高瑞昶，武艷艷，李明雪，康?偉

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中空纖維更新液膜萃取回收青霉素G

高瑞昶，武艷艷，李明雪，康?偉

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300350)

采用中空纖維更新液膜對青霉素G溶液進行萃取回收．以安伯萊特離子交換樹脂(Amberlite LA-2)、正辛醇、煤油作為液膜相，Na2CO3溶液作為反萃相，研究了載體濃度、油水比、進料相青霉素G濃度、進料相pH、反萃相pH、兩相流率對萃取率的影響，確定了最適操作條件．結(jié)果表明：載體Amberlite LA-2濃度為100,mmol/L、油水比為1∶20、進料相青霉素G濃度為10,mmol/L、進料相pH為5、反萃相pH為10、管程流速為0.6,cm/s、殼程流速為0.48,cm/s時，青霉素G的萃取率能達到85%,，展現(xiàn)出很好的工業(yè)應(yīng)用前景．

青霉素G；中空纖維更新液膜；傳質(zhì)；Amberlite LA-2；萃取；回收

青霉素G(penicillin G)又稱盤尼西林，是一種應(yīng)用廣泛的β-內(nèi)酰胺類抗生素，同時也是半合成青霉素類抗生素的原料．傳統(tǒng)的回收青霉素G的方法是溶媒法，即在pH為1.8～2.5的條件下，以乙酸丁酯為萃取劑，回收發(fā)酵液中的青霉素G．由于青霉素G在低pH條件下降解嚴重，使得該方法存在回收率低、生產(chǎn)能耗大、溶劑回收困難等缺點[1-2]．

液膜技術(shù)由于其可將萃取和反萃過程耦合起來，實現(xiàn)萃取和反萃的連續(xù)操作而受到廣泛關(guān)注[3-5]．常見的液膜技術(shù)有支撐液膜(SLM)、乳化液膜(ELM)、大塊液膜(BLM)等，關(guān)于采用液膜技術(shù)萃取回收青霉素G的研究有很多，例如：Juang等[6]采用Amberlite LA-2為載體，研究了支撐液膜體系中青霉素G的傳質(zhì)機理，確定了速率控制步驟．沈力人等[7]研究了乳化液膜萃取過程中各因素對萃取效果的影響．Ren等[8]研究了以TBP(磷酸三丁酯)為載體，攪拌速率、TBP濃度、稀釋劑種類等對大塊液膜萃取效果的影響．然而，由于支撐液膜的穩(wěn)定性差，乳化液膜破乳困難，且溶脹現(xiàn)象嚴重，大塊液膜不容易工業(yè)化生產(chǎn)等問題，使得利用這些技術(shù)處理青霉素G的放大化研究比較困難．

中空纖維更新液膜(HFRLM)是一種基于表面更新理論[9-10]的新型液膜技術(shù)，由于液膜有機相的液滴可以連續(xù)不斷地在纖維膜管中再生，實現(xiàn)了萃取和反萃過程的耦合，同時可以加快傳質(zhì)速率，降低管程流體的傳質(zhì)阻力，被廣泛應(yīng)用在萃取回收有機酸[11-12]、金屬離子[13-16]以及廢水處理[17-18]等方面．已有大量文獻報道了用中空纖維更新液膜萃取青霉素G的研究成果．例如：高磊等[19]研究了磷酸三丁酯(TBP)-異辛醇-煤油體系萃取青霉素G，由于TBP屬于中性萃取劑，對青霉素G的結(jié)合能力較弱，萃取率最高只有35%,，遠遠達不到工業(yè)生產(chǎn)的要求；Ren等[20]研究以二辛胺(DOA)為載體萃取青霉素G的傳質(zhì)過程，結(jié)果表明，仲胺類萃取劑作載體能有效促進傳質(zhì)，但是二辛胺的價格昂貴、毒性強、對水環(huán)境污染嚴重，不適合作萃取劑，并且二辛胺作為載體時萃取率較低，只有40%,；Smith等[21]研究了以Amberlite LA-2為載體，進料相PH和溫度對萃取效果的影響，萃取率可以達到50%,以上，但是該實驗并沒有考慮稀釋劑等其它單因素對實驗結(jié)果的影響．

載體的特異性決定萃取效果．大量研究表明Amberlite LA-2作為堿性萃取劑在支撐液膜中做載體時，對青霉素G有很好的萃取效果[2-3, 6, 22]．然而，關(guān)于以Amberlite LA-2為載體，研究其在中空纖維更新液膜中對青霉素G的萃取效果的報道還很少．

