在生物發(fā)酵行業(yè)中，由于發(fā)酵液中菌體的存在，使產(chǎn)品的提純和廢水的處理難度加大。為此國(guó)家輕工業(yè)局制定了發(fā)酵工業(yè)環(huán)境保護(hù)行業(yè)政策、技術(shù)政策污染防治對(duì)策，推薦采用膜分離技術(shù)加快行業(yè)凈化技術(shù)更新，促使行業(yè)進(jìn)一步節(jié)能減污。
本文以典型的味精生產(chǎn)工藝為例，簡(jiǎn)單的闡述了陶瓷膜分離技術(shù)在發(fā)酵工業(yè)清潔生產(chǎn)中的應(yīng)用。我國(guó)年產(chǎn)味精50多萬噸，在傳統(tǒng)的味精提取工藝中，由于采用帶菌等點(diǎn)離交分離法，存在著谷氨酸收率低，易形成β-型谷氨酸，離交廢水量大等缺點(diǎn)，同時(shí)由于菌體的存在造成了廢水處理負(fù)擔(dān)的加重。國(guó)內(nèi)外許多專家和學(xué)者就味精的清潔生產(chǎn)技術(shù)做了大量的研究，在這些技術(shù)中，如何將菌體與發(fā)酵液分離，并制備成飼料或高效有機(jī)復(fù)合肥是決定工藝是否可行的關(guān)鍵問題。目前通常采用的離心、有機(jī)超濾等方法完成菌體和發(fā)酵液的分離。離心法由于除菌率低，操作強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，而制約了其在該領(lǐng)域的推廣使用；而有機(jī)超濾膜法除菌，存在著膜通量較小，濃縮比較低等不足。為此本文采用無機(jī)陶瓷膜進(jìn)行了谷氨酸除菌實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了除菌、洗菌、濃縮過程連續(xù)化操作。流程如圖1所示。
1實(shí)驗(yàn)部分
1.1實(shí)驗(yàn)儀器
實(shí)驗(yàn)所用陶瓷膜為南京化工大學(xué)膜科所生產(chǎn)的50nm、0.2μm、0.8μm的19通道管式ZrO2膜，通道直徑為4mm。膜管的有效長(zhǎng)度為0.2m、1.0m兩種，膜面積分別為0.0477m2、0.238m2。離心機(jī)一臺(tái)、粘度計(jì)一臺(tái)（BROOKFIELDEngineeringLABS.INC.）
1.2分析與檢測(cè)方法
1.2.1濕菌體含量測(cè)定
濕菌體含量采用離心稱重法測(cè)量。取試樣100ml，放入離心管內(nèi)，平衡后，在300r/min轉(zhuǎn)速下離心20min，棄去上清液，離心管倒置于濾紙上數(shù)分鐘后，稱量。
1.2.2光密度（OD）測(cè)定
根據(jù)比耳定律，一定波長(zhǎng)的光透過能相應(yīng)地吸收這種光的溶液時(shí)，其光密度大小與發(fā)酵液的的菌體數(shù)量成正比。測(cè)定光密度可相應(yīng)的表達(dá)微生物的生長(zhǎng)繁殖程度。測(cè)定方法采用直接測(cè)量法。將發(fā)酵液搖勻后放入厚度為1cm的比色杯中，用581－G型光電比色計(jì)，在波長(zhǎng)650nm下，以蒸餾水為對(duì)照，測(cè)出光密度。
1.2.3其化檢測(cè)方法
殘?zhí)呛凸劝彼岷康臏y(cè)定方法見味精工業(yè)手冊(cè)。
1.3實(shí)驗(yàn)所用原料
谷氨酸發(fā)酵液白廣東肇慶星湖集團(tuán)股份有限公司味精廠提供。產(chǎn)品主要指標(biāo)，如表1所示。
2結(jié)果與討論
2.1膜孔徑的選擇
采用有效長(zhǎng)度為0.2m的陶瓷膜組件，經(jīng)兩小時(shí)循環(huán)操作，測(cè)量其滲透通量，作為選膜依據(jù)。由表中可以看出采用0.2μm的膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有較高的通量，且除菌率較高。
2.2操作條件對(duì)通量的影響
2.2.1壓力對(duì)通量的影響
由圖2可以看出，在表面流速和溫度固定的條件下，壓力在0.1～0.2Mpa下，對(duì)通量的影響不大，且當(dāng)表面流速較低時(shí)，高壓使膜通量變小。這主要是因?yàn)槟け砻嫖桨l(fā)酵液中的菌體和多肽等物質(zhì)，并形成具有可壓縮性的凝膠層。在低壓時(shí)形成的凝膠層較厚，凝膠層的致密性對(duì)通量的影響，大于增加壓力使推動(dòng)力增大對(duì)通量的影響。因此選擇0.1Mpa作為谷氨酸發(fā)酵液除菌實(shí)驗(yàn)的操作壓力。
2.2.2表面流速對(duì)通量的影響
