انتخاب فرآیند تولید زیستی: غشاهای سرامیکی|یک راه حل اصلی برای تصفیه تخمیر، عقیم سازی و تغلیظ

در مسابقه تولید زیستی سبز، جداسازی و خالص سازی همیشه در تعیین هزینه، عملکرد و کیفیت محصول بسیار مهم بوده است. آبگوشت های تخمیر پیچیده، بسیار چسبناک و حاوی ناخالصی های زیادی هستند. غشاها، سانتریفیوژها، و غشاهای آلی سنتی-و{3}}قاب، اغلب از اشکالاتی مانند رسوب گیری سریع، طول عمر کوتاه، عدم حساسیت به اسیدها و قلیاها و تخریب زیست فعالی رنج می برند.

امروز، غشاهای سرامیکی را مورد بحث قرار خواهیم داد-یک «بازیگر اصلی» که در حال تغییر شکل فرآیندهای جداسازی زیستی است.

غشاهای سرامیکی که غشاهای سرامیکی معدنی نیز نامیده می‌شوند، غشاهای چندلایه نامتقارن هستند که از مواد سرامیکی معدنی مانند Al2O3، ZrO2، TiO2 و SiC از طریق پخت در دمای بالا ساخته می‌شوند. آنها به فناوری جداسازی غشایی دقیق تعلق دارند.

1. ساختار هسته

• لایه پشتیبانی: استحکام بالا و اندازه منافذ بزرگ را فراهم می کند

• لایه میانی: ساختار انتقالی و تثبیت کننده

• لایه جداسازی: دقت را تعیین می کند و الک کردن دقیق در سطح نانو- تا میکرون-را قادر می سازد

2. اصل جدایی

تغذیه با اختلاف فشار، با استفاده از فیلتراسیون متقاطع-جریان: مایع تغذیه به موازات سطح غشاء جریان دارد. مولکول‌های کوچک (آب، نمک، محصولات) از طریق غشا نفوذ می‌کنند، در حالی که مولکول‌های بزرگ، باکتری‌ها، کلوئیدها و جامدات معلق باقی می‌مانند و شفاف‌سازی، عقیم‌سازی، جداسازی و غلظت را به دست می‌آورند.

3. طبقه بندی دقیق

• Microfiltration (MF): >50 نانومتر، باکتری ها، بقایای سلولی و جامدات معلق را حذف می کند

• اولترافیلتراسیون (UF): 2-50 نانومتر، پروتئین ها، آنزیم ها، پلی ساکاریدها و کلوئیدها را حفظ می کند.

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

به طور خلاصه: غشاهای سرامیکی "الک های مولکولی دقیق" ساخته شده از مواد سخت غیر آلی هستند که ثبات، دقت و کارایی را در سیستم های تخمیر پیچیده ارائه می کنند.

در مقایسه با غشاهای آلی و فیلتراسیون سنتی، غشاهای سرامیکی مزایای قابل توجهی در کاربردهای تولید زیستی دارند.

1. **عملکرد فوق العاده:**
• **مقاومت در برابر اسید و قلیایی:** pH 0-14 را پوشش می دهد، تحت تأثیر اسیدهای قوی و تمیز کردن قلیایی قرار نمی گیرد.
• **مقاومت در برابر دمای بالا:** می‌تواند بخار-در-محل (SIP) و تمیز-در-خط (CIP) باشد، مناسب برای محلول‌های خوراک با دمای بالا-.
• **مقاومت حلال آلی:** مقاوم در برابر خوردگی ناشی از الکل ها، کتون ها و استرها در سیستم های تخمیر.
• **استحکام مکانیکی بالا:** بدون تغییر شکل و بدون آسیب تحت فشار بالا باقی می ماند، با طول عمر بسیار بیشتر از غشاهای آلی.

2. **ضد رسوب قوی، شار پایدار و تمیز کردن آسان:**
• **آب دوستی سطح خوب:** از جذب پروتئین ها و پلی ساکاریدها جلوگیری می کند و در نتیجه رسوب کمتری ایجاد می کند.
• **طراحی جریان متقاطع + ساختار صلب غیر آلی:** واپاشی شار آهسته.
• **ظرفیت تمیز کردن عمیق:** می‌تواند با اسیدهای قوی، قلیایی‌ها، و اکسیدان‌ها عمیق-با سرعت بازیابی شار بیشتر یا مساوی 95% تمیز شود.
• **طول عمر:** 10-15 سال، در مقایسه با تنها 1-3 سال برای غشاهای آلی. سال به سال، در دراز مدت پول بیشتری را پس انداز می کند.

3. جداسازی ملایم، حفظ فعالیت بیولوژیکی

• بدون تغییر فاز در دمای اتاق، به مواد حساس به حرارت{0}}مانند آنزیم ها، پروتئین ها، پروبیوتیک ها و آنتی بیوتیک ها آسیب نمی رساند.

• بدون لخته، بدون خاک دیاتومه، بدون آلودگی خارجی، بیشتر مطابق با تولید تمیز.

• برش کم، نرخ بقای سلولی بالاتر و نرخ حفظ فعالیت آنزیم.

4. کربن کم و راندمان بالا، در راستای «کربن دوگانه» (بازده کربن، کاهش کربن، و کاهش انتشار کربن).

• مصرف انرژی به مراتب کمتر از تبخیر و استخراج است.

• فاضلاب کمتر، بازدهی بالا، مواد مصرفی کمتر.

• عملیات مستمر و خودکار، به طور قابل توجهی کاهش هزینه های نیروی کار.

غشاهای سرامیکی عمیقاً در پنج مسیر طلایی اصلی نفوذ کرده‌اند: بیوداروها،{0}}مواد مبتنی بر زیست، انرژی زیستی، محصولات تخمیر حجیم، و مواد غذایی و نوشیدنی‌های تخمیری.

1. بیوداروها: «استاندارد طلایی» برای تصفیه و استریلیزاسیون

داروها بزرگترین حوزه کاربرد غشاهای سرامیکی هستند که حدود 30 درصد را شامل می شود.

• براث تخمیر آنتی بیوتیکی (اریترومایسین، سفالوسپورین، وانکومایسین) استریل و شفاف سازی

• غلظت و خالص سازی پروتئین، آنزیم و پپتید

• فیلتراسیون آسپتیک واکسن ها و آب برای تزریق، مطابق با الزامات GMP

• جایگزین سانتریفیوژ صفحه و قاب، افزایش بازده تا 10% تا 20% و کاهش ناخالصی تا 90%+

2. مواد مبتنی بر زیست-: ابزاری قدرتمند برای تصفیه مونومر سبز

• 1،3-پروپیلن گلیکول: استریلیزاسیون میکروفیلتراسیون + نمک زدایی و رنگ زدