頭孢菌素C發(fā)酵液膜過(guò)濾過(guò)程中收率的估算與控制
來(lái)源：江蘇久吾高科技股份有限公司 閱讀：3579 更新時(shí)間：2009-08-13 11:48頭孢菌素是繼青霉素后在自然界發(fā)現(xiàn)的又一β2內(nèi)酰胺類抗生素，目前已成為世界上銷售額最大的抗生素之一。頭孢菌素C(cephalosporinC，CPC)是生產(chǎn)頭孢菌素類抗生素的重要中間體，其工業(yè)化產(chǎn)品均采用發(fā)酵法來(lái)生產(chǎn)。早期的CPC發(fā)酵液過(guò)濾工藝使用板框和真空轉(zhuǎn)鼓，但由于存在濾液質(zhì)量差、收率不穩(wěn)定、環(huán)境污染等問(wèn)題，目前已逐漸被膜過(guò)濾工藝所取代。
收率是CPC生產(chǎn)控制中的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，收率的計(jì)算對(duì)膜過(guò)濾過(guò)程的操作、設(shè)計(jì)與優(yōu)化有重要的意義。膜過(guò)濾無(wú)法將料液徹底濃縮，總是要保留一定體積的料液在系統(tǒng)中循環(huán)。因此，為保證收率，發(fā)酵液的膜過(guò)濾過(guò)程通常被分為3個(gè)階段：前濃縮階段，將發(fā)酵液由初始體積V0濃縮至體積Vd并獲得一部分濾液；洗濾階段，在過(guò)濾同時(shí)往保留液中加入頂洗劑，將目的物帶出到濾液中以提高收率；后濃縮階段，將保留液濃縮至最終體積Ve以方便處理殘?jiān)⑦M(jìn)一步提高目的物收率。有研究者針對(duì)膜過(guò)濾過(guò)程中目的物濃度的變化建立了模型，但目前關(guān)于膜過(guò)濾過(guò)程收率的報(bào)道還停留在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上。
本文基于一些基本假設(shè)，通過(guò)適當(dāng)選取的一些參數(shù)來(lái)研究膜過(guò)濾過(guò)程中收率的變化規(guī)律，旨在更充分地揭示影響CPC收率的控制因素，為更好地控制由過(guò)濾過(guò)程引起的收率變化提供依據(jù)。
1 膜過(guò)濾實(shí)驗(yàn)過(guò)程
將發(fā)酵液濃縮至一定體積Vd后，開(kāi)始流加頂洗劑，使流加速率與濾液滲出速率相同，保持保留液體積恒定，加入的頂洗劑總體積記為Vw，稱此為連續(xù)洗濾(CFD)操作模式；將原料液濃縮至一定體積Vd后，一次性加入Vw體積頂洗劑，然后再濃縮和再加頂洗劑，稱此為間歇洗濾(IFD)操作模式。記累計(jì)濾液體積為V。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。循環(huán)罐附有換熱器以控
制料液溫度。
CPC是水溶性化合物，其游離酸相對(duì)分子質(zhì)量為415.44。產(chǎn)CPC的菌體為頂頭孢霉菌(Ceph2alosporiumacremonium)，菌體大小通常在1～10μm之間，是發(fā)酵液中主要的固形物。此外，發(fā)酵液中還往往帶有未被菌體吸收的乳化油粒和少量未分解完全的固形顆粒。通常發(fā)酵液濕固含量在35%(mass)左右，干固含量在10%(mass)左右。在滿足下游工序?qū)V液質(zhì)量要求的情況下，選擇合適的濾膜，可以獲得大的膜通量，并使膜在對(duì)固形物有效截留的同時(shí)對(duì)CPC基本沒(méi)有截留作用。因此可以假定膜兩側(cè)的CPC濃度相同，即膜對(duì)菌絲體等固形物的透過(guò)率為0，而對(duì)CPC的透過(guò)率為100%。循環(huán)罐在攪拌情況下可以認(rèn)為是一個(gè)全混釜。
2 膜過(guò)濾過(guò)程中收率的計(jì)算
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定義前濃縮階段結(jié)束時(shí)保留液體積Vd與初始料液體積V0的比值a為前濃縮比；洗濾階段頂洗劑每次加入體積Vw與洗濾階段保留液體積Vd的比值b為稀釋比(在連續(xù)洗濾時(shí)Vw為所流加頂洗劑的總體積)；后濃縮階段終了保留液體積Ve與后濃縮階段初始保留液體積Vd的比值c為后濃縮比，有
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若記K=V/V0-1，稱K為體積增長(zhǎng)率，
