Zaļās bioražošanas sacīkstēs atdalīšana un attīrīšana vienmēr ir bijusi izšķiroša nozīme izmaksu, ražas un produktu kvalitātes noteikšanā. Fermentācijas buljoni ir sarežģīti, ļoti viskozi un satur daudz piemaisījumu. Tradicionālās plākšņu-un-rāmju membrānas, centrifūgas un organiskās membrānas bieži cieš no tādiem trūkumiem kā ātra aizsērēšana, īss kalpošanas laiks, nejutība pret skābēm un sārmiem, kā arī bioaktivitātes samazināšanās.
Šodien mēs apspriedīsim keramikas membrānas{0}}“galveno spēlētāju”, kas pārveido bioražošanas atdalīšanas procesus.
I. Kas ir keramikas membrānas atdalīšanas tehnoloģija?
Keramikas membrānas, ko sauc arī par neorganiskām keramikas membrānām, ir asimetriskas daudzslāņu membrānas, kas izgatavotas no neorganiskiem keramikas materiāliem, piemēram, Al2O3, ZrO2, TiO2 un SiC, saķepinot augstā temperatūrā{4}}. Tie pieder precīzas membrānas atdalīšanas tehnoloģijai.
1. Pamatstruktūra
• Atbalsta slānis: nodrošina augstu izturību un lielu poru izmēru
• Starpslānis: pārejas un stabilizējoša struktūra
• Atdalīšanas slānis: nosaka precizitāti, nodrošinot precīzu sijāšanu no nano{0}} līdz mikroniem{1}}
2. Atdalīšanas princips
Darbojas ar spiediena starpību, izmantojot šķērsplūsmas -filtrāciju: padeves šķidrums plūst paralēli pa membrānas virsmu. Caur membrānu izkļūst mazas molekulas (ūdens, sāls, produkti), bet lielās molekulas, baktērijas, koloīdi un suspendētās cietās vielas tiek saglabātas, panākot dzidrināšanu, sterilizāciju, atdalīšanu un koncentrēšanu.
3. Precizitātes klasifikācija
• Microfiltration (MF): >50 nm, noņem baktērijas, šūnu atliekas un suspendētās daļiņas
• Ultrafiltrācija (UF): 2–50 nm, saglabā olbaltumvielas, fermentus, polisaharīdus un koloīdus
• Nanofiltrācija (NF):<2nm, concentrates small molecules, desalinates, and decolorizes
Īsumā: Keramikas membrānas ir "precīzi molekulārie sieti", kas izgatavoti no neorganiskiem cietiem materiāliem, nodrošinot stabilitāti, precizitāti un efektivitāti sarežģītās fermentācijas sistēmās.
II. Kāpēc keramiskās membrānas ir vēlamā izvēle bioražošanai?
Salīdzinot ar organiskajām membrānām un tradicionālo filtrēšanu, keramiskās membrānas piedāvā milzīgas priekšrocības bioražošanas lietojumos.
1. **Ekstrēma veiktspēja:**
• **Izturība pret skābēm un sārmiem:** Ietver pH 0–14, to neietekmē spēcīga skābes un sārmu tīrīšana.
• **Augstas temperatūras izturība:** var būt tvaika-vietā-(SIP) un tīra-līnijā- (CIP), piemērots augstas-temperatūras padeves risinājumiem.
• **Izturība pret organiskiem šķīdinātājiem:** izturīgs pret koroziju no spirtiem, ketoniem un esteriem fermentācijas sistēmās.
• **Augsta mehāniskā izturība:** paliek nedeformēta un nesabojāta augsta spiediena ietekmē, un kalpošanas laiks ievērojami pārsniedz organisko membrānu kalpošanas laiku.
2. **Spēcīga pretapaugšanas, stabila plūsma un vienkārša tīrīšana:**
• **Laba virsmas hidrofilitāte:** novērš proteīnu un polisaharīdu adsorbciju, tādējādi samazinot netīrumus.
• **Šķērs{0}}plūsmas dizains + neorganiska stingra struktūra:** lēna plūsmas samazināšanās.
• **Padziļinātas tīrīšanas jauda:** var dziļi{0}}tīrīt ar stiprām skābēm, sārmiem un oksidētājiem ar plūsmas atgūšanas ātrumu, kas ir lielāks vai vienāds ar 95%.
• **Mūžs:** 10–15 gadi, salīdzinot ar tikai 1–3 gadiem organiskajām membrānām. Gadu no gada tas ilgtermiņā ietaupa vairāk naudas.
3. Maiga atdalīšana, saglabājot bioloģisko aktivitāti
• Istabas temperatūrā nemainās fāze, nebojā karstumjūtīgas vielas,{0}}piemēram, fermentus, olbaltumvielas, probiotikas un antibiotikas.
• Bez flokulantiem, bez diatomīta zemes, bez ārējā piesārņojuma, vairāk atbilst tīrai ražošanai.
• Zema bīde, augstāks šūnu izdzīvošanas rādītājs un enzīmu aktivitātes aiztures līmenis.
4. Zems oglekļa saturs un augsta efektivitāte saskaņā ar "dubulto oglekļa emisiju" (oglekļa efektivitāte, oglekļa samazināšana un oglekļa emisiju samazināšana).
• Enerģijas patēriņš ir daudz mazāks nekā iztvaicēšana un ekstrakcija.
• Mazāk notekūdeņu, augsta ražība, mazāk palīgmateriālu.
• Nepārtraukta un automatizēta darbība, būtiski samazinot darbaspēka izmaksas.
III. Keramikas membrānu pielietojuma pamatscenāriji bioražošanā
Keramikas membrānas ir dziļi iekļuvušas piecās galvenajās zelta sliedēs: biofarmaceitiskie preparāti, bio-materiāli, bioenerģija, beztaras fermentācijas produkti un raudzēta pārtika un dzērieni.
1. Biofarmaceitiskie preparāti: "zelta standarts" attīrīšanai un sterilizācijai
Farmaceitiskie izstrādājumi ir lielākā keramikas membrānu pielietojuma joma, kas veido gandrīz 30%.
• Antibiotiku fermentācijas buljona (eritromicīns, cefalosporīni, vankomicīns) sterilizācija un dzidrināšana
• Olbaltumvielu, enzīmu un peptīdu koncentrācija un attīrīšana
• Vakcīnu un ūdens injekcijām aseptiska filtrēšana, kas atbilst LRP prasībām
• Aizstāj plākšņu un rāmja centrifugēšanu, palielinot ražu par 10%–20% un samazinot piemaisījumus par 90%+
2. Bio-materiāli: spēcīgs instruments zaļo monomēru attīrīšanai
• 1,3-propilēnglikols: mikrofiltrācijas sterilizācija + nanofiltrācijas atsāļošana un atkrāsošana, iznākums ir lielāks par 99% vai vienāds ar to
• Pienskābes/polipienskābes prekursori: Nanofiltrācijas koncentrācija un atdalīšana, vienkāršojot procesu
• Ketoglutarāts: divu{0}}pakāpju membrānas integrācija, dzidrināšana + krāsas noņemšana vienā darbībā
3. Bioenerģija: jauns risinājums atjaunojamās degvielas attīrīšanai
• Biodīzeļdegviela: glicerīna atdalīšana un estera fāzes attīrīšana, aizstājot tradicionālo ūdens mazgāšanu, bez notekūdeņiem
• Degvielas etanols: nepārtraukta atdalīšana CO fermentācijas sistēmās ar jaudu, kas pārsniedz 200 000 tonnu/gadā
• Biobutanols: membrānas{0}} fermentācijas savienojums mazina produkta inhibīciju un uzlabo koncentrēšanos un efektivitāti.
4. Lielapjoma fermentācijas produkti: organiskās skābes, aminoskābes, vitamīni
• Organiskās skābes (dzintarskābe, citronskābe, glutamīnskābe): piemaisījumu noņemšana → dzidrināšana → koncentrēšana → kristalizācija
• Aminoskābes (lizīns, glutamīnskābe): 50 nm keramikas membrānas sterilizācija un proteīnu noņemšana, uzlabojot sveķu efektivitāti
• B12/B4 vitamīns: membrānas-fermentācijas savienojums, tiešsaistes šūnu aizture, ievērojami palielinot ražu
5. Fermentēti pārtikas produkti un dzērieni: saglabāšana un kvalitātes uzlabošana, izmaksu samazināšana un efektivitātes palielināšana
• Alus: misas atdalīšana, jauna alus dzidrināšana, dibena atgūšana, aukstā sterilizācija, svaigas garšas saglabāšana
• Sojas mērce/etiķis: sterilizācija istabas temperatūrā, bez degšanas, bez tumšuma, tīrāka garša
• Augļu sula/piena produkti: dzidrināšana un sterilizācija, glabāšanas laika pagarināšana, uzturvērtības un garšas saglabāšana
IV. Kā izvēlēties keramikas membrānu?
Fermentācijas buljonam ir ļoti svarīgi izvēlēties pareizo membrānu, pamatojoties uz šiem 5 punktiem:
1. Apsveriet mērķi: Mikrofiltrācija baktēriju noņemšanai; Ultrafiltrācija olbaltumvielu noņemšanai; Nanofiltrācija koncentrēšanai un atsāļošanai.
2. Apsveriet materiālu: Al₂O3 vispārīgiem lietojumiem; ZrO₂/SiC īpaši kodīgiem materiāliem.
3. Apsveriet konfigurāciju: priekšroka tiek dota daudzkanālu cauruļveida membrānām, jo tām ir augsts cietvielu saturs un augsta viskozitāte.
4. Apsveriet darbības apstākļus: Keramikas membrānas ir ideāli piemērotas stipru skābju/sārmu apstākļiem un augstām temperatūrām.
5. Apsveriet izmaksas: Lielāks sākotnējais ieguldījums, bet ilgāks kalpošanas laiks, mazāka tīrīšana un lielāka raža; atmaksāšanās periods 1-3 gadi ir vērtīgāks.
V. Kopsavilkums: Keramikas membrānas ir "nepieciešamība atdalīt" bioražošanā
Bioražošanas galvenās tendences ir: videi draudzīga, efektīva, stabila un zemas{0}}izmaksas.
Ar savu izturību pret augstām un zemām temperatūrām, skābēm un sārmiem, izturību pret netīrumiem, ilgu kalpošanas laiku un augstu precizitāti, keramikas membrānas ir lieliski piemērotas sarežģītām fermentācijas buljonu sistēmām un ātri aizstāj organiskās membrānas un tradicionālos procesus, kļūstot par galveno izvēli bioloģiskai atdalīšanai un attīrīšanai.
