陶瓷膜分離技術(shù)在聚丙烯酰胺分離提取中的應(yīng)用研究

王立才

（三達(dá)膜科技（廈門）有限公司，福建 廈門 361000）

在各類化工產(chǎn)品生產(chǎn)中，分離、純化和濃縮工藝占有較高的工作比例，膜分離技術(shù)是分離、純化和濃縮工藝的重要手段。丙烯酰胺是生產(chǎn)聚丙烯酰胺的原料，將丙烯腈、原料水和生物催化酶制劑調(diào)配成水合溶液，催化反應(yīng)后分離出廢催化劑就可得到丙烯酰胺產(chǎn)品。[1]膜技術(shù)具有運(yùn)行穩(wěn)定、產(chǎn)品濾液穩(wěn)定、耐污染、膜通量穩(wěn)定等特點(diǎn)，適合用于丙烯酰胺的生產(chǎn)。因此，丙烯酰胺產(chǎn)品生產(chǎn)大量使用膜分離技術(shù)。本研究通過開展試驗(yàn)及試運(yùn)行，驗(yàn)證管式陶瓷膜過濾聚丙烯酰胺水合反應(yīng)液的可行性和效果。

1 膜分離技術(shù)及工藝原理

1.1 膜分離技術(shù)簡(jiǎn)介

膜是一種選擇性分離材料，通過壓差的作用對(duì)料液進(jìn)行選擇性分離，純化和濃縮。通過它進(jìn)行的分離過程稱作膜分離。它與傳統(tǒng)過濾器的不同在于，膜可以在分子范圍內(nèi)進(jìn)行分離，并且這過程是一種物理過程，無需發(fā)生相變，也無需添加助劑。[2]依據(jù)其孔徑的不同，可將膜分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜。

1.2 膜分離工藝原理

膜分離的基本工藝原理較為簡(jiǎn)單。在過濾過程中料液通過泵的加壓，料液以一定流速沿著濾膜的表面流過，大于膜截留分子量的物質(zhì)分子不透過膜流回料罐，小于膜截留分子量的物質(zhì)或分子透過膜，形成透析液。故膜系統(tǒng)都有兩個(gè)出口，一是回流液（濃縮液）出口，另一是透析液出口。在單位時(shí)間（小時(shí)）單位膜面積（m2）透析液流出的量（升）稱為膜通量（LMH），即過濾速度。影響膜通量的因素有：溫度、壓力、固含量（TDS）、料液濃度、黏度等。

根據(jù)材料的不同，膜可分為無機(jī)膜和有機(jī)膜。無機(jī)膜還是以微濾級(jí)別的膜為主，主要是陶瓷膜和金屬膜。由于膜分離過程是一種純物理過程，具有無相變，節(jié)能、體積小、可拆分，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，使膜廣泛應(yīng)用在發(fā)酵、制藥、化工、水處理工藝過程及環(huán)保等行業(yè)中。[3]根據(jù)不同的料液性質(zhì)，通過試驗(yàn)選擇合適的膜分離工藝，從而達(dá)到最合適的膜通量和最好分離效率，進(jìn)而提高生產(chǎn)收率、產(chǎn)品質(zhì)量、減少投資規(guī)模和運(yùn)行成本。

2 膜分離技術(shù)在丙烯酰胺生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 丙烯酰胺發(fā)酵液陶瓷膜分離實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

丙烯酰胺是一種白色晶體化學(xué)物質(zhì)，溶于水、乙醇、乙醚、丙酮，不溶于苯，是生產(chǎn)聚丙烯酰胺的原料。為研究膜工藝對(duì)含生物催化酶的菌體發(fā)酵液除雜和丙烯酰胺水合液濃縮的可行性，開展陶瓷膜分離濃縮試驗(yàn)。通過采用陶瓷膜過濾技術(shù)對(duì)丙烯酰胺水合液進(jìn)行濃縮，截留雜質(zhì)，得到丙烯酰胺水溶液，最終得到濃縮10 倍以上的濃縮液，同時(shí)確保沒有菌體透過陶瓷膜；采用陶瓷膜過濾技術(shù)對(duì)含生物催化酶的菌體發(fā)酵液進(jìn)行濃縮，截留菌體，透出水和培養(yǎng)基，最終得到濃縮10 倍以上的濃縮液，同時(shí)確保沒有菌體透過陶瓷膜。

