CN111363126A - 一种陶瓷膜反应器及利用陶瓷膜反应器提取聚羟基脂肪酸酯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷膜反应器及利用陶瓷膜反应器提取聚羟基脂肪酸酯的方法，提取方法包括如下步骤：1)、将含聚羟基脂肪酸酯的菌体在超低温下冻干；2)、将步骤1)冻干好的菌体溶于十二烷基硫酸钠溶液中，在陶瓷膜反应器中反应，反应结束后，依次浓缩、洗涤、浓缩；3)、将步骤2)所得菌体浓缩液中加入次氯酸钠溶液，在陶瓷膜反应器中反应，反应结束后，依次浓缩、洗涤、浓缩、脱水、干燥，即得聚羟基脂肪酸酯。本发明利用陶瓷膜的高精度过滤性能，将陶瓷膜过滤装置集成为一个反应器，将提取PHA的反应、浓缩、洗涤工序全都集成在一个反应器里进行，明显简化了生产线设备，缩短了生产流程，降低了投资和运行成本，也降低了产品的损失率。

Description

一种陶瓷膜反应器及利用陶瓷膜反应器提取聚羟基脂肪酸酯 的方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷膜反应器及利用陶瓷膜反应器提取聚羟基脂肪酸酯的方法，属于PHA提取领域。

背景技术

聚羟基脂肪酸酯（PHA）是一种可生物降解塑料的主要成分。它是由很多细菌合成的胞内聚酯，在生物体内作为能源和碳源的储藏性物质而存在。PHA的生产主要是通过细菌发酵法，过去一直用纯菌发酵法，但成本代价太大。现在有研究表明采用废水生化剩余污泥，特别是在除磷过程中，通过控制一定的条件，可将生物污泥转变为PHA。大大节约了合成成本。除了合成成本外，提取成本占了总成本的30~40%，成为制约PHA成本降低的最主要因素。另外，PHA的提取方法将直接影响PHA产品的纯度、分子量、材料学性能以及其应用领域。因此，开发低成本、低污染、高效率、高性能的PHA提取技术和工艺显得非常重要。

目前，提取PHA的方法有有机溶剂法、化学试剂法、酶法等。有机溶剂法不影响产品的分子量，纯度高，但消耗有机溶剂数量大，不仅增加了成本，而且大量的有机溶剂的损失而导致的环境污染。化学试剂法操作简单，破壁效果好，PHA提取效率高，但会导致PHA分子量一定程度的降低，且化学试剂用量大，也会对环境产生污染。酶法是通过相应的生物酶分解细胞壁和其他非产品成分，没有上述问题，但是使用条件上如何保持酶活苛刻，且由于酶的专一性，而细胞内成分复杂，要将其他非产品成分都降解掉，工艺复杂，成本高。申请号CN200510133645.3公开了一种从活性污泥中提取聚羟基脂肪酸酯的方法，该法先以超声波为辅助手段，采用氯仿和甲醇试剂提取PHA,该法虽然采用超声波提供高效提取能量，但使用的氯仿和甲醇的化学试剂量较大，不仅增加了成本，而且给环境带来了很大的有机物污染。CN200610072867.3公开了一种提取微生物胞内聚羟基脂肪酸酯的方法，该方法采用有机溶剂利用相似相溶原理溶解沉淀PHA，虽然对PHA不产生伤害，但是由于使用了大量的有机溶剂，大大增加了对环境排放的COD，也造成了对环境的伤害。尤其重要的是上述两专利采用离心机分离沉淀，显然只能适用于小试研究和小规模化生产，大生产时不仅能耗大，而且工序复杂，连续性不强。为了使上述研究的结果快速中试和大规模化连续生产，也为了降低生产过程中产生的对环境的污染，研究连续化大生产设备迫在眉睫。

发明内容

本发明提供一种陶瓷膜反应器及利用陶瓷膜反应器提取聚羟基脂肪酸酯的方法，采用了对环境危害性小的化学试剂对菌体中的PHA进行提取，既可控制条件让化学法对PHA分子量降低的影响降低到最低，又降低了对环境污染物的排放，具有极大的经济性和环保意义；进一步，考虑到大生产的连续性需要和操作方便性，本发明采用陶瓷膜装置构成的反应系统，集反应、浓缩、洗涤于一体，结构简单、紧凑，连续性好。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种利用陶瓷膜反应器提取聚羟基脂肪酸酯的方法，包括如下步骤：

