VONTRON抗污染膜元件在氨基酸濃縮領(lǐng)域的應(yīng)用
1、項(xiàng)目背景
湖北某氨基酸廠一直通過動(dòng)物皮毛、人發(fā)等物質(zhì)經(jīng)化學(xué)工藝提取L-半胱氨酸溶液，L-半胱氨酸作為蛋白質(zhì)的分解產(chǎn)物主要用于醫(yī)藥、食品、化妝品等行業(yè)。L-半胱氨酸是一種新陳代謝所需要的營(yíng)養(yǎng)劑，可治療肝炎、發(fā)育不正常、病后脫發(fā)癥，也用于傷寒痢疾、流感等急性傳染病、氣喘、神經(jīng)痛、濕疹及各種中毒疾患,是防止肝硬化及其它肝病的良藥；同時(shí)，L-半胱氨酸又可作為羧甲基半胱氨酸、乙；腚装彼岬劝腚装彼嵯盗醒苌锷a(chǎn)的原料、食品添加劑、化工原料，抗氧化劑等。
由于氨基酸源液中濃度較低，同時(shí)含有較多氨水等雜質(zhì)，因此在生產(chǎn)中需要對(duì)原液進(jìn)行濃縮提純。該廠以前一直選用進(jìn)口反滲透膜元件進(jìn)行提純，其使用壽命大致在90天左右，更換費(fèi)用極高、同時(shí)浪費(fèi)很多人力。2005年11月，該廠選用北京時(shí)代沃頓科技有限公司生產(chǎn)的復(fù)合反滲透膜元件進(jìn)行濃縮生產(chǎn)，膜元件的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)一直穩(wěn)定，延長(zhǎng)了使用壽命，降低了生產(chǎn)成本，用戶對(duì)使用結(jié)果滿意。
2、總體設(shè)計(jì)
2.1 膜元件的選用
反滲透膜分離氨基酸基于兩點(diǎn):篩分效應(yīng)和電荷效應(yīng)。分子量大于膜的截留分子量的物質(zhì)，將被膜截留，反之則透過，這就是膜的篩分效應(yīng)。反滲透膜的表面活性層由聚電解質(zhì)構(gòu)成，膜表面通常帶有一定的電荷，離子與靜電膜的電荷相互作用稱為Donnan效應(yīng)。與膜同號(hào)的離子被排斥，異號(hào)離子被吸引，不同符號(hào)的離子透過率不同，對(duì)膜表面的污染速率也不同。
因此，氨基酸的反滲透分離過程應(yīng)充分考慮以下幾點(diǎn):pH值、氨基酸分子量、膜的截留分子量和表面電荷。
羧酸分子中烴基上的一個(gè)或幾個(gè)氫原子被氨基取代的化合物叫做氨基酸。根據(jù)氨基和羧基的相對(duì)位置，可分為α、β、γ-氨基酸，其中α-氨基酸在自然界存在最廣，也最重要，其結(jié)構(gòu)通式如下圖所示：
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所有的氨基酸都同時(shí)含有羧基和氨基，是一種兩性物質(zhì)。在溶液中的帶電狀態(tài)，隨著溶液的pH值而改變。帶有一氨基和一羧基的α-氨基酸隨pH值的離子形態(tài)變化如下：
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改變?nèi)芤旱膒H值，可以使氨基酸帶上正電荷或負(fù)電荷，也可以使它處于正負(fù)電荷相等即凈電荷為零的偶極離子狀態(tài)。凈電荷為零時(shí)的溶液pH值稱為氨基酸的等電點(diǎn)(pl)。根據(jù)等電點(diǎn)的數(shù)值，可以將氨基酸分為酸性氨基酸、堿性氨基酸和中性氨基酸三種類型。根據(jù)氨基酸在溶液中的不同帶電形式，可以選用不同膜元件進(jìn)行提取和分離。
L-半胱氨酸（Cys）微溶于水,象其他氨基酸一樣是一種兩性離子，在水溶液中氨基和羧基在不同pH下離解。
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L-半胱氨酸在水溶液中有3種不同的電離狀態(tài)：（1）Cys+，（2）Cys±，（3）Cys-，相應(yīng)的荷電荷分別為+1,0,和-1價(jià)。當(dāng)主要為Cys±時(shí)，半胱氨酸為電中性等電點(diǎn)，此時(shí)pH為5.2。改變?nèi)芤旱膒H值時(shí)，L-半胱氨酸的帶電情況會(huì)隨著溶液H的濃度變化而發(fā)生改變。
