CN101787034A

CN101787034A - 一种利用膜分离技术提取分离青霉素g的方法

Info

Publication number: CN101787034A
Application number: CN201010103374A
Authority: CN
Inventors: 任钟旗; 张卫东; 高磊; 刘君腾; 王曙光
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2010-07-28

Abstract

本发明提供了一种从发酵滤液中原位提取分离青霉素G的新工艺，采用中空纤维膜组件为提取分离装置，处理液与青霉素料液分别在中空纤维膜器的管程、壳程并流或逆流流动，利用液膜选择性迁移的特点，使发酵滤液中的青霉素不断向提取液中迁移，达到青霉素的同步提取与浓缩富集的目的。实验证实，与传统的青霉素提取工艺相比，该技术具有选择性好、提取率高、有机溶剂用量少，工艺流程简单，操作弹性大，稳定性强，可长时间操作等优点，是一种很有推广价值的原位提取分离工艺。

Description

一种利用膜分离技术提取分离青霉素G的方法

技术领域：

本发明涉及一种从发酵滤液中原位提取分离青霉素G的新工艺，属于新型分离技术领域。

背景技术：

青霉素G是目前生产量最大的β-内酰胺类抗生素，也是半合成青霉素类抗生素的重要原料，具有抗菌作用强、疗效高、毒性低等优点。青霉素G的生产采用生物发酵法，包括过滤、萃取、结晶、干燥等工序。传统的青霉素提取工艺主要有吸附法、沉淀法、离子交换和树脂吸附法、溶媒萃取法等。

吸附法是利用吸附剂与青霉素之间的分子间吸引力而将青霉素吸附在吸附剂上。吸附剂有活性炭、三氧化二铝、白土、大孔吸附剂等。由于青霉素G是热敏性物质，且稳定性差，吸附法操作周期较长，因而提取过程中青霉素损失严重。

目前在青霉素提取中应用最为广泛的是溶媒萃取法，其提取原理为：当青霉素以不同的化学状态(游离酸或游离碱)存在于与水不相溶的溶媒中时，有不同的溶解度，利用分配系数不同而达到浓缩和提纯的目的。但该工艺仍然存在如下一些缺点：在低pH条件下萃取，青霉素G降解严重；低温操作，过程能耗较大；溶剂用量大，而且醋酸丁酯水溶性大，溶剂回收困难。因此，该方法存在溶媒消耗量大、能耗高、收率低等问题。

上述各种传统处理方法由于受到技术原理的限制，存在青霉素降解严重、能耗高、收率低等缺陷。近年来，出现了利用液膜法提取分离青霉素的新型工艺，该工艺具有传质效率高，溶剂相用量少，青霉素损失少，操作简单等优点。

文献1：Sang Cheol Lee.Comparison of extraction efficiencies of penicillin G atdifferent w/o ratios in the emulsion liquid membrane systems with dilute polymersolutions[J].Journal of Membrane Science.2004，237：225-232，采用Amberlite LA-2为载体，PARANOX 147为表面活性剂，高分子的煤油稀溶液为稀释剂的乳化液膜体系提取青霉素，效果明显。但是乳化液膜过程存在溶胀、液膜破裂等问题，而且后续的破乳工艺操作复杂，影响其工业化应用。

文献2：Michiaki Matsumoto，Tokihito Ohtani，Kazuo Kondo.Comparison of solventextraction and supported liquid membrane permeation using an ionic liquid forconcentrating penicillin G[J].Journal of Membrane Science.2007，289：92-96，将四种不同的离子液体支撑在多孔的聚偏氟乙烯膜上，考察了不同离子液体对青霉素的提取效果。支撑液膜最大的问题是液膜相流失严重，使用寿命短，不能满足分离要求。

因此，为了解决传统提取工艺中溶剂消耗量大，青霉素损失严重，后续分离操作费用高等问题，需要开发一种新型的青霉素提取工艺。

发明内容：

本发明的目的是提出一种新的青霉素G提取分离工艺，以改变传统的提取过程，降低能耗和成本，降低青霉素G的降解，提高产品收率，改善操作条件和劳动环境。

本发明利用疏水性中空纤维膜与有机溶剂的亲和作用，使有机相在中空纤维管内侧形成一层极薄的液膜相，从而分开料液相和反萃相，利用载体实现青霉素G的选择性促进迁移，最终达到同步提取和富集的目的。

本发明以中空纤维膜组件作为分离装置，将青霉素G发酵滤液用磷酸盐缓冲液调节pH＝3-6作为料液；将萃取相与反萃相按1∶5-50的体积比混合制成提取液，使料液和提取液分别在中空纤维膜器的壳程和管程流动，利用液膜的选择性迁移使料液相中的青霉素G转移到提取液的反萃相中，定期取出富集的提取液，从中提取出青霉素G，分离的反萃相和有机相作为提取液循环使用。

