VONTRON抗污染膜元件在氨基酸濃縮領域的應用
1、項目背景
湖北某氨基酸廠一直通過動物皮毛、人發等物質經化學工藝提取L-半胱氨酸溶液，L-半胱氨酸作為蛋白質的分解產物主要用于醫藥、食品、化妝品等行業。L-半胱氨酸是一種新陳代謝所需要的營養劑，可治療肝炎、發育不正常、病后脫發癥，也用于傷寒痢疾、流感等急性傳染病、氣喘、神經痛、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，L-半胱氨酸又可作為羧甲基半胱氨酸、乙酰基半胱氨酸等半胱氨酸系列衍生物生產的原料、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，同時含有較多氨水等雜質，因此在生產中需要對原液進行濃縮提純。該廠以前一直選用進口反滲透膜元件進行提純，其使用壽命大致在90天左右，更換費用極高、同時浪費很多人力。2005年11月，該廠選用北京時代沃頓科技有限公司生產的復合反滲透膜元件進行濃縮生產，膜元件的各項運行指標一直穩定，延長了使用壽命，降低了生產成本，用戶對使用結果滿意。
2、總體設計
2.1 膜元件的選用
反滲透膜分離氨基酸基于兩點:篩分效應和電荷效應。分子量大于膜的截留分子量的物質，將被膜截留，反之則透過，這就是膜的篩分效應。反滲透膜的表面活性層由聚電解質構成，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。與膜同號的離子被排斥，異號離子被吸引，不同符號的離子透過率不同，對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充分考慮以下幾點: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或幾個氫原子被氨基取代的化合物叫做氨基酸。根據氨基和羧基的相對位置，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，其結構通式如下圖所示：
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所有的氨基酸都同時含有羧基和氨基，是一種兩性物質。在溶液中的帶電狀態，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值的離子形態變化如下：
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改變溶液的pH值，可以使氨基酸帶上正電荷或負電荷，也可以使它處于正負電荷相等即凈電荷為零的偶極離子狀態。凈電荷為零時的溶液pH值稱為氨基酸的等電點(pl)。根據等電點的數值，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。根據氨基酸在溶液中的不同帶電形式，可以選用不同膜元件進行提取和分離。
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：（1）Cys+，（2）Cys±，（3）Cys-，相應的荷電荷分別為+1,0,和-1價。當主要為Cys±時，半胱氨酸為電中性等電點，此時pH為5.2。改變溶液的pH值時，L-半胱氨酸的帶電情況會隨著溶液H的濃度變化而發生改變。
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存在，同時存在少量的Cys-。為了保證最大的濃縮倍數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，決定選用貴陽時代匯通膜科技有限公司的FR11-8040膜元件。該型號膜元件具有較大的水通量和較高的脫鹽率，可以達到較高的分離率和濃縮倍數，膜表面光滑、不帶電荷，呈電中性或略帶負電，能有效抵制進水中的大多數有機物、膠體、微生物等帶負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，延長使用壽命，降低運行成本。
2.2 工藝流程
反滲透系統設計運行壓力為1.5MPa，系統分為5組，每組裝有四支膜元件，采用2:1:1的排列方式。系統回收率保持在50%左右，原液氨基酸濃度為4%，經處理后濃縮液濃度在8%左右，當透過液中L-半胱氨酸濃度超過5‰時，即需要更換膜元件。系統每天運行12個小時，停機后使用透過液進行低壓沖洗，由淡水置換出濃水，防止因有機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、系統運行情況
系統從2005年11月開始運行，進水流量為8t/h，透過液流量為4t/h，運行初期透過液中L-半胱氨酸濃度為2‰，系統脫除率達到95%，系統運行情況良好。至2006年4月底系統透過液中L-半胱氨酸濃度超過5‰，使用壽命達到150天，與國外某品牌反滲透膜相比，使用壽命延長60天。使用兩種不同反滲透膜元件的系統透過液中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反滲透膜元件與國外某品牌反滲透膜元件相比，對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。
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表1 標準水通量變化表 |
從表1可以看出，通過對一段的Vontron反滲透膜元件進行標準條件(2000ppmNaCl，225psi，25℃，15%回收率)下的檢測，發現在不進行化學清洗的情況下，運行150天之后，其標準水通量僅下降12%左右，說明該種膜元件能夠較好的抵制氨基酸等有機污染物，同時也證明了定期用反滲透產水對高污染進水的反滲透系統進行低壓沖洗，能夠較好的抑制污染在膜表面的附著，減輕膜元件污染。
4 結論
(1) 將復合反滲透膜應用于氨基酸濃縮，可以獲得高于其他方法（如納濾等）的分離率，系統分離率可達到95%。
(2) 實際應用中證明，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勢，對氨基酸等有機物污染有較強的抵制作用，用于氨基酸濃縮，其使用壽命明顯延長。
(3) 對于高污染進水的反滲透系統，定期用反滲透產水進行低壓沖洗，可以有效的防止因有機物等污染物在膜表面富集而造成的膜元件污染。
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