Odabir procesa bioproizvodnje: Keramičke membrane|Temeljno rješenje za fermentacijsko pročišćavanje, sterilizaciju i koncentraciju

U utrci zelene bioproizvodnje, odvajanje i pročišćavanje uvijek su bili ključni u određivanju cijene, prinosa i kvalitete proizvoda. Fermentacijske juhe su složene, vrlo viskozne i sadrže mnoge nečistoće. Tradicionalne ploča-i-ramne membrane, centrifuge i organske membrane često imaju nedostataka kao što su brzo onečišćenje, kratak životni vijek, neosjetljivost na kiseline i lužine i degradacija bioaktivnosti.

Danas ćemo razgovarati o keramičkim membranama-"glavnom igraču" koji preoblikuje procese odvajanja u bioproizvodnji.

Keramičke membrane, koje se nazivaju i anorganske keramičke membrane, asimetrične su višeslojne membrane izrađene od anorganskih keramičkih materijala kao što su Al2O3, ZrO2, TiO2 i SiC sinteriranjem na visokim -temperaturama. Pripadaju tehnologiji precizne membranske separacije.

1. Osnovna struktura

• Potporni sloj: Pruža visoku čvrstoću i veliku veličinu pora

• Međusloj: prijelazna i stabilizirajuća struktura

• Razdjelni sloj: Određuje preciznost, omogućavajući precizno prosijavanje na razini od nano- do mikrona-

2. Načelo razdvajanja

Pokreće se razlikom tlaka, korištenjem filtracije-protoka: tekućina za punjenje teče paralelno preko površine membrane. Male molekule (voda, sol, proizvodi) prolaze kroz membranu, dok se velike molekule, bakterije, koloidi i suspendirane tvari zadržavaju, postižući bistrenje, sterilizaciju, odvajanje i koncentriranje.

3. Precizna klasifikacija

• Microfiltration (MF): >50 nm, uklanja bakterije, stanične ostatke i suspendirane krutine

• Ultrafiltracija (UF): 2–50 nm, zadržava proteine, enzime, polisaharide i koloide

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

Ukratko: Keramičke membrane su "precizna molekularna sita" izrađena od anorganskih krutih materijala, koja pružaju stabilnost, točnost i učinkovitost u složenim fermentacijskim sustavima.

U usporedbi s organskim membranama i tradicionalnom filtracijom, keramičke membrane nude nevjerojatne prednosti u primjenama u bioproizvodnji.

1. **Ekstremna izvedba:**
• **Otpornost na kiseline i lužine:** Pokriva pH 0-14, ne utječe na čišćenje jakim kiselinama i lužinama.
• **Otpornost na visoke temperature:** Može biti parna-na-mjestu (SIP) i čista-u-liniji (CIP), pogodna za visoko-temperaturne otopine napajanja.
• **Otpornost na organska otapala:** Otporan na koroziju uzrokovanu alkoholima, ketonima i esterima u sustavima fermentacije.
• **Visoka mehanička čvrstoća:** Ostaje nedeformirana i neoštećena pod visokim pritiskom, sa životnim vijekom koji daleko premašuje životni vijek organskih membrana.

2. **Jako sredstvo protiv obraštanja, stabilan fluks i jednostavno čišćenje:**
• **Dobra površinska hidrofilnost:** Sprječava adsorpciju proteina i polisaharida, što rezultira manjim prljanjem.
• **Dizajn-protočnog toka + anorganska kruta struktura:** Sporo slabljenje toka.
• **Kapacitet dubinskog čišćenja:** Može se dubinski -čistiti jakim kiselinama, alkalijama i oksidansima, sa stopom oporavka fluksa većom ili jednakom 95%.
• **Životni vijek:** 10-15 godina, u usporedbi sa samo 1-3 godine za organske membrane. Iz godine u godinu dugoročno štedi više novca.

3. Nježno odvajanje, očuvanje biološke aktivnosti

• Nema promjene faze na sobnoj temperaturi, ne oštećuje tvari-osjetljive na toplinu kao što su enzimi, proteini, probiotici i antibiotici.

• Bez flokulanata, bez dijatomejske zemlje, bez vanjskog onečišćenja, više u skladu s čistom proizvodnjom.

• Nisko smicanje, veća stopa preživljavanja stanica i stopa zadržavanja aktivnosti enzima.

4. Nizak ugljik i visoka učinkovitost, u skladu s "dvostrukim ugljikom" (učinkovitost ugljika, smanjenje ugljika i smanjenje emisije ugljika).

• Potrošnja energije daleko je manja od isparavanja i ekstrakcije.