所述萃取相由载体、协萃剂和稀释剂混合配制而成，其中载体、协萃剂和稀释剂的体积分数分别是1％-40％、10％-50％和40％-95％；优选的体积分数是载体：5％-15％，协萃剂：20％-35％，稀释剂：55％-70％；

中空纤维膜组件中的膜丝选用疏水性膜丝；较佳的是聚偏氟乙烯、聚丙稀等疏水性材料，内径为0.2-3.0mm，外径为0.3-4.0mm。

所述磷酸盐是磷酸二氢钠或磷酸二氢钾；

所述载体为二辛胺(DOA)、三辛胺(TOA)或混合叔胺(N235)中的一种；

所述协萃剂为异辛醇或异癸醇中的一种；

所述稀释剂为煤油、正庚烷或乙酸丁酯中的一种；

所述反萃相为NaHCO₃溶液、Na₂CO₃溶液、KHCO₃溶液、K₂CO₃溶液或其中任意两种溶液的混合液；

所述提取液要搅拌充分，以保证萃取相以微小液滴的形式均匀地分散在反萃相中；

两股物料在中空纤维膜器内的流动方式为逆流或并流；

中空纤维膜组件分离装置如图1所示，其中(1)为中空纤维膜器；(2)和(2’)为输液泵；(3)为处理液配制槽；(4)为青霉素G料液贮槽；(5)和(6)为壳程接口；(7)和(8)为管程接口。

物料在中空纤维膜组件中的工艺流程如下：

用输液泵将去离子水由壳程下端接口泵入壳程，在壳程完全被去离子水充满后将配制的萃取相流经中空纤维膜器管程，持续30-60分钟，以保证膜孔中完全充满有机相；

用蠕动泵将青霉素G料液以5-200ml/min的流量从壳程一端接口泵入中空纤维膜器壳程，从另一端接口流回料液储槽，在壳程完全被料液充满后，用蠕动泵将搅拌充分的提取液以5-180ml/min的流量从管程一端泵入中空纤维膜器管程，从另一端接口流回配置槽，调节管、壳程压力差，以防止有机相和水相相互渗透，如此循环操作，直至提取液的反萃相中青霉素G浓度达到最大值，定期取出富集的提取液，分离出反萃相，将得到的反萃相经共沸结晶、洗涤、干燥等处理，即得到青霉素G钾盐或钠盐产品。

定期取出富集的提取液以及处理后的料液，并不断补充新鲜提取液和料液，可实现连续操作。将取出的提取液经过简单的澄清分相后，有机相可循环回管程，重复使用。

也可将多个中空纤维膜器串、并联操作；或采用大型中空纤维膜器，实现单程提取。

本发明的原理是：萃取相在提取液中形成极小的微滴，由于表面张力和膜的浸润性作用，微滴会粘附在膜的内壁上，利用流体流动形成的剪切力，形成一层极薄的有机液膜层，随着液膜层和微滴的不断聚并和破碎，会形成新的液膜层和有机相微滴；同时，由于载体的存在，青霉素G会不断由料液相向反萃相迁移，从而达到青霉素G富集的目的。实验证明，此工艺提取青霉素G效果明显，分离效率可达99％以上。

本发明的优点：与传统工艺相比，本发明具有传质速率高，选择性好，产品收率高，溶剂消耗量小，流程简单，操作弹性大，设备体积小，可有效地改善操作条件和劳动环境等优点。

附图说明

图1为新型青霉素G提取分离技术装置示意图，其中各序号代表：(1)中空纤维膜器；(2)及(2’)为输液泵；(3)提取液配制槽；(4)青霉素G料液贮槽；(5)及(6)为壳程接口；(7)及(8)为管程接口。

具体实施方式

实施例1

采用图1所示装置，其中所用中空纤维膜器的结构参数见下表：

表1.中空纤维膜器结构参数

将青霉素G浓度为30000u/mL发酵滤液，用磷酸二氢钾溶液调节pH＝5作为料液；以DOA为载体、异辛醇为协萃剂、煤油为稀释剂，混合配制萃取相，其中DOA、异辛醇和煤油的体积分数分别为7％、30％和63％；以浓度为0.5mol/L的K₂CO₃溶液为反萃相，按1∶20的相比将萃取相和反萃相同时加入处理液配制槽(3)充分搅拌。

用输液泵将去离子水由接口(6)泵入壳程，在壳程被去离子水完全充满后将配制的萃取相流经中空纤维膜器管程，持续30分钟，以保证膜孔中完全充满有机相。

将料液以80ml/min的流量从接口(6)进入中空纤维膜器壳程，从接口(5)流回料液储槽，在壳程完全被料液充满后，将搅拌充分的1L提取液以75ml/min的流量从接口(7)进入中空纤维膜器管程，从接口(8)流回配置槽，如此循环操作直至反萃相中青霉素G浓度达到最大。

