В гонке зеленого биопроизводства разделение и очистка всегда имели решающее значение для определения стоимости, выхода и качества продукции. Бродильные бульоны сложные, высоковязкие и содержат много примесей. Традиционные пластинчатые-и-рамные мембраны, центрифуги и органические мембраны часто страдают от таких недостатков, как быстрое загрязнение, короткий срок службы, нечувствительность к кислотам и щелочам и снижение биологической активности.
Сегодня мы обсудим керамические мембраны-— «ключевого игрока», который меняет процессы разделения биопроизводства.
I. Что такое технология разделения керамической мембраны?
Керамические мембраны, также называемые неорганическими керамическими мембранами, представляют собой асимметричные многослойные мембраны, изготовленные из неорганических керамических материалов, таких как Al2O3, ZrO2, TiO2 и SiC, путем высоко-спекания. Они относятся к технологии прецизионного мембранного разделения.
1. Основная структура
• Опорный слой: обеспечивает высокую прочность и большой размер пор.
• Промежуточный уровень: переходная и стабилизирующая структура.
• Разделительный слой: определяет точность, обеспечивая просеивание на уровне от нано- до микрона-.
2. Принцип разделения
Работает за счет разницы давлений с использованием поперечной-фильтрации: исходная жидкость течет параллельно поверхности мембраны. Малые молекулы (вода, соль, продукты) проникают через мембрану, а крупные молекулы, бактерии, коллоиды и взвешенные вещества задерживаются, обеспечивая осветление, стерилизацию, разделение и концентрирование.
3. Точная классификация
• Microfiltration (MF): >50 нм, удаляет бактерии, клеточный мусор и взвешенные твердые частицы.
• Ультрафильтрация (УФ): 2–50 нм, удерживает белки, ферменты, полисахариды и коллоиды.
• Нанофильтрация (НФ):<2nm, concentrates small molecules, desalinates, and decolorizes
Вкратце: керамические мембраны — это «прецизионные молекулярные сита», изготовленные из неорганических жестких материалов, обеспечивающие стабильность, точность и эффективность в сложных системах ферментации.
II. Почему керамические мембраны являются предпочтительным выбором для биопроизводства?
По сравнению с органическими мембранами и традиционной фильтрацией керамические мембраны обладают огромными преимуществами в биопроизводстве.
1. **Высочайшая производительность:**
• **Устойчивость к кислотам и щелочам:** Охватывает pH 0–14, не подвержен влиянию чистки сильной кислотой и щелочью.
• **Высокотемпературная стойкость:** допускается обработка паром-на-на месте (SIP) и очистка-внутри-линии (CIP), подходит для подачи растворов при высокой-температуре.
• **Устойчивость к органическим растворителям:** Устойчивость к коррозии, вызываемой спиртами, кетонами и сложными эфирами в ферментационных системах.
• **Высокая механическая прочность:** остается недеформированной и неповрежденной под высоким давлением, а срок службы намного превышает срок службы органических мембран.
2. **Сильное противообрастающее покрытие, стабильный флюс и легкая очистка:**
• **Хорошая гидрофильность поверхности:** Предотвращает адсорбцию белков и полисахаридов, что приводит к меньшему загрязнению.
• **Дизайн с поперечным-потоком + неорганическая жесткая конструкция:** Медленное затухание потока.
• **Способность к глубокой очистке:** возможна глубокая-очистка сильными кислотами, щелочами и окислителями, степень восстановления флюса не менее 95 %.
• **Продолжительность жизни:** 10–15 лет по сравнению с 1–3 годами для органических мембран. Год за годом это экономит больше денег в долгосрочной перспективе.
3. Бережное разделение, сохраняющее биологическую активность.
• Отсутствие фазового перехода при комнатной температуре, не повреждает-чувствительные к теплу вещества, такие как ферменты, белки, пробиотики и антибиотики.
• Никаких флокулянтов, диатомовой земли, никаких внешних загрязнений, что больше соответствует чистому производству.
• Низкий сдвиг, более высокая выживаемость клеток и степень сохранения активности ферментов.
4. Низкий уровень выбросов углерода и высокая эффективность в соответствии с «двойным углеродом» (углеродная эффективность, сокращение выбросов углерода и сокращение выбросов углерода).
• Потребление энергии намного ниже, чем испарение и экстракция.