本文旨在研究以Amberlite LA-2為載體，采用中空纖維更新液膜從水溶液中連續(xù)萃取回收青霉素G．以煤油作溶劑，乙酸丁酯和正辛醇作稀釋劑，Na2CO3溶液作反萃相，確定了有機相組成，研究了載體濃度、油水比、進料相青霉素G濃度、進料相pH、反萃相pH、兩相流率對萃取率的影響，確定了最適操作條件，為中空纖維更新液膜萃取回收青霉素G的工業(yè)化生產(chǎn)提供實驗依據(jù)．

1?實?驗

1.1?實驗試劑與儀器

青霉素G，AR，天津市南開區(qū)艾勒嘉生物技術(shù)開發(fā)中心；安伯萊特離子交換樹脂(Amberlite LA-2)(w＝374,g/mol)，AR，薩恩化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司；乙酸丁酯、正辛醇、煤油、碳酸鈉、硫酸、氫氧化鈉，AR，天津市元立化工有限公司；磷酸鹽緩沖液(PBS)，AR，pH為7.2～7.4，天津艾克澤生物科技有限公司．

FE20K臺式pH計，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；BT600-2J蠕動泵，保定蘭格恒流泵有限公司；TU-1901雙光束紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司．

1.2?實驗過程

1.2.1?進料相溶液和反萃相溶液

取一定量的青霉素G溶于PBS緩沖液作為進料相溶液；將質(zhì)量分數(shù)為5%,的Amberlite LA-2溶于煤油作為有機相，稀釋劑是乙酸丁酯或正辛醇；反萃相是濃度為0.2,mol/L的Na2CO3溶液．

1.2.2?HFRLM實驗

實驗采用自制的中空纖維膜組件，實驗裝置圖如圖1所示．為了使膜孔中充滿有機相，膜組件預(yù)先浸泡在有機溶液中24,h．有機相為質(zhì)量分數(shù)為5%,的Amberlite LA-2溶于30%,(體積分數(shù))正辛醇、70%(體積分數(shù))煤油的混合溶液，反萃相pH為10，有機相和反萃相以1∶20的油水比(有機相∶水相)泵入管程，流速為0.6,cm/s．進料相是濃度為10,mmol/L的青霉素G溶液，pH為5，采用蠕動泵逆流泵入殼程，流速為0.48,cm/s．用稀H2SO4溶液和NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液pH．每隔30,min測量1次管程出口側(cè)和殼程出口側(cè)青霉素G濃度．

圖1?HFRLM實驗裝置

膜組件為天津膜天膜科技股份有限公司定制，膜材料為聚丙烯腈超濾膜，具有耐化學(xué)腐蝕、熱穩(wěn)定性好、價格便宜等優(yōu)點，膜組件相關(guān)參數(shù)如表1所示.

萃取率的計算方法為

式中：f和t分別是進料相泵入和泵出時的青霉素G的濃度，mmol/L．

表1?膜組件相關(guān)參數(shù)

2?結(jié)果與討論

2.1?反應(yīng)機理

青霉素G是有機一元酸，其在pH為5～7.8時以游離態(tài)存在，青霉素G在水溶液中的電離平衡[2]為

?(2)

式中：HP代表青霉素G分子；H＋代表溶液中的氫離子；P-代表游離的青霉素G離子．

青霉素G離子與載體Amberlite LA-2在酸性條件下發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，載體Amberlite LA-2作為萃取劑將青霉素G從進料相萃取到有機相，其反應(yīng)方程式[22]為

?(3)

式中：A代表載體Amberlite LA-2；(HP)A代表青霉素 G與Amberlite LA-2的絡(luò)合物；aq表示水相；o表示油相．

有機相中的絡(luò)合物經(jīng)擴散到達有機相與反萃相接觸界面，在堿性條件下發(fā)生解絡(luò)反應(yīng)，其反應(yīng)方程式為

?(4)

中空纖維更新液膜的工作原理如圖3所示．預(yù)先浸潤的中空纖維膜孔內(nèi)充滿有機相，進料相中的青霉素G與有機相中的萃取劑發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，進入由于表面張力和浸潤性的共同影響而附著在中空纖維管腔內(nèi)表面的有機液膜層，完成萃取過程．在管程流體剪應(yīng)力的作用下，有機液膜表面形成微小有機液滴并均勻分散在反萃相溶液中，在液滴表面發(fā)生青霉素G的反萃過程．同時，分散在溶液中的有機液滴能不斷地補充到有機液膜層，實現(xiàn)液膜的更新，避免了液膜由于乳化和不穩(wěn)定造成的流失．

