У трци зелене биопроизводње, одвајање и пречишћавање су увек били кључни у одређивању цене, приноса и квалитета производа. Ферментационе чорбе су сложене, веома вискозне и садрже много нечистоћа. Традиционалне плочасте-и-мембране, центрифуге и органске мембране често пате од недостатака као што су брзо прљање, кратак животни век, неосетљивост на киселине и алкалије и деградација биоактивности.
Данас ћемо разговарати о керамичким мембранама-„основном играчу“ који преобликује процесе сепарације у биопроизводњи.
И. Шта је технологија одвајања керамичких мембрана?
Керамичке мембране, које се називају и неорганске керамичке мембране, су асиметричне вишеслојне мембране направљене од неорганских керамичких материјала као што су Ал2О3, ЗрО2, ТиО2 и СиЦ путем синтеровања на високој{4}}температури. Они припадају технологији прецизног мембранског одвајања.
1. Основна структура
• Потпорни слој: Пружа високу чврстоћу и велику величину пора
• Средњи слој: прелазна и стабилизујућа структура
• Раздвојни слој: Одређује прецизност, омогућавајући прецизно просејавање на нано{0}} до микрон- нивоу
2. Принцип раздвајања
Напаја се разликом притиска, користећи унакрсни{0}}филтрирање: Течност за напајање тече паралелно преко површине мембране. Мали молекули (вода, со, производи) продиру кроз мембрану, док се велики молекули, бактерије, колоиди и суспендоване материје задржавају, постижући бистрење, стерилизацију, одвајање и концентрацију.
3. Прецизна класификација
• Microfiltration (MF): >50 нм, уклања бактерије, ћелијске остатке и суспендоване чврсте материје
• Ултрафилтрација (УФ): 2–50 нм, задржава протеине, ензиме, полисахариде и колоиде
• Нанофилтрација (НФ):<2nm, concentrates small molecules, desalinates, and decolorizes
Укратко: Керамичке мембране су „прецизна молекуларна сита“ направљена од неорганских крутих материјала, која пружају стабилност, тачност и ефикасност у сложеним системима ферментације.
ИИ. Зашто су керамичке мембране пожељан избор за биопроизводњу?
У поређењу са органским мембранама и традиционалном филтрацијом, керамичке мембране нуде огромне предности у апликацијама у биопроизводњи.
1. **Екстремне перформансе:**
• **Отпорност на киселине и алкалије:** Покрива пХ 0–14, на њега не утиче чишћење јаких киселина и алкалија.
• **Отпорност на високу температуру:** Може да се пари-на-месту (СИП) и чисто-у-линији (ЦИП), погодно за решења за храњење на високим{4}}има.
• **Отпорност на органске раствараче:** Отпоран на корозију од алкохола, кетона и естара у ферментационим системима.
• **Висока механичка чврстоћа:** Остаје недеформисана и неоштећена под високим притиском, са животним веком који је далеко дужи од животног века органских мембрана.
2. **Снажно против обраштања, стабилан флукс и лако чишћење:**
• **Добра хидрофилност површине:** Спречава адсорпцију протеина и полисахарида, што доводи до мањег прљања.
• **Дизајн-попречног тока + неорганска крута структура:** Споро опадање флукса.
• **Капацитет дубинског чишћења:** Може се дубинско-очистити јаким киселинама, алкалијама и оксидантима, са стопом обнављања флукса већом од или једнаком 95%.
• **Век трајања:** 10–15 година, у поређењу са само 1–3 године за органске мембране. Из године у годину, дугорочно штеди више новца.
3. Нежно одвајање, очување биолошке активности
• Нема промене фазе на собној температури, не оштећује супстанце{0}}осетљиве на топлоту као што су ензими, протеини, пробиотици и антибиотици.
• Без флокуланата, без дијатомејске земље, без спољног загађења, више у складу са чистом производњом.
• Ниско смицање, већа стопа преживљавања ћелија и стопа задржавања активности ензима.
4. Низак ниво угљеника и висока ефикасност, у складу са "двоструким угљеником" (ефикасност угљеника, смањење угљеника и смањење емисије угљеника).
• Потрошња енергије је далеко мања од испаравања и екстракције.
• Мање отпадних вода, висок принос, мање потрошног материјала.
