头孢菌素C发酵液膜过滤过程中收率的估算与控制
来源：江苏久吾高科技股份有限公司 阅读：3427 更新时间：2009-08-13 11:48头孢菌素是继青霉素后在自然界发现的又一β2内酰胺类抗生素，目前已成为世界上销售额最大的抗生素之一。头孢菌素C(cephalosporinC，CPC)是生产头孢菌素类抗生素的重要中间体，其工业化产品均采用发酵法来生产。早期的CPC发酵液过滤工艺使用板框和真空转鼓，但由于存在滤液质量差、收率不稳定、环境污染等问题，目前已逐渐被膜过滤工艺所取代。
收率是CPC生产控制中的一个关键指标，收率的计算对膜过滤过程的操作、设计与优化有重要的意义。膜过滤无法将料液彻底浓缩，总是要保留一定体积的料液在系统中循环。因此，为保证收率，发酵液的膜过滤过程通常被分为3个阶段：前浓缩阶段，将发酵液由初始体积V0浓缩至体积Vd并获得一部分滤液；洗滤阶段，在过滤同时往保留液中加入顶洗剂，将目的物带出到滤液中以提高收率；后浓缩阶段，将保留液浓缩至最终体积Ve以方便处理残渣并进一步提高目的物收率。有研究者针对膜过滤过程中目的物浓度的变化建立了模型，但目前关于膜过滤过程收率的报道还停留在实验数据上。
本文基于一些基本假设，通过适当选取的一些参数来研究膜过滤过程中收率的变化规律，旨在更充分地揭示影响CPC收率的控制因素，为更好地控制由过滤过程引起的收率变化提供依据。
1 膜过滤实验过程
将发酵液浓缩至一定体积Vd后，开始流加顶洗剂，使流加速率与滤液渗出速率相同，保持保留液体积恒定，加入的顶洗剂总体积记为Vw，称此为连续洗滤(CFD)操作模式；将原料液浓缩至一定体积Vd后，一次性加入Vw体积顶洗剂，然后再浓缩和再加顶洗剂，称此为间歇洗滤(IFD)操作模式。记累计滤液体积为V。实验流程如图1所示。循环罐附有换热器以控
制料液温度。
CPC是水溶性化合物，其游离酸相对分子质量为415.44。产CPC的菌体为顶头孢霉菌(Ceph2alosporiumacremonium)，菌体大小通常在1～10μm之间，是发酵液中主要的固形物。此外，发酵液中还往往带有未被菌体吸收的乳化油粒和少量未分解完全的固形颗粒。通常发酵液湿固含量在35%(mass)左右，干固含量在10%(mass)左右。在满足下游工序对滤液质量要求的情况下，选择合适的滤膜，可以获得大的膜通量，并使膜在对固形物有效截留的同时对CPC基本没有截留作用。因此可以假定膜两侧的CPC浓度相同，即膜对菌丝体等固形物的透过率为0，而对CPC的透过率为100%。循环罐在搅拌情况下可以认为是一个全混釜。
2 膜过滤过程中收率的计算
 |
定义前浓缩阶段结束时保留液体积Vd与初始料液体积V0的比值a为前浓缩比；洗滤阶段顶洗剂每次加入体积Vw与洗滤阶段保留液体积Vd的比值b为稀释比(在连续洗滤时Vw为所流加顶洗剂的总体积)；后浓缩阶段终了保留液体积Ve与后浓缩阶段初始保留液体积Vd的比值c为后浓缩比，有
  |
若记K=V/V0-1，称K为体积增长率，
则有
K=a(b-c) (CFD)(4)
K=a(nb-c) (IFD)(5)
2.1 采用CFD操作模式时收率的计算式
采用CFD操作模式时，洗滤阶段保留液体积是恒定的，即顶洗剂流加速度与透过液滤出速度相同。由物料衡算可以得到CPC收率的分段函数表达式为
 |
当膜过滤过程结束后，有
V=V0+Vw-Ve(7)
将式(7)代入式(6)的后浓缩阶段收率计算式，整理后可得CPC的总收率ξ为
ξ=1-ace-b(8)
2.2 采用IFD操作模式时收率的计算式
采用IFD操作模式时，每次加入顶洗剂前保留液的体积是相同的，即每次顶洗过程中，所加入的顶洗剂体积与透过液体积是相同的。记每次加入顶洗剂体积为Vw，总的添加次数为n1类似CFD操作模式中收率的计算，由物料衡算可以得到CPC收率的分段函数表达式为
 |
将式(10)代入式(9)的后浓缩阶段收率计算式，整理后可得CPC的总收率ξ为
ξ=1-ac(1+b)-n(11)
3 膜过滤过程中收率的控制与实验验证
既然导出了收率的计算式，则已知某个参数值时，可以反推出其他参数间的取值关系与控制范围，据此可以实现对过滤过程的控制。一般控制膜过滤过程中收率的目的有两个：一个是在滤液体积一定的情况下尽量提高收率；另一个是在保证收率一定的情况下尽量减少滤液体积。两个控制目的对应的操作过程分别为恒体积增长率过滤过程和恒收率过滤过程。小的前浓缩比会提高保留液中的固形物含量，使膜平均通量下降；而较大的前浓缩比又会使残留液体积增大。根据通量衰减情况可以确定合适的前浓缩比。适当的前浓缩比a可以使膜保持较高的平均通量，从而缩短整个生产周期的时间；同时，适当提高后浓缩比c可以提高CPC的收率，并减小残液的体积。
