一種1,3?丙二醇發(fā)酵液膜過(guò)濾分離方法
【專利摘要】本發(fā)明一種1,3?丙二醇發(fā)酵液膜過(guò)濾分離方法，使用截留分子量(Dalton)5000～10000的陶瓷超濾膜用于PDO發(fā)酵液的連續(xù)除菌、除蛋白質(zhì)。發(fā)酵液經(jīng)膜過(guò)濾濃縮30～40倍，濾液和濃縮液連續(xù)從膜過(guò)濾系統(tǒng)中連續(xù)排出，濾液蛋白質(zhì)含量低于80ppm，過(guò)濾通量長(zhǎng)時(shí)間維持穩(wěn)定并大于40L/（h.m2)。過(guò)濾過(guò)程中，采用高壓反沖液對(duì)膜進(jìn)行在線反沖洗，防止膜污染，保證膜過(guò)濾通量的長(zhǎng)期穩(wěn)定。反沖壓力為5～20bar，反沖頻率為3秒～3分鐘，反沖時(shí)間為50毫秒～3秒。采用高壓反沖洗后，該膜過(guò)濾系統(tǒng)清洗周期可以延長(zhǎng)至5天清洗一次。該發(fā)明PDO發(fā)酵液的濃縮倍數(shù)高，不需加透析水，不增加后續(xù)脫水的能耗，PDO收率高達(dá)96.7%，且清洗周期長(zhǎng)，顯著減少了清洗廢水排放，是PDO發(fā)酵液膜過(guò)濾技術(shù)的一次重大改進(jìn)。
【專利說(shuō)明】
[0001] 一種1 ,3-丙二醇發(fā)酵液膜過(guò)濾分離方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明屬于生物化工領(lǐng)域，特別涉及到發(fā)酵法生產(chǎn)1，3_丙二醇過(guò)程的膜過(guò)濾連續(xù) 除菌、除蛋白質(zhì)的方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004] 1，3_丙二醇(PD0)是一種重要的化工原料，其最主要的用途是與對(duì)苯二甲酸聚合 生產(chǎn)對(duì)聚苯二甲酸丙二醇酯(PTT)，后者是20實(shí)際90年代逐漸實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的一種新型 生物基聚酯纖維材料，它具有良好的染色性、生物可降解性、抗污性、具有和尼龍相同的韌 性、回彈性及抗紫外線等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今化纖領(lǐng)域研究開(kāi)發(fā)的焦點(diǎn)。作為生產(chǎn)PTT纖維 的關(guān)鍵原料roo,目前全世界僅有幾家公司生產(chǎn)，產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。
[0005] PDO的生產(chǎn)主要有微生物發(fā)酵法與化學(xué)法，與化學(xué)法合成相比，微生物發(fā)酵法生產(chǎn) 1，3-丙二醇的優(yōu)點(diǎn)是選擇性高，操作條件溫和，原料可再生等，近年來(lái)已成為國(guó)內(nèi)外研究者 關(guān)注的熱點(diǎn)。微生物發(fā)酵法生產(chǎn)roo的方法有多種，各生產(chǎn)單位和研究機(jī)構(gòu)的微生物種類和 提取工藝各不相同，但菌體分離工藝大同小異。1，3_丙二醇發(fā)酵結(jié)束后，菌體濃度達(dá)到0.3 ~0.5%，0D12，可溶性蛋白質(zhì)濃度為1~2g/L，常用的固液分離的方法有絮凝、離心、板框過(guò) 濾、膜過(guò)濾、蒸發(fā)等，前三者無(wú)法去除發(fā)酵液中的蛋白質(zhì)，蒸發(fā)能耗大，膜過(guò)濾是分離效果最 佳、普遍應(yīng)用的菌體、蛋白質(zhì)分離的方法。
[0006] 專利CN1816629A(納幕爾杜邦公司，生物生產(chǎn)1，3_丙二醇的純化)公開(kāi)了一種大腸 桿菌發(fā)酵液中1，3_丙二醇的純化方法，發(fā)酵液需先后經(jīng)過(guò)微濾、超濾和納濾過(guò)濾等除去大 分子。該方法對(duì)菌體、蛋白質(zhì)、色素等大分子去除效果好，但多級(jí)過(guò)濾得到的截留液量大，產(chǎn) 品損失大，且多級(jí)過(guò)濾設(shè)備投資大。