則有
K=a(b-c) (CFD)(4)
K=a(nb-c) (IFD)(5)
2.1 采用CFD操作模式時(shí)收率的計(jì)算式
采用CFD操作模式時(shí)，洗濾階段保留液體積是恒定的，即頂洗劑流加速度與透過(guò)液濾出速度相同。由物料衡算可以得到CPC收率的分段函數(shù)表達(dá)式為
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當(dāng)膜過(guò)濾過(guò)程結(jié)束后，有
V=V0+Vw-Ve(7)
將式(7)代入式(6)的后濃縮階段收率計(jì)算式，整理后可得CPC的總收率ξ為
ξ=1-ace-b(8)
2.2 采用IFD操作模式時(shí)收率的計(jì)算式
采用IFD操作模式時(shí)，每次加入頂洗劑前保留液的體積是相同的，即每次頂洗過(guò)程中，所加入的頂洗劑體積與透過(guò)液體積是相同的。記每次加入頂洗劑體積為Vw，總的添加次數(shù)為n1類似CFD操作模式中收率的計(jì)算，由物料衡算可以得到CPC收率的分段函數(shù)表達(dá)式為
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將式(10)代入式(9)的后濃縮階段收率計(jì)算式，整理后可得CPC的總收率ξ為
ξ=1-ac(1+b)-n(11)
3 膜過(guò)濾過(guò)程中收率的控制與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
既然導(dǎo)出了收率的計(jì)算式，則已知某個(gè)參數(shù)值時(shí)，可以反推出其他參數(shù)間的取值關(guān)系與控制范圍，據(jù)此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)濾過(guò)程的控制。一般控制膜過(guò)濾過(guò)程中收率的目的有兩個(gè)：一個(gè)是在濾液體積一定的情況下盡量提高收率；另一個(gè)是在保證收率一定的情況下盡量減少濾液體積。兩個(gè)控制目的對(duì)應(yīng)的操作過(guò)程分別為恒體積增長(zhǎng)率過(guò)濾過(guò)程和恒收率過(guò)濾過(guò)程。小的前濃縮比會(huì)提高保留液中的固形物含量，使膜平均通量下降；而較大的前濃縮比又會(huì)使殘留液體積增大。根據(jù)通量衰減情況可以確定合適的前濃縮比。適當(dāng)?shù)那皾饪s比a可以使膜保持較高的平均通量，從而縮短整個(gè)生產(chǎn)周期的時(shí)間；同時(shí)，適當(dāng)提高后濃縮比c可以提高CPC的收率，并減小殘液的體積。
在剛開(kāi)始頂洗時(shí)，料液的黏度很大，隨著頂洗的進(jìn)行，可溶性物質(zhì)會(huì)被逐漸帶走，料液的黏度將會(huì)降低。加入頂洗劑，在提高CPC收率的同時(shí)，也稀釋了濾液中CPC的濃度，增大了濾液體積。濾液中高的CPC濃度有利于后工序的提取，控制適當(dāng)小的稀釋比b可以在滿足收率要求情況下提高濾液中CPC的濃度。相同條件下，采用CFD操作模式可以獲得比IFD操作模式更高的收率；對(duì)于IFD操作過(guò)程，添加頂洗劑次數(shù)n越大，獲得的收率越高。
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3.1 恒體積增長(zhǎng)率過(guò)濾過(guò)程采用CFD操作模式，當(dāng)b=1，c=1時(shí)，K=0，總收率ξ=1-ae-1；當(dāng)K=-1時(shí)，ac=1，總收率ξ=0。在恒體積增長(zhǎng)率過(guò)濾過(guò)程中，不妨取后濃縮比c=1，設(shè)定不同的體積增長(zhǎng)率K，據(jù)式(4)和式(8)可以得到總收率ξ和前濃縮比a的關(guān)系曲線，如圖2。當(dāng)K<0時(shí)，a的取值范圍為a∈[-K，1]。由圖2可見(jiàn)，在相同前濃縮比情況下，總收率是隨著體積增長(zhǎng)率的增加而增加的。