在刚开始顶洗时，料液的黏度很大，随着顶洗的进行，可溶性物质会被逐渐带走，料液的黏度将会降低。加入顶洗剂，在提高CPC收率的同时，也稀释了滤液中CPC的浓度，增大了滤液体积。滤液中高的CPC浓度有利于后工序的提取，控制适当小的稀释比b可以在满足收率要求情况下提高滤液中CPC的浓度。相同条件下，采用CFD操作模式可以获得比IFD操作模式更高的收率；对于IFD操作过程，添加顶洗剂次数n越大，获得的收率越高。
 |
3.1 恒体积增长率过滤过程采用CFD操作模式，当b=1，c=1时，K=0，总收率ξ=1-ae-1；当K=-1时，ac=1，总收率ξ=0。在恒体积增长率过滤过程中，不妨取后浓缩比c=1，设定不同的体积增长率K，据式(4)和式(8)可以得到总收率ξ和前浓缩比a的关系曲线，如图2。当K<0时，a的取值范围为a∈[-K，1]。由图2可见，在相同前浓缩比情况下，总收率是随着体积增长率的增加而增加的。
采用IFD操作模式时，不妨取K=1，c=1，设定不同的顶洗次数n，据式(5)和式(11)可以得到CPC收率与前浓缩比a的关系曲线，如图3。当顶洗次数n趋于无穷大时，该洗滤过程即为CFD过程。由图3可见，在相同浓缩比情况下，总收率是随着顶洗次数的增加而增加的。当a为1时，一次顶洗IFD操作模式下的理论总收率较CFD操作模式(n→∞)下的理论总收率低了近0.2。
3.2 恒收率过滤过程
采用CFD操作模式时，不妨取c=1，设定不同的总收率ξ，据式(4)和式(8)可以得到体积增长率K与前浓缩比a的关系，如图41当K<0时，a的取值范围为a∈[-K，1]。由图4可见，在相同浓缩比情况下，体积增长率是随着总收率的增加而增加的。理想情况下，在前浓缩比和后浓缩比均为1，即直接对原始料液进行连续洗滤时，体积增长率为3.61即可使总收率达到0.99以上。
采用IFD操作模式时，不妨取总收率ξ=0.95，c=1，此时a的取值范围为a∈[0.05，1]。设定不同的顶洗次数n，据式(5)和式(11)可以得到体积增长率K与前浓缩比a的关系曲线，如图5。当顶洗次数趋于无穷大时，该洗滤过程即为CFD过程。由图5可见，在相同浓缩比情况下，体积增长率是随着顶洗次数的增加而降低的。在a为1时，一次顶洗IFD操作模式下的体积增长率较CFD操作模式(n→∞)下的体积增长率高了9倍多。
前浓缩比a与后浓缩比c之积表示了膜过滤过程中料液总的浓缩比，其值大于料液的湿固含量值。在CPC发酵液过滤过程的实际控制中，由于每批料液中湿固含量存在差异，当c=1时，a的取值下限一般在014左右，因此以上图示中a不能取到小于其下限的值。
3.3 实验验证
实验采用南京九思高科技有限公司生产的多通道陶瓷膜及过滤装置，加料为200L头孢菌素C发酵液，顶洗剂为pH2.5的去离子水，控制K=1，ac=0.4。采用CFD操作模式，分别在a=0.5、0.8、1.0条件下进行实验；采用IFD操作模式在a=1、n=7条件下进行实验。实验结果用不同符号在图6中进行了标记，曲线为据式(6)和(9)得到的理论值。由图6可知，在不同操作条件下，计算值与实验结果在整个实验过程中都是一致的，实验点与理论线之间的误差小于2%。
由于在洗滤阶段CFD操作模式比IFD操作模式具有更好的浓度梯度，因此在前浓缩比a、后浓缩比c及顶洗剂加入量相同情况下，前者的收率要比后者高。但由于洗滤阶段保留液中固形物含量总是处于较高浓度，因此当体积增长率K一定时，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。
 |
4 结 论
(1)给出了CFD和IFD两种操作模式下收率的计算公式，并通过陶瓷膜过滤CPC发酵液进行了验证。
(2)相同操作条件下，采用CFD操作模式的总收率要高于采用IFD操作模式的总收率。
(3)通过对a、b、c和总的顶洗剂添加次数n4个参数的调整，可以有效控制不同操作模式下的过程收率，从而实现恒体积增长率或恒收率等不同的操作目的。
(4)在比较的4个实验中，K=1，a=0.5，c=1条件下使用陶瓷膜过滤CPC发酵液可以获得较好的收率、进度和较小的滤液体积。
