在生物發(fā)酵行業(yè)中，由于發(fā)酵液中菌體的存在，使產(chǎn)品的提純和廢水的處理難度加大。為此國家輕工業(yè)局制定了發(fā)酵工業(yè)環(huán)境保護(hù)行業(yè)政策、技術(shù)政策污染防治對策，推薦采用膜分離技術(shù)加快行業(yè)凈化技術(shù)更新，促使行業(yè)進(jìn)一步節(jié)能減污。
本文以典型的味精生產(chǎn)工藝為例，簡單的闡述了陶瓷膜分離技術(shù)在發(fā)酵工業(yè)清潔生產(chǎn)中的應(yīng)用。我國年產(chǎn)味精50多萬噸，在傳統(tǒng)的味精提取工藝中，由于采用帶菌等點離交分離法，存在著谷氨酸收率低，易形成β-型谷氨酸，離交廢水量大等缺點，同時由于菌體的存在造成了廢水處理負(fù)擔(dān)的加重。國內(nèi)外許多專家和學(xué)者就味精的清潔生產(chǎn)技術(shù)做了大量的研究，在這些技術(shù)中，如何將菌體與發(fā)酵液分離，并制備成飼料或高效有機復(fù)合肥是決定工藝是否可行的關(guān)鍵問題。目前通常采用的離心、有機超濾等方法完成菌體和發(fā)酵液的分離。離心法由于除菌率低，操作強度大等缺點，而制約了其在該領(lǐng)域的推廣使用；而有機超濾膜法除菌，存在著膜通量較小，濃縮比較低等不足。為此本文采用無機陶瓷膜進(jìn)行了谷氨酸除菌實驗，實現(xiàn)了除菌、洗菌、濃縮過程連續(xù)化操作。流程如圖1所示。
1實驗部分
1.1實驗儀器
實驗所用陶瓷膜為南京化工大學(xué)膜科所生產(chǎn)的50nm、0.2μm、0.8μm的19通道管式ZrO2膜，通道直徑為4mm。膜管的有效長度為0.2m、1.0m兩種，膜面積分別為0.0477m2、0.238m2。離心機一臺、粘度計一臺（BROOKFIELDEngineeringLABS.INC.）
1.2分析與檢測方法
1.2.1濕菌體含量測定
濕菌體含量采用離心稱重法測量。取試樣100ml，放入離心管內(nèi)，平衡后，在300r/min轉(zhuǎn)速下離心20min，棄去上清液，離心管倒置于濾紙上數(shù)分鐘后，稱量。
1.2.2光密度（OD）測定
根據(jù)比耳定律，一定波長的光透過能相應(yīng)地吸收這種光的溶液時，其光密度大小與發(fā)酵液的的菌體數(shù)量成正比。測定光密度可相應(yīng)的表達(dá)微生物的生長繁殖程度。測定方法采用直接測量法。將發(fā)酵液搖勻后放入厚度為1cm的比色杯中，用581－G型光電比色計，在波長650nm下，以蒸餾水為對照，測出光密度。
1.2.3其化檢測方法
殘?zhí)呛凸劝彼岷康臏y定方法見味精工業(yè)手冊。
1.3實驗所用原料
谷氨酸發(fā)酵液白廣東肇慶星湖集團(tuán)股份有限公司味精廠提供。產(chǎn)品主要指標(biāo)，如表1所示。
2結(jié)果與討論
2.1膜孔徑的選擇
采用有效長度為0.2m的陶瓷膜組件，經(jīng)兩小時循環(huán)操作，測量其滲透通量，作為選膜依據(jù)。由表中可以看出采用0.2μm的膜進(jìn)行實驗，有較高的通量，且除菌率較高。
2.2操作條件對通量的影響
2.2.1壓力對通量的影響
由圖2可以看出，在表面流速和溫度固定的條件下，壓力在0.1～0.2Mpa下，對通量的影響不大，且當(dāng)表面流速較低時，高壓使膜通量變小。這主要是因為膜表面吸附發(fā)酵液中的菌體和多肽等物質(zhì)，并形成具有可壓縮性的凝膠層。在低壓時形成的凝膠層較厚，凝膠層的致密性對通量的影響，大于增加壓力使推動力增大對通量的影響。因此選擇0.1Mpa作為谷氨酸發(fā)酵液除菌實驗的操作壓力。
2.2.2表面流速對通量的影響
由于壓力對通量變化的影響不明顯，因此將壓力固定在0.1Mpa下考察表面流速對通量的影響，因為表面流速直接影響層流底層的厚度，也就是說影響凝膠層的厚度，減少凝膠極化對過濾通量的影響。