1)、将含聚羟基脂肪酸酯的菌体在超低温下冻干；

2)、将步骤1)冻干好的菌体溶于十二烷基硫酸钠溶液中，在陶瓷膜反应器中反应，反应结束后，依次浓缩、洗涤、浓缩；

3)、将步骤2)所得菌体浓缩液中加入次氯酸钠溶液，在陶瓷膜反应器中反应，反应结束后，依次浓缩、洗涤、浓缩、脱水、干燥，即得聚羟基脂肪酸酯。

聚羟基脂肪酸酯，简称PHA；十二烷基硫酸钠，简称SDS。

上述方法，采用了对环境危害性小的化学试剂对菌体中的PHA进行提取，既可控制条件让化学法对PHA分子量降低的影响降低到最低，又降低了对环境污染物的排放，具有极大的经济性和环保意义；利用陶瓷膜高精度过滤、耐酸碱氧化剂腐蚀以及陶瓷膜反应器内传质传热效果好等优点，高效地提取了PHA，且PHA产品分子量几乎不受影响，收率高。

上述步骤1）中，在超低温下冻干为：在-30~-80℃下冻干至恒重。一般在24h~48h.

为了进一步提高产品的得率和纯度，步骤2）中，十二烷基硫酸钠溶液的浓度为8~15g/L，步骤1）所得冻干菌体与十二烷基硫酸钠溶液的体积比为1：10~1：20，反应温度为40~60℃，反应时间为15~20min（反应过程中关闭渗透侧）；每次浓缩均浓缩至浓缩液中的干固质量含量为15%~20%。

为了进一步提高产品的纯度，步骤2）中，反应结束后，依次进行浓缩、纯水洗涤、浓缩的循环操作，直至浓缩出水的电导率与纯水的电导率差值的绝对值不大于1us/cm，洗涤所用纯水的电导率<5us/cm。

为了进一步提高产品的得率和纯度，步骤3）中，次氯酸钠溶液的体积浓度为5~20%，步骤1）所得的冻干菌体与次氯酸钠溶液的体积比为1：10~1：20，反应为常温下反应3~5min（反应过程中关闭渗透侧）；每次浓缩均浓缩至浓缩液中的干固质量含量为15%~20%。

为了进一步提高产品的纯度，步骤3）中，反应结束后，依次进行浓缩、纯水洗涤、浓缩的循环操作，直至浓缩出水的电导率与纯水的电导率差值的绝对值不大于1us/cm，然后脱水、干燥，即得聚羟基脂肪酸酯，其中，洗涤所用纯水的电导率<5us/cm。

为了提高干燥效率，步骤3）中，采用板框压滤机、真空转鼓过滤机、带式分离机或集束式过滤器等固液分离设备进行脱水，然后再干燥至恒重。

一种用于提取聚羟基脂肪酸酯的陶瓷膜反应器，包括冻干机、进料罐、输送泵、预过滤器、陶瓷膜组件、热交换器、脱水机和干燥机；进料罐、输送泵、预过滤器、陶瓷膜组件、热交换器和进料罐依次连通、并形成循环；冻干机、进料罐、脱水机和干燥机依次相接。

脱水机为板框压滤机、真空转鼓过滤机、带式分离机或集束式分离器等。

本申请连通、相接等可通过各种管路或输送设备等连通、相接，也可在各管路或各设备上设置调节阀、输送泵或计量表等。

上述陶瓷膜组件由氧化铝、氧化锆、氧化钛或碳化硅制成，为了兼顾产品的纯度和得率，陶瓷膜的孔径为200~5nm，孔隙率为30~50%。

上述利用陶瓷膜的高精度过滤性能，将陶瓷膜过滤装置集成为一个反应器，将提取PHA的反应、浓缩、洗涤工序全都集成在一个反应器里进行，明显简化了生产线设备，缩短了生产流程，降低了投资和运行成本，也降低了产品的损失率。

利用上述用于提取聚羟基脂肪酸酯的陶瓷膜反应器提取聚羟基脂肪酸酯的方法，包括如下步骤：

1)、将含聚羟基脂肪酸酯的菌体在冻干机中超低温下冻干；

2)、关闭陶瓷膜组件的渗透侧，将步骤1)冻干好的菌体和十二烷基硫酸钠溶液加入进料罐中，在输送泵的作用下依次经过预过滤器、陶瓷膜组件和热交换器后回流到进料罐形成循环反应，反应结束后，打开陶瓷膜组件的渗透侧，进行浓缩、洗涤、浓缩，直到陶瓷膜组件清液出口出水的电导率不大于纯水的电导率，洗涤所用纯水的电导率<5us/cm；