該廠L-半胱氨酸原液的濃度為4%，pH值為5.6，因此溶液中L-半胱氨酸主要以Cys±的形式存在，即主要以凈電荷為零的偶極離子狀態(tài)存在，同時(shí)存在少量的Cys-。為了保證最大的濃縮倍數(shù)和最低的透過液濃度，在盡量保留該廠原有反滲透裝置的前提下，決定選用貴陽時(shí)代匯通膜科技有限公司的FR11-8040膜元件。該型號(hào)膜元件具有較大的水通量和較高的脫鹽率，可以達(dá)到較高的分離率和濃縮倍數(shù)，膜表面光滑、不帶電荷，呈電中性或略帶負(fù)電，能有效抵制進(jìn)水中的大多數(shù)有機(jī)物、膠體、微生物等帶負(fù)電的污染物和電中性的污染物，能夠有效的降低膜表面的污染，延長(zhǎng)使用壽命，降低運(yùn)行成本。
2.2 工藝流程
反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力為1.5MPa，系統(tǒng)分為5組，每組裝有四支膜元件，采用2:1:1的排列方式。系統(tǒng)回收率保持在50%左右，原液氨基酸濃度為4%，經(jīng)處理后濃縮液濃度在8%左右，當(dāng)透過液中L-半胱氨酸濃度超過5‰時(shí)，即需要更換膜元件。系統(tǒng)每天運(yùn)行12個(gè)小時(shí)，停機(jī)后使用透過液進(jìn)行低壓沖洗，由淡水置換出濃水，防止因有機(jī)物等污染物在膜表面富集而造成的膜元件污染。工藝流程圖如下：
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圖1 工藝流程圖 |
3、系統(tǒng)運(yùn)行情況
系統(tǒng)從2005年11月開始運(yùn)行，進(jìn)水流量為8t/h，透過液流量為4t/h，運(yùn)行初期透過液中L-半胱氨酸濃度為2‰，系統(tǒng)脫除率達(dá)到95%，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。至2006年4月底系統(tǒng)透過液中L-半胱氨酸濃度超過5‰，使用壽命達(dá)到150天，與國(guó)外某品牌反滲透膜相比，使用壽命延長(zhǎng)60天。使用兩種不同反滲透膜元件的系統(tǒng)透過液中L-半胱氨酸濃度的變化曲線如下圖所示。
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圖2 透過液濃度變化曲線 |
從圖2可以看出，Vontron反滲透膜元件與國(guó)外某品牌反滲透膜元件相比，對(duì)L-半胱氨酸脫除率的衰減明顯緩慢，膜元件的使用壽命更長(zhǎng)。
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表1 標(biāo)準(zhǔn)水通量變化表 |
從表1可以看出，通過對(duì)一段的Vontron反滲透膜元件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)條件(2000ppmNaCl，225psi，25℃，15%回收率)下的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在不進(jìn)行化學(xué)清洗的情況下，運(yùn)行150天之后，其標(biāo)準(zhǔn)水通量?jī)H下降12%左右，說明該種膜元件能夠較好的抵制氨基酸等有機(jī)污染物，同時(shí)也證明了定期用反滲透產(chǎn)水對(duì)高污染進(jìn)水的反滲透系統(tǒng)進(jìn)行低壓沖洗，能夠較好的抑制污染在膜表面的附著，減輕膜元件污染。
4 結(jié)論
(1) 將復(fù)合反滲透膜應(yīng)用于氨基酸濃縮，可以獲得高于其他方法（如納濾等）的分離率，系統(tǒng)分離率可達(dá)到95%。
(2) 實(shí)際應(yīng)用中證明，Vontron FR11-8040膜元件因其膜表面電荷和膜表面光滑度等方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)氨基酸等有機(jī)物污染有較強(qiáng)的抵制作用，用于氨基酸濃縮，其使用壽命明顯延長(zhǎng)。
(3) 對(duì)于高污染進(jìn)水的反滲透系統(tǒng)，定期用反滲透產(chǎn)水進(jìn)行低壓沖洗，可以有效的防止因有機(jī)物等污染物在膜表面富集而造成的膜元件污染。
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