基于聚醚砜(PES)超濾膜的粘桿菌素發酵液預處理過程優化*

魏安靜，田麗，鳳權

(安徽工程大學安徽省電氣傳動與控制重點實驗室，安徽蕪湖，241000)

基于聚醚砜(PES)超濾膜的粘桿菌素發酵液預處理過程優化*

魏安靜，田麗，鳳權

(安徽工程大學安徽省電氣傳動與控制重點實驗室，安徽蕪湖，241000)

利用超濾對粘桿菌素發酵液進行膜分離處理并對其工藝過程進行優化。根據膜材料特性，選擇聚醚砜(PES)為基材的超濾膜，通過不同截留分子量超濾膜的分離性能比較、操作條件選擇，最終確定PES－10(截留分子質量為10 000 u)為超濾膜件，適宜的操作壓力為0.3 MPa、料液pH值為6。經過超濾處理，濾液蛋白質含量為4.6mg/100mL，蛋白質去除率為96%，吸光度為0.185，發酵液中的色素得到有效地去除。

發酵液，聚醚砜，超濾，優化

粘桿菌素對革蘭氏陰性菌有很強的抗菌作用，在動物體內不會通過耐藥因子傳遞耐藥性，而且幾乎無殘留。粘桿菌素含有二氨基丁酸，存在游離氨基，因此呈堿性，在臨床常制成硫酸鹽使用，稱作硫酸粘桿菌素，又名克利斯汀、多粘菌素 E、抗敵素等［1－2］。硫酸粘桿菌素是最安全的畜禽促生長抗生素之一。

膜分離技術是近年來迅速發展的一項新興的物質分離濃縮技術，整個過程無需加入任何試劑，無相變，可在常溫下連續操作，尤其適宜于加熱易變性的熱敏性物質［3］。膜分離可根據其截留組分的分子量的大小分為微濾、超濾、納濾和反滲透［4－6］。筆者在該項目研究的前期，已對粘桿菌素發酵液進行陶瓷膜微濾處理，即用孔徑為0.2μm、膜面積為0.06 m2的管式陶瓷膜為微濾膜，對發酵液進行微濾處理。經微濾處理后，有效地去除了發酵液中的菌體、膠體蛋白及部分色素等［7］。微濾處理是粘桿菌素發酵液膜分離處理的第1個預處理階段，而本研究利用PES基超濾膜對經過微濾處理后的發酵液進行超濾處理，進一步去除可溶性蛋白和色素，這是發酵液納濾濃縮前的第2個預處理階段。研究中，根據經陶瓷膜微濾處理的發酵液的理化特征、溶質的組成分布及其分子質量大小和構型等采用聚醚砜超濾膜對其進行超濾膜分離處理，并對其工藝參數進行優化，以期替代傳統的板框壓濾，樹脂除雜的粘桿菌素濃縮純化工藝。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

微濾膜分離后的粘桿菌素發酵液:由安徽工程大學發酵工程重點實驗室發酵生產［8］，經過草酸酸化，pH約3.0，再經0.2μm孔徑的管式陶瓷膜微濾處理的濾液，效價為 9.25×104U/mL，蛋白質含量:115mg/100mL，吸光度為0.394。

1.2 儀器設備

超濾膜分離裝置由蕪湖普朗膜技術有限公司提供，卷式聚醚砜(PES)超濾膜，截留分子量(MWCO)分別為50 000、20 000、10 000、5 000(編號分別為:PES－50、PES－20、PES－10、PES－5)，膜面積 0.45 m2;紫外可見分光光度計等。

生物效價測定器材參見《中華人民共和國藥典》2005版，附錄XIA(抗生素微生物鑒定法)。

1.3 測試方法

1.3.1 粘桿菌素生物效價測定

按照藥典規定的“二劑量法”測定［9］。

1.3.2 透光度測定

在470 nm處，以蒸餾水為空白在紫外可見分光光度計上測定。

1.4 試驗方法

通過對PES超濾膜截留分子量、分離過程中施加的操作壓力、料液的pH值等因素對經微濾處理后的粘桿菌素發酵液的膜分離效果的影響，確定最優工藝參數。膜分離系統示意圖見參考文獻［7］。

2 結果與分析

2.1 超濾膜的選擇

對粘桿菌素發酵液進行超濾的主要目的是去除其中的大分子蛋白質、膠體、色素、多糖等。發酵液中的大分子雜質分子量一般在幾萬到幾百萬之間，若選擇的超濾膜的截留分子量太小，則膜通量太小影響分離效率，同時也可能影響粘桿菌素的得率。若膜的截留分子量太大，雜質的截留率太低，則達不到分離效果。綜合考慮，選擇截留分子量為5 000～50 000的超濾膜為研究對象。

