糖的效果较差，致使溶液黏度很高，影响后续结晶过程；后者能耗大，设备价格昂贵，在实际生产中难以广泛应用。超滤是近几十年发展起来的新型分离技术，能较好地去除蛋白和多糖等大分子物质36 。本文采用自制的超滤膜对红霉素发酵液去乳化进行研究，解决了絮凝法去除蛋白和多糖效果较差的问题，同时提高了萃取的收率和质量。31 实验部分1.1 试剂和仪器红霉素发酵液，河南天方药业股份有限公司；醋酸丁酯，工业品；其它试剂均为分析纯。PHS3B 型酸度计，上海精密科学仪器有限公司；LP40 型离心机，北京路科顺科技发展有限公司；
6、721 型分光光度计，上海光学仪器厂，Waters 高效液相色谱仪(L7110 输液泵， L7420 紫外可见检测器 )； 敏感菌(短小芽孢杆菌 63202)，河南天方药业股份有限公司提供。1.2 实验方法(1)预处理过程操作方法 2000ml 经板框过滤的红霉素发酵液，采用不同的超滤膜在不同的操作压力和不同工作流量下进行过滤得到不同条件的滤液。(2)试验用超滤膜 三种中空纤维超滤膜如下：UF1 截留分子量50000、UF2 截留分子量 6000 和 UF3 截留分子量4000。UF1 、UF2 和 UF3 均由本实验室自制。膜材料均为聚醚砜(PES)。三种膜在 25，操作压力为 0.1MPa
7、 下的初始纯水通4量(L/m2h)分别为 28.6、20.4 和 18.2。(3)试验流程 红霉素预处理试验流程见 Fig.1。在实验过程中，温度为 25，压力为 0.050.20MPa。同时，经过膜试验装置的浓缩液和透过液都循环到原位槽，以保证原料液组成不变。1.3 溶媒萃取的实验方法在分液漏斗中分取一定量的滤液，加入不同量的有机溶剂，并用10%的 NaOH 溶液或氨水调节适宜的 pH，并用水浴控制一定的温度，震荡 15min，静止 30min，观察乳化现象。分析方法：生物效价磷酸分光光度法；发酵液吸光度(A)：测定波长 650nm；蛋白含量：考马斯亮蓝法；红霉素 A 含量：HPLC 法。2
8、 结果和讨论2.1 膜的选择经过不同方式处理后发酵液各项指标见 Tab.1。5在试验过程中，采用全循环方式研究进料流量对膜通量以及超滤膜对红霉素发酵液中蛋白质的去除效果的影响。结果表明，发酵液经 UF1、UF2 和 UF3 三种不同的膜后其效价基本不变，而蛋白质含量经三种膜 UF1、UF2 和 UF3 后依次减小，蛋白质的去除率依次增大。同时可以看出经三种膜后溶液逐渐变得清澈、透明；在提取时乳化现象依次减小，尤其经过 UF3 膜后乳化现象消失。因此本试验选取 UF3 膜对红霉素发酵液去除乳化进行研究。2.2 进料流量 Q 的影响 1: Feed tank; 2: Pump; 3: Pressu
9、re gauge;4: Flowmeter; 5: Membrane module; 6: Valve在恒定压力下，膜的通量J ，L/(m2h) 随进料流量Q，(L/h)增大而增大。这是由于进料量增大，料液在膜面的流速增大，减轻了膜面的浓差极化和污染，导致通量增加。但流速过大、亦会造成膜面有效压力沿程损失增大。在低压运行情况下，会造成膜面有效压力随流量增大而下降较大，进而影响膜的通量。从Fig.3 和 Fig.4(其中 CproteinP 为料液中蛋白质浓度)可见，UF3膜性能稳定对蛋白质有较高的去除率(Rprotein)。同时工作流量和压力的变化对蛋白质的去除率影响不大。62.3 操作压力的
10、影响在 6L/h 的工作流量下，研究 UF3 膜出水的各项指标随压力的变化关系。从 Fig.5 可知，随压力的增大，水通量上升。同时可以看出，在一定的工作流量下，操作压力的变化对膜截留蛋白质变化不大，可以认为不变，这说明 UF3 对红霉素发酵液中的蛋白质去除很好。从 Fig.6 可以看出，在不同的操作压力下，发酵液的效价变化不大，说明在红霉素发酵液的去乳化过程中，UF3 膜可以很好的去除发酵液中的蛋白质及其他杂质而本身效价不变。2.4 运行时间的影响在 0.15MPa，进料流量为 6L/h 的条件下，研究 UF3 膜出水的通量、蛋白质浓度随时间的变化关系(Fig.7)。从 Fig.7 可以看出
