透明质酸发酵液的高效切向流膜分离技术及膜污染机理研究

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本文采用高效切向流过滤技术(HTPFF),系统地研究了膜过滤透明质酸发酵液的特性及膜污染机理;运用两阶段微滤、超滤膜相结合工艺,分离提纯出了高品质的透明质酸。为进一步强化HTPFF性能,开发了磁化-HTPFF一体化技术;并对该技术的特性和磁化改善膜过滤性能的机理进行了深入研究。 运用HTPFF,在一定的水力学条件下合理调节HA发酵液的pH及溶液的离子强度(EIS)以改变微滤膜、超滤膜对HA的选择性,采用两阶段的微滤、超滤相结合工艺,能够有效地分离提纯出高品质的HA。PVDF材质的膜适合于HA发酵液的过滤分离,微滤膜孔径可选用0.20~0.45μm,超滤膜可选用MWCO100~300kDa。微滤发酵液试验最佳水力学条件为透膜压力(TMP)0.1MPa,错流速度(v)1.25m/s,发酵液化学条件为pH4.0,EIS0.2~0.25mol/lNaCl;超滤发酵液分别为TMP0.15MPa,v1.25m/s,pH7.0,EIS0.1~0.25mol/lNaCl。两种微滤、超滤相结合方案均能有效地分离提纯HA,产率达77﹪以上,纯度系数1000左右。利用超滤渗透液作为微滤阶段渗滤溶剂的方案由于对超滤渗透液的回收利用,提高了HA的产率,节约了用水量,减少了工艺的废水排放量,具有潜在的应用价值。 微滤膜过滤HA发酵液的污染机理主要是滤饼层过滤,但其过滤初期存在着一定程度的膜面孔堵塞及膜孔内阻塞。超滤膜污染机理是膜孔内阻塞和滤饼层过滤的结合。膜面的凝胶滤饼层主要是由菌体、HA、蛋白质等物质相互胶联形成的聚集体,对于膜污染产生重要影响。透明质酸发酵液组份在膜中的吸附沉积也造成膜污染的一个重要因素。发酵液组份中,对于微滤膜污染的主要贡献者是蛋白质,对于超滤膜污染的主要贡献者是蛋白质和HA。菌体并不是造成膜污染的主要物质;相反菌体在过滤一段时间后对于膜污染的加剧有减缓作用,增加菌体浓度,可使得膜稳态通量有所提高。 磁化-HPTFF一体化技术可有效改善膜过滤性能,使得膜过滤通量提高20﹪以上,且并未对超滤阶段的蛋白质与HA的选择性系数产生不良影响,对于HA的分离提纯较为有利。试验中最佳的磁感应强度为0.11T;分离HA发酵液时最佳的溶液化学条件是微滤膜:pH3.0,EIS0.25mol/1NaCl;超滤膜:pH3.0,EIS0.15mol/lNaCl。磁化-HTPFF一体化技术使得可处理的HA发酵液的浓度增高约50﹪,该工艺可保持长时间的连续稳定运行。 磁场作用减轻了膜污染,强化了膜过滤性能。该作用能增大HA分子的透膜扩散系数,降低膜对溶质的吸附,使得膜面污染物量下降;改变膜面污染物聚集体的形态,使之变得分散,胶联度下降,间隙增大;降低膜污染阻力,改变污染阻力的构成,浓度极化阻力影响增大。菌体对磁场效应有一定的抑制作用,HA、蛋白质等溶质对磁场作用的响应对磁场改善膜过滤性能有重要的积极影响。磁场对膜过滤性能的改善应是多种效应共同作用的结果,还应包括磁场对膜本身作用,发酵液粘度下降,氢键断裂,分子排列取向,洛仑兹力作用,感应电场等多种效应。
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