VONTRON抗污染膜元件在氨基酸浓缩领域的应用
1、项目背景
湖北某氨基酸厂一直通过动物皮毛、人发等物质经化学工艺提取L-半胱氨酸溶液，L-半胱氨酸作为蛋白质的分解产物主要用于医药、食品、化妆品等行业。L-半胱氨酸是一种新陈代谢所需要的营养剂，可治疗肝炎、发育不正常、病后脱发症，也用于伤寒痢疾、流感等急性传染病、气喘、神经痛、湿疹及各种中毒疾患,是防止肝硬化及其它肝病的良药；同时，L-半胱氨酸又可作为羧甲基半胱氨酸、乙酰基半胱氨酸等半胱氨酸系列衍生物生产的原料、食品添加剂、化工原料，抗氧化剂等。
由于氨基酸源液中浓度较低，同时含有较多氨水等杂质，因此在生产中需要对原液进行浓缩提纯。该厂以前一直选用进口反渗透膜元件进行提纯，其使用寿命大致在90天左右，更换费用极高、同时浪费很多人力。2005年11月，该厂选用北京时代沃顿科技有限公司生产的复合反渗透膜元件进行浓缩生产，膜元件的各项运行指标一直稳定，延长了使用寿命，降低了生产成本，用户对使用结果满意。
2、总体设计
2.1 膜元件的选用
反渗透膜分离氨基酸基于两点:筛分效应和电荷效应。分子量大于膜的截留分子量的物质，将被膜截留，反之则透过，这就是膜的筛分效应。反渗透膜的表面活性层由聚电解质构成，膜表面通常带有一定的电荷，离子与静电膜的电荷相互作用称为Donnan效应。与膜同号的离子被排斥，异号离子被吸引，不同符号的离子透过率不同，对膜表面的污染速率也不同。
因此，氨基酸的反渗透分离过程应充分考虑以下几点:pH值、氨基酸分子量、膜的截留分子量和表面电荷。
羧酸分子中烃基上的一个或几个氢原子被氨基取代的化合物叫做氨基酸。根据氨基和羧基的相对位置，可分为α、β、γ-氨基酸，其中α-氨基酸在自然界存在最广，也最重要，其结构通式如下图所示：
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所有的氨基酸都同时含有羧基和氨基，是一种两性物质。在溶液中的带电状态，随着溶液的pH值而改变。带有一氨基和一羧基的α-氨基酸随pH值的离子形态变化如下：
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改变溶液的pH值，可以使氨基酸带上正电荷或负电荷，也可以使它处于正负电荷相等即净电荷为零的偶极离子状态。净电荷为零时的溶液pH值称为氨基酸的等电点(pl)。根据等电点的数值，可以将氨基酸分为酸性氨基酸、碱性氨基酸和中性氨基酸三种类型。根据氨基酸在溶液中的不同带电形式，可以选用不同膜元件进行提取和分离。
L-半胱氨酸（Cys）微溶于水,象其他氨基酸一样是一种两性离子，在水溶液中氨基和羧基在不同pH下离解。
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L-半胱氨酸在水溶液中有3种不同的电离状态：（1）Cys+，（2）Cys±，（3）Cys-，相应的荷电荷分别为+1,0,和-1价。当主要为Cys±时，半胱氨酸为电中性等电点，此时pH为5.2。改变溶液的pH值时，L-半胱氨酸的带电情况会随着溶液H的浓度变化而发生改变。
该厂L-半胱氨酸原液的浓度为4%，pH值为5.6，因此溶液中L-半胱氨酸主要以Cys±的形式存在，即主要以净电荷为零的偶极离子状态存在，同时存在少量的Cys-。为了保证最大的浓缩倍数和最低的透过液浓度，在尽量保留该厂原有反渗透装置的前提下，决定选用贵阳时代汇通膜科技有限公司的FR11-8040膜元件。该型号膜元件具有较大的水通量和较高的脱盐率，可以达到较高的分离率和浓缩倍数，膜表面光滑、不带电荷，呈电中性或略带负电，能有效抵制进水中的大多数有机物、胶体、微生物等带负电的污染物和电中性的污染物，能够有效的降低膜表面的污染，延长使用寿命，降低运行成本。
2.2 工艺流程
反渗透系统设计运行压力为1.5MPa，系统分为5组，每组装有四支膜元件，采用2:1:1的排列方式。系统回收率保持在50%左右，原液氨基酸浓度为4%，经处理后浓缩液浓度在8%左右，当透过液中L-半胱氨酸浓度超过5‰时，即需要更换膜元件。系统每天运行12个小时，停机后使用透过液进行低压冲洗，由淡水置换出浓水，防止因有机物等污染物在膜表面富集而造成的膜元件污染。工艺流程图如下：
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图1 工艺流程图 |
3、系统运行情况
系统从2005年11月开始运行，进水流量为8t/h，透过液流量为4t/h，运行初期透过液中L-半胱氨酸浓度为2‰，系统脱除率达到95%，系统运行情况良好。至2006年4月底系统透过液中L-半胱氨酸浓度超过5‰，使用寿命达到150天，与国外某品牌反渗透膜相比，使用寿命延长60天。使用两种不同反渗透膜元件的系统透过液中L-半胱氨酸浓度的变化曲线如下图所示。
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图2 透过液浓度变化曲线 |
从图2可以看出，Vontron反渗透膜元件与国外某品牌反渗透膜元件相比，对L-半胱氨酸脱除率的衰减明显缓慢，膜元件的使用寿命更长。
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表1 标准水通量变化表 |
从表1可以看出，通过对一段的Vontron反渗透膜元件进行标准条件(2000ppmNaCl，225psi，25℃，15%回收率)下的检测，发现在不进行化学清洗的情况下，运行150天之后，其标准水通量仅下降12%左右，说明该种膜元件能够较好的抵制氨基酸等有机污染物，同时也证明了定期用反渗透产水对高污染进水的反渗透系统进行低压冲洗，能够较好的抑制污染在膜表面的附着，减轻膜元件污染。
4 结论
(1) 将复合反渗透膜应用于氨基酸浓缩，可以获得高于其他方法（如纳滤等）的分离率，系统分离率可达到95%。
(2) 实际应用中证明，Vontron FR11-8040膜元件因其膜表面电荷和膜表面光滑度等方面的优势，对氨基酸等有机物污染有较强的抵制作用，用于氨基酸浓缩，其使用寿命明显延长。
(3) 对于高污染进水的反渗透系统，定期用反渗透产水进行低压冲洗，可以有效的防止因有机物等污染物在膜表面富集而造成的膜元件污染。
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