陶瓷膜分离技术在聚丙烯酰胺分离提取中的应用研究

王立才

（三达膜科技（厦门）有限公司，福建 厦门 361000）

在各类化工产品生产中，分离、纯化和浓缩工艺占有较高的工作比例，膜分离技术是分离、纯化和浓缩工艺的重要手段。丙烯酰胺是生产聚丙烯酰胺的原料，将丙烯腈、原料水和生物催化酶制剂调配成水合溶液，催化反应后分离出废催化剂就可得到丙烯酰胺产品。[1]膜技术具有运行稳定、产品滤液稳定、耐污染、膜通量稳定等特点，适合用于丙烯酰胺的生产。因此，丙烯酰胺产品生产大量使用膜分离技术。本研究通过开展试验及试运行，验证管式陶瓷膜过滤聚丙烯酰胺水合反应液的可行性和效果。

1 膜分离技术及工艺原理

1.1 膜分离技术简介

膜是一种选择性分离材料，通过压差的作用对料液进行选择性分离，纯化和浓缩。通过它进行的分离过程称作膜分离。它与传统过滤器的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，无需发生相变，也无需添加助剂。[2]依据其孔径的不同，可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜。

1.2 膜分离工艺原理

膜分离的基本工艺原理较为简单。在过滤过程中料液通过泵的加压，料液以一定流速沿着滤膜的表面流过，大于膜截留分子量的物质分子不透过膜流回料罐，小于膜截留分子量的物质或分子透过膜，形成透析液。故膜系统都有两个出口，一是回流液（浓缩液）出口，另一是透析液出口。在单位时间（小时）单位膜面积（m2）透析液流出的量（升）称为膜通量（LMH），即过滤速度。影响膜通量的因素有：温度、压力、固含量（TDS）、料液浓度、黏度等。

根据材料的不同，膜可分为无机膜和有机膜。无机膜还是以微滤级别的膜为主，主要是陶瓷膜和金属膜。由于膜分离过程是一种纯物理过程，具有无相变，节能、体积小、可拆分，自动化程度高等特点，使膜广泛应用在发酵、制药、化工、水处理工艺过程及环保等行业中。[3]根据不同的料液性质，通过试验选择合适的膜分离工艺，从而达到最合适的膜通量和最好分离效率，进而提高生产收率、产品质量、减少投资规模和运行成本。

2 膜分离技术在丙烯酰胺生产中的应用

2.1 丙烯酰胺发酵液陶瓷膜分离实验目的

丙烯酰胺是一种白色晶体化学物质，溶于水、乙醇、乙醚、丙酮，不溶于苯，是生产聚丙烯酰胺的原料。为研究膜工艺对含生物催化酶的菌体发酵液除杂和丙烯酰胺水合液浓缩的可行性，开展陶瓷膜分离浓缩试验。通过采用陶瓷膜过滤技术对丙烯酰胺水合液进行浓缩，截留杂质，得到丙烯酰胺水溶液，最终得到浓缩10 倍以上的浓缩液，同时确保没有菌体透过陶瓷膜；采用陶瓷膜过滤技术对含生物催化酶的菌体发酵液进行浓缩，截留菌体，透出水和培养基，最终得到浓缩10 倍以上的浓缩液，同时确保没有菌体透过陶瓷膜。

2.2 分离实验工艺流程

丙烯酰胺发酵液陶瓷膜分离工艺试验方案采用料液直接进陶瓷膜进行浓缩，最终从循环罐底阀门排出，得到浓缩液。考虑到料液料液为热敏性物质，陶瓷膜运行中产热较为迅速，因此需要利用换热器进行冷却处理。此工艺比较简单，能够稳定运行。

2.3 分离实验操作

如图1，将试验料液投加入设备料罐中，启动设备，以泵为驱动，在一定的压力差下，利用膜对不同物质截留率的不同，使大分子完全被截留在浓缩液内，而小分子物质透过膜得以分离。在试验过程中定时记录“试验时间、压力、温度、循环流量”等相关数据，并定时测定过滤速度（计算膜通量）。在操作结束后，排出浓缩液，进行膜清洗。

图1 试验设备流程示意图

2.4 分离实验过程

根据料液性质和检测结果，选定Suntar-50nm 陶瓷膜来做浓缩选膜实验。采用陶瓷膜过滤工艺进行浓缩，可以达到预期的截留效果。因此，对含生物催化酶的菌体发酵液总共进行了两批次的稳定性实验，对丙烯酰胺水合液进行了两批次的实验。

2.4.1 发酵液第一批次陶瓷膜浓缩实验

发酵液直接进陶瓷膜，在一定压力、温度下进行浓缩，最终从循环罐底阀门排出，得到浓缩液。操作条件：进压3bar，出压2bar，温度28.6℃，得到实验数据如表1 及膜通量变化曲线如图2。

