頭孢菌素C發酵液膜過濾過程中收率的估算與控制
來源：江蘇久吾高科技股份有限公司 閱讀：3729 更新時間：2009-08-13 11:48頭孢菌素是繼青霉素后在自然界發現的又一β2內酰胺類抗生素，目前已成為世界上銷售額最大的抗生素之一。頭孢菌素C(cephalosporinC，CPC)是生產頭孢菌素類抗生素的重要中間體，其工業化產品均采用發酵法來生產。早期的CPC發酵液過濾工藝使用板框和真空轉鼓，但由于存在濾液質量差、收率不穩定、環境污染等問題，目前已逐漸被膜過濾工藝所取代。
收率是CPC生產控制中的一個關鍵指標，收率的計算對膜過濾過程的操作、設計與優化有重要的意義。膜過濾無法將料液徹底濃縮，總是要保留一定體積的料液在系統中循環。因此，為保證收率，發酵液的膜過濾過程通常被分為3個階段：前濃縮階段，將發酵液由初始體積V0濃縮至體積Vd并獲得一部分濾液；洗濾階段，在過濾同時往保留液中加入頂洗劑，將目的物帶出到濾液中以提高收率；后濃縮階段，將保留液濃縮至最終體積Ve以方便處理殘渣并進一步提高目的物收率。有研究者針對膜過濾過程中目的物濃度的變化建立了模型，但目前關于膜過濾過程收率的報道還停留在實驗數據上。
本文基于一些基本假設，通過適當選取的一些參數來研究膜過濾過程中收率的變化規律，旨在更充分地揭示影響CPC收率的控制因素，為更好地控制由過濾過程引起的收率變化提供依據。
1 膜過濾實驗過程
將發酵液濃縮至一定體積Vd后，開始流加頂洗劑，使流加速率與濾液滲出速率相同，保持保留液體積恒定，加入的頂洗劑總體積記為Vw，稱此為連續洗濾(CFD)操作模式；將原料液濃縮至一定體積Vd后，一次性加入Vw體積頂洗劑，然后再濃縮和再加頂洗劑，稱此為間歇洗濾(IFD)操作模式。記累計濾液體積為V。實驗流程如圖1所示。循環罐附有換熱器以控
制料液溫度。
CPC是水溶性化合物，其游離酸相對分子質量為415.44。產CPC的菌體為頂頭孢霉菌(Ceph2alosporiumacremonium)，菌體大小通常在1～10μm之間，是發酵液中主要的固形物。此外，發酵液中還往往帶有未被菌體吸收的乳化油粒和少量未分解完全的固形顆粒。通常發酵液濕固含量在35%(mass)左右，干固含量在10%(mass)左右。在滿足下游工序對濾液質量要求的情況下，選擇合適的濾膜，可以獲得大的膜通量，并使膜在對固形物有效截留的同時對CPC基本沒有截留作用。因此可以假定膜兩側的CPC濃度相同，即膜對菌絲體等固形物的透過率為0，而對CPC的透過率為100%。循環罐在攪拌情況下可以認為是一個全混釜。
2 膜過濾過程中收率的計算
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定義前濃縮階段結束時保留液體積Vd與初始料液體積V0的比值a為前濃縮比；洗濾階段頂洗劑每次加入體積Vw與洗濾階段保留液體積Vd的比值b為稀釋比(在連續洗濾時Vw為所流加頂洗劑的總體積)；后濃縮階段終了保留液體積Ve與后濃縮階段初始保留液體積Vd的比值c為后濃縮比，有
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若記K=V/V0-1，稱K為體積增長率，
則有
K=a(b-c) (CFD)(4)
K=a(nb-c) (IFD)(5)
2.1 采用CFD操作模式時收率的計算式
采用CFD操作模式時，洗濾階段保留液體積是恒定的，即頂洗劑流加速度與透過液濾出速度相同。由物料衡算可以得到CPC收率的分段函數表達式為
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當膜過濾過程結束后，有
V=V0+Vw-Ve(7)
將式(7)代入式(6)的后濃縮階段收率計算式，整理后可得CPC的總收率ξ為
ξ=1-ace-b(8)
2.2 采用IFD操作模式時收率的計算式
采用IFD操作模式時，每次加入頂洗劑前保留液的體積是相同的，即每次頂洗過程中，所加入的頂洗劑體積與透過液體積是相同的。記每次加入頂洗劑體積為Vw，總的添加次數為n1類似CFD操作模式中收率的計算，由物料衡算可以得到CPC收率的分段函數表達式為
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將式(10)代入式(9)的后濃縮階段收率計算式，整理后可得CPC的總收率ξ為
ξ=1-ac(1+b)-n(11)
3 膜過濾過程中收率的控制與實驗驗證
