陶瓷膜在谷氨酸发酵涂除菌过程中的应用

42 食品与 发酵工业 Food and Fermentadon Industries "4ol 27 No 5 陶瓷膜在谷氨酸发酵液除菌过程中的应用 王焕章 许赵辉 邢卫红 徐南平 (广东肇庆星湖股份有限公司，肇庆，5260611(南京化工大学膜科学技术研究所，南京，210009) 景 文珩 王‘ 林 (江苏皖维久吾高科技股份有限公 司，南京．210009) 摘 要 陶瓷膜在各氧琏发酵液障茸三：程中的应用进行 了宴验研 究。 实现 了障菌、洗菌、 缩过程连续化提 伟，浓缩涪数达到 25悟 ：选 择了售适 径 的陶 瓷鹰，确定 了膜的操作杀母 和再生方式。当加水量为发酵澶量 的0 1倍 时． l清后咎氡琏收率>99．7％ 除菌率2- 99 98％ 。 关键调 陶瓷膜 各氨酸 发酵镬 过糠 回收 我国年产味精 50多万 t，传统的味精提 取工艺中，由于采用带菌等电点离交分离法， 存在着谷氮酸收率低，易形成 S．型谷氨酸，离 交废水量大等缺 点【l1。为此 国 内外许 多学 者进行 r先除菌后等电离交或将除菌的发酵 液浓缩进行浓缩等 电的研究_2 J，浓缩一次等 电收率可提高 4％～6％，谷氨酸纯度可提高 1％ _31 ， 浓缩后 的菌体可 制成饲料[ 或有机 复合肥 回收利用。通常 除菌有离 心法和膜 法 5 2种，离心法由于除菌率低．操作强度大 等缺点，而来被推 广使用；而传统 的膜法除 菌，采用的有机膜存在着通量较小，浓缩比较 低等缺点。 本文采用无机 陶瓷膜，实 现 了除菌、洗 菌 、浓缩过程连续化操作 流程如图 1所示。 图 1 无机膜回收爸氨酸流程 1 实验部分 1．1 实验仪器 第一作者 ：学士 ．高级工程师 收辅时间 2000—11 13 实验所用陶瓷膜为南京化工大学膜科学 技术研究所生产的 50flits、0．2 m、0．8 m 的 19通道管式 zr 膜，通道直径为4mill。膜 管的有效长度为 0．2its、1．0m 2种，膜面积分 别为 0．0477m2、0．238m2。 离心机一台。 粘度计 一 台 (BR(X)KFIELD Engineer． ing LAMBS．INC．)。 1．2 分析与检测方法 1．2．1 湿菌体含量测定 湿菌体含量采用离心弥重法测量。取试 样 100mL'放入离心管内，平衡后，在3000 r／ rain转速下离心 20 rain．弃去上清液，离心管 倒置于滤纸上数分钟后 ，称量。 1 2．2 光 密度 (OD)测定 测定方法采用直接测量法。将发酵液摇 匀后放八厚度为 1 cm的比色杯中，用 581一G 型光 电比色计+在波 长 650 nm 下，以蒸馏水 为对照．测出光密度。 1．2．3 其 它检 测方 法 残糖和谷氨酸含量的测定方法见参考文 献 J。 1．3 实验原料 谷氨酸发酵液 由广东肇庆垦湖集团股份 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 27卷 第 5期 王焕章等：陶瓷膜在答氯酸发酵液除菌过程中的应用 43 有限公司味 厂 苎 如表 。 2结果与讨论 衰1发酵液主要指标 ⋯ ～ 2．1 膜孔径的选择 采用有效长度为 0．2m的陶瓷膜组件进 行选膜实验，操作方式为全回流 2 h。由表 2 衰 2 膜孔径与通量的关系 可以看出采用 0．2Ⅲn的膜进行实验，有较高 的通量，且除菌率较高。 2．2 操作条件对通量的影响 2．2．1 压 力对 通 量的影响 由图 2可以看出，在表面流速和温度 固 定的条件下，压力在 0．1～0．2MPa下，对通 量的影响不大，且当表面流速较低时，高压使 膜通量变小。这主要是因为膜表面吸附发酵 液中的菌体和多肽等物质，并形成具 有可 压 缩性 的凝胶层。在 低压时形 成的凝腔层较 厚．凝胶层的致密性对通量的影响，大于增加 压力使推动力增大对通量的影响。因此选择 0．1 MPa作为谷氨酸发酵液除菌实验的操 作 压 力 0 o5 O．1O o．15 o 20 0．25 P，町’8 图 2 操作压力对膜通量的影响 ▲ =1m／s 0 “=1．5nu's ● “=2m／s 丁=49"C 2．2．2 表 面流 速对 通 量的影响 由于 压力对通量变化的影响不明显，因 此将压力固定在 0．1 MPa下考察表面流速对 通量的 影响。由图 3可 以看出，从 0．5～2 m／s之间，通量与表面流速的关系呈线形，这 主要是因为表面流速直接影响层流底层的厚 度，也就是说影响凝胶层的厚度，减少凝胶极 化对过滤通量的影响。 