膜材料的選擇主要是考慮膜的性質和膜的結構，材料的選擇主要要考慮以下幾點:(1)根據被分離對象的性質，如溶液的pH值、溫度、黏度等對膜的要求;(2)膜材料不能與被分離液中的任何組分發生反應;(3)被分離對象有關組分的等電點及膜材料的荷電性。目前超濾膜材料有:醋酸纖維素(CA)、聚丙烯睛(PAN)、聚酰胺(PA)、聚砜(PS)、聚醚砜(PES)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏氟乙烯(PVDF)等。其中，聚醚砜(PES)是當前發展較快的一類超濾膜材料，分子主鏈中含有砜基結構，結構中的硫原子處于最高價態，醚鍵改善了聚砜的韌性，苯環結構提高了聚合物的力學強度，因此聚醚砜(PES)具有良好的化學穩定性和力學性能，不易水解，可耐酸堿，其適用pH值在2～12(粘桿菌素發酵液在經草酸酸化后pH值在2.5～3.0)。

綜合以上各因素，采用MWCO分別約為50 000、20 000、10 000和5 000的 PES卷式超濾膜(編號:PES－50、PES－20、PES－10、PES－5)，處理粘桿菌素發酵液。并對其分離性能進行比較研究。處理的原料液為經0.2μm孔徑的管式陶瓷膜微濾處理的濾液，效價為9.25×104U/mL，蛋白質含量:115 mg/100mL，吸光度為0.394。結果見圖1。

從圖1可以看出，幾種膜在操作的前2 h通量衰減最快，后面逐漸趨于穩定。超濾膜的截留分子量不同，其滲透通量的大小及衰減速度有明顯的差異。截留分子量大的超濾膜其滲透通量大于截留分子量小的超濾膜，滲透通量的大小順序依次為:PES－50＞PES－20＞ PES－10＞ PES－5。

根據超濾膜的通量衰減情況，利用公式1得出其衰減系數。

式中:Jt，J1——分別為膜運轉 t h和1h后的滲透通量;t——運轉時間;m——衰減系數。

表1 不同超濾膜的通量衰減系數

圖1 不同超濾膜的滲透通量

通過膜衰減系數反映滲透通量的衰減幅度，從表1可以看出，截留分子量大的超濾膜其通量衰減系數大于截留分子量小的超濾膜，也就是說截留分子量較小的超濾膜其衰減速度慢，其中PES－10和PES－5的滲透通量的衰減速度明顯小于另外2個超濾膜。衰減系數越小，越有利于超濾過程的長期穩定運行。

不同的超濾膜其蛋白質的去除率有較大差異，由表2可看出，相同操作條件下，對大分子蛋白質等雜質的截留率隨切割分子量增大而減小，PES－10和PES－5的效果最好。實驗結果同時表明，4種膜對粘桿菌素都能全部透過。

表2 不同超濾膜的蛋白質去除率及濾液吸光度

透光度反映料液中雜質的多少，最終反映產品的純度。通過吸光度檢測，其雜質和色素的去除效果依次為:PES－5＞ PES－10＞ PES－20＞ PES－50，即超濾液的透光度是隨膜截留分子量的增大而減小，也就是說膜的MWCO越大，雜質透過越多，透光度就越低，最終粘桿菌素產品的純度就越低。

從膜滲透通量、衰減系數、透過液的透光度及蛋白質的截留率可得出，能達到透光度的要求、收率較高、過程運行穩定、可以實際應用的膜為PES－10。

2.2 操作壓力與超濾膜分離性能的關系

超濾膜分離的操作壓力為分離過程的推動力，被處理的溶液在壓力差推動下，以錯流的方式流向膜表面，操作壓力不僅是影響膜滲透通量的一個重要因素，不同的壓力對膜分離性能也有影響。對不同料液的超濾過程最佳的操作壓力是不同的，壓力太低，膜的滲透通量會很小，運行時間就會延長;壓力太高，動力消耗就增大，成本就會增加。所以選擇一個最佳壓力是不可缺少的。研究中，利用PES－10超濾膜對粘桿菌素微濾液進行超濾實驗，確定最佳操作壓力。

在超濾初期，剛加壓時，通量增加速率較大，此時的超濾阻力可以認為是單一的膜阻力。

隨著壓力的不斷增加，加快了凝膠層的形成，通量增加的幅度變得緩慢，有逐漸穩定的趨勢，此時形成的凝膠層阻力相當大，隨著濃差極化現象的出現，所增加的壓力幾乎被凝膠層阻力抵消，再增大壓力，通量也趨于平緩。從圖2可看出，0.3 MPa之后膜通量逐漸趨于穩定。