2.2.3溫度的影響
一般來說，溫度對通量的影響，是因為通量的升高，導(dǎo)致料液粘度的下降和擴(kuò)散系數(shù)的增大。因此考察料液粘度隨的變化具有一定的現(xiàn)實意義。本文考察了不同的濃縮比下，粘度隨溫度的變化情況。如圖4可知。在濃縮比較低時，溫度對粘度的影響不大，且升高溫度從總體上來看可使粘度下降。但當(dāng)濃縮比達(dá)到10時，粘度先隨溫度的升高而升高，當(dāng)?shù)竭_(dá)56度時出現(xiàn)極值點，隨后粘度隨溫度的升高而降低，由此可見，該體系粘度隨溫度的變化非線性，在低濃度時，當(dāng)溫度高于45度后，粘度隨溫度的變化不明顯，當(dāng)濃度較高時，低溫可使粘度降低，但此時通量的大小取決于液相傳質(zhì)系數(shù)與粘度兩個因素，綜合幾方面原因，選定50度做為生產(chǎn)操作溫度。
2.2.4濃縮比對通量的影響
實驗采用一級兩段法完成，第1段為有效膜面積為0.238m2的膜組件，第二段為有效膜面積為0.0477m2的膜組件。發(fā)酵液進(jìn)入段膜組件過濾，清液流出，當(dāng)濃縮至10倍時，濃液進(jìn)入第二段。通量隨濃縮比的變化如圖5、圖6所示。由圖5可見，在4m/s下，濃縮比在1～10之間，膜通量均大于95L.m-2.h-1；由圖6可見，在2m/s下，濃縮比在10～25之間時通量均大于30L.m-2.h-1。
2.3凝膠極化機理及膜清洗方法
凝膠極化機理通常用于解釋膜滲透通量的改變不依賴于壓力的變化的現(xiàn)象。從上述實驗可看出，該過程表現(xiàn)出明顯的凝膠極化現(xiàn)象，也就是在原級膜表面會出現(xiàn)次級膜，這主要是由膜表面吸附發(fā)酵中所含大分子或膠體微粒造成的。在這種情況下，膜過濾的通量通常取決于次級膜的形成過程，NahikoN.等認(rèn)為在次級膜的形成過程中，可分為五個階段進(jìn)行：（1）大分子膠團(tuán)在膜表面的快速吸附。（2）底層沉積（單層）。（3）多層堆積和堵塞。（4）堆積層致密化。（5）主體濃度提高導(dǎo)致的底層厚度的增加。在膜的清洗過程中，在膜表面堆積的菌體和大分子膠團(tuán)較易去除，但吸附在膜表面的大分子膠團(tuán)往往難以去除而導(dǎo)致膜通量恢復(fù)率的降低。為此本文研究了不同的清洗條件對膜再生效果的影響。由于膜污染主要為膜表面層吸附，因此合適的脫附劑通常也是合適的膜洗滌劑。而對于金屬氧化物表面的有機物的洗脫NaOH溶液無疑具有良好的效果，同時考慮膜表面富集的蛋白質(zhì)，次氯酸鈉溶液的強氧化性使蛋白變性，而改變陶瓷膜與蛋白之間的親和力。因此選用2％的NaOH和0.02％的次氯酸鈉溶液為清洗劑。同時現(xiàn)場要求在兩個小時之內(nèi)，完成清洗過程，故確定了清水漂洗后堿洗30分；然后再NaClO洗30分鐘，最后水洗的清洗程序，并將再生后的膜的純水通量與新膜的純水通量做比較。
2.3.1滲透側(cè)的開啟方式對膜水通量恢復(fù)率的影響
從凝膠極化機理可以得出吸附過程主要發(fā)生在膜表面的結(jié)論，也就是說從理論上講滲透側(cè)的開啟方式對通量無影響。本文在相同的清洗條件下分別比較了全程開啟及全程關(guān)閉三種操作方式膜恢復(fù)率分別為76％、79％78％，差別較小，由此可見膜污染主要發(fā)生在膜表面，與預(yù)測結(jié)果一致，這同時也說明所選膜孔徑分布較窄。多次重復(fù)使用后，膜再生均可恢復(fù)到該水平。
2.3.2清洗液溫度對膜水通量恢復(fù)率的影響
高溫有利于脫附過程的進(jìn)行，但過高的溫度導(dǎo)致能耗的升高，為此本文比較了400C、600C、700C、800C四種條件下操作溫度與膜水通量恢復(fù)率的影響。如圖7所示，從圖中可以看出高溫有利于清洗過程的進(jìn)行，合適的溫度為700C。
2.3.3膜的水通量恢復(fù)率與通量衰減的關(guān)系