由于壓力對(duì)通量變化的影響不明顯，因此將壓力固定在0.1Mpa下考察表面流速對(duì)通量的影響，因?yàn)楸砻媪魉僦苯佑绊憣恿鞯讓拥暮穸龋簿褪钦f影響凝膠層的厚度，減少凝膠極化對(duì)過濾通量的影響。
2.2.3溫度的影響
一般來說，溫度對(duì)通量的影響，是因?yàn)橥康纳撸瑢?dǎo)致料液粘度的下降和擴(kuò)散系數(shù)的增大。因此考察料液粘度隨的變化具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。本文考察了不同的濃縮比下，粘度隨溫度的變化情況。如圖4可知。在濃縮比較低時(shí)，溫度對(duì)粘度的影響不大，且升高溫度從總體上來看可使粘度下降。但當(dāng)濃縮比達(dá)到10時(shí)，粘度先隨溫度的升高而升高，當(dāng)?shù)竭_(dá)56度時(shí)出現(xiàn)極值點(diǎn)，隨后粘度隨溫度的升高而降低，由此可見，該體系粘度隨溫度的變化非線性，在低濃度時(shí)，當(dāng)溫度高于45度后，粘度隨溫度的變化不明顯，當(dāng)濃度較高時(shí)，低溫可使粘度降低，但此時(shí)通量的大小取決于液相傳質(zhì)系數(shù)與粘度兩個(gè)因素，綜合幾方面原因，選定50度做為生產(chǎn)操作溫度。
2.2.4濃縮比對(duì)通量的影響
實(shí)驗(yàn)采用一級(jí)兩段法完成，第1段為有效膜面積為0.238m2的膜組件，第二段為有效膜面積為0.0477m2的膜組件。發(fā)酵液進(jìn)入段膜組件過濾，清液流出，當(dāng)濃縮至10倍時(shí)，濃液進(jìn)入第二段。通量隨濃縮比的變化如圖5、圖6所示。由圖5可見，在4m/s下，濃縮比在1～10之間，膜通量均大于95L.m-2.h-1；由圖6可見，在2m/s下，濃縮比在10～25之間時(shí)通量均大于30L.m-2.h-1。
2.3凝膠極化機(jī)理及膜清洗方法
凝膠極化機(jī)理通常用于解釋膜滲透通量的改變不依賴于壓力的變化的現(xiàn)象。從上述實(shí)驗(yàn)可看出，該過程表現(xiàn)出明顯的凝膠極化現(xiàn)象，也就是在原級(jí)膜表面會(huì)出現(xiàn)次級(jí)膜，這主要是由膜表面吸附發(fā)酵中所含大分子或膠體微粒造成的。在這種情況下，膜過濾的通量通常取決于次級(jí)膜的形成過程，NahikoN.等認(rèn)為在次級(jí)膜的形成過程中，可分為五個(gè)階段進(jìn)行：（1）大分子膠團(tuán)在膜表面的快速吸附。（2）底層沉積（單層）。（3）多層堆積和堵塞。（4）堆積層致密化。（5）主體濃度提高導(dǎo)致的底層厚度的增加。在膜的清洗過程中，在膜表面堆積的菌體和大分子膠團(tuán)較易去除，但吸附在膜表面的大分子膠團(tuán)往往難以去除而導(dǎo)致膜通量恢復(fù)率的降低。為此本文研究了不同的清洗條件對(duì)膜再生效果的影響。由于膜污染主要為膜表面層吸附，因此合適的脫附劑通常也是合適的膜洗滌劑。而對(duì)于金屬氧化物表面的有機(jī)物的洗脫NaOH溶液無疑具有良好的效果，同時(shí)考慮膜表面富集的蛋白質(zhì)，次氯酸鈉溶液的強(qiáng)氧化性使蛋白變性，而改變陶瓷膜與蛋白之間的親和力。因此選用2％的NaOH和0.02％的次氯酸鈉溶液為清洗劑。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)要求在兩個(gè)小時(shí)之內(nèi)，完成清洗過程，故確定了清水漂洗后堿洗30分；然后再NaClO洗30分鐘，最后水洗的清洗程序，并將再生后的膜的純水通量與新膜的純水通量做比較。
2.3.1滲透?jìng)?cè)的開啟方式對(duì)膜水通量恢復(fù)率的影響
從凝膠極化機(jī)理可以得出吸附過程主要發(fā)生在膜表面的結(jié)論，也就是說從理論上講滲透?jìng)?cè)的開啟方式對(duì)通量無影響。本文在相同的清洗條件下分別比較了全程開啟及全程關(guān)閉三種操作方式膜恢復(fù)率分別為76％、79％78％，差別較小，由此可見膜污染主要發(fā)生在膜表面，與預(yù)測(cè)結(jié)果一致，這同時(shí)也說明所選膜孔徑分布較窄。多次重復(fù)使用后，膜再生均可恢復(fù)到該水平。
2.3.2清洗液溫度對(duì)膜水通量恢復(fù)率的影響
高溫有利于脫附過程的進(jìn)行，但過高的溫度導(dǎo)致能耗的升高，為此本文比較了400C、600C、700C、800C四種條件下操作溫度與膜水通量恢復(fù)率的影響。如圖7所示，從圖中可以看出高溫有利于清洗過程的進(jìn)行，合適的溫度為700C。
2.3.3膜的水通量恢復(fù)率與通量衰減的關(guān)系