膜分离技术在生物发酵工业中的应用

由于其在分离过程中不涉及相变，无二次污染，又由于分离中具有生物膜浓缩富集的功能，同时它操作方便，结构紧凑，维修费用低，易于自动化，因而已在多种发酵产品的后处理过程中得到应用。用膜技术处理发酵液可根据物质分子量的大小去掉与目的产物分子量相差较大的各类杂质，提高发酵液质量，有利于后继工艺过程的进行，提高产品纯度和收率，减少溶剂消耗量，降低能耗。其中用的最多的是微滤、超滤、纳滤和反渗透。膜技术在发酵液后处理过程中的应用已进行了大量试验研究，有些已实现了工业化。其研究应用工作主要集中在抗生素、维生素、氨基酸、酶制剂等方面。抗生素的生产工艺大体分为发酵、过滤、浓缩和干燥四个过程。目前膜技术主要用于抗生素发酵液的澄清、产品的浓缩和脱盐以及废液中抗生素的浓缩。发酵法生产的抗生素原液中含 4%生物残渣，不定的盐分，约 0.1%~0.2%的抗生素。传统方法采用溶剂萃取从发酵液中加以分离，再对萃取液进行真空蒸发即得抗生素。但此法纯化和浓缩抗生素存在有机溶剂用量大，蒸发浓缩能耗高，操作环境差等缺点。纳滤膜可用两种途径回收和纯化抗生素：一种是先用溶剂萃取，再用纳滤膜浓缩，这一过程由于溶剂可循环利用，可节约 80%的成本；另一种是先用膜浓缩再用溶剂萃取，这一方法可大大提高萃取设备的生产能力，降低溶剂的用量。在抗生素的后处理过程中除纳滤膜用的较多外，超滤和反渗透也有较多应用。采用微滤膜除去青霉素 G 发酵液中的菌丝体，青霉素 G 的回收率可达 98%。采用超滤和纳滤的组合分离技术，纯化浓缩林可霉素发酵液，大大节省了溶媒和能源，缩短并优化了传统工艺路线，提高产品收率及质量。青霉素提炼过程中使用超滤膜分离技术可以去除蛋白质及其它大分子杂质，消除萃取时的乳化现象，提高萃取过程的收率。硫酸卡那霉素和头孢菌素 C 的发酵滤液使用合适的超滤膜进行处理，也取得了满意的结果。维生素 C（简称 VC）是发酵法生产维生素的典型产品。VC 是山梨醇在细菌作用下发酵形成制备 VC的中间体——2-酮基-L-古龙酸，古龙酸经提纯后进一步转化生产的。由于采用细菌发酵，发酵液中残留着菌丝体、蛋白质和悬浮微粒等杂质，采用超滤膜系统可以省去了预处理、加热、离心等工序，既降低了能耗，又提高了古龙酸的收率；用膜技术处理 VC发酵液已进行了大量的研究，并成功实现了工业化。氨基酸广泛应用于食品、医药工业以及作为动物饲料添加剂，此外还用作某些特殊化合物的合成中间体。目前大多数氨基酸均可利用微生物发酵法生产。在发酵法生产氨基酸工艺中，可选用超滤膜将产液中的酵母菌截留并回收利用，透过液经纳滤膜或反渗透膜进行浓缩，再经结晶法获得高纯度的氨基酸产品，同时节约菌种培养费和分离能耗。另外，用纳滤膜可将氨基酸生产中残液进行回收浓缩，既可提高产量，又可减少污染。酶是一种具有高度催化活性的特殊蛋白质。对工业生产的液体酶制剂，必须进行浓缩提纯。传统生产工艺是发酵、絮凝沉淀、过滤、溶剂萃取、真空蒸发、干燥，其生产过程能耗高、酶失活率高、收率低。常用酶制剂的分子质量在 10000~100000Dal 之间，这个范围恰好在超滤技术应用的范围之内。用膜技术对酶发酵液进行浓缩提纯，在常温下操作，减少了温度对酶制剂质量的影响，去掉了蒸发过程中的相变化，能耗低，操作简单，不用或少用溶剂，减少溶剂消耗量和溶剂回收费用。
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