既然導出了收率的計算式，則已知某個參數值時，可以反推出其他參數間的取值關系與控制范圍，據此可以實現對過濾過程的控制。一般控制膜過濾過程中收率的目的有兩個：一個是在濾液體積一定的情況下盡量提高收率；另一個是在保證收率一定的情況下盡量減少濾液體積。兩個控制目的對應的操作過程分別為恒體積增長率過濾過程和恒收率過濾過程。小的前濃縮比會提高保留液中的固形物含量，使膜平均通量下降；而較大的前濃縮比又會使殘留液體積增大。根據通量衰減情況可以確定合適的前濃縮比。適當的前濃縮比a可以使膜保持較高的平均通量，從而縮短整個生產周期的時間；同時，適當提高后濃縮比c可以提高CPC的收率，并減小殘液的體積。
在剛開始頂洗時，料液的黏度很大，隨著頂洗的進行，可溶性物質會被逐漸帶走，料液的黏度將會降低。加入頂洗劑，在提高CPC收率的同時，也稀釋了濾液中CPC的濃度，增大了濾液體積。濾液中高的CPC濃度有利于后工序的提取，控制適當小的稀釋比b可以在滿足收率要求情況下提高濾液中CPC的濃度。相同條件下，采用CFD操作模式可以獲得比IFD操作模式更高的收率；對于IFD操作過程，添加頂洗劑次數n越大，獲得的收率越高。
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3.1 恒體積增長率過濾過程采用CFD操作模式，當b=1，c=1時，K=0，總收率ξ=1-ae-1；當K=-1時，ac=1，總收率ξ=0。在恒體積增長率過濾過程中，不妨取后濃縮比c=1，設定不同的體積增長率K，據式(4)和式(8)可以得到總收率ξ和前濃縮比a的關系曲線，如圖2。當K<0時，a的取值范圍為a∈[-K，1]。由圖2可見，在相同前濃縮比情況下，總收率是隨著體積增長率的增加而增加的。
采用IFD操作模式時，不妨取K=1，c=1，設定不同的頂洗次數n，據式(5)和式(11)可以得到CPC收率與前濃縮比a的關系曲線，如圖3。當頂洗次數n趨于無窮大時，該洗濾過程即為CFD過程。由圖3可見，在相同濃縮比情況下，總收率是隨著頂洗次數的增加而增加的。當a為1時，一次頂洗IFD操作模式下的理論總收率較CFD操作模式(n→∞)下的理論總收率低了近0.2。
3.2 恒收率過濾過程
采用CFD操作模式時，不妨取c=1，設定不同的總收率ξ，據式(4)和式(8)可以得到體積增長率K與前濃縮比a的關系，如圖41當K<0時，a的取值范圍為a∈[-K，1]。由圖4可見，在相同濃縮比情況下，體積增長率是隨著總收率的增加而增加的。理想情況下，在前濃縮比和后濃縮比均為1，即直接對原始料液進行連續洗濾時，體積增長率為3.61即可使總收率達到0.99以上。
采用IFD操作模式時，不妨取總收率ξ=0.95，c=1，此時a的取值范圍為a∈[0.05，1]。設定不同的頂洗次數n，據式(5)和式(11)可以得到體積增長率K與前濃縮比a的關系曲線，如圖5。當頂洗次數趨于無窮大時，該洗濾過程即為CFD過程。由圖5可見，在相同濃縮比情況下，體積增長率是隨著頂洗次數的增加而降低的。在a為1時，一次頂洗IFD操作模式下的體積增長率較CFD操作模式(n→∞)下的體積增長率高了9倍多。
前濃縮比a與后濃縮比c之積表示了膜過濾過程中料液總的濃縮比，其值大于料液的濕固含量值。在CPC發酵液過濾過程的實際控制中，由于每批料液中濕固含量存在差異，當c=1時，a的取值下限一般在014左右，因此以上圖示中a不能取到小于其下限的值。
3.3 實驗驗證
實驗采用南京九思高科技有限公司生產的多通道陶瓷膜及過濾裝置，加料為200L頭孢菌素C發酵液，頂洗劑為pH2.5的去離子水，控制K=1，ac=0.4。采用CFD操作模式，分別在a=0.5、0.8、1.0條件下進行實驗；采用IFD操作模式在a=1、n=7條件下進行實驗。實驗結果用不同符號在圖6中進行了標記，曲線為據式(6)和(9)得到的理論值。由圖6可知，在不同操作條件下，計算值與實驗結果在整個實驗過程中都是一致的，實驗點與理論線之間的誤差小于2%。
由于在洗濾階段CFD操作模式比IFD操作模式具有更好的濃度梯度，因此在前濃縮比a、后濃縮比c及頂洗劑加入量相同情況下，前者的收率要比后者高。但由于洗濾階段保留液中固形物含量總是處于較高濃度，因此當體積增長率K一定時，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。
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4 結 論
(1)給出了CFD和IFD兩種操作模式下收率的計算公式，并通過陶瓷膜過濾CPC發酵液進行了驗證。
(2)相同操作條件下，采用CFD操作模式的總收率要高于采用IFD操作模式的總收率。
(3)通過對a、b、c和總的頂洗劑添加次數n4個參數的調整，可以有效控制不同操作模式下的過程收率，從而實現恒體積增長率或恒收率等不同的操作目的。
(4)在比較的4個實驗中，K=1，a=0.5，c=1條件下使用陶瓷膜過濾CPC發酵液可以獲得較好的收率、進度和較小的濾液體積。
