液膜分離技術(shù)在生化產(chǎn)品提取中的應(yīng)用進展

1、 液膜分離技術(shù)在生化產(chǎn)品提取中的應(yīng)用進展呂宏凌王保國(清華大學(xué)化學(xué)工程系, 北京100084摘要介紹了液膜的基本概念、分類和分離機理。與傳統(tǒng)的生化產(chǎn)品分離提純技術(shù)相比, 液膜分離技術(shù)具有簡便、高效且成本低的特點。綜述了液膜分離技術(shù)在抗生素和氨基酸提取中的應(yīng)用進展, 如青霉素、半合成青霉素、頭孢菌素、麥白霉素、苯丙氨酸、亮氨酸和谷氨酸的提取, 并指出其發(fā)展前景。關(guān)鍵詞液膜, 分離, 氨基酸, 抗生素, 提取中圖分類號TQ 02818文獻標(biāo)識碼A 文章編號1000-6613(2004 07-0696-051968年, 美籍華人黎念之博士首先提出液膜分離技術(shù)的概念。經(jīng)過近40年的廣泛研究, 該技術(shù)在

2、冶金、環(huán)保、醫(yī)藥、生物等領(lǐng)域的應(yīng)用已日趨成熟。眾所周知, 發(fā)酵法是生產(chǎn)生化產(chǎn)品的主要方法, 的分離和后續(xù)的濃縮。過程要考慮如下因素1:續(xù)性、適于生化產(chǎn)品的提取。膜分離選擇性, 能夠從含有多種產(chǎn)物的發(fā)酵液中高效分離目標(biāo)產(chǎn)物, 萃取和反萃取同時進行, 顯著提高分離和濃縮效果。液膜分離不需要大量預(yù)處理, 過程設(shè)計和放大基于經(jīng)典的液-液萃取理論, 易于實現(xiàn)工業(yè)化。能耗低, 化學(xué)品消耗少, 不產(chǎn)生二次污染, 經(jīng)濟效益較好, 被認(rèn)為是生物化工產(chǎn)品提取過程中最有應(yīng)用前景的技術(shù)之一。本文在簡要介紹液膜分離技術(shù)的基礎(chǔ)上, 對近幾年來國內(nèi)外液膜分離技術(shù)在抗生素和氨基酸提取中的應(yīng)用進展進行較為詳細(xì)地綜述。1液膜的基

3、本概念液膜通常由膜溶劑、表面活性劑、流動載體和膜增強添加劑組成24。膜溶劑是成膜的基體物質(zhì), 一般為水或有機溶劑, 選擇的依據(jù)是液膜的穩(wěn)定性和對溶質(zhì)的溶解性。表面活性劑能明顯降低液體的表面張力或兩相的界面張力, 對液膜的穩(wěn)定性、滲透速度、分離效率和膜的重復(fù)使用有直接影響。流動載體的作用是選擇性遷移指定的溶質(zhì)或離子, 常為某種萃取劑。膜增強添加劑用于增加膜的穩(wěn)定性, 即要求液膜在分離操作時不會過早破裂, 在破乳工序中又容易被破碎。按形態(tài)和操作方式的不同, 液膜分為乳狀液膜和支撐液膜兩類3, 如圖1。乳狀液膜是先將, 再在攪拌, O/W/O 型和, 由于表面張力和毛細(xì)管力的綜合作用, 形成相對穩(wěn)定

4、的分離界面 。圖1乳狀液膜和支撐液膜2液膜的分離機理液膜分離具有高效、快速、專一等優(yōu)點, 主要源于膜結(jié)構(gòu)和傳遞機理兩方面的突破。其傳質(zhì)機理主要分為以下三類3,4。211單純遷移膜中不含流動載體, 內(nèi)外相不含與待分離物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的試劑, 依據(jù)待分離組分(A 和B 在膜中溶解度和擴散系數(shù)不同, 從而導(dǎo)致待分離組分在膜中滲透速度不同實現(xiàn)分離。分離機理如圖2所示。收稿日期2004-03-02; 修改稿日期2004-03-19。基金項目國家自然科學(xué)基金(No 120276033, No 120276014 和國家“973”項目(No 12003CB615701 。第一作者簡介呂宏凌(1980, 女,