• Меньше сточных вод, высокая производительность, меньше расходных материалов.
• Непрерывная и автоматизированная работа, значительно снижающая трудозатраты.
III. Основные сценарии применения керамических мембран в биопроизводстве
Керамические мембраны глубоко проникли в пять основных золотых направлений: биофармацевтика, материалы на био-основе, биоэнергетика, продукты массового брожения, а также ферментированные продукты питания и напитки.
1. Биофармацевтика: «золотой стандарт» очистки и стерилизации.
Фармацевтика является крупнейшей областью применения керамических мембран, на которую приходится около 30%.
• Ферментационный бульон с антибиотиками (эритромицин, цефалоспорины, ванкомицин), стерилизация и осветление.
• Концентрирование и очистка белков, ферментов и пептидов.
• Асептическая фильтрация вакцин и воды для инъекций в соответствии с требованиями GMP.
• Заменяет пластинчатое и рамное центрифугирование, увеличивая выход на 10–20 % и снижая примеси на 90 %+.
2. Материалы на био-основе: мощный инструмент для очистки экологически чистого мономера.
• 1,3-Пропиленгликоль: стерилизация микрофильтрацией + опреснение и обесцвечивание нанофильтрацией, выход больше или равен 99%.
• Молочная кислота/прекурсоры полимолочной кислоты: концентрирование и разделение нанофильтрацией, упрощающее процесс.
• Кетоглутарат: двухэтапная интеграция в мембрану-, осветление + обесцвечивание за один этап.
3. Биоэнергетика: новое решение для очистки возобновляемого топлива.
• Биодизель: отделение глицерина и очистка эфирной фазы, замена традиционной промывки водой, отсутствие сточных вод.
• Топливный этанол: непрерывное разделение в системах ферментации CO производительностью более 200 000 тонн/год.
• Биобутанол: Мембрана- Ферментационная связь облегчает ингибирование продукта и повышает концентрацию и эффективность.
4. Продукты массового брожения: органические кислоты, аминокислоты, витамины.
• Органические кислоты (янтарная кислота, лимонная кислота, глутаминовая кислота): удаление примесей → осветление → концентрирование → кристаллизация.
• Аминокислоты (лизин, глутаминовая кислота): стерилизация керамической мембраны 50 нм и удаление белка, повышение эффективности смолы.
• Витамин B12/B4: мембранная-ферментационная связь, удержание клеток в режиме онлайн, значительное увеличение выхода.
5. Ферментированные продукты и напитки: сохранение и улучшение качества, снижение затрат и повышение эффективности.
• Пиво: отделение сусла, осветление молодого пива, восстановление нижнего пива, холодная стерилизация, сохранение свежего вкуса.
• Соевый соус/уксус: стерилизация при комнатной температуре, без пригорания, без потемнения, более чистый вкус.
• Фруктовые соки/молочные продукты: осветление и стерилизация, продление срока годности, сохранение питательных веществ и вкуса.
IV. Как выбрать керамическую мембрану?
Для ферментационного бульона решающее значение имеет выбор правильной мембраны на основе этих 5 пунктов:
1. Рассмотрите цель: микрофильтрация для удаления бактерий; Ультрафильтрация для удаления белка; Нанофильтрация для концентрирования и опреснения.
2. Рассмотрите материал: Al₂O₃ для общего применения; ZrO₂/SiC для высококоррозионных материалов.
3. Рассмотрите конфигурацию: многоканальные трубчатые мембраны предпочтительны из-за высокого содержания твердых частиц и высокой вязкости.
4. Учитывайте условия эксплуатации. Керамические мембраны идеально подходят для сильных кислот/щелочей и высоких температур.
5. Учитывайте стоимость: более высокие первоначальные инвестиции, но более длительный срок службы, меньшие затраты на очистку и более высокая производительность; срок окупаемости 1-3 года более целесообразен.
V. Резюме: Керамические мембраны являются «необходимостью разделения» в биопроизводстве.
Основные тенденции в биопроизводстве: экологичность, эффективность, стабильность и низкие-затраты.
Благодаря своей устойчивости к высоким и низким температурам, кислотам и щелочам, устойчивости к загрязнению, длительному сроку службы и высокой точности керамические мембраны идеально подходят для сложных систем ферментационных бульонов и быстро заменяют органические мембраны и традиционные процессы, становясь основным выбором для биологического разделения и очистки.