[0007] 專利CN101402550A(河南天冠企業(yè)集團(tuán)有限公司，一種從發(fā)酵液中分離純化1，3_ 丙二醇的方法)公開(kāi)了一種不銹鋼膜分離系統(tǒng)，用于發(fā)酵液的澄清過(guò)濾，發(fā)酵液濃縮倍數(shù)為 1-5倍，后期通過(guò)加基于發(fā)酵液量0.3~3倍透析水的方法提高1，3-丙二醇的收率。該方法工 藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品收率高，不銹鋼膜使用壽命長(zhǎng)，但過(guò)濾濾液中蛋白質(zhì)含量高，對(duì)下游提取工藝 影響較大，其次過(guò)濾后期膜過(guò)濾下降后添加透析水量過(guò)大，增大了發(fā)酵液蒸發(fā)脫水的能耗。
[0008] 專利CN101117306A(三達(dá)膜科技有限公司，一種1，3_丙二醇發(fā)酵液的除雜和脫鹽 方法)公開(kāi)了一種微濾除發(fā)酵液中菌體和蛋白質(zhì)，電滲析除鹽的組合工藝。該方法中的微濾 濃縮倍數(shù)低，透析水用量大，菌體濃漿量大，廢水處理費(fèi)用高，產(chǎn)品收率低。
[0009] 上述膜過(guò)濾系統(tǒng)均采用間歇操作方式，發(fā)酵液濃縮一定倍數(shù)后，膜過(guò)濾通量顯著 下降，即停止過(guò)濾，采用堿液或酸液等清洗劑清洗膜系統(tǒng)。這種方式顯著的缺點(diǎn)在于操作繁 瑣，清洗廢水量大。根據(jù)上述發(fā)明的缺陷，已有科研機(jī)構(gòu)嘗試了將在線反沖洗工藝系統(tǒng)引入 膜過(guò)濾過(guò)程中。專利CN102688694A(河南方周瓷業(yè)有限公司，一種多孔陶瓷膜在線反沖洗工 藝系統(tǒng)）提出了一種膜過(guò)濾在線反沖洗工藝系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用氣壓或潛水栗將清洗液擠入 陶瓷膜組件中。該方法通過(guò)在線反沖洗，降低膜污染對(duì)過(guò)濾的影響，延長(zhǎng)了酸堿清洗周期。 但該方法中提出的氣壓或潛水栗反沖洗方式操作壓力過(guò)低，僅適用于過(guò)濾水系統(tǒng)或者濃縮 倍數(shù)比較低的發(fā)酵液系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)酵液濃縮倍數(shù)達(dá)到20~30倍，濃縮液中的菌體、蛋白質(zhì)等濃 度達(dá)到過(guò)濾初期的20~30倍時(shí)，該反沖洗方式無(wú)法達(dá)到恢復(fù)或維持膜過(guò)濾通量的效果。 [0010]實(shí)用新型專利CN2555921Y(湖南恒輝環(huán)保實(shí)業(yè)有限公司，膜過(guò)濾瞬時(shí)脈沖反沖裝 置)也公開(kāi)了利用壓力大于過(guò)濾系統(tǒng)內(nèi)壓的壓縮空氣對(duì)膜組件進(jìn)行自動(dòng)反沖，保證過(guò)濾系 統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。上述方法與專利CN102688694A相似，均采用壓縮空氣反沖，對(duì) 膜過(guò)濾短時(shí)間的通量恢復(fù)有效果，隨著濃縮比增大，濃縮液污染物濃度增大，過(guò)低的反沖壓 力無(wú)法達(dá)到有效地清除污染物的效果，此外1~2秒的反沖時(shí)間也降低了反沖壓力對(duì)膜表面 污染物沖洗的效果。
[0011]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的是針對(duì)目前PD0發(fā)酵液膜過(guò)濾過(guò)程濃縮倍數(shù)低、透析水加量過(guò)大增 大后續(xù)脫水能耗、間歇操作清洗頻繁廢水量大，以及現(xiàn)有膜過(guò)濾在線反沖洗方法對(duì)高濃度 污染物清洗效果不佳，無(wú)法實(shí)現(xiàn)膜過(guò)濾長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行等現(xiàn)狀，提出了一種將1，3_丙 二醇發(fā)酵液膜過(guò)濾分離的方法，連續(xù)除菌、除蛋白質(zhì)的方法。