2.2 分離實(shí)驗(yàn)工藝流程

丙烯酰胺發(fā)酵液陶瓷膜分離工藝試驗(yàn)方案采用料液直接進(jìn)陶瓷膜進(jìn)行濃縮，最終從循環(huán)罐底閥門排出，得到濃縮液。考慮到料液料液為熱敏性物質(zhì)，陶瓷膜運(yùn)行中產(chǎn)熱較為迅速，因此需要利用換熱器進(jìn)行冷卻處理。此工藝比較簡(jiǎn)單，能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 分離實(shí)驗(yàn)操作

如圖1，將試驗(yàn)料液投加入設(shè)備料罐中，啟動(dòng)設(shè)備，以泵為驅(qū)動(dòng)，在一定的壓力差下，利用膜對(duì)不同物質(zhì)截留率的不同，使大分子完全被截留在濃縮液內(nèi)，而小分子物質(zhì)透過膜得以分離。在試驗(yàn)過程中定時(shí)記錄“試驗(yàn)時(shí)間、壓力、溫度、循環(huán)流量”等相關(guān)數(shù)據(jù)，并定時(shí)測(cè)定過濾速度（計(jì)算膜通量）。在操作結(jié)束后，排出濃縮液，進(jìn)行膜清洗。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備流程示意圖

2.4 分離實(shí)驗(yàn)過程

根據(jù)料液性質(zhì)和檢測(cè)結(jié)果，選定Suntar-50nm 陶瓷膜來做濃縮選膜實(shí)驗(yàn)。采用陶瓷膜過濾工藝進(jìn)行濃縮，可以達(dá)到預(yù)期的截留效果。因此，對(duì)含生物催化酶的菌體發(fā)酵液總共進(jìn)行了兩批次的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，對(duì)丙烯酰胺水合液進(jìn)行了兩批次的實(shí)驗(yàn)。

2.4.1 發(fā)酵液第一批次陶瓷膜濃縮實(shí)驗(yàn)

發(fā)酵液直接進(jìn)陶瓷膜，在一定壓力、溫度下進(jìn)行濃縮，最終從循環(huán)罐底閥門排出，得到濃縮液。操作條件：進(jìn)壓3bar，出壓2bar，溫度28.6℃，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 及膜通量變化曲線如圖2。

表1 陶瓷膜濃縮第一批次數(shù)據(jù)處理

圖2 發(fā)酵液第一批次通量變化曲線

由圖2 可知陶瓷膜的通量隨著時(shí)間增加逐漸下降；開始運(yùn)行時(shí)由于沒有補(bǔ)料，反應(yīng)液濃度逐漸增大，膜通量不斷降低，后面隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，不斷補(bǔ)料，保持運(yùn)行體積不變，膜通量平穩(wěn)，最后由于濃度慢慢變大，反應(yīng)液體積越來越少，導(dǎo)致通量越來越低。

2.4.2 發(fā)酵液第二批次陶瓷膜濃縮實(shí)驗(yàn)

發(fā)酵液直接進(jìn)陶瓷膜，在一定壓力、溫度下進(jìn)行濃縮，最終從循環(huán)罐底閥門排出，得到濃縮液。操作條件：進(jìn)壓3bar，出壓1bar,溫度29.3℃，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 及膜通量變化曲線如圖3。

表2 陶瓷膜濃縮第二批次數(shù)據(jù)處理

圖3 發(fā)酵液第二批次通量變化曲線

由圖3 可知陶瓷膜的通量隨著時(shí)間先逐漸增加后下降；開始運(yùn)行時(shí)由于反應(yīng)液濃度較小，且不斷補(bǔ)料，膜通量較大逐漸增加，后面由于濃度慢慢變大，反應(yīng)液體積越來越少，導(dǎo)致通量越來越低。當(dāng)達(dá)到既定濃縮倍數(shù)時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。

由圖4 可知發(fā)酵液第二批次濾液澄清透亮，有光澤；濃縮液渾濁不清，符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期。

圖4 發(fā)酵液第二批次實(shí)驗(yàn)樣品

從實(shí)驗(yàn)中觀察到料液可見剛性懸浮物顆粒，建議進(jìn)陶瓷膜前先過濾袋預(yù)處理，以防雜質(zhì)堵塞膜芯；陶瓷膜濾濃縮倍數(shù)目標(biāo)是10 倍，但實(shí)際操作中可以濃縮更高的倍數(shù)，這樣更加有利于后續(xù)工業(yè)化處理；發(fā)酵液第二個(gè)批次大量進(jìn)料，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，通量不衰減，說明suntar-50nm 陶瓷膜能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定通量地對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行濃縮。