5、 碩士研究生。聯(lián)系人王保國, 副教授, 主要研究膜分離科學(xué)與技術(shù)。電 E -mail bgwang tsinghua 1edu 1cn 。6962004年第23卷第7期化工進展CHEMICAL INDUSTR Y AND EN GIN EERIN G PRO GRESS 圖2單純遷移分離機理212型促進遷移在接受相內(nèi)添加與溶質(zhì)發(fā)生不可逆化學(xué)反應(yīng)的試劑(R , 使待遷移的溶質(zhì)(A 與其生成不能逆擴散透過膜的產(chǎn)物(P , 從而保持滲透物在膜相兩側(cè)的最大濃度差, 以促進溶質(zhì)遷移。分離機理如圖3所示 。3213型促進遷移在制乳時加入流動載體, 載體分子(R 1 先在外相選擇

6、性地與某種溶質(zhì)(A 發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 生成中間產(chǎn)物(R 1A , 然后這種中間產(chǎn)物擴散到膜的另一側(cè), 與液膜內(nèi)相中的試劑(R 2 作用, 并把該溶質(zhì)(A 釋放到內(nèi)相, 而流動載體又?jǐn)U散到外相側(cè), 重復(fù)上述過程, 如圖4所示。整個過程中, 流動載體沒有被消耗, 只起了搬移溶質(zhì)的作用, 被消耗的只是內(nèi)相中的試劑。這種含流動載體的液膜在選擇性、滲透性和定向性三方面更類似于生物細(xì)胞膜的功能, 使分離和濃縮同時完成 。圖4型促進遷移分離機理3液膜技術(shù)在生化產(chǎn)品提取過程的應(yīng)用311提取抗生素抗生素一般分為5類5:-內(nèi)酰胺類, 包括青霉素類、頭孢菌素類等, 它們都包含一個四元內(nèi)酰胺環(huán), 是當(dāng)前最受重視的一類抗

7、生素; 氨基糖苷類, 包括鏈霉素、慶大霉素等, 它們既含有氨基糖苷, 又含有氨基環(huán)醇的結(jié)構(gòu); 大環(huán)內(nèi)酯類, 如紅霉素、麥迪加霉素, 它們含有一個大環(huán)內(nèi)酯作配糖體, 以苷鍵和13個分子的糖相連; 四環(huán)素類, 如四環(huán)素、土霉素等, 它們以四并苯為母核; 多肽類, 如黏多菌素、桿菌肽等。膜分離技術(shù)作為一種新型的分離、濃縮和提純技術(shù), 近年來在抗生素提純的研究中十分活躍, 主要涉及超濾、納濾、反滲透及液膜分離。其中, 液膜分離技術(shù)的應(yīng)用實驗主要是青霉素的提取, 報道。3111a =75 , 傳統(tǒng)的提取, 再用乙酸戊, 此工藝操作復(fù)雜且在低p H 值條件下易使青霉素?fù)p失6。用液膜法分離, 可在青霉素穩(wěn)定

8、的p H 值(p H =57 條件下進行, 避免其水解。該法的傳質(zhì)推動力是內(nèi)外相的H +濃度梯度, 因內(nèi)相p H 值很高, 氫離子H +和青霉素酸陰離子P -可通過載體A 轉(zhuǎn)移至內(nèi)相, 機理如圖5所示 。圖5青霉素的在膜分離中的滲透機理朱澄云等7研究了用乳狀液膜法從發(fā)酵液中提取青霉素G 時, 不同實驗條件對提取率的影響, 如表1所示。采用最佳實驗條件, 可達到提取率7615%、濃縮比610的效果。由于表面活性劑直接影響液膜的穩(wěn)定性及溶脹表1液膜提取青霉素的實驗條件參量實驗條件最佳條件石蠟含量/%20、40、60、80、10060攪拌速率/r min -1200、300、400、500300三辛

9、胺用量/g010972、012025、012511、01324、01405012025碳酸鈉溶液濃度/m ol L -10105、011、012、013011Span -80用量/g 115、210、215、310、315310外相試劑p H =5外相試劑為011mol/L 檸檬酸-011mol/L 檸檬酸鈉。796第7期呂宏凌等:液膜分離技術(shù)在生化產(chǎn)品提取中的應(yīng)用進展 程度, 是乳化液膜技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵之一, 文獻8進一步研究了乳化劑與載體配合時青霉素的提取率與溶脹率。表2為不同乳化劑與載體三辛胺TOA 的配合性能, 表3為不同載體與乳化劑S pan -80的配合性能。TOA 與Span -8