圖2 操作壓力對超濾膜分離性能的影響

實驗同時研究了不同的操作壓力對蛋白質截留率的影響。結果表明操作壓力對蛋白質截留率基本沒有影響。通過實驗確定超濾的操作壓力為0.3 MPa，此時濾液的蛋白質含量為4.6 mg/100 mL。

2.3 不同的pH值對超濾膜分離性能的影響

在操作壓力一定的條件下，研究不同pH的料液對納濾膜分離性能的影響。粘桿菌素在pH2～7時比較穩定，故在此范圍內考察pH值對超濾膜分離特性的影響(滲透通量為前0.5 h的平均通量)，結果見圖3。

圖3 pH值對超濾膜分離性能的影響

從圖3中可以看出，當pH＞6時，蛋白質的截留率較高，而且膜的滲透通量較大。蛋白質的等電點多數在pH 4～5，聚醚砜膜為荷負電膜。當pH小于蛋白質等電點時，其所帶電荷與膜面電性相反，異性相吸，使之在膜面處吸附層加厚，膜面處蛋白質濃度大于主體濃度，濃差極化現象增強。濃差梯度使得擴散作用加強，靜電作用和濃差極化雙重作用使得截留率較高，通量也隨之減小;隨著pH值的逐漸增大，蛋白質呈負電荷性，濃差極化作用減弱，滲透通量增大，同時由于蛋白質和超濾膜的排斥作用，其截留率較高。但在pH＞7之后，粘桿菌素將不穩定，故pH不可過高。最終確定料液的最佳pH值為6。

3 結論

通過不同超濾膜的分離性能比較、操作條件選擇，最終確定以截留分子量為10000的聚醚砜超濾膜(PES－10)為超濾膜件，其最佳操作壓力為0.3MPa、料液 pH 6。經過超濾處理，濾液蛋白質含量為4.6mg/100mL，蛋白質去除率為 96%，吸光度為0.185，色素得到有效的去除。與傳統工藝處理的工業標準相比，發酵液的質量得到較大提高。

致謝:本論文得到安徽工程大學湯斌教授的指導并得到發酵工程重點實驗室的支持。

［1］ Nasnas R，Saliba G，Hallak P.The revival of colistin:An old antibiotic for the 21st century［J］.Pathologie Biologie，2009，57(3):229－235.

［2］ 王旭，向文良，馮瑋.多黏菌素E研究進展［J］.現代農業科學，2009，16(1):24－25.

［3］ 趙平.膜技術在發酵液后處理過程中的應用［J］.膜科學與技術，2002，22(1):54－58.

［4］ Wang Y N，Tang C Y.Protein fouling of nanofiltration reverse osmosis，and ultrafiltration membranes－ The role of hydrodynamic condition solution chemistry，and membrane properties［J］.Journal of Membrane Science，2011，376(2):275－282.

［5］ Rajesh S，Maheswari P，Senthilkumar S，et al.Preparation and characterization of poly(amide－imide)incorporated cellulose acetate membranes for polymer enhanced ultrafiltration of metal ions［J］.Chemical Engineering Journal，2011，171(5):33 －44.

［6］ Zhu X S，Choo K H.Interactions of nitrates with cationic polyelectrolytes in chelation/ultrafiltration systems for water treatment［J］.Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2009，15:824 －818.

［7］ 鳳權，湯斌.粘桿菌素發酵液微濾膜分離處理過程研究［J］.生物學雜志，2010，27(1):43－45.

［8］ 鳳權 ，湯斌，陳中碧.多粘芽孢桿菌發酵培養基優化及發酵特性研究［J］.食品與發酵工業，2007，33(7):46－48.

［9］ 國家藥典委員會.中華人民共和國藥典(二部)［S］.北京:化學工業出版社，2005，附錄XIA抗生素微生物檢定法.

Optimization of Ultrafiltration Processes in Bolistin Fermentation Broth on the Base of Polyether Sulphone(PES)Memebrane

Wei An-jing，Tian Li，Feng Quan
(Anhui Polytechnic University，Anhui Provicial Key Laboratory of Electric and Control，Wuhu 241000，China)

Ultrafiltration was used to pretreat colistin fermentation broth.According to the characteristics of the material and comparison of their ultrafiltration separation performance，polyether sulphone ultrafiltration membrane(MWCO=10 000)was selected.The optimum operating parameters had been determined:pressure was 0.3 MPa，pH was 6.0.Under these optimum parameters，the protein rejected ratio was 96%，absorbency was 0.185，and part of the pigment had been removed.

fermentation broth，polyether sulphone，ultrafiltration，optimization

碩士，講師。

*安徽省高校省級自然科學研究項目(編號:KJ2011B027)

2011－06－14，改回日期:2011－08－27