該方法使用截留分子量 (Dalton)5000~10000的陶瓷超濾膜用于HX)發(fā)酵液的連續(xù)除菌、除蛋白質(zhì)，PD0發(fā)酵液由發(fā) 酵液儲(chǔ)罐1通過(guò)栗2A經(jīng)過(guò)流量計(jì)連續(xù)栗入陶瓷膜過(guò)濾系統(tǒng)，過(guò)濾濾液和濃漿連續(xù)排出系統(tǒng)， 濃漿流量是進(jìn)料流量的1/30~1/40，過(guò)濾過(guò)程中采用在線反沖方式防止膜污染，保證膜過(guò) 濾通量長(zhǎng)時(shí)間維持穩(wěn)定。本發(fā)明采用分光光度計(jì)測(cè)定HX)發(fā)酵液650nm處的吸光值來(lái)表征發(fā) 酵液的菌濃大小，采用卡馬斯亮藍(lán)法測(cè)定roo發(fā)酵液和過(guò)濾濾液的蛋白質(zhì)含量。
[0013] -種1，3_丙二醇發(fā)酵液膜過(guò)濾分離方法，該方法主要包括以下步驟： 1. 將PDO發(fā)酵液由發(fā)酵液儲(chǔ)罐1經(jīng)栗2A栗至陶瓷膜循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)酵液在高流 量循環(huán)栗2B的輸送下，高速流過(guò)膜表面，發(fā)酵液流動(dòng)方向與膜面平行，濾液在壓力作用下連 續(xù)透過(guò)膜表面進(jìn)入濾液中間罐8，后再經(jīng)流量計(jì)3C流向下一道提取工序； 其中，所述的流速為2~5m/s; 2. 開(kāi)啟高壓反沖系統(tǒng)，壓力控制器12B根據(jù)壓力表5C的低壓信號(hào)，輸出信號(hào)給高壓栗 2C，后者啟動(dòng)，將濾液栗入高壓罐9,罐內(nèi)空氣通過(guò)閥門V5(10E)排盡后關(guān)閉，當(dāng)壓力表5C顯 示壓力達(dá)到設(shè)定壓力上限后高壓栗2C接收到壓力控制器12B的停機(jī)信號(hào)而停機(jī);另一方面， 時(shí)間繼電器12A分別輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)給電磁閥V2(10B)和V6(10F)，將電磁閥V2關(guān)閉，同時(shí)打開(kāi) 電磁閥V6,高壓反沖液在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)分別通過(guò)11A、11B和11C三套管路進(jìn)入膜組件內(nèi)， 對(duì)膜進(jìn)行反沖洗;反沖時(shí)間結(jié)束后，時(shí)間繼電器12A輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)給電磁閥V2和V6,將電磁 閥V2打開(kāi)，同時(shí)關(guān)閉電磁閥V6，開(kāi)始正常出濾液； 3. 隨著濾液連續(xù)流出，系統(tǒng)內(nèi)濃縮液的菌體和蛋白質(zhì)濃度不斷增大，待發(fā)酵液進(jìn)料量 達(dá)到系統(tǒng)內(nèi)濃縮液體積的30~40倍時(shí)，打開(kāi)調(diào)節(jié)閥VI (10A)，將系統(tǒng)內(nèi)濃縮液連續(xù)排出至濃 縮液罐7內(nèi)，調(diào)節(jié)閥門VI的開(kāi)度，使流量計(jì)3B的流量值為進(jìn)料流量計(jì)3A的1/30~1/40。
[0014] 所述的高壓反沖系統(tǒng)，其特征在于反沖頻率和時(shí)間是由時(shí)間繼電器控制，時(shí)間繼 電器和電磁閥的響應(yīng)時(shí)間是10~1〇〇_秒，反沖頻率為3秒~3分鐘，反沖時(shí)間為50暈秒~3 秒，快速的響應(yīng)時(shí)間和極短的反沖時(shí)間是膜過(guò)濾長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵;所述的反沖 液是膜過(guò)濾濾液，反沖液壓力為5~20bar，反沖液的壓力由壓力表、壓力控制器和高壓栗來(lái) 控制和維持。
[0015] 為進(jìn)一步維持高壓反沖罐的壓力，在高壓栗2C與高壓反沖罐9之間安裝單向閥V3 (10〇〇
[0016] 本發(fā)明的進(jìn)步效果是： 1. 對(duì)PD0發(fā)酵液的濃縮倍數(shù)高，不需加透析水，不增加后續(xù)脫水的能耗，PD0收率高達(dá) 96.7%； 2. PD0發(fā)酵液經(jīng)該膜過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾后，濾液通量大于40L/(h .m2)，濾液蛋白質(zhì)含量低 于80ppm， 3. 采用高壓反沖洗后，膜過(guò)濾系統(tǒng)清洗周期可以延長(zhǎng)至5天清洗一次，顯著減少了清 洗廢水排放，是roo發(fā)酵液膜過(guò)濾技術(shù)的一次重大改進(jìn)。
[0017]
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為本發(fā)明方法的流程示意；圖2為本發(fā)明方法中的膜組件上橫截面上反沖口的 分布示意圖。
[0019]其中：1為發(fā)酵液儲(chǔ)罐;2為栗；2B為循環(huán)栗；2C為高壓栗；3A為進(jìn)料流量計(jì)；3B、3C為 流量計(jì);4A、4B為集液腔;5A、5B、5C、5D為壓力表;6為膜組件;7為濃縮液罐;8為濾液中間罐、 9為高壓罐；10A為調(diào)節(jié)閥V1; 10B為電磁閥V2; 10C為單向閥V3; 10D為閥門V4; 10E為閥門V5; 1 OF為電磁閥V6; 11A、1 IB、11C為管路；12A為時(shí)間繼電器;12B為壓力控制器。
[0020]圖3為本發(fā)明專利兩個(gè)實(shí)施例的膜過(guò)濾通量隨過(guò)濾時(shí)間的變化曲線。
[0021 ] X軸:膜過(guò)濾時(shí)間(h) ;Y軸:濾液通量(L/(h.m2)) ;XI為反沖條件下膜通量隨時(shí)間變 化曲線;X2為不開(kāi)反沖條件下膜通量隨時(shí)間變化曲線。
[0022]
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明。
[0024] 下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，需要指出的是，以下實(shí)施例只是用于 對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員 可以根據(jù)上述本
【發(fā)明內(nèi)容】
對(duì)本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
[0025] 實(shí)施例1 過(guò)濾原液:PD0發(fā)酵液，菌濃12，蛋白質(zhì)含量1.2g/L，過(guò)濾壓力0.45Mp，發(fā)酵液在膜表面 流速2.5m/s，反沖周期5秒，反沖時(shí)間150毫秒。過(guò)濾過(guò)程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如下表所示。
[0026]表1膜過(guò)濾1批數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
實(shí)施例2 (不開(kāi)反沖對(duì)照） 過(guò)濾原液:PDO發(fā)酵液，菌濃12，蛋白質(zhì)含量1.2g/L，過(guò)濾壓力0.45Mp，發(fā)酵液在膜表面 流速2.5m/s，不反沖。過(guò)濾過(guò)程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如下表所示。
[0027] 表2膜過(guò)濾2批數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
將表1和表2中濾液通量和膜過(guò)濾時(shí)間的數(shù)據(jù)畫(huà)出兩條曲線，如圖3所示。