10、0配合時溶脹率較低, 適合提取青霉素。但研究結(jié)果表明, 過量的TOA 易使膜破裂, 造成提取率下降。這是因為TOA 是兩性化合物, 極性基團具有與水親和的強烈趨勢, 非極性部分總指向油相, 兩種作用的結(jié)果可能在界面上取代吸附的表面活性劑分子, 從而改變界面膜的結(jié)構(gòu)和性能, 降低液膜穩(wěn)定性。表2不同乳化劑與T OA 的配合性能乳化劑提取率/%溶脹率/%Shang -20570184010Span -809318815LMA -18919517461545101616Lee 等9用乳狀液膜法提取青霉素 G , 發(fā)現(xiàn)混合兩種表面活性劑作乳化劑較只采用其中一種的提取率高。在分批提取中, 進一步研究了S

11、 pan -80和PARABAR 9551組成的表面活性劑對分離效果的影響10。PARABAR 9551是多胺類物質(zhì), 較Span -80能在界面形成更緊密的吸附層, 增加乳液的穩(wěn)定性。實驗得到不同水油比時Span -80最佳體積分?jǐn)?shù)為5%或10%, 且低水油比時青霉素的提取率較高, 如圖6所示。將表面活性劑最佳組成比的結(jié)果用于連續(xù)提取, 研究總體流動速率、水油比和分散相流動速率圖6青霉素表觀提取率與時間關(guān)系圖對提取率的影響。結(jié)果表明, 盡管多數(shù)實驗的提取率大于95%, 但內(nèi)相中青霉素的最高濃度僅僅為外相中的214倍, 其原因歸結(jié)為Span -80引起的乳相溶脹。31112半合成青霉素的提取隨

12、著抗生素的廣泛應(yīng)用, 其抗菌譜不廣或具有耐藥性和副作用等問題產(chǎn)生。為解決這一問題, 可對原有抗生素品種進行化學(xué)改造。所謂半合成抗生素就是指用化學(xué)或生物化學(xué)的方法改變已知抗生素的化學(xué)結(jié)構(gòu), 或引入特定的功能基團而獲得的新抗生素品種或其衍生物。目前研究的重點為-內(nèi)酰胺類抗生素, 如半合成青霉素PAP 為基本合成。, 發(fā)現(xiàn)青:有機溶劑的選擇強烈影響乳狀液的穩(wěn)定性; 增加膜相中載體的濃度會增加底物和產(chǎn)物的傳遞速率, 但同時導(dǎo)致乳狀液不穩(wěn)定; 用雙載體(N263-N1923 比用單載體所得6-APA 的收率高。在最佳條件下反應(yīng)30min 后, 外相中6-APA 的收率高于80%, 苯甲基青霉素的收率達9

13、0%, 同時乳狀液的破損率低于2%。31113頭孢菌素的提取發(fā)酵法生產(chǎn)頭孢菌素時, 發(fā)酵液中往往含有與其結(jié)構(gòu)相似的去乙酰頭孢菌素。Sahoo 等12以Aliquat336為載體, 用乳狀液膜法選擇性地遷移富集頭孢菌素。31114麥白霉素的提取武鳳蘭等13用液膜法提取麥白霉素, 研究了膜相組成和配比、表面活性劑種類與用量、制乳工藝及提取時間等對提取效率的影響。二次提取(前一次不加載體, 后一次以肉桂酸為載體 的平均提取總收率為6716%, 高于采用樹脂吸附法和溶劑提取法的收率。312提取氨基酸氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的成分, 廣泛應(yīng)用于食品、飼料、醫(yī)藥、化學(xué)等工業(yè)。從國內(nèi)外已開展的液膜提取氨基酸的研究

14、來看, 提取的氨基酸的種類都是人體必須從外界攝取的, 其中以苯丙氨酸的研究尤為深入。31211苯丙氨酸的提取吳山等14采用密差分相液膜分離技術(shù), 以896化工進展2004年第23卷 P204為載體、H 2SO 4為反萃劑提取L -苯丙氨酸。該法利用萃余相、油相和反萃相比濃度的差異, 使其自動分為上中下3層。提取過程中, L -苯丙氨酸溶液從下部油層噴入, 因比油密度小而上行, 在此過程中L -苯丙氨酸被油相中的載體萃取到油層, 到達油層頂部后與油相分離, 完成萃取; 反萃劑從上部油層噴入, 因比油密度大而下行, 其較高濃度的H +和油相中的L -苯丙氨酸進行交換, 將L -苯丙氨酸反萃到反萃相

15、中, 到達油層底部后與油層分離, 完成反萃。該法保留了乳狀液膜的萃取和反萃同時進行的特點, 同時不需要制乳和破乳, 裝置如圖7所示。將初始濃度15128g/L 的L -苯丙氨酸水溶液提取5次, 濃度降至1192g/L , 反萃相中L -苯丙氨酸濃度達54135g/L , 采用生成型大顆粒L -苯丙氨酸晶體的方法對反萃液進行純化處理, 產(chǎn)品產(chǎn)量和純度均得到提高 。圖7密差分相提取柱裝置馬名杰等15研究L -苯丙氨酸在密度差分相液膜中的傳遞現(xiàn)象, 考察L -苯丙氨酸遷移率的影響因素, 確定最佳傳質(zhì)條件, 使得L -苯丙氨酸從料液水相向油相的遷移率接近100%, 從油相向反萃液水相的遷移率達9014

16、%。31212亮氨酸的提取亮氨酸為兩性化合物, 可借助內(nèi)外相的H +濃度梯度、以呈陰離子狀態(tài)的D2EHPA 為載體, 由外相轉(zhuǎn)入內(nèi)相。朱澄云等16選取純品亮氨酸作為模擬系統(tǒng), 獲得適宜的工藝參數(shù):表面活性劑Span -80用量112g 、提取時間為30min 、石蠟用量8mL 、攪拌速率250r/min 。在該工藝條件下獲得提取率74104%、濃縮比214的結(jié)果, 并指出減少溶脹以得到高度濃縮的亮氨酸是下一步研究的關(guān)鍵。31213谷氨酸的提取鄒長英等17用氯化三辛基甲基銨-S pan80-甲苯制成的乳狀液膜體系研究谷氨酸遷移行為, 操作2min 后收率達93%。因為氨基酸都具有類似的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

17、, 所以該體系也可實現(xiàn)其他氨基酸的遷移。其中, 油溶性好的苯丙氨酸遷移率較高, 但油溶性較低的甘氨酸和堿性氨基酸如賴氨酸的遷移率明顯低于谷氨酸。4,19, , 達到這一要求可供選擇的溶劑較少且對低濃度、低分配系數(shù)的發(fā)酵液的提取不適用。離子交換法要求在分離前對發(fā)酵液進行預(yù)處理, 增加生產(chǎn)成本; 生產(chǎn)過程中p H 值變化較大, 不適用于穩(wěn)定性較差的抗生素。電滲析法近來發(fā)展較快, 但應(yīng)用中的一個重要問題是離子交換膜的選擇性和穩(wěn)定性較差。色層分離法雖然分離能力高, 但需要大量的預(yù)處理, 耗資高且不易于放大。溶劑結(jié)晶法一般需在結(jié)晶過程中加入第三種物質(zhì)作為添加劑, 操作條件苛刻, 不利于產(chǎn)品的最后分離精制

18、。液膜分離技術(shù)較傳統(tǒng)工藝具有一定的優(yōu)點, 但該技術(shù)同樣存在需要解決的問題, 如膜的選擇性和穩(wěn)定性、膜的滲透溶脹現(xiàn)象、液膜配方具有一定毒性等。上述實例中, 研究者們?yōu)榻鉀Q這些問題, 都進行了相關(guān)實驗條件的探索, 使提取效果在一定程度上得到了改善。5結(jié)語液膜分離技術(shù)的應(yīng)用研究已取得了很大進展,根據(jù)美國商務(wù)通訊公司(BCC 2000年的市場預(yù)測, 美國的液膜市場將從2000年的200萬美元增加到2005年的1700萬美元20。但同時應(yīng)該看到, 絕大多數(shù)研究開發(fā)工作尚處于試驗階段, 實際應(yīng)用的例子相對較少。究其原因, 主要是作為一種新型分離技術(shù), 膜分離過程本身存在許多技術(shù)問題有待解決。總之, 任何技

19、術(shù)都是在不斷探索與實踐中得到完善的, 液膜分離技術(shù)在生化產(chǎn)品的提取中已顯示996第7期呂宏凌等:液膜分離技術(shù)在生化產(chǎn)品提取中的應(yīng)用進展 出了自身潛力, 有望逐步實現(xiàn)工業(yè)化, 取代耗能大、費用高、效率低、環(huán)境污染嚴(yán)重的一些傳統(tǒng)單元操作。參考文獻1Thien M P , Hatton T A 1J .Separation Science andTechnology , 1988, 23(8-9 :8198532毛忠貴. 生物工業(yè)下游技術(shù)M .北京:中國輕工業(yè)出版社,1999. 1992003鄧修, 吳俊生. 化工分離過程M .北京:科學(xué)出版社,2000. 3413424陸九芳, 李總成, 包鐵竹.

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