表1 陶瓷膜浓缩第一批次数据处理

图2 发酵液第一批次通量变化曲线

由图2 可知陶瓷膜的通量随着时间增加逐渐下降；开始运行时由于没有补料，反应液浓度逐渐增大，膜通量不断降低，后面随着运行时间增长，不断补料，保持运行体积不变，膜通量平稳，最后由于浓度慢慢变大，反应液体积越来越少，导致通量越来越低。

2.4.2 发酵液第二批次陶瓷膜浓缩实验

发酵液直接进陶瓷膜，在一定压力、温度下进行浓缩，最终从循环罐底阀门排出，得到浓缩液。操作条件：进压3bar，出压1bar,温度29.3℃，得到实验数据如表2 及膜通量变化曲线如图3。

表2 陶瓷膜浓缩第二批次数据处理

图3 发酵液第二批次通量变化曲线

由图3 可知陶瓷膜的通量随着时间先逐渐增加后下降；开始运行时由于反应液浓度较小，且不断补料，膜通量较大逐渐增加，后面由于浓度慢慢变大，反应液体积越来越少，导致通量越来越低。当达到既定浓缩倍数时停止实验。

由图4 可知发酵液第二批次滤液澄清透亮，有光泽；浓缩液浑浊不清，符合实验预期。

图4 发酵液第二批次实验样品

从实验中观察到料液可见刚性悬浮物颗粒，建议进陶瓷膜前先过滤袋预处理，以防杂质堵塞膜芯；陶瓷膜滤浓缩倍数目标是10 倍，但实际操作中可以浓缩更高的倍数，这样更加有利于后续工业化处理；发酵液第二个批次大量进料，长时间运行，通量不衰减，说明suntar-50nm 陶瓷膜能够长时间稳定通量地对发酵液进行浓缩。

2.4.3 水合液第一批次陶瓷膜浓缩实验

水合液直接进陶瓷膜，在一定压力、温度下进行浓缩、排除，最终得到浓缩液。操作条件：进压3bar，出压2bar,温度30.2℃，得到实验数据如表3 及膜通量变化曲线如图5。

表3 陶瓷膜浓缩第三批次数据处理

图5 水合液第一批次通量变化曲线

由图5 可知陶瓷膜的通量随着时间增加逐渐下降；开始运行时由于反应液浓度较小，膜通量较大，后面由于浓度慢慢变大，料液粘稠度增大，反应液体积越来越少，通量越来越低，当达到既定浓缩倍数时停止实验。

2.4.4 水合液第二批次陶瓷膜浓缩实验

水合液直接进陶瓷膜，在一定压力、温度下进行浓缩，排除，最终得到浓缩液。操作条件：进压3bar，出压1bar,温度31.2℃，得到实验数据如表4 及膜通量变化曲线如图6。

表4 水合液第二批次陶瓷膜浓缩数据处理

图6 水合液第二批次陶瓷膜通量变化曲线

由图6 可知陶瓷膜的通量随着时间增加逐渐下降；开始运行时由于反应液浓度较小，膜通量较大，接着由于料液温度变化，膜通量波动，后面由于浓度慢慢变大，反应液体积越来越少，通量越来越低，当达到既定浓缩倍数时停止实验。

3 陶瓷膜应用丙烯酰胺分离结果分析

3.1 陶瓷膜处理发酵液结果分析

经以上陶瓷膜应用丙烯酰胺发酵液分离实验，陶瓷膜处理料液具有很好的浓缩效果，处理发酵液各批次操作条件如压力、温度、通量等情况如表5。

表5 处理发酵液各批次操作参数汇总

通过上表可得出进料液经浓缩后能够达到浓缩13 倍以上；从两个批次各个数据来看，平均通量相近，说明该陶瓷膜能够稳定地处理发酵液；第二个批次大量进料，长时间运行，通量不衰减，说明suntar-50nm 陶瓷膜能够长时间稳定通量地对发酵液进行浓缩。

3.2 陶瓷膜处理水合液结果分析

水合液实验的操作条件如压力、温度、通量等的汇总表如表6。

表6 水合液操作参数汇总

通过上表可得出，第一批次水合液在不断补料的情况下可以达到更高的浓缩倍数；增大跨膜压差，从而增大循环流量，可以得到更大的平均通量。

4 结论

陶瓷膜能够对丙烯酰胺发酵液中菌体有效的截留，使得水和培养基透过，能够达到13 以上的浓缩数；料液在过陶瓷膜前需先过滤袋，否则会影响造成可见悬浮物堵膜；发酵液第二个批次大量进料，长时间运行，通量不衰减，说明suntar-50nm 陶瓷膜能够长时间稳定通量地对发酵液进行浓缩。suntar-50nm 陶瓷膜能够对水合液中菌体、细胞碎片等有效的截留，使得水和丙烯酰胺透过，蛋白透过量少，能够达到7.8 以上的浓缩倍数。因此，在丙烯酰胺生产过程中，由于杂质含量高、水合物多，使用陶瓷膜可以高效地分离杂质和菌体，达到良好的浓缩效果，从而替代传统工艺，降低生产维护成本，具备良好的经济价值以及社会价值。