Вибір процесу біовиробництва: керамічні мембрани|Основне рішення для очищення ферментації, стерилізації та концентрації

У гонці зеленого біовиробництва розділення та очищення завжди були вирішальними у визначенні вартості, виходу та якості продукції. Ферментаційні бульйони складні, мають високу в’язкість і містять багато домішок. Традиційні пластинчасті-і-каркасні мембрани, центрифуги та органічні мембрани часто страждають від таких недоліків, як швидке забруднення, короткий термін служби, нечутливість до кислот і лугів, а також погіршення біоактивності.

Сьогодні ми обговоримо керамічні мембрани-, як «основного гравця», який змінює процеси розділення біовиробничого виробництва.

Керамічні мембрани, також звані неорганічними керамічними мембранами, — це асиметричні багатошарові мембрани, виготовлені з неорганічних керамічних матеріалів, таких як Al2O3, ZrO2, TiO2 і SiC, шляхом високо-температурного спікання. Вони належать до технології прецизійного мембранного розділення.

1. Основна структура

• Опорний шар: забезпечує високу міцність і великий розмір пор

• Проміжний шар: перехідна та стабілізуюча структура

• Розділовий шар: визначає точність, забезпечуючи точне просівання від нано- до мікрон-рівня

2. Принцип поділу

Завдяки різниці тисків із використанням фільтрації перехресного{0}}потоку: рідина, що живиться, тече паралельно поверхні мембрани. Малі молекули (вода, сіль, продукти) проникають через мембрану, тоді як великі молекули, бактерії, колоїди та зважені речовини утримуються, досягаючи освітлення, стерилізації, розділення та концентрації.

3. Точна класифікація

• Microfiltration (MF): >50 нм, видаляє бактерії, залишки клітин і зважені речовини

• Ультрафільтрація (UF): 2–50 нм, зберігає білки, ферменти, полісахариди та колоїди

• Нанофільтрація (NF):<2nm, concentrates small molecules, desalinates, and decolorizes

Коротко кажучи: керамічні мембрани — це «точні молекулярні сита», виготовлені з неорганічних твердих матеріалів, що забезпечують стабільність, точність і ефективність у складних системах бродіння.

Порівняно з органічними мембранами та традиційною фільтрацією, керамічні мембрани пропонують величезні переваги в біовиробництві.

1. **Надзвичайна продуктивність:**
• **Стійкість до кислот і лугів:** охоплює рН 0–14, не піддається очищенню сильною кислотою та лугом.
• **Стійкість до високих температур:** може бути парою-на-місці (SIP) і чистою-в-лінії (CIP), підходить для високо-температурних розчинів подачі.
• **Стійкість до органічних розчинників:** Стійкість до корозії, викликаної спиртами, кетонами та складними ефірами в системах бродіння.
• **Висока механічна міцність:** Залишається недеформованою та непошкодженою під високим тиском, термін служби значно перевищує термін служби органічних мембран.

2. **Потужний захист від обростання, стійкий флюс і легке очищення:**
• **Хороша поверхнева гідрофільність:** запобігає адсорбції білків і полісахаридів, що призводить до зменшення забруднення.
• **Дизайн перехресного-потоку + неорганічна жорстка структура:** повільне загасання потоку.
• **Здібність до глибокого очищення:** можна глибоко-очистити сильними кислотами, лугами та окислювачами зі ступенем відновлення флюсу, що перевищує або дорівнює 95%.
• **Тривалість життя:** 10–15 років у порівнянні з лише 1–3 роками для органічних мембран. Рік за роком це економить більше грошей у довгостроковій перспективі.

3. М'яке відділення, збереження біологічної активності

• Немає фазових змін за кімнатної температури, не пошкоджує-чутливі до тепла речовини, такі як ферменти, білки, пробіотики та антибіотики.

• Без флокулянтів, без діатомової землі, без зовнішнього забруднення, більше відповідає чистому виробництву.

• Низький зсув, вищий рівень виживання клітин і рівень збереження активності ферментів.

4. Низький вміст вуглецю та висока ефективність, відповідно до "подвійного вуглецю" (ефективність вуглецю, зменшення вуглецю та скорочення викидів вуглецю).

• Споживання енергії набагато менше, ніж випаровування та екстракція.

• Менше стічних вод, висока врожайність, менше витратних матеріалів.

• Безперервна та автоматизована робота, що значно скорочує трудовитрати.

Керамічні мембрани глибоко проникли в п’ять основних золотих шляхів: біофармацевтика, біо-матеріали, біоенергетика, масові продукти бродіння, а також ферментована їжа та напої.

1. Біофармацевтика: «золотий стандарт» очищення та стерилізації

Фармацевтика є найбільшою сферою застосування керамічних мембран, на яку припадає майже 30%.

• Бульйон ферментації антибіотиків (еритроміцин, цефалоспорини, ванкоміцин) стерилізація та освітлення

• Концентрація та очищення білків, ферментів і пептидів

• Асептична фільтрація вакцин і води для ін'єкцій, що відповідає вимогам GMP

• Замінює пластинчасте та рамне центрифугування, збільшуючи вихід на 10–20% і зменшуючи домішки на 90%+

2. Біо-матеріали: потужний інструмент для очищення зелених мономерів

• 1,3-пропіленгліколь: мікрофільтраційна стерилізація + нанофільтраційне опріснення та знебарвлення, вихід більше або дорівнює 99%

• Попередники молочної кислоти/полімолочної кислоти: концентрація та розділення нанофільтрацією, що спрощує процес

• Кетоглутарат: дво{0}}етапна мембранна інтеграція, освітлення + знебарвлення за один крок

3. Біоенергія: нове рішення для очищення відновлюваного палива

• Біодизель: відділення гліцерину та очищення фази складного ефіру, заміна традиційного промивання водою, відсутність стічних вод

• Паливний етанол: безперервне розділення в системах ферментації CO з потужністю понад 200 000 тонн на рік

• Біобутанол: мембранне- зв’язування ферментації зменшує інгібування продукту та покращує концентрацію та ефективність.

4. Масові продукти бродіння: органічні кислоти, амінокислоти, вітаміни

• Органічні кислоти (бурштинова кислота, лимонна кислота, глутамінова кислота): видалення домішок → освітлення → концентрація → кристалізація

• Амінокислоти (лізин, глутамінова кислота): 50-нм стерилізація керамічної мембрани та видалення білка, покращуючи ефективність смоли

• Вітамін B12/B4: зв’язування-мембранної ферментації, онлайн-утримання клітин, значне збільшення врожаю

5. Ферментовані харчові продукти та напої: збереження та покращення якості, зниження витрат та підвищення ефективності

• Пиво: відділення сусла, освітлення молодого пива, відновлення нижнього пива, холодна стерилізація, збереження свіжого смаку

• Соєвий соус/оцет: стерилізація при кімнатній температурі, без пригорання, без потемніння, чистіший смак

• Фруктовий сік/молочні продукти: освітлення та стерилізація, подовження терміну придатності, збереження поживності та смаку

Для ферментаційного бульйону вирішальним є вибір правильної мембрани на основі цих 5 пунктів:

1. Розглянемо мету: мікрофільтрація для видалення бактерій; Ультрафільтрація для видалення білка; Нанофільтрація для концентрації та опріснення.

2. Розгляньте матеріал: Al₂O₃ для загального застосування; ZrO₂/SiC для висококорозійних матеріалів.

3. Розглянемо конфігурацію: багато-канальні трубчасті мембрани є кращими для високого вмісту твердих речовин і високої в’язкості.

4. Враховуйте умови експлуатації: Керамічні мембрани ідеально підходять для сильних кислотних/лужних умов і високих температур.

5. Враховуйте вартість: вищі початкові інвестиції, але довший термін служби, менше очищення та більший врожай; термін окупності 1-3 роки більш вигідний.

Основні тенденції біовиробництва: екологічне, ефективне, стабільне та низька-вартість.

Завдяки стійкості до високих і низьких температур, кислот і лугів, стійкості до забруднення, тривалому терміну експлуатації та високій точності керамічні мембрани ідеально підходять для складних систем ферментаційних бульйонів і швидко замінюють органічні мембрани та традиційні процеси, стаючи основним вибором для біологічного розділення та очищення.