圖3?中空纖維更新液膜原理示意

2.2?有機相組成的確定

為了確定有機相組成，采用Amberlite LA-2質(zhì)量分數(shù)為5%,，管程流率為0.6,cm/s，殼程流率為0.48,cm/s，進料相青霉素G濃度為10,mmol/L，進料相pH為5，反萃相為濃度是0.2,mol/L的Na2CO3溶液，反萃相pH為10，油水比為1∶20．萃取率()隨稀釋劑含量的變化如表2所示．

表2?稀釋劑對萃取率的影響

Tab.2?Influence of diluent on the extraction efficiency

由表2可以看出，純煤油作稀釋劑時，萃取率()很小，只有6.8%,，說明幾乎沒有質(zhì)量傳遞發(fā)生．隨著乙酸丁酯(BA)含量的增加，也增加，當BA體積分數(shù)為30%,時，最大可以達到54.7%,．但是，實驗過程中，以煤油和乙酸丁酯作稀釋劑時，由于乙酸丁酯溶于水，導(dǎo)致萃取前后進料液的體積變化很大，這會導(dǎo)致液膜相的損失，不利于萃取反應(yīng)的進行．以煤油和正辛醇作稀釋劑時，隨著正辛醇體積分數(shù)的增加，增加，最大可以達到86.8%,．但是，正辛醇含量為40%,時，乳化現(xiàn)象嚴重，不利于分離，且正辛醇體積分數(shù)從30%,提高到50%,時，萃取率沒有很大變化，僅提高了3.2%,．故選擇煤油和正辛醇作為稀釋劑，正辛醇體積分數(shù)為30%,，后續(xù)實驗采用Amberlite LA-2、正辛醇、煤油作為液膜有機相．

2.3?載體濃度的影響

為了考察載體濃度對萃取效果的影響，采用Amberlite LA-2濃度為0～120,mmol/L，管程流率為0.6,cm/s，殼程流率為0.48,cm/s，進料相青霉素G濃度為10,mmol/L，進料相pH為5，反萃相為濃度是0.2,mol/L的Na2CO3溶液，反萃相pH為10，油水比為1∶20．萃取率隨Amberlite LA-2濃度的變化曲線如圖4所示．

圖4?載體濃度對萃取率的影響

由圖4可以看出，隨著載體Amberlite LA-2濃度的增加，萃取率的數(shù)值也隨之增加．原因是由于中空纖維更新液膜的傳質(zhì)機理是載體促進傳質(zhì)，載體濃度越高，萃取和反萃速率越快，傳質(zhì)效果越好，所以隨載體濃度的增加而增加，最大可以達到85%．當載體濃度達到100,mmol/L時，載體濃度繼續(xù)增大，幾乎保持不變．原因是載體濃度增大導(dǎo)致溶液黏度增加，增大了青霉素G絡(luò)合物的跨膜阻力，不利于青霉素G絡(luò)合物從進料相與有機相界面擴散至有機相與反萃相界面．同時，載體濃度過大，溶液容易乳化，導(dǎo)致萃取劑的回收困難．所以載體的最適濃度為100,mmol/L．

2.4?油水比的影響

為了考察有機相與反萃相的混合比(即油水比)對萃取效果的影響，采用Amberlite LA-2濃度為100,mmol/L，管程流率為0.6,cm/s，殼程流率為0.48,cm/s，進料相青霉素G濃度為10,mmol/L，進料相pH為5，反萃相為濃度是0.2,mol/L的Na2CO3溶液，反萃相pH為10．萃取率隨油水比的變化曲線如圖5所示．

由圖5可知，隨著油水比的增加，萃取率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢．油水比是1∶50時，萃取率較低，只有50%,左右．原因是油水比太小，液膜中的載體數(shù)量過低，其對青霉素G的萃取量較少，同時由于油水比較低，導(dǎo)致有機液滴與反萃相的接觸面積較小，導(dǎo)致反萃速率較低，進而影響解絡(luò)后的載體Amberlite LA-2再次與青霉素G絡(luò)合的萃取過程，最終導(dǎo)致萃取率較低．隨著油水比的增大，萃取率也隨之增大，油水比為1∶20時，萃取率可以達到80%,．油水比繼續(xù)增大時，萃取率反而減?。蚴怯退冗^大，液膜中的有機相過多，容易發(fā)生乳化現(xiàn)象，增大傳質(zhì)阻力，同時導(dǎo)致萃取劑的回收困難．因此，液膜中的最佳油水比為1∶20．