3)、关闭陶瓷膜组件的渗透侧，在进料罐中加入次氯酸钠溶液，循环反应，反应结束后，打开陶瓷膜组件的渗透侧，进行浓缩、洗涤、浓缩，直到陶瓷膜组件清液出口出水的电导率不大于纯水的电导率，洗涤所用纯水的电导率<5us/cm；然后依次经过脱水机和干燥机后，得聚羟基脂肪酸酯。

可串联两个上述用于提取聚羟基脂肪酸酯的陶瓷膜反应器，分别进行步骤2）和步骤3)的反应，以进一步提高生产的连续性。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明利用陶瓷膜反应器提取聚羟基脂肪酸酯的方法，采用了对环境危害性小的化学试剂对菌体中的PHA进行提取，既可控制条件让化学法对PHA分子量降低的影响降低到最低，又降低了对环境污染物的排放，具有极大的经济性和环保意义；利用陶瓷膜高精度过滤、耐酸碱氧化剂腐蚀以及陶瓷膜反应器内传质传热效果好等优点，高效地提取了PHA，且PHA产品分子量几乎不受影响，收率高。

本发明用于提取聚羟基脂肪酸酯的陶瓷膜反应器，将提取PHA的反应、浓缩和洗涤工艺集成在一台陶瓷膜装置中，既使工艺设备变得简单方便，生产线变短，而且避免了物料转移过程中的损失；陶瓷膜装置高效的传质传热优势加快了反应的进行，是一个效率极高的反应器，液体在反应器内高速循环加快了反应的传质传热，加上热交换器的使用，很好地控制了反应的温度；陶瓷膜的高精度过滤极大地保证了在菌体反应后的去水浓缩和洗涤过程中有效物质的截留，使得所得到的产品不仅纯度高，收率也高；陶瓷膜的耐酸碱和氧化剂的腐蚀以及耐高温性也使得本工艺能可靠稳定的运行；工艺简单，设备紧凑，操作维护都很方便，大大节约了投资和运行成本；大大保证了生产的连续性。

附图说明

图1为本发明用于提取聚羟基脂肪酸酯的陶瓷膜反应器的结构示意图（省略了干燥机和冷冻机）。

其中：1为进料罐，2为输送泵，3为预过滤器，4为陶瓷膜组件，5为热交换器，6为脱水机； a为纯水，b为冻干菌体，c为化学试剂（十二烷基硫酸钠溶液或次氯酸钠溶液），d为陶瓷膜清液，e为产品PHA。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件(例如参考徐南平等著的《无机膜分离技术与应用》，化学工业出版社，2003) 或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

如图1所示，用于提取聚羟基脂肪酸酯的陶瓷膜反应器，包括冻干机、进料罐1、输送泵2、预过滤器3（精度为1mm)、陶瓷膜组件4、热交换器5、脱水机6和干燥机；脱水机为板框压滤机、真空转股过滤机、带式分离机或集束式分离器等；进料罐1、输送泵2、预过滤器3、陶瓷膜组件4、热交换器5和进料罐1依次连通、并形成循环；冻干机、进料罐1、脱水机6和干燥机依次相接。

实施例 1

1）、将经过活性污泥法发酵完收集来的菌体在冻干机中-50℃下冻干至恒重；

2）、将冻干好的菌体b 10L（含菌体干重30g/L)溶于200L的10g/L十二烷基硫酸钠（SDS）C溶液中，并放入陶瓷膜进料罐1中，在泵2的输送下进入陶瓷膜组件4内（陶瓷膜的孔径为100nm，孔隙率为37%，由氧化铝材料制备而成），并经热交换器5回流到进料罐1形成循环反应器，控制温度为50℃，料液在反应器中高速循环反应15min（反应过程中关闭渗透侧），然后浓缩去水d，浓缩液的干固质量含量达到15%；

3）、用纯水a（电导率<5us/cm)对浓缩液进行第一次洗涤浓缩，直至出水d的电导率与纯水a的电导率相当（二者差值的绝对值不大于1us/cm），然后浓缩去水至浓缩液中干固质量含量为15%；

4）、将洗涤好的菌体浓缩液中加入200L 5%(体积比）的次氯酸钠c溶液，常温下用陶瓷膜反应器高速循环反应4min（反应过程中关闭渗透侧），然后进行浓缩去水，控制浓缩液的干固质量含量不超过15%；

5）、用纯水a（电导率<5us/cm)对浓缩液进行第二次洗涤浓缩，直至出水d的电导率与纯水a的电导率相当（二者差值的绝对值不大于1us/cm），然后浓缩去水至浓缩液中干固含量为15%；

6)、浓缩的菌体采用脱水机6进行脱水；

7）、对脱水后的产品进行干燥得到干粉产品223.17g，产品分子量为130万，产品的纯度为98.1%，收率为97.3%。

为了对比反应时间对产品分子量的影响，延长与次氯酸钠溶液的反应时间，做了如下的与实施例1相对应的对照例1：

对照例 1

1）、将经过活性污泥法发酵完收集来的菌体在-50℃下冻干至恒重；

2）、将冻干好的菌体b 10L（含菌体干重30g/L)溶于200L的10g/L十二烷基硫酸钠（SDS）C溶液中，并放入陶瓷膜进料罐1中，在泵2的输送下进入陶瓷膜组件4内（陶瓷膜的孔径为100nm，孔隙率为37%，由氧化铝材料制备而成），并经热交换器5回流到进料罐1形成循环反应器，控制温度为50℃，料液在反应器中高速循环反应15min（反应过程中关闭渗透侧），然后浓缩去水d，浓缩液的干固质量含量达到15%；

3）、用纯水a（电导率<5us/cm)对浓缩液进行第一次洗涤浓缩，直至出水d的电导率与纯水a的电导率相当（二者差值的绝对值不大于1us/cm），然后浓缩去水至浓缩液中干固质量含量为15%；

4）、将洗涤好的菌体浓缩液中加入200L 5%(体积比）的次氯酸钠c溶液，常温下用陶瓷膜反应器高速循环反应10min（反应过程中关闭渗透侧），然后进行浓缩去水，控制浓缩液的干固质量含量不超过15%；

5）、用纯水a（电导率<5us/cm)对浓缩液进行第二次洗涤浓缩，直至出水d的电导率与纯水a的电导率相当（二者差值的绝对值不大于1us/cm），然后浓缩去水至浓缩液中干固含量为15%；

6)、浓缩的菌体采用脱水机6进行脱水；

7）、对脱水后的产品进行干燥得到干粉产品212.38g，产品分子量为115万，产品的纯度为95.4%，收率为90.05%。

实施例 2

1）、将经过活性污泥法发酵完收集来的菌体在-50℃下冻干至恒重；

2）、将冻干好的菌体b 10L（含菌体干重30g/L)溶于150L的14g/L十二烷基硫酸钠（SDS）C溶液中，并放入陶瓷膜进料罐1中，在泵2的输送下进入陶瓷膜组件4内（陶瓷膜的孔径为10nm，孔隙率为36.6%，由氧化铝材料制备而成），并经热交换器5回流到进料罐1形成循环反应器，控制温度为50℃，料液在反应器中高速循环反应18min（反应过程中关闭渗透侧），然后浓缩去水d，浓缩液的干固质量含量达到15%；

3）、用纯水a（电导率<5us/cm)对浓缩液进行第一次洗涤浓缩，直至出水d的电导率与纯水a的电导率相当（二者差值的绝对值不大于1us/cm），然后浓缩去水至浓缩液中干固质量含量为15%；

4）、将洗涤好的菌体浓缩液中加入200L 15%(体积比）的次氯酸钠c溶液，常温下用陶瓷膜反应器高速循环反应3min（反应过程中关闭渗透侧），然后进行浓缩去水，控制浓缩液的干固质量含量不超过15%；

5）、用纯水a（电导率<5us/cm)对浓缩液进行第二次洗涤浓缩，直至出水d的电导率与纯水a的电导率相当（二者差值的绝对值不大于1us/cm），然后浓缩去水至浓缩液中干固含量为15%；

6)、浓缩的菌体采用脱水机6进行脱水；

7）、对脱水后的产品进行干燥得到干粉产品223.4g，产品分子量为128万，产品的纯度为97.5%，收率为96.8%。

Claims (10)