图 3 膜表面流速对通量的影响 丁 =49"c P =0 1M Pa 2．2．3 温度 的影响 一 般来说，温度对通量的影响，是因为通 量的升高，导致料液粘度 的下 降和扩散 系数 的增大。因此考察料液粘度随温度的变化具 有一定的现实意义。本文考察了不同的浓缩 比下，粘度随温度的变化情况。由图 4可知， 在浓缩比较低时，温度对粘度的影响不大，且 升高温度从总体上来看可使粘度下降。但当 浓缩比达到 10时．粘度先随温度的升高而升 高．当到达 56℃时出现极值点，随后 粘度随 维普资讯 http://www.cqvip.com 食品与发酵工业 Food and Fermentation Indu时nes Vo1．27 No．5 温度的升高而降低。由此可 见，该体系粘度 随温度的变化非线性 ，在低浓度时，当温度高 于 45℃后，粘度随温度的变化 不明显，当浓 度较高时，低温可使粘度降低，但此时通量的 大小取决于液相传质系数与粘 度 2个 因素， 综台几方面原因，选定 5O℃做 为生产操作温 度 oo 图 4 粘度随温度的变化关系 ● c = 1 OC ： 5 ▲ c = 10 2．2．4 浓 缩比 对通 量 的影响 实验采用一级两段 法完成，第 1段为有 效膜面积为 0．238m 的膜组件，第 2段为有 效膜面积为 0．0477 rla 的膜组件。发酵液进 入第 1段膜组件过 滤，清液 流 出，当浓缩 至 10倍时，浓液进入第 2段 。通量随浓缩比的 变化如图 5、图 6所示。由图 5可见，在 4m／ s下．浓缩比在 1～10之间，膜通量均大于 95 L／m ·h；由图 6可 见，在 2m／s下，浓缩 比在 10--25之间时通量均大于 30 L／m h。 2．3 膜的清洗方法及对通量的影响 从上述实验可看 出。谷氨酸除苗过程表 现出明显的凝胶极化现象，也就是在原级 膜 表面会出现次级膜 ，这主要是 由膜表面吸附 发酵液中所含大分子或胶体微粒造成的。在 这种情况下，膜过滤的通量通常取决于次级 膜的形成过程，在次级膜的形成过程 中，膜堵 塞现象无法消除，而较窄的孔径分布的膜可 城少膜堵塞现象的发生，在膜表面形 成较稳 定的动态膜。由于太分子的蛋白质和胶体在 膜表面的吸附作用属物理吸附过程．因此通 过合适的清洗方法可达到 良好的恢复效果。 0 2 4 6 B lO 图 5 通量随浓缩 比的变化曲线 P = o．1MPa “ =4m／s T =5O℃ 图 6 通量随浓缩 比的变 化曲线 P =0．1 MPa “ =2m／s T =50℃ 操作一个周期后，膜组 件应 即时清洗， 以避免蛋 白变性后在孔内形成堵塞。合理 的 清洗程序为 ：关闭渗透侧出口阀门，清水溧洗 至流出液澄清；加入 70℃的 2％的 NaOH溶 液和 0．02％的 NaCIO溶 液清洗 30min后， 打开渗透侧清洗 15rain；再用清水漂 洗至渗 出液呈中性，经此过程清洗，水通量均可恢复 至新膜的80％以上，可满足生产要求。水通 量恢复率和通量的衰减关系如图 7所示。 2 4 洗水通量变化及产品收率 为保证较高的谷氨酸 收率，同时尽量减 少洗水时间，本文采用先将浓缩倍数为 25倍 的浓液加水稀释至 16倍后，采用连续水洗的 操作方式，当加水量 达到浓鳍渡量 的 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 27卷 第 5期 王焕章等 陶瓷膜在各氪酸发酵渡除菌过程中的应用 45 2．5倍，发酵液量的 0．1倍时，停 止加水，实 验采用冷水加入，自由升温的操作方式，冼水 倍数 (vD／V0)和通量变化如 图 8所示，在 工业生产上可采取温水洗茁。将洗菌后的发 酵液浓缩 至 25倍 (见图 9)。经此过程谷氨 酸收率>99．7％。 C 图 7 膜再生 程度对通量的影响 ▲新腱 一水通量恢复辜 80％ ●术通量恢复率 70％ 2．5 除菌后的发酵液性质指标 所得产品的性质指标如表 3所示，由表 3可以看出陶瓷膜法除菌率 >99．98％。 衰 3 性质指 标 C 图 9 通量与浓缩 比的关系 3 结 论 (1)通过采用无机膜过程实现了除菌、洗 菌、浓 缩 过 程 连 续 化 操 作。实 验 选 定 了 0．2 m的 ZrO2陶瓷膜做为谷氮酸发酵液 除 菌用膜，除菌率 >99．98％。浓缩倍数可达到 25倍。 (2)考察了操作条件对通量的影响，得出 低压高表面流速有利于通量的提高 的结论。 并且在 0．1 MPa、50℃、4m／s的条件下 膜的 平均通量>8O L／ ·h。 (3)确定了合适的膜再生方法及再生药 剂．为陶瓷膜的工业化应用奠定了基础。 (4)对冼菌方式进行了考察，当加水量达 到发酵液 量的 0．1倍 时，谷 氮酸收 率 达到 99．7％ 。 参 考 文 献 1 Shaoxun Huang．Xingyan W u，J．Chem．Tech- nol Biotechno1．，1995，64(2)，109～14 2 战宇 食 品与发酵工业．2000，26(2) 46～49 3 于信令 味精 工业手册 北京 ：中国轻工业 出版杜，1995 4 李红光 环境保护．1998．11：27～34 5 许赵 辉．王焕 章，赵亮 等 膜 科 学 与技 术， 2000．20(3)：62～64 维普资讯 http://www.cqvip.com 46 食 品与发酵工业 Feod and Ferpaev,tation lv,dnst~es Vol 27 No．5 Application of Ceramic M embrane Filtration in Glutam ic Acid Recovery W ang Huanzhang Xu Zhaohui Jing Wenheng Xing W eihong Xu Nanping W ang Huailin 1(Guangdong Zhaoqing Star Lake Co [no，ZhaoRing．526061) 2(Membrane Science＆ Teehnotogy Research Center．Nanjing，210009) 3(Jiangsu Wmawei Jiuwu H b Technology Co Ltd ．Nanjing，210009) ABSTRACT Recovery of glutamie acld by ceramic membrane was investigated The factor of concentration was 25 and purity was above 99 98％ by continuous operationt included removal of biomass from ferm ented broth． diafiltration，and concentration．Suitable pore size was choiced and conditions of operation and regeneration were achieved by experiment．Recovery of glutamic acid",vas above 99．7％ while the was hing water volume was 0．1 times of ferm ented broth vol— Ilm e． Key words ceramic membrane．glutamic acid，fermented broth，filtration， recovery 荣获第七届 中国新技术新产 品博览会金奖 实用新型专利专利号：92 2 33886．8；zI 95 2 21559．4；zI 95 2 21628．0 自由 浮 球 式 蘸 水 问 节 能 25 ，节 煤 15 ，使 用 1～ 3个 月 可 收 回 投 资 ，背 压率 ≥ 80 。保 用 2年 ，过 冷 度 小 于 2 C，自动 倒 密 封 止 回 。设 有 防冻 装 置 ，停 汽后 自动 排 出 阀 内积 水 防 止 冻 坏 阀 门 。 型 号 ：Cs1 lH 16、C84lH l6、 CS41H 16C 、CS41H 25、 (：S41H 一 40、CS41H 一 100 公 称 通 径 ：】5～ 150mill 公 称 压 力 ：1．6MPa 2．5M Pa 0M Pa 10．0M Pa 使 用 温 度 ：300 c 25 C 540 C 排 水 量 ：0～ 60t／h 北京高中压阀门有限责任公 司 地址 ：北京市朝阳区活象蜀甲 1楼 1306室 耋l：100021 电话 ：67662505 13601111811 BP：67661166呼 8800 联系人：严云魁 开户行 ：中行劲松分理处 帐号 ：06767900517001 维普资讯 http://www.cqvip.com