采用IFD操作模式時(shí)，不妨取K=1，c=1，設(shè)定不同的頂洗次數(shù)n，據(jù)式(5)和式(11)可以得到CPC收率與前濃縮比a的關(guān)系曲線，如圖3。當(dāng)頂洗次數(shù)n趨于無(wú)窮大時(shí)，該洗濾過(guò)程即為CFD過(guò)程。由圖3可見(jiàn)，在相同濃縮比情況下，總收率是隨著頂洗次數(shù)的增加而增加的。當(dāng)a為1時(shí)，一次頂洗IFD操作模式下的理論總收率較CFD操作模式(n→∞)下的理論總收率低了近0.2。
3.2 恒收率過(guò)濾過(guò)程
采用CFD操作模式時(shí)，不妨取c=1，設(shè)定不同的總收率ξ，據(jù)式(4)和式(8)可以得到體積增長(zhǎng)率K與前濃縮比a的關(guān)系，如圖41當(dāng)K<0時(shí)，a的取值范圍為a∈[-K，1]。由圖4可見(jiàn)，在相同濃縮比情況下，體積增長(zhǎng)率是隨著總收率的增加而增加的。理想情況下，在前濃縮比和后濃縮比均為1，即直接對(duì)原始料液進(jìn)行連續(xù)洗濾時(shí)，體積增長(zhǎng)率為3.61即可使總收率達(dá)到0.99以上。
采用IFD操作模式時(shí)，不妨取總收率ξ=0.95，c=1，此時(shí)a的取值范圍為a∈[0.05，1]。設(shè)定不同的頂洗次數(shù)n，據(jù)式(5)和式(11)可以得到體積增長(zhǎng)率K與前濃縮比a的關(guān)系曲線，如圖5。當(dāng)頂洗次數(shù)趨于無(wú)窮大時(shí)，該洗濾過(guò)程即為CFD過(guò)程。由圖5可見(jiàn)，在相同濃縮比情況下，體積增長(zhǎng)率是隨著頂洗次數(shù)的增加而降低的。在a為1時(shí)，一次頂洗IFD操作模式下的體積增長(zhǎng)率較CFD操作模式(n→∞)下的體積增長(zhǎng)率高了9倍多。
前濃縮比a與后濃縮比c之積表示了膜過(guò)濾過(guò)程中料液總的濃縮比，其值大于料液的濕固含量值。在CPC發(fā)酵液過(guò)濾過(guò)程的實(shí)際控制中，由于每批料液中濕固含量存在差異，當(dāng)c=1時(shí)，a的取值下限一般在014左右，因此以上圖示中a不能取到小于其下限的值。
3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
實(shí)驗(yàn)采用南京九思高科技有限公司生產(chǎn)的多通道陶瓷膜及過(guò)濾裝置，加料為200L頭孢菌素C發(fā)酵液，頂洗劑為pH2.5的去離子水，控制K=1，ac=0.4。采用CFD操作模式，分別在a=0.5、0.8、1.0條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；采用IFD操作模式在a=1、n=7條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果用不同符號(hào)在圖6中進(jìn)行了標(biāo)記，曲線為據(jù)式(6)和(9)得到的理論值。由圖6可知，在不同操作條件下，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中都是一致的，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與理論線之間的誤差小于2%。
由于在洗濾階段CFD操作模式比IFD操作模式具有更好的濃度梯度，因此在前濃縮比a、后濃縮比c及頂洗劑加入量相同情況下，前者的收率要比后者高。但由于洗濾階段保留液中固形物含量總是處于較高濃度，因此當(dāng)體積增長(zhǎng)率K一定時(shí)，CFD操作模式下的膜平均通量要低于IFD操作模式下的膜平均通量。
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4 結(jié) 論
(1)給出了CFD和IFD兩種操作模式下收率的計(jì)算公式，并通過(guò)陶瓷膜過(guò)濾CPC發(fā)酵液進(jìn)行了驗(yàn)證。
(2)相同操作條件下，采用CFD操作模式的總收率要高于采用IFD操作模式的總收率。
(3)通過(guò)對(duì)a、b、c和總的頂洗劑添加次數(shù)n4個(gè)參數(shù)的調(diào)整，可以有效控制不同操作模式下的過(guò)程收率，從而實(shí)現(xiàn)恒體積增長(zhǎng)率或恒收率等不同的操作目的。
(4)在比較的4個(gè)實(shí)驗(yàn)中，K=1，a=0.5，c=1條件下使用陶瓷膜過(guò)濾CPC發(fā)酵液可以獲得較好的收率、進(jìn)度和較小的濾液體積。