1.一种利用陶瓷膜反应器提取聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于：包括如下步骤：1)、将含聚羟基脂肪酸酯的菌体在超低温下冻干；

2)、将步骤1)冻干好的菌体溶于十二烷基硫酸钠溶液中，在陶瓷膜反应器中反应，反应结束后，依次浓缩、洗涤、浓缩；

3)、将步骤2)所得菌体浓缩液中加入次氯酸钠溶液，在陶瓷膜反应器中反应，反应结束后，依次浓缩、洗涤、浓缩、脱水、干燥，即得聚羟基脂肪酸酯。

2.根据权利要求1所述的利用陶瓷膜反应器提取聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于：步骤1）中，在超低温下冻干为：在-30~-80℃下冻干至恒重。

3.根据权利要求1或2所述的利用陶瓷膜反应器提取聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于：步骤2）中，十二烷基硫酸钠溶液的浓度为8~15g/L，步骤1）所得冻干菌体与十二烷基硫酸钠溶液的体积比为1：10~1：20，反应温度为40~60℃，反应时间为15~20min；每次浓缩均浓缩至浓缩液中的干固质量含量为15%~20%。

4.根据权利要求1或2所述的利用陶瓷膜反应器提取聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于：步骤2）中，反应结束后，依次进行浓缩、纯水洗涤、浓缩的循环操作，直至浓缩出水的电导率与纯水的电导率差值的绝对值不大于1us/cm，洗涤所用纯水的电导率<5us/cm。

5.根据权利要求1或2所述的利用陶瓷膜反应器提取聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于：步骤3）中，次氯酸钠溶液的体积浓度为5~20%，步骤1）所得的冻干菌体与次氯酸钠溶液的体积比为1：10~1：20，反应为常温下反应3~5min；每次浓缩均浓缩至浓缩液中的干固质量含量为15%~20%。

6.根据权利要求1或2所述的利用陶瓷膜反应器提取聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于：步骤3）中，反应结束后，依次进行浓缩、纯水洗涤、浓缩的循环操作，直至浓缩出水的电导率与纯水的电导率差值的绝对值不大于1us/cm，然后脱水、干燥，即得聚羟基脂肪酸酯，其中，洗涤所用纯水的电导率<5us/cm。

7.根据权利要求1或2所述的利用陶瓷膜反应器提取聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于：步骤3）中，采用板框压滤机、真空转鼓过滤机、带式分离机或集束式过滤器进行脱水，然后再干燥至恒重。

8.一种用于提取聚羟基脂肪酸酯的陶瓷膜反应器，其特征在于：包括冻干机、进料罐、输送泵、预过滤器、陶瓷膜组件、热交换器、脱水机和干燥机；进料罐、输送泵、预过滤器、陶瓷膜组件、热交换器和进料罐依次连通、并形成循环；冻干机、进料罐、脱水机和干燥机依次相接。

9.根据权利要求8所述的用于提取聚羟基脂肪酸酯的陶瓷膜反应器，其特征在于：陶瓷膜组件由氧化铝、氧化锆、氧化钛或碳化硅制成；陶瓷膜的孔径为200~5nm，孔隙率为30~50%。

10.利用权利要求8或9所述的用于提取聚羟基脂肪酸酯的陶瓷膜反应器提取聚羟基脂肪酸酯的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)、将含聚羟基脂肪酸酯的菌体在冻干机中超低温下冻干；

2)、关闭陶瓷膜组件的渗透侧，将步骤1)冻干好的菌体和十二烷基硫酸钠溶液加入进料罐中，在输送泵的作用下依次经过预过滤器、陶瓷膜组件和热交换器后回流到进料罐形成循环反应，反应结束后，打开陶瓷膜组件的渗透侧，进行浓缩、洗涤、浓缩，直到陶瓷膜组件清液出口出水的电导率不大于纯水的电导率，洗涤所用纯水的电导率<5us/cm；

3)、关闭陶瓷膜组件的渗透侧，在进料罐中加入次氯酸钠溶液，循环反应，反应结束后，打开陶瓷膜组件的渗透侧，进行浓缩、洗涤、浓缩，直到陶瓷膜组件清液出口出水的电导率不大于纯水的电导率，洗涤所用纯水的电导率<5us/cm；然后依次经过脱水机和干燥机后，得聚羟基脂肪酸酯。

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