2.4.3 水合液第一批次陶瓷膜濃縮實(shí)驗(yàn)

水合液直接進(jìn)陶瓷膜，在一定壓力、溫度下進(jìn)行濃縮、排除，最終得到濃縮液。操作條件：進(jìn)壓3bar，出壓2bar,溫度30.2℃，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 及膜通量變化曲線如圖5。

表3 陶瓷膜濃縮第三批次數(shù)據(jù)處理

圖5 水合液第一批次通量變化曲線

由圖5 可知陶瓷膜的通量隨著時(shí)間增加逐漸下降；開始運(yùn)行時(shí)由于反應(yīng)液濃度較小，膜通量較大，后面由于濃度慢慢變大，料液粘稠度增大，反應(yīng)液體積越來越少，通量越來越低，當(dāng)達(dá)到既定濃縮倍數(shù)時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。

2.4.4 水合液第二批次陶瓷膜濃縮實(shí)驗(yàn)

水合液直接進(jìn)陶瓷膜，在一定壓力、溫度下進(jìn)行濃縮，排除，最終得到濃縮液。操作條件：進(jìn)壓3bar，出壓1bar,溫度31.2℃，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4 及膜通量變化曲線如圖6。

表4 水合液第二批次陶瓷膜濃縮數(shù)據(jù)處理

圖6 水合液第二批次陶瓷膜通量變化曲線

由圖6 可知陶瓷膜的通量隨著時(shí)間增加逐漸下降；開始運(yùn)行時(shí)由于反應(yīng)液濃度較小，膜通量較大，接著由于料液溫度變化，膜通量波動(dòng)，后面由于濃度慢慢變大，反應(yīng)液體積越來越少，通量越來越低，當(dāng)達(dá)到既定濃縮倍數(shù)時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。

3 陶瓷膜應(yīng)用丙烯酰胺分離結(jié)果分析

3.1 陶瓷膜處理發(fā)酵液結(jié)果分析

經(jīng)以上陶瓷膜應(yīng)用丙烯酰胺發(fā)酵液分離實(shí)驗(yàn)，陶瓷膜處理料液具有很好的濃縮效果，處理發(fā)酵液各批次操作條件如壓力、溫度、通量等情況如表5。

表5 處理發(fā)酵液各批次操作參數(shù)匯總

通過上表可得出進(jìn)料液經(jīng)濃縮后能夠達(dá)到濃縮13 倍以上；從兩個(gè)批次各個(gè)數(shù)據(jù)來看，平均通量相近，說明該陶瓷膜能夠穩(wěn)定地處理發(fā)酵液；第二個(gè)批次大量進(jìn)料，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，通量不衰減，說明suntar-50nm 陶瓷膜能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定通量地對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行濃縮。

3.2 陶瓷膜處理水合液結(jié)果分析

水合液實(shí)驗(yàn)的操作條件如壓力、溫度、通量等的匯總表如表6。

表6 水合液操作參數(shù)匯總

通過上表可得出，第一批次水合液在不斷補(bǔ)料的情況下可以達(dá)到更高的濃縮倍數(shù)；增大跨膜壓差，從而增大循環(huán)流量，可以得到更大的平均通量。

4 結(jié)論

陶瓷膜能夠?qū)Ρ０钒l(fā)酵液中菌體有效的截留，使得水和培養(yǎng)基透過，能夠達(dá)到13 以上的濃縮數(shù)；料液在過陶瓷膜前需先過濾袋，否則會(huì)影響造成可見懸浮物堵膜；發(fā)酵液第二個(gè)批次大量進(jìn)料，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，通量不衰減，說明suntar-50nm 陶瓷膜能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定通量地對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行濃縮。suntar-50nm 陶瓷膜能夠?qū)λ弦褐芯w、細(xì)胞碎片等有效的截留，使得水和丙烯酰胺透過，蛋白透過量少，能夠達(dá)到7.8 以上的濃縮倍數(shù)。因此，在丙烯酰胺生產(chǎn)過程中，由于雜質(zhì)含量高、水合物多，使用陶瓷膜可以高效地分離雜質(zhì)和菌體，達(dá)到良好的濃縮效果，從而替代傳統(tǒng)工藝，降低生產(chǎn)維護(hù)成本，具備良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值以及社會(huì)價(jià)值。