Biotootmisprotsessi valik: keraamilised membraanid|Põhilahus kääritamise puhastamiseks, steriliseerimiseks ja kontsentreerimiseks

Rohelises biotootmise võidujooksus on eraldamine ja puhastamine alati olnud kulude, saagise ja tootekvaliteedi määramisel otsustava tähtsusega. Käärimispuljongid on keerulised, väga viskoossed ja sisaldavad palju lisandeid. Traditsioonilistel plaat{2}}ja-raammembraanidel, tsentrifuugidel ja orgaanilistel membraanidel on sageli puudusi, nagu kiire saastumine, lühike eluiga, tundlikkus hapete ja leeliste suhtes ning bioaktiivsuse halvenemine.

Täna käsitleme keraamilisi membraane{0}}, mis on "põhimängija", mis kujundab ümber biotootmise eraldamisprotsesse.

Keraamilised membraanid, mida nimetatakse ka anorgaanilisteks keraamilisteks membraanideks, on asümmeetrilised mitmekihilised membraanid, mis on valmistatud kõrgel temperatuuril{4}}paagutamise teel anorgaanilistest keraamilistest materjalidest, nagu Al2O3, ZrO2, TiO2 ja SiC. Need kuuluvad täppismembraani eraldamise tehnoloogiasse.

1. Põhistruktuur

• Tugikiht: tagab suure tugevuse ja suure pooride suuruse

• Vahekiht: ülemineku- ja stabiliseeriv struktuur

• Eralduskiht: määrab täpsuse, võimaldades nano{0}} kuni mikroni-tasemel täpset sõelumist

2. Eraldamise põhimõte

Toiteallikaks on rõhuerinevus, kasutades rist-voolufiltrit: toitevedelik voolab paralleelselt üle membraani pinna. Väikesed molekulid (vesi, sool, tooted) imbuvad läbi membraani, samas kui suured molekulid, bakterid, kolloidid ja heljumid jäävad alles, saavutades selginemise, steriliseerimise, eraldamise ja kontsentreerimise.

3. Täpsusklassifikatsioon

• Microfiltration (MF): >50 nm, eemaldab bakterid, rakujäägid ja hõljuvad tahked ained

• Ultrafiltratsioon (UF): 2–50 nm, säilitab valgud, ensüümid, polüsahhariidid ja kolloidid

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

Lühidalt: keraamilised membraanid on anorgaanilistest jäikadest materjalidest valmistatud "täpsed molekulaarsõelad", mis tagavad stabiilsuse, täpsuse ja tõhususe keerulistes fermentatsioonisüsteemides.

Võrreldes orgaaniliste membraanide ja traditsioonilise filtreerimisega pakuvad keraamilised membraanid biotootmise rakendustes tohutuid eeliseid.

1. **Äärmuslik jõudlus:**
• **Happe- ja leeliskindlus:** Hõlmab pH 0–14, tugev happe- ja leelispuhastus ei mõjuta.
• **Vastupidavus kõrgele temperatuurile:** võib olla aur-kohal-(SIP) ja puhas-in-(CIP), sobib kõrgel-temperatuuri toitelahenduste jaoks.
• **Orgaaniliste lahustite vastupidavus:** Vastupidav alkoholide, ketoonide ja estrite korrosioonile kääritussüsteemides.
• **Kõrge mehaaniline tugevus:** jääb kõrge rõhu all deformeerimata ja kahjustamata ning eluiga ületab tunduvalt orgaaniliste membraanide oma.

2. **Tugev saastumisvastane toime, stabiilne voolavus ja lihtne puhastamine:**
• **Hea pinna hüdrofiilsus:** Hoiab ära valkude ja polüsahhariidide adsorptsiooni, mille tulemuseks on vähem saastumist.
• **Rist{0}}voolu disain + anorgaaniline jäik struktuur:** voo aeglane lagunemine.
• **Sügavpuhastusvõime:** saab sügav{0}}puhastada tugevate hapete, leeliste ja oksüdeerijatega, räbusti taastumismäär on suurem või võrdne 95%.
• **Eluiga:** 10–15 aastat, orgaaniliste membraanide puhul vaid 1–3 aastat. Aasta-aastalt säästab see pikemas perspektiivis rohkem raha.

3. Õrn eraldamine, säilitades bioloogilist aktiivsust

• Toatemperatuuril faasimuutused puuduvad, ei kahjusta kuumus{0}}tundlikke aineid, nagu ensüümid, valgud, probiootikumid ja antibiootikumid.

• Ei mingeid flokulande, kobediatomiiti ega välist reostust, on rohkem kooskõlas puhta tootmisega.

• Madal nihkejõud, suurem rakkude ellujäämise määr ja ensüümi aktiivsuse säilimise määr.

4. Madal süsinikusisaldus ja kõrge kasutegur, mis on kooskõlas kahe süsinikuga (süsiniku tõhusus, süsinikusisalduse vähendamine ja süsinikdioksiidi heitkoguste vähendamine).