圖5?油水比對萃取率的影響

2.5?進料相青霉素G濃度的影響

為了考察進料相青霉素G濃度對萃取效果的影響，采用Amberlite LA-2濃度為100,mmol/L，管程流率為0.6,cm/s，殼程流率為0.48,cm/s，進料相青霉素G濃度為10～60,mmol/L，進料相pH為5，反萃相為濃度是0.2,mol/L的Na2CO3溶液，反萃相pH為10，油水比為1∶20．萃取率隨進料相青霉素G濃度的變化曲線如圖6所示．

圖6?進料相青霉素G初始濃度對萃取率的影響

由圖6可知，隨著青霉素G濃度的增加，呈明顯降低趨勢．原因是由于青霉素G濃度越高，在濃度差做驅(qū)動力的分布平衡過程中，位于纖維膜膜孔的有機相和液膜中的青霉素G及其與載體形成的絡(luò)合物的濃度也隨之增大，增加了青霉素G從有機相向反萃相運輸?shù)膫髻|(zhì)阻力，同時，過飽和的青霉素G及其絡(luò)合物減慢了液膜相的更新速度，不利于萃取、反萃反應(yīng)的連續(xù)進行．雖然青霉素G的濃度增加導(dǎo)致有機相和反萃相的濃度梯度增加，有利于反萃反應(yīng)的進行，但是，由于傳質(zhì)阻力也隨之增加，最終導(dǎo)致萃取率呈下降趨勢．因此選擇進料相青霉素G濃度為10,mmol/L．

2.6?進料相pH的影響

為了考察進料相pH對萃取效果的影響，采用Amberlite LA-2濃度為100,mmol/L，管程流率為0.6,cm/s，殼程流率為0.48,cm/s，進料相青霉素G濃度為10,mmol/L，進料相pH為4.5～7，反萃相為濃度是0.2,mol/L的Na2CO3溶液，反萃相pH為10，油水比為1∶20．萃取率隨進料相pH的變化曲線如圖7所示．

圖7?進料相pH對萃取率的影響

由圖7可知，隨著進料相pH的增加，萃取率呈降低的趨勢，pH＝4.5時，萃取率最高可以達到85%,，pH＝7時，萃取率只有50%,左右．如式(3)所示，由于Amberlite LA-2屬于堿性萃取劑，其與游離態(tài)的青霉素G離子在酸性條件下發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，從而完成青霉素G從進料相到有機相的萃取過程，進料相H＋濃度越高，越有利于絡(luò)合反應(yīng)的進行，同時，進料相和反萃相的pH相差越大，H＋濃度梯度越大，傳質(zhì)驅(qū)動力也越大，越有利于萃取和反萃過程的進行．又因為由式(2)可知，青霉素G在pH＜5時以分子態(tài)存在，不利于萃取反應(yīng)的進行，因此進料相最適pH選擇5．

2.7?反萃相pH的影響

為了考察反萃相pH對萃取效果的影響．采用Amberlite LA-2濃度為100,mmol/L，管程流率為0.6,cm/s，殼程流率為0.48,cm/s，進料相青霉素G濃度為10,mmol/L，進料相pH為5，反萃相為濃度是0.2,mol/L的Na2CO3溶液，反萃相pH為7.5～10，油水比為1∶20．萃取率隨反萃相pH的變化曲線如圖8所示．

圖8?反萃相pH對萃取率的影響

由圖8可知，隨著反萃相pH的升高，萃取率也隨之升高，萃取率最大可以達到82%,．原因是由于堿性條件有利于反萃反應(yīng)的進行，pH越高，反萃相與進料相的H＋濃度梯度越大，傳質(zhì)驅(qū)動力越大，同時，pH越高，越有利于青霉素G與Amberlite LA-2的絡(luò)合物的解絡(luò)反應(yīng)，有利于青霉素G從液膜相向反萃相的轉(zhuǎn)運過程，反萃速度加快反過來促進萃取反應(yīng)的發(fā)生，最終導(dǎo)致萃取率增大．因此反萃相最適pH選擇為10．