11、，在发酵液的过滤过程中，随着时间的延续，膜的通量有所下降。一方面是由于物料渗透压的增加，另一方面主要是由于发酵液对膜的Tab.1 Comparison of impurity content in fermentation broth before and after ultrafiltrationParameters UF1FeedPermeateUF2FeedPermeateUF3FeedPermeateVolume (ml)2000100020000100020001000A650 7value8.580.788.490.568.540.24Protein concentration (
12、g/m3)2463103824636952463331Biological value (u/ml)520851945208519852085196Removal ratio of protein (%)57.8671.7886.561: 0.1MPa; 2: 0.15MPaFig.2 The relationship between Q (the flow rate offeed material) and J (the membrane flux) 1: CproteinP: protein concentration in fermentation broth;2: Rprotein:
13、Removal ratio of proteinFig.3 The relationships of Q CproteinP and Rproteinunder 0.1MPa1: CproteinP: protein concentration in fermentation broth;2: Rprotein: Removal ratio of protein8Fig.4 The relationships of Q CproteinP and Rproteinunder 0.15MPa1: Rprotein; 2: JFig.5 The relationships P J and Rpro
14、teinFig.6 The relationships between P andbiological titer1: CproteinP; 2: JFig.7 The relationships of time J and CproteinP污染，导致通量下降。而蛋白质量基本不随时间而变化。说明在过滤红霉素发酵液时膜去除蛋白质的性能比较稳定。2.5 膜的污染与清洗采用全循环方式研究运行周期下(时间间隔 3h)，用去离子水高速冲洗 0.5h 对膜通量的恢复情况的影响见 Tab.2。Tab.2 所列数据说明，在不同的操作压力下，经去离子水冲洗后，可使膜通量恢复到初始水通量的 90%，说明红霉素发
15、酵液对 UF3 膜不会造成不可逆的污染，UF3 膜可重复使用。92.6 经膜处理和未经膜处理红霉素提取收率比较Tab.3 和 Tab.4 分别为板框过滤和超滤液提起收率、成盐收率的比较和两种滤液提取后转化为硫氰酸红霉素的质量对比。从表中数据可知经超滤膜处理的红霉素在提取条件相同下其收率提高了 4.38%，溶媒消耗降低了 2.7%，成盐效价提高了 2.44u/g。2.7 经济分析假设每天处理 100 吨发酵液， 每天设备运行 10hTab.2 Effect of water flushing on membrane propertiesPressure(MPa)Pure waterflux L/
16、(m2h)Water flux after10flushing L/(m2h)Restorationratio(%)0.1018.216.690. 90.1527.424.489.10.2031.228.190.0则需膜面积 625m2，每平方米膜需 1000 元则共需 62.5 万元，另外购买管道设备还需 17.5 万元，总计需 81 万元。用膜后假设一年按 300d 运行则可节约成本 483 万元左右。Tab.5 对红霉素发酵液使用和不用膜工艺处理的经济分析进行了分析，常规膜寿命以两年计。3 结论本文利用不同截留分子量的超滤膜，对影响红霉素发酵液处理过程中的乳化现象进行了研究。考察了超滤过程中进料流量、操作压力、运行时间等对膜通量的影响，结果表明截留分子量为 4000 的UF3 超滤膜去除蛋白质和多糖等杂质效果明显。红霉素发酵液不会对 UF3 膜产生不
