Page 22 - 201905
P. 22

·790·                             精细化工   FINE CHEMICALS                                  第 36 卷

            灌和截留料液之间连通，料液实现循环过滤，提高                             易造成膜孔堵塞，不利于后续超滤。所以，需要对发
            了溶质的截留率，增强了超滤工艺的连续性。综上                             酵液中的杂质进行处理来提高发酵液的超滤性能。
            所述，在超滤技术的实际应用中首选错流过滤，通                                 在对生物酶发酵液中的杂质进行预处理时，传
            过引入进料罐和截留料液与进料罐的连通，使整个                             统的除杂工艺是先絮凝后过滤，然而由于酶发酵液
            超滤过程连续进行且降低了膜污染，提高了溶质的                             不同批次的差异使得絮凝过程难度增加                  [26] ，并且传
            截留率。                                               统的过滤手段不能有效去除发酵液中的杂质。
            2.3.2    跨膜压差（TMP）                                 Yang [53] 等提出利用微滤法对生物酶发酵液进行预
                 超滤过程是压力驱动的膜分离过程。研究表明，                         处理，发现与传统板式过滤器相比，微滤法所得到
            TMP 增大时，发酵液中的溶质驱动力增大，膜表面                           的酶清液在浑浊度、总悬浮固体浓度、蛋白质浓度
            溶质浓度增加，加快了凝胶层向滤饼层的转化，同时                            和总细菌数方面得到有效的改善。当传统工艺无法
            TMP 的增大提高了溶质向滤饼层的粘附，使滤饼层                           有效的处理发酵液中的杂质时，可以使用其他预处
            的生长率增加，膜污染加剧。虽然 TMP 的增大加剧                          理方法来提高发酵液的超滤性能。
            了膜污染，但膜通量仍会随着 TMP 的增大而增大                   [30] ，  3.1.2    提高生物酶在超滤过程中的稳定性
            当 TMP 继续增大，膜通量逐渐趋于稳定状态                  [48] 。综        发酵液在进行超滤操作时，受到理化环境和超
                                                               滤设备等因素的影响，可能会造成生物酶活力不同
            上所述，适当增大 TMP 是可以有效提高膜通量，但
                                                               程度的降低，可通过对发酵液的改性，如添加底物
            这需要更大的膜污染为代价，所以单纯提高 TMP 并
                                                               和酶稳定剂等，来提高生物酶的稳定性减少超滤过
            不是提高超滤性能的最优途径。
                                                               程中酶活力的损失。Krstić        [25] 等发现在发酵液中加入
            2.3.3    剪切速率
                                                               一定量的底物果胶能有效抑制在超滤过程中剪切力
                 通常提高膜表面的剪切速率，可以有效减小膜
                                                               引起的内切果胶酶失活。Rodríguez-Fernández          [54] 等发
            表面的溶质聚积，降低浓差极化和渗透压差对膜通
                                                               现甘油作为酶稳定剂不仅可以提高酶的稳定性还起
            量下降的影响，提高膜通量             [49-50] ，如中空纤维和卷
                                                               到了活化作用。综上所述，当发酵液中的酶活力因
            式膜组件，通过提高错流流速来提高膜通量。但过大
                                                               理化条件的改变受到影响时，可通过对发酵液改性
            的错流流速会导致膜内压力下降较大，膜利用率降
                                                               来提高生物酶的稳定性，避免酶活力的大量损失。
            低，膜局部污染严重，泵能耗增大，超滤膜寿命缩短
            和运行成本增加        [51] 。当对剪切力敏感的生物酶进行                 但需要注意的是，改性剂的加入需对膜污染程度、
                                                               截留率等超滤性能以及纯化后的酶制剂无负影响或
            分离时，过大的剪切流速产生的剪切力会对酶的脆性
                                                               影响较小。
            结构产生影响，有时会出现酶活力损失较大，甚至                             3.2   超滤膜的选择和改进
            生物酶大量死亡        [25] 。综上所述，适当提高膜表面剪
                                                               3.2.1    超滤膜材料的选择
            切力可以提高膜通量并减小膜污染，但需要考虑剪切
                                                                   超滤膜材料是膜性能的决定性因素，其大致分
            力对发酵液中酶活力的影响，以及超滤过程中因剪切
                                                               为两类：第一类为有机高分子材料，如纤维素类、
            速率提高造成的膜内压力下降和能量消耗的问题。
                                                               聚砜类、聚乙烯类等；第二类为无机材料，如陶瓷
            2.3.4    温度
                                                               和石墨烯等。
                 超滤过程大多在室温下进行，一般来说膜通量                                                                 [55]
                                                                   高分子材料，如聚偏二氟乙烯（PVDF）                   、聚
            随温度的升高而增大。这是因为温度升高降低了发
                                                               砜（PSF）   [56] 、聚醚砜（PES）    [57] ，虽然具有良好的
            酵液的黏度，溶液扩散系数增加，更多的溶质在膜
                                                               机械、化学和热稳定性以及成膜性，但这类材料的疏
            表面扩散，从而减小膜表面的浓差极化，膜表面污                             水性使得膜表面污染非常严重。聚丙烯腈（PAN）
            染程度降低，膜通量增加            [28,52] 。虽然操作温度升高
                                                               和醋酸纤维素（CA）的亲水性虽优于 PSF 和 PES
            代表着更高的膜通量，但是温度升高可能导致酶活
                                                               等材料，但耐酸碱性较差，适用范围较小                   [58-60] 。无
            力损失和更高的能量成本。因此，操作过程中应根
                                                               机材料中，金属氧化物（氧化铝、二氧化硅和氧化
            据能量成本、酶活力损失和膜通量三者选择适宜的
                                                               锆）的陶瓷膜具有良好的化学和物理稳定性、高亲
            操作温度。                                                                  [61]
                                                               水性和较长的使用寿命             ，但昂贵的原材料和复杂
            3   提高生物酶超滤性能的措施                                   的制膜工艺导致其生产成本偏高。沸石、金属有机
                                                               骨架材料（MOFs）和石墨烯膜，除了具有较好的化
            3.1    发酵液的处理                                      学和热稳定性外，其可调节的纳米结构使得这几类
            3.1.1  发酵液中杂质的预处理                                  超滤膜具有更高的截留率和膜通量                [62-63] 。近年来，
                 发酵液进行超滤前，发酵液中的大量杂质很容                          金属有机骨架材料（MOFs）和石墨烯材料的超滤膜
   17   18   19   20   21   22   23   24   25   26   27