用高效液相色谱法分析料液相和反萃相中青霉素G的浓度。在处理时间约6h后，青霉素G的分离效率可达到99％。

实施例2

将实施例1中反萃相改为1mol/L NaHCO₃和0.5mol/L Na₂CO₃组成的缓冲盐，管程入口处流量改为100ml/min，料液从壳程接口(6)输入中空纤维膜器壳程，从壳程接口(5)流入贮槽，其他操作条件不变。在经过5h的处理后，青霉素G的分离效率可达99.7％。

实施例3

所用中空纤维膜器结构参数见表2：

表2.中空纤维膜器结构参数

将实施例1中料液相的体积和体积流量分别改为1.5L和15mL/min，提取液的体积和体积流量分别改为0.3L和20mL/min，操作方式改为5级串联操作，其他操作条件不变，在经过5级串联后，青霉素G的分离效率可达99.8％。

实施例4

将实施例3中壳程的体积流量改为45mL/min，其他操作条件不变，在经过7级串联后，青霉素G的分离效率可达99.8％。

实施例5

将实施例4中萃取相的组成按体积分数为16％DOA+30％异辛醇+54％煤油，其他操作条件不变，在经过7级串联后，青霉素G的分离效率可达99.0％。

Claims

1.一种利用膜分离技术提取分离青霉素G的方法，以中空纤维膜组件作为分离装置，将青霉素G发酵滤液用磷酸盐缓冲液调节pH＝3-6作为料液；将萃取相与反萃相按1∶5-50的体积比混合制成提取液，使料液和提取液分别在中空纤维膜器的壳程和管程流动，利用液膜的选择性迁移使料液相中的青霉素G转移到提取液中的反萃取相中，定期取出富集的提取液，从中提取出青霉素G，分离的反萃相和有机相作为提取液循环使用；

所述萃取相由载体、协萃剂和稀释剂混合配制而成，其中载体、协萃剂和稀释剂的体积分数分别是1％-40％、10％-50％和40％-99％；

中空纤维膜组件中的膜丝选用疏水性膜丝；

所述磷酸盐是磷酸二氢钠或磷酸二氢钾；

所述载体为二辛胺、三辛胺或混合叔胺中的一种，或任意几种溶剂的混合液；

所述协萃剂为异辛醇或异癸醇中的一种或其混合液；

所述稀释剂为煤油、正庚烷或乙酸丁酯中的一种；

所述反萃相为NaHCO₃溶液、Na₂CO₃溶液、KHCO₃溶液、K₂CO₃溶液或其中任意两种溶液的混合液。

2.根据权利要求1所述的一种利用膜分离技术提取分离青霉素G的方法，其特征是所述载体、协萃剂和稀释剂的体积分数分别是5％-15％、20％-35％和55％-70％；

所述的膜丝是：疏水性的聚偏氟乙烯或聚丙稀；膜丝内径为0.2-3.0mm，外径为0.3-4.0mm。

3.根据权利要求1所述的利用膜分离技术提取分离青霉素G的方法，其特征是物料在中空纤维膜组件中的工艺流程如下：

用输液泵将去离子水由壳程下端接口泵入壳程，在壳程完全被去离子水充满后将配制的萃取相流经中空纤维膜器管程，持续30-60分钟，以保证膜微孔中完全充满有机相；

用蠕动泵将青霉素G料液以5-200mL/min的流量从壳程一端接口泵入中空纤维膜器壳程，从另一端接口流回料液储槽，在壳程完全被料液充满后，用蠕动泵将搅拌充分的提取液以5-180mL/min的流量从管程一端泵入中空纤维膜器管程，从另一端接口流回配置槽，调节管、壳程压力差，以防止有机相和水相相互渗透，如此循环操作，直至提取液的反萃相中青霉素G浓度达到最大值，定期取出富集的提取液，分离出反萃相，将反萃相经共沸结晶、洗涤、干燥等处理，即得到青霉素G钾盐或钠盐产品。

4.根据权利要求3所述的利用膜分离技术提取分离青霉素G的方法，其特征是所述提取液要搅拌充分，以保证萃取相以微小液滴的形式均匀地分散在反萃相中。

5.根据权利要求3所述的利用膜分离技术提取青分离霉素G的方法，其特征是料液和提取液在中空纤维膜器的壳程和管程内的流动方式为逆流。

6.根据权利要求3所述的利用膜分离技术提取分离青霉素G的方法，其特征是料液和提取液在中空纤维膜器的壳程和管程内的流动方式为并流。

7.根据权利要求3所述的利用膜分离技术提取分离青霉素G的方法，其特征是提取液经过简单的澄清分相后，有机相可循环回管程，重复使用。

8.根据权利要求3所述的利用膜分离技术提取青霉素G的方法，其特征是将多个膜接触器串联操作。

9.根据权利要求3所述的利用膜分离技术提取青霉素G的方法，其特征是将多个膜接触器并联操作。

10.根据权利要求3所述的利用膜分离技术提取青霉素G的方法，其特征是采用大型膜接触器，实现单程提取。