[0028] 由圖1可知，過(guò)濾原料和過(guò)濾條件基本一致的條件下，兩者初始濾液通量很接近， 但隨過(guò)濾時(shí)間延長(zhǎng)，兩者通量變化趨勢(shì)有很大差別。開(kāi)啟反沖情況下膜過(guò)濾濾液通量下降 比較緩慢，且當(dāng)濃縮液菌濃達(dá)到30倍并控制不再升高后，濾液通量也能維持。而不開(kāi)反沖情 況下濾液通量下降非?？?，相同過(guò)濾時(shí)間或者相同菌濃條件下，濾液通量都較開(kāi)反沖情況 下濾液通量低，發(fā)酵液濃縮30倍非常困難。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種1，3-丙二醇發(fā)酵液膜過(guò)濾分離方法，主要包括以下步驟： (1) 將PDO發(fā)酵液由發(fā)酵液儲(chǔ)罐（1)經(jīng)栗(2A)栗至陶瓷膜循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)酵液在 高流量循環(huán)栗(2B)的輸送下，高速流過(guò)膜表面，發(fā)酵液流動(dòng)方向與膜面平行，濾液在壓力作 用下連續(xù)透過(guò)膜表面進(jìn)入濾液中間罐(8)，后再經(jīng)流量計(jì)(3C)流向下一道提取工序； 其中，所述的流速為2~5m/s; (2) 開(kāi)啟高壓反沖系統(tǒng)，壓力控制器（12B)根據(jù)壓力表(5C)的低壓信號(hào)，輸出信號(hào)給高 壓栗(2C)，高壓栗啟動(dòng)，將濾液栗入高壓罐(9)，罐內(nèi)空氣通過(guò)閥門V5(10E)排盡后關(guān)閉，當(dāng) 壓力表(5C)顯示壓力達(dá)到設(shè)定壓力上限后高壓栗（2C)接收到壓力控制器（12B)的停機(jī)信 號(hào);時(shí)間繼電器（12A)分別輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)給電磁閥V2(10B)和電磁閥V6(10F)，將電磁閥V2關(guān) 閉，同時(shí)打開(kāi)電磁閥V6，高壓反沖液在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)分別通過(guò)三套管路（11A)、（ 11B)和 (11C)進(jìn)入膜組件內(nèi)，對(duì)膜進(jìn)行反沖洗;反沖時(shí)間結(jié)束后，時(shí)間繼電器（12A)輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)給 電磁閥V2和電磁閥V6，將電磁閥V2打開(kāi)，同時(shí)關(guān)閉電磁閥V6，開(kāi)始正常出濾液； (3) 隨著濾液連續(xù)流出，系統(tǒng)內(nèi)濃縮液的菌體和蛋白質(zhì)濃度不斷增大，待發(fā)酵液進(jìn)料量 達(dá)到系統(tǒng)內(nèi)濃縮液體積的30~40倍時(shí)，打開(kāi)調(diào)節(jié)閥VI (10A)，將系統(tǒng)內(nèi)濃縮液連續(xù)排出至濃 縮液罐(7)內(nèi)，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥VI的開(kāi)度，使流量計(jì)(3B)的流量值為進(jìn)料流量計(jì)(3A)的1/30~1/ 40 〇2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的高壓反沖系統(tǒng)反沖頻率和時(shí)間是由 時(shí)間繼電器控制，時(shí)間繼電器和電磁閥的響應(yīng)時(shí)間是1 〇~1 〇 〇毫秒，反沖頻率為3秒~3分 鐘，反沖時(shí)間為50毫秒~3秒;所述的反沖液是膜過(guò)濾濾液，反沖液壓力為5~20bar。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于高壓栗(2C)與高壓反沖罐(9)之間安裝單向 閥V3(10C)〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于高壓反沖液分成三套管路（11A)、（11B)、 (11C)反沖洗膜組件，三套管路又分別分成四個(gè)支路進(jìn)入膜組件。
【文檔編號(hào)】C07C29/76GK106045816SQ201610450504
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月22日
【發(fā)明人】方建軍, 石國(guó)柱, 楊德華, 張赟, 羅吉安, 劉賓, 盛華生
【申請(qǐng)人】蘇州蘇震生物工程有限公司