2.8?兩相流率的影響

為了考察兩相流率對萃取效果的影響．采用Amberlite LA-2濃度為100,mmol/L，進料相青霉素G濃度為10,mmol/L，進料相pH為5，反萃相為濃度是0.2,mol/L的Na2CO3溶液，反萃相pH為10，油水比為1∶20．以殼程流率為研究對象時，管程流率始終控制為0.6,cm/s，以管程流率為研究對象時，殼程流率始終控制為0.48,cm/s，萃取率隨兩相流率的變化曲線如圖9所示．

圖9?兩相流率對萃取率的影響

由圖9可知，受管程流率的變化影響不大，卻隨著殼程流率的增大而增大，萃取率最大可以達到85%,左右．原因是由于管徑較小，增大管程流速會導(dǎo)致管程內(nèi)的溶液由層流流動變成湍流流動，不利于保持液膜的穩(wěn)定性，同時，管程流速過快，不利于進料相和液膜的充分接觸，影響萃取過程的完全進行，從而導(dǎo)致沒有明顯提高．由于隨管程流速的增加變化不大，且沒有降低的趨勢，為了保證殼程側(cè)壓力始終略大于管程側(cè)的壓力，避免由于管程側(cè)壓力過大，將液膜相壓出膜孔，影響傳質(zhì)效果，故確定管程流速為最大流速0.6,cm/s．增大殼程流速，隨之增大，原因是由于流速增大使得膜孔靠近進料相的一側(cè)所受的剪切力相應(yīng)增大，導(dǎo)致進料相邊界層變薄，降低了傳質(zhì)阻力，同時，殼程流速增大導(dǎo)致進料相溶液循環(huán)加快，有利于萃取反應(yīng)的連續(xù)進行．因此確定殼程流速為0.48,cm/s．

3?結(jié)?語

以Amberlite LA-2為載體，采用中空纖維更新液膜萃取回收青霉素G，對影響萃取效果的各因素進行研究．以Amberlite LA-2為載體對青霉素G的萃取率可達到85%,，遠高于TBP和DOA作載體時40%,左右的萃取率，表明Amberlite LA-2是中空纖維更新液膜萃取青霉素G的一種優(yōu)良載體．通過實驗，確定了液膜相的組成，即以Amberlite LA-2、30%,(體積分數(shù))正辛醇、煤油作為有機液膜相，載體Amberlite LA-2的質(zhì)量分數(shù)為5%,．通過單因素實驗，確定了最適操作條件．萃取率隨載體Amberlite LA-2濃度的增加而增加，最終保持穩(wěn)定，確定載體Amberlite LA-2的最適濃度為100,mmol/L．隨著油水比的增加，萃取率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，確定最適油水比為1∶20．隨進料相青霉素G濃度的增加，由于從有機相向反萃相的傳質(zhì)阻力增加，導(dǎo)致萃取率隨之減小，因此確定進料相青霉素G濃度為10,mmol/L．通過研究進料相pH和反萃相pH對萃取率的影響，確定進料相pH為5，反萃相pH為10．管程流速對萃取率的影響不大，隨殼程流速增加，萃取率增加，確定管程流速為0.6,cm/s，殼程流速為0.48,cm/s．

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(責任編輯：田?軍)

Extraction and Recovery of Penicillin G by Hollow Fiber Renewal Liquid Membrane

Gao Ruichang，Wu Yanyan，Li Mingxue，Kang Wei

(School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300350，China)

The hollow fiber renewal liquid membrane was used for the extraction and recovery of penicillin G solution．The organic solution of Amberlite LA-2，1-octanol and kerosene was used as liquid membrane phase and Na2CO3solution was used as stripping phase．The effects of carrier concentration，ratio of oil to water，penicillin G concentration in the feed phase，pH of the feed phase，pH of the stripping phase，and flow rates of two phases on the extraction efficiency were studied，and the optimum operation conditions were determined．The results demonstrate that the extraction efficiency could reach 85%, when the carrier(Amberlite LA-2)concentration is 100,mmol/L，ratio of oil to water is 1∶20，penicillin G concentration in the feed phase is 10,mmol/L，pH of the feed phase is 5，pH of the stripping phase is 10，the tube side flow rate is 0.6,cm/s，and the shell side flow rate is 0.48,cm/s，which shows a good industrial application prospect.

penicillin G；hollow fiber renewal liquid membrane；mass transfer；Amberlite LA-2；extraction；recovery

10.11784/tdxbz201707016

TQ465.1

A

0493-2137(2018)07-0741-07

2017-07-12；

2017-09-14.

高瑞昶，gaoruichang@tju.edu.cn.

高瑞昶（1965—），男，博士，副研究員