膜分离技术在发酵液提取浓缩中的应用

膜分离技术在发酵液提取浓缩中的应用

张渊

安徽丰原发酵技术工程研究有限公司

摘要:由于发酵液组分复杂，分离技术多样，因此，与其他技术比较，膜分离技术具有明显的优点，值得广泛应用。本文综述了近年来在多糖、抗生素、饮料、酶制剂和酒精发酵液等方面的研究进展，并对膜分离技术在这一领域中的应用前景作了展望分析。

关键词:膜分离；酵液；提取；浓缩

固液分离后，目标产物以滤液体积大、浓度低的形式存在，要进行浓缩和纯化，这一过程称为提取过程。目前，国内外对发酵液的提取方法有吸附法、溶剂萃取法、离子交换法、沉淀法等，但普遍存在操作繁琐、耗时长、生产周期长、能耗高、产物回收率低等缺点。分离膜是一种特殊的,具有选择性透过功能的薄层物质,能使流体内的一种或几种物质透过的膜分离过程作为一门新型的高效分离、浓缩、提纯技术，近年来得到了快速的发展，是解决当前能源、资源、环境等诸多问题的一项关键技术。不同类型的膜技术，其作用机制各不相同，适用的对象和需求也不尽相同，但它们都有一个共性：操作流程更简单、经济更好、通常无相变、分离系数大、能量消耗小、可以持续高效运行、可以室温运行、可以直接放大、可以进行特殊配膜等。膜分离技术对药物、饮料、酶等温敏材料具有特殊的应用价值。近年来，超滤、纳滤、反渗透等多种膜分离方法已成为研究热点。因此，在发酵液的萃取与浓缩过程中，膜分离将逐步替代某些常规技术，成为发酵液提取与浓缩的重要手段。

一、膜分离在多糖提取浓缩中的应用

从发酵液中提取多糖是一项非常重要的环节。目前，国内外多数企业都是通过多效蒸发法来提取浓缩多糖，但这一方法存在着设备投资大、能耗高、易结垢、易堵塞等问题。若能在发酵期间对多糖进行适时的回收，则可保持菌体的活性，从而达到提高产量的目的。研究表明，不同的操作条件如温度、料液浓度和操作压力等都会对膜的渗透通量产生影响。采用稀释离心法去除细菌后，未处理的发酵液具有较高的透过率和较低的降解率。在0.05MPa条件下，用3L的料液进行超滤浓缩，可以获得5.8%的浓缩液，多糖的回收率为82.7%，在0.1MPa条件下，当浓度为0.5%时，可以将多糖的回收率提高到2.95%，而在0.1MPa时，其含量可以增加4.9倍。利用中空纤维超滤膜对发酵液进行适当浓缩，使残留的蔗糖、氮源和无机离子的分子量都低于膜的截留能力，从而实现对多糖的大规模扩增。

二、膜分离在抗生素提取浓缩中的应用

分离膜作为一种新型高效的分离方法，不但可以极大地简化流程，具有较高的分离选择性，还可以长期稳定的运行，能够高效地去除抗生素发酵液中的可溶性蛋白质，使其出液品质优良，并且全过程都在室温下进行，具有较好的稳定性。

结晶苄青霉素钠一般都是通过溶剂提取的，分为直接提取和间接提取两种方法。直接法采用溶剂萃取、脱色后，直接从苄西林钠中萃取，虽然产率高，但产物的纯度不高，与药典不符；本文提出了一种新的合成方法，即先将苄青霉素酸制成钾盐，然后再制成钠盐。结果表明，超滤膜法对结晶苄青霉素钠进行了分离，得到的产品质量达到了药典规定的标准，且产率较间接法提高了6.76%。采用膜分离技术，可除去青霉素中的蛋白质等大分子物质，消除了提取过程中的乳化，从而提高了提取的产率，改善了产品的质量。

三、膜分离在饮料提取浓缩中的应用

从上世纪70年代开始，膜分离技术从最初用于奶酪，逐渐被用于乳清蛋白的浓缩、牛奶粉与凝乳的生产、蛋白质与多肽的分离，并在脱脂乳的除菌、牛乳的浓缩等领域具有广阔的应用前景。M.Piot等人在1987年首先使用了一种无机膜来过滤和去除全脂牛奶中的细菌，它使用直径4毫米、孔径1.8微米的陶瓷膜，对油脂的截留率高达98%，几乎不会被蛋白截留。本项目以牛乳为研究对象，通过制备0.2微米碳-ZrO2微滤膜，再进行72℃巴氏灭菌15秒后，微滤的表面流速液中舍有磷酪蛋白可进一步分离纯化。采用陶瓷膜对乳清进行分离，得到固体物含量为7%左右，蛋白质含量为0.7%，乳糖含量为5%，还有少量的灰分、乳酸等。

四、膜分离在酶制剂提取浓缩中的应用

微生物的酶液中含有大量的小分子，如无机盐、糖类、氨基酸等，这些小分子会极大地影响酶制剂的色泽、气味、吸湿性及结块特性。目前常用的减压浓缩法、盐析（即有机溶剂析出法）虽可除去上述成分，但技术繁琐，产品纯度及收率均不高。利用膜分离技术，可以简化技术，降低杂菌污染，降低酶的失活几率，增加酶的回收率，提高产品品质。将膜分离技术应用于生物酶制剂的精制浓缩，可使其纯度提高4-5倍，酶收率2-3倍，高浓度液体产量降低1-1/4。

朱卫兵等人还利用中空纤维膜对制药行业中的一种酶——青霉素酰化酶进行了浓缩。该酶的浓缩、脱盐技术较为繁琐，如果采用常规的硫铵法，其产率较低，且所含硫酸铵较多，需经多层透析后方可应用于固定化酶。而超滤方法不会导致物质相态改变，不影响酶的活力。而且，该技术可以在一定程度上实现浓缩与净化的同步进行，不适合大规模、连续的工业生产。采用截留分子量为40000的中空纤维超滤膜，用于青霉素酰化酶的浓缩，不但经济上可行，还能同时实现部分净化、淡化。其特点是操作简便，节约时间，经济合理。

五、膜分离在乙醇发酵液提取浓缩中的应用

由于膜分离过程没有相变，因而成为一种高效的分离技术，备受人们的重视。采用先进的膜分离方法实现乙醇水溶液的高效分离，有望实现节能、减少单位能耗、提高设备利用率。目前，利用膜分离技术从低浓度乙醇中提取高浓度乙醇的研究已进入实际应用阶段，国内外许多学者都对此进行了深入研究。

在国外，Melzochetal等人采用管式膜-发酵槽相结合的方法，将发酵所得的乙醇在膜上得到分离,细胞被100%截留，获得了最高的乙醇产量15g/L.h，乙醇的最高浓度达到81克/升。Ohashietal等人将发酵槽和多孔的氧化铝陶瓷膜相结合，将细胞从膜中捕获并送回发酵罐；将分离出的液体送入蒸发器进行蒸发，将剩余的液体降温，再进行发酵，最终达到了236克/升，乙醇产量达到13.1克/升。

六、结语

通过上述几种膜分离技术的应用，说明膜分离技术在发酵液的提取与浓缩中具有广阔的发展前景与重要意义。膜分离技术相对于传统的分离技术具有如下优势：1.膜分离过程中不会出现相变，相对于分离等相变技术而言，能量消耗更小。2、膜分离技术适合在室温下进行，尤其适合于对温度敏感的材料进行分离，而闭和回路操作降低了材料中氧气对材料的影响。3、操作时，只要进行简单的压力输送，就能进行多次循环，因此流程简单，操作简便。4、材料在透过膜的传输和渗透过程中，性能不会改变。5、在膜分离技术中，没有添加任何化学物质，从而降低了对环境的污染。6、因为仅以压力作为膜分离驱动力，所以设备简单，操作简单，容易控制和维护，且设备费用低。综上所述，将膜分离技术和发酵技术相结合的思想正逐步成为当前生物化学研究的一个热点。然而，在实际应用过程中，膜的选择、膜的清洗、膜的抗污染性能、膜的使用寿命、膜的投资和运行成本等方面仍存在许多问题。尽管存在着许多问题，但是，发酵工业与膜工业都是二十一世纪的高科技行业，在这一领域中，膜分离技术将会是一个非常重要的发展方向，也是一种促进发酵工业技术进步的重要手段，具有一定的市场价值，通过相互的渗透与协作，将会有一个良好的发展前景。

参考文献：

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