• Континуиран и аутоматизован рад, значајно смањујући трошкове рада.
ИИИ. Основни сценарији примене керамичких мембрана у биопроизводњи
Керамичке мембране су дубоко продрле у пет главних златних стаза: биофармацеутике, материјале на бази био-биолошке енергије, биоенергију, производе ферментације у расутом стању и ферментисану храну и пиће.
1. Биофармацеутика: „Златни стандард“ за пречишћавање и стерилизацију
Фармацеутика је највећа област примене керамичких мембрана, са скоро 30%.
• Антибиотска ферментација бујона (еритромицин, цефалоспорини, ванкомицин) стерилизација и бистрење
• Концентрација и пречишћавање протеина, ензима и пептида
• Асептична филтрација вакцина и воде за ињекције, која испуњава захтеве ГМП
• Замењује центрифугирање плоча и оквира, повећавајући принос за 10%–20% и смањујући нечистоће за 90%+
2. Материјали на бази био-: Моћан алат за пречишћавање зеленог мономера
• 1,3-пропилен гликол: стерилизација микрофилтрацијом + десалинизација и деколоризација нанофилтрацијом, принос већи или једнак 99%
• Прекурсори млечне/полимлечне киселине: концентрација и одвајање нанофилтрације, поједностављујући процес
• Кетоглутарат: Двостепена интеграција мембране, бистрење + деколоризација у једном кораку
3. Биоенергија: Ново решење за пречишћавање обновљивих горива
• Биодизел: Одвајање глицерола и пречишћавање естарске фазе, замењујући традиционално прање водом, без отпадних вода
• Етанол горива: Континуирано одвајање у системима за ферментацију ЦО, капацитета преко 200.000 тона годишње
• Биобутанол: Мембранско{0}} ферментационо спајање ублажава инхибицију производа и побољшава концентрацију и ефикасност.
4. Производи ферментације у расутом стању: органске киселине, аминокиселине, витамини
• Органске киселине (јантарна киселина, лимунска киселина, глутаминска киселина): уклањање нечистоћа → бистрење → концентрација → кристализација
• Амино киселине (лизин, глутаминска киселина): стерилизација 50нм керамичке мембране и уклањање протеина, побољшавајући ефикасност смоле
• Витамин Б12/Б4: мембранска{2}}ферментација спајања, задржавање ћелија на мрежи, значајно повећање приноса
5. Ферментисана храна и пића: очување и побољшање квалитета, смањење трошкова и повећање ефикасности
• Пиво: одвајање сладовине, бистрење младог пива, обнављање пива на дну, хладна стерилизација, очување свежег укуса
• Соја сос/сирће: стерилизација на собној температури, без горења, без потамњивања, чистији укус
• Воћни сокови/млечни производи: бистрење и стерилизација, продужење рока трајања, очување исхране и укуса
ИВ. Како одабрати керамичку мембрану?
За ферментациону чорбу, одабир праве мембране на основу ових 5 тачака је кључан:
1. Размотрите циљ: Микрофилтрација за уклањање бактерија; Ултрафилтрација за уклањање протеина; Нанофилтрација за концентрацију и десалинизацију.
2. Размотрите материјал: Ал₂О₃ за општу примену; ЗрО₂/СиЦ за високо корозивне материјале.
3. Размотрите конфигурацију: Више-каналне цевасте мембране су пожељније због високог садржаја чврстих материја и високог вискозитета.
4. Размотрите услове рада: Керамичке мембране су идеалне за јаке киселе/алкалне услове и високе температуре.
5. Узмите у обзир трошкове: Већа почетна инвестиција, али дужи животни век, мање чишћења и већи принос; исплативији је период отплате од 1-3 године.
В. Резиме: Керамичке мембране су „неопходна одвајања“ у биопроизводњи
Основни трендови у биопроизводњи су: зелена, ефикасна, стабилна и ниска{0}}цена.
Са својом отпорношћу на високе и ниске температуре, киселине и алкалије, отпорност на зарастање, дуг животни век и високу прецизност, керамичке мембране су савршено прилагођене сложеним системима ферментационих бујона и брзо замењују органске мембране и традиционалне процесе, постајући главни избор за биолошко одвајање и пречишћавање.