• Energiatarbimine on palju väiksem kui aurustamine ja ekstraheerimine.

• Vähem reovett, suur saagis, vähem kulumaterjale.

• Pidev ja automatiseeritud töö, vähendades oluliselt tööjõukulusid.

Keraamilised membraanid on sügavalt läbinud viit peamist kuldset rada: biofarmatseutilised tooted, bio-põhised materjalid, bioenergia, hulgikäärimistooted ning kääritatud toit ja joogid.

1. Biofarmatseutilised tooted: puhastamise ja steriliseerimise kuldstandard

Farmaatsiatooted on keraamiliste membraanide suurim kasutusala, moodustades peaaegu 30%.

• Antibiootilise fermentatsioonipuljongi (erütromütsiin, tsefalosporiinid, vankomütsiin) steriliseerimine ja selgitamine

• Valkude, ensüümide ja peptiidide kontsentreerimine ja puhastamine

• Vaktsiinide ja süstevee aseptiline filtreerimine, mis vastab GMP nõuetele

• Asendab plaadi ja raami tsentrifuugimist, suurendades saagist 10–20% ja vähendades lisandeid 90%+

2. Bio-põhised materjalid: võimas tööriist roheliste monomeeride puhastamiseks

• 1,3-propüleenglükool: mikrofiltratsiooniga steriliseerimine + nanofiltratsiooniga magestamine ja värvitustamine, saagis 99% või suurem

• Piimhappe/polüpiimhappe prekursorid: Nanofiltratsiooni kontsentreerimine ja eraldamine, mis lihtsustab protsessi

• Ketoglutaraat: kahe-etapilise membraani integreerimine, selitamine + värvitustamine ühes etapis

3. Bioenergia: uus lahendus taastuvkütuse puhastamiseks

• Biodiisel: glütserooli eraldamine ja estrifaasi puhastamine, asendades traditsioonilise veepesu, reovee puudumine

• Kütuse etanool: pidev eraldamine CO fermentatsioonisüsteemides, võimsusega üle 200 000 tonni aastas

• Biobutanool: membraani{0}} sidumine fermentatsiooniga leevendab toote inhibeerimist ning parandab kontsentratsiooni ja tõhusust.

4. Puistekäärimistooted: orgaanilised happed, aminohapped, vitamiinid

• Orgaanilised happed (merevaikhape, sidrunhape, glutamiinhape): lisandite eemaldamine → selitamine → kontsentreerimine → kristalliseerimine

• Aminohapped (lüsiin, glutamiinhape): 50 nm keraamilise membraani steriliseerimine ja valgu eemaldamine, parandades vaigu efektiivsust

• Vitamiin B12/B4: membraani{2}}fermentatsiooni sidumine, rakkude sidumine võrgus, saagikuse märkimisväärne suurenemine

5. Kääritatud toidud ja joogid: säilitamine ja kvaliteedi parandamine, kulude vähendamine ja tõhususe suurendamine

• Õlu: virde eraldamine, noore õlle selgitamine, põhjaõlle taastamine, külmsteriliseerimine, värske maitse säilitamine

• Sojakaste/äädikas: toatemperatuuril steriliseerimine, ei põle, ei tumene, puhtam maitse

• Puuviljamahl/piimatooted: selgitamine ja steriliseerimine, säilivusaja pikendamine, toitumise ja maitse säilitamine

Fermentatsioonipuljongi jaoks on ülioluline valida õige membraan nende 5 punkti alusel:

1. Kaaluge eesmärki: mikrofiltreerimine bakterite eemaldamiseks; Ultrafiltreerimine valkude eemaldamiseks; Nanofiltratsioon kontsentreerimiseks ja magestamiseks.

2. Mõelge materjalile: Al₂O3 üldisteks rakendusteks; ZrO₂/SiC väga söövitavate materjalide jaoks.

3. Kaaluge konfiguratsiooni: mitme kanaliga torukujulisi membraane eelistatakse kõrge kuivainesisalduse ja kõrge viskoossusega.

4. Arvestage töötingimusi: keraamilised membraanid sobivad ideaalselt tugevate hapete/leeliste tingimuste ja kõrgete temperatuuride jaoks.

5. Arvestage kuludega: suurem alginvesteering, kuid pikem eluiga, vähem puhastamist ja suurem saagikus; tasuvusaeg 1-3 aastat on kasulikum.

Biotootmise peamised suundumused on: roheline, tõhus, stabiilne ja madalad{0}}kulud.

Oma vastupidavuse kõrgetele ja madalatele temperatuuridele, hapetele ja leelistele, saastumiskindluse, pika eluea ja suure täpsusega sobivad keraamilised membraanid suurepäraselt kääritamispuljongide keeruliste süsteemidega ning asendavad kiiresti orgaanilisi membraane ja traditsioonilisi protsesse, muutudes bioloogilise eraldamise ja puhastamise peamiseks valikuks.