• Manje otpadne vode, veliki prinos, manje potrošnog materijala.

• Kontinuiran i automatiziran rad, značajno smanjujući troškove rada.

Keramičke membrane duboko su prodrle u pet glavnih zlatnih staza: biofarmaceutika, bio-materijali, bioenergija, proizvodi fermentacije te fermentirana hrana i pića.

1. Biofarmaceutika: "Zlatni standard" za pročišćavanje i sterilizaciju

Farmaceutika je najveće područje primjene keramičkih membrana, s udjelom od gotovo 30%.

• Antibiotska fermentacijska juha (eritromicin, cefalosporini, vankomicin) sterilizacija i bistrenje

• Koncentracija i pročišćavanje proteina, enzima i peptida

• Aseptička filtracija cjepiva i vode za injekcije, ispunjavanje GMP zahtjeva

• Zamjenjuje centrifugiranje ploča i okvira, povećavajući prinos za 10%–20% i smanjujući nečistoće za 90%+

2. Materijali na bazi bio-a: moćan alat za pročišćavanje zelenih monomera

• 1,3-Propilenglikol: mikrofiltracijska sterilizacija + nanofiltracijska desalinizacija i dekolorizacija, prinos veći ili jednak 99%

• Prekursori mliječne kiseline/polimiliječne kiseline: koncentracija i odvajanje nanofiltracijom, pojednostavljenje procesa

• Ketoglutarat: dvo{0}}fazna integracija membrane, bistrenje + dekoloracija u jednom koraku

3. Bioenergija: Novo rješenje za pročišćavanje obnovljivog goriva

• Biodizel: Odvajanje glicerola i pročišćavanje esterske faze, zamjena tradicionalnog pranja vodom, bez otpadnih voda

• Gorivo etanol: Kontinuirano odvajanje u CO fermentacijskim sustavima, s kapacitetom većim od 200.000 tona godišnje

• Biobutanol: membransko- spajanje fermentacije ublažava inhibiciju proizvoda i poboljšava koncentraciju i učinkovitost.

4. Proizvodi fermentacije u rasutom stanju: organske kiseline, aminokiseline, vitamini

• Organske kiseline (jantarna kiselina, limunska kiselina, glutaminska kiselina): Uklanjanje nečistoća → Bistrenje → Koncentracija → Kristalizacija

• Aminokiseline (lizin, glutaminska kiselina): sterilizacija keramičke membrane od 50 nm i uklanjanje proteina, poboljšavajući učinkovitost smole

• Vitamin B12/B4: spajanje-fermentacije membrane, online zadržavanje stanica, značajno povećanje prinosa

5. Fermentirana hrana i pića: očuvanje i poboljšanje kvalitete, smanjenje troškova i povećanje učinkovitosti

• Pivo: odvajanje sladovine, bistrenje mladog piva, oporavak piva na dnu, hladna sterilizacija, očuvanje svježeg okusa

• Sojin umak/ocat: sterilizacija na sobnoj temperaturi, bez gorenja, bez tamnjenja, čistiji okus

• Voćni sok/mliječni proizvodi: bistrenje i sterilizacija, produljenje roka trajanja, očuvanje hranjivih vrijednosti i okusa

Za bujon za fermentaciju ključan je odabir prave membrane na temelju ovih 5 točaka:

1. Razmotrite cilj: mikrofiltracija za uklanjanje bakterija; Ultrafiltracija za uklanjanje proteina; Nanofiltracija za koncentraciju i desalinizaciju.

2. Razmotrite materijal: Al₂O₃ za opću primjenu; ZrO₂/SiC za visoko korozivne materijale.

3. Razmotrite konfiguraciju: više-kanalne cjevaste membrane su poželjne za visok sadržaj krutih tvari i visoku viskoznost.

4. Uzmite u obzir radne uvjete: keramičke membrane idealne su za jake kisele/lužinske uvjete i visoke temperature.

5. Razmotrite trošak: veće početno ulaganje, ali duži životni vijek, manje čišćenja i veći prinos; više se isplati razdoblje povrata od 1-3 godine.

Osnovni trendovi u bioproizvodnji su: zelena, učinkovita, stabilna i niska-cijena.

Sa svojom otpornošću na visoke i niske temperature, kiseline i lužine, otpornošću na onečišćenje, dugim vijekom trajanja i visokom preciznošću, keramičke membrane su savršeno prilagođene složenim sustavima fermentacijskih bujona i brzo zamjenjuju organske membrane i tradicionalne procese, postajući glavni izbor za biološko odvajanje i pročišćavanje.