CN111808104B

CN111808104B - 一种纳滤浓缩结合絮凝法回收核黄素的方法

Info

Publication number: CN111808104B
Application number: CN202010489380.5A
Authority: CN
Inventors: 陈亮; 辛秀兰; 杨军; 谢国莉; 梁浩; 田飞豹
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology; Beijing Polytechnic
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology; Beijing Polytechnic
Priority date: 2020-06-02
Filing date: 2020-06-02
Publication date: 2022-11-29
Anticipated expiration: 2040-06-02
Also published as: CN111808104A

Abstract

本发明公开了一种纳滤浓缩结合絮凝法回收核黄素的方法，针对核黄素发酵液分离纯化工艺过程中产生的废弃液——核黄素结晶母液，使用纳滤浓缩结合絮凝沉淀法从所述核黄素结晶母液中回收核黄素。首先，采用LNF款卷式纳滤膜，纳滤处理核黄素结晶母液，得到的截留液中添加絮凝剂，在搅拌条件下，得到的絮凝液经离心处理，得到的沉淀即为核黄素产品。本方法中所述LNF款卷式纳滤膜对核黄素的截留率可达到99%，且在最优条件下选用聚丙烯酰胺作为絮凝剂，可沉降截留液中约90%的核黄素。通过本发明所述的方法，有效提高了核黄素收率、降低污水排放处理的工序及费用，减少排污量，实现清洁生产。

Description

一种纳滤浓缩结合絮凝法回收核黄素的方法

技术领域

本发明属于生物技术领域，特别涉及一种纳滤浓缩结合絮凝法回收核黄素的方法。

背景技术

核黄素（维生素B2），是维生素B族的重要组成部分，其前身为维生素G，分子式是C₁₇H₂₀N₄O₆，根据化学结构对其命名为7,8-二甲基-10(1’-D-核糖醇基)-异咯嗪，是一种水溶性维生素，是通过微生物发酵或化学合成来制备得到的，作为药品、色素、营养及动物饲料添加剂被广泛应用。

微生物发酵法生产核黄素将会产生大量的核黄素结晶母液，这些结晶母液中的核黄素不能被收集而作为废液处理，最终提出了采用大孔吸附树脂来回收核黄素，但这种方法需要采用高浓度的盐酸进行解吸附，而高浓度的盐酸会受设备等条件限制，对实际生产中的设备要求比较高。

因此，目前急需寻找一种适合的方法，高效提取结晶母液中的核黄素。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种纳滤浓缩结合絮凝法回收核黄素的方法，提高核黄素收率、降低污水排放处理的工序及费用，减少排污量，实现清洁生产。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种纳滤浓缩结合絮凝法回收核黄素的方法，包括以下步骤：

（1）首先采用LNF款卷式纳滤膜，纳滤处理核黄素结晶母液，其中温度控制在20~50℃，pH为2~5，压力为15~30bar，平均通量41.33~103.90 L·m^-2·h^-1，得到截留液和滤过液；

所述的核黄素结晶母液为核黄素发酵液分离纯化工艺过程中产生的废弃液；

（2）向所述截留液中添加絮凝剂，在搅拌条件下，温度20~30℃，pH 2~3，得到的絮凝液经离心处理，得到的沉淀即为核黄素产品；

（3）经步骤（1）纳滤处理后使用过的LNF款卷式纳滤膜，在压力4bar、碱洗的条件下，清洗后重复利用；

（4）将步骤（2）离心处理后得到的上清液，与步骤（1）所述滤过液混合得到混合液，所述混合液再次重复步骤（1）的处理。

进一步的，步骤（2）所述絮凝剂为阴离子63810型聚丙烯酰胺。

进一步的，所述絮凝剂的添加量为每100ml絮凝液加入10~60mg。

进一步的，步骤（1）所述纳滤处理的条件为：温度40 ℃、pH = 2、30 bar。

进一步的，所述絮凝剂的添加量为每100ml絮凝液加入聚丙烯酰胺15mg，絮凝条件为：在搅拌条件下，温度 20℃，pH 3。

进一步的，所述核黄素结晶母液中核黄素的浓度为0.2-20mg/mL。

本发明相比现有技术的有益效果为：

1、本发明所述的纳滤浓缩结合絮凝法回收核黄素的方法，针对核黄素生产中产生大量的核黄素结晶母液，进一步提取其中的核黄素，所述核黄素结晶母液中核黄素的浓度仅为0.2-20mg/mL，浓度较低，因此其回收核黄素的方法不同于核黄素生产过程中的浓缩提纯方法，在提高核黄素收率的同时，还大大减少了污水排放处理量，实现了清洁生产；

2、本发明所述回收核黄素的方法，采用纳滤浓缩结合絮凝沉淀法来回收核黄素结晶母液中残留的核黄素，其中纳滤浓缩选用卷式纳滤膜，相比平板式纳滤处理量小且膜易污染，其处理量大且膜不易污染；进一步从不同材质与型号的纳滤膜中筛选出对于核黄素截留效果最佳的纳滤膜膜NT 102，并确定了最佳的纳滤浓缩条件及膜清洗条件，达到99%以上的核黄素均可被截留，同时滤过液可以重新用于清洁或结晶，可节约80%左右的水；

3、本发明所述回收核黄素的方法，选用阴离子63810型聚丙烯酰胺作为絮凝剂絮凝核黄素纳滤截留液，聚丙烯酰胺不仅价格低廉又属于食用级，保证了核黄素回收的生产效益，又能满足饲料添加剂产品要求；在最优条件下（包括絮凝剂的加入量、加入形式、搅拌时间、搅拌转速、温度、离子强度、核黄素母液的pH及浓度等）可沉降截留液中约90%的核黄素，最终可作为饲料添加剂使用。

附图说明

图1为本发明所述纳滤浓缩结合絮凝法回收核黄素的方法的工艺流程图。

具体实施方式

以下实施例涉及到的实验材料包括：核黄素（医药级），购买自赤峰制药厂；盐酸（分析纯）、乙酸钠（分析纯）、冰乙酸（分析纯）、氢氧化钠（分析纯），均购买自北京试剂厂；自制去离子水。

以下实施例涉及到的实验仪器包括：紫外分光光度计（UV-2450），日本岛津公司生产；电子天平（Sartorius-BT25s），赛多利斯科学仪器有限公司生产；纳滤分离设备（BSM-NFZ-01），上海碧欣生物设备工程有限公司生产。

实施例1

本实施例提供了一种纳滤浓缩结合絮凝法回收核黄素的方法，包括以下步骤：

（1）首先采用LNF 8272697款卷式纳滤膜，纳滤处理核黄素结晶母液，其中温度控制在40℃，pH为2，压力为30bar，得到截留液和滤过液；截留率为99.98%，平均通量105.47L·m^-2·h^-1；

所述的核黄素结晶母液为核黄素发酵液分离纯化工艺过程中产生的废弃液，经测定其中核黄素的浓度为0.5mg/mL；

（2）向所述截留液中添加絮凝剂——阴离子63810型（1400万分子量）聚丙烯酰胺，在搅拌条件下，温度20℃，pH 3，得到的絮凝液经离心处理，得到的沉淀即为核黄素产品；

所述絮凝剂的添加量为：每100ml 加入15mg的聚丙烯酰胺；

经测定，可沉降截留液中约90%的核黄素，所述核黄素产品可作为饲料添加剂使用；

（3）由于纳滤膜价格比较昂贵，为进一步降低成本可对纳滤膜进行清洗回收再利用：经步骤（1）纳滤处理后使用过的LNF款卷式纳滤膜，在压力4bar、碱洗的条件下，清洗后重复利用；

实施例2

为研究卷式纳滤膜操作条件对核黄素溶液截留性能的影响，本实施例通过调节核黄素母液的 pH 以及操作压力进行实验。

操作温度、压力以及结晶母液等对纳滤操作有一定的影响，对于实验型纳滤分离设备——BSM-NFZ-01 来说，可人为操控的只有操作压力以及进样罐中核黄素母液的 pH，而核黄素母液呈酸性，对于纳滤来说，其压力范围一般在 15——30bar 之间，因此，本实施例研究了核黄素结晶母液的 pH（2、3、4、5）以及操作压力（15、20、25、30 bar）对截留效果的影响。

结果如表1所示：

由表1数据显示，卷式纳滤膜 LNF 8272697 对核黄素溶液的截留率均大于99.5%，这取决于纳滤膜的本身物理特性，由于此款纳滤膜的截留分子量为 150-300 道尔顿，远小于核黄素的分子量 376，故其截留率很高近于 100%；其次，膜通量与操作压力成正比，随着操作压力的增加，膜的平均通量也在增加，由于操作压力增大，使膜上侧的核黄素所受到的驱动力也增大，因此，通过膜的速度也会增大；最后，在相同压力条件下，pH=2 和pH=5 处的膜通量相对较大。考虑实际生产中结晶母液的 pH 值较低，选择 pH 为 2 及压力为 30 bar 作为卷式纳滤膜的最佳操作条件。

实施例3

为研究不同卷式纳滤膜清洗方式对卷式膜的影响，本实施例通过研究卷式膜酸碱清洗方案，设多个变量进行对比，并研究了操作压力（2、4、6bar）、清洗时间（5、10 min）、清洗液温度（30、40 ℃）等对清洗结果的影响。以操作压力为 5 bar，去离子水为滤液，测 10min 内的水透过体积计算平均水通量，用其纯水通量来评价清洗效果。

得到的数据如表2所示：

从表2的数据比较可知：

（1）碱洗的效果优于酸洗的效果，这是因为核黄素在碱性溶液中的溶解度远高于在酸性溶液中的溶解度；

（2）延长清洗时间没有提高清洗后的纳滤膜水通量，可能是因为核黄素母液的处理量较小，母液只有 2L，故 5 分钟就可以达到最好的清洗效果；

（3）在清洗时压力为 4 bar 的清洗效果最好，这是因为压力过小不能对纳滤膜内的膜通道起到清洗效果，压力变大时，膜通量也增大，促使清洗液的过滤循环加快，从而影响清洗效果；

（4）升高清洗剂的温度没有提高清洗效果，其原因可能是由于处理量较小，因此，膜污染情况不是很严重，故清洗剂的温度母液很明显的展示出来。

实施例4

本实施例意在探讨不同型号的可食用性的絮凝剂对核黄素的沉淀效果，由于絮凝剂的种类及型号较多，不同种类及型号的絮凝剂对于核黄素的絮凝效果也不同，由于聚丙烯酰胺价格低廉又有食用级的，故本实施例选用不同型号的聚丙烯酰胺作为絮凝剂来沉降核黄素。因此，本实施例将从阳、阴离子及非离子三种型号不同分子量的聚丙烯酰胺中筛选出对核黄素絮凝效果最好的一种，实验所用到的聚丙烯胺酰胺的型号、分子量列于表3中。

实验具体过程如下：核黄素结晶母液进行纳滤浓缩，量取纳滤截留液50 mL，配各种型号及分子量的聚丙烯酰胺 2/1000（质量分数），搅拌溶解后取 10 mL加入到纳滤截留液中并在一定速度下搅拌 20 min，静置，抽滤，量取滤液体积并测其吸光度，根据吸光度计算絮凝率（核黄素总质量-滤液中核黄素质量）/核黄素总质量*100%。

各絮凝剂的徐凝效果如表4所示：

从表4中得知，不同型号聚的丙烯酰胺对核黄素纳滤浓缩液都有较好的絮凝性，其絮凝率均在 60%以上。其中阴离子型絮凝剂聚丙烯酰胺对核黄素的絮凝效果高于非离子型和阳离子型，这可能取决于絮凝剂本性的物理特性以及被絮凝物的物理性质，而其中阴离子 63810 型(1400 万分子量)聚丙烯酰胺对核黄素的絮凝效果最好。故以下实验均以阴离子型 63810(1400 万分子量)聚丙烯酰胺展开研究。

实施例5

为研究絮凝条件对核黄素絮凝效果的影响，本实施例通过对絮凝剂（阴离子型63810(1400 万分子量)聚丙烯酰胺）的加入量、加入形式、搅拌时间、搅拌转速、温度、离子强度、核黄素母液的 pH、浓度等对絮凝效果的影响分别做了探讨。

经研究发现，絮凝率随着絮凝剂的增加先增高后减少，加入质量分数为2/1000的聚丙烯酰胺体积比为15%时絮凝效果最好；而液体加入法总体优于固体加入法。搅拌时间、搅拌转速和离子强度对絮凝效果的影响较小，但不搅拌会影响其絮凝效果；随着温度增加絮凝率会明显降低；溶液pH低、浓度高时其絮凝效果较好。

综上，本发明针对核黄素发酵提纯工艺过程中产生的结晶母液，研究了使用纳滤浓缩结合絮凝沉淀法从核黄素结晶母液中回收核黄素，从不同材质与型号的纳滤膜中筛选出对于核黄素截留效果较好的纳滤膜膜NT 102，并优化了纳滤过程中温度、pH、压力等的操作条件，最终确定卷式膜截留核黄素溶液的最佳条件为pH = 2、压力30bar、温度40 ℃。用膜通量恢复率作为评价因素，对板式和卷式纳滤膜进行物理和酸碱化学清洗的方法研究，结果显示采用碱液清洗效果最好。LNF卷式纳滤膜可截留99%以上的核黄素，而滤过夜可以重新用于清洗或结晶，可节约80%左右的水。采用阴离子63810型(1400万分子量)聚丙烯酰胺絮凝核黄素纳滤浓缩液，在最优条件下可沉降浓缩液中约90%的核黄素，最终可作为饲料添加剂使用。

Claims

1.一种纳滤浓缩结合絮凝法回收核黄素的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）首先采用LNF款卷式纳滤膜，纳滤处理核黄素结晶母液，其中温度控制在20~50℃，pH为2~5，压力为15~30bar，平均通量41.33~103.90 L·m ^-2·h ^-1，得到截留液和滤过液；

所述絮凝剂为阴离子63810型聚丙烯酰胺；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述絮凝剂的添加量为每100ml絮凝液加入10~60mg。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）所述纳滤处理的条件为：温度40℃、pH = 2、压力30 bar。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述絮凝剂的添加量为每100ml絮凝液加入阴离子63810型聚丙烯酰胺15mg，絮凝条件为：在搅拌条件下，温度 20℃，pH 3。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述核黄素结晶母液中核黄素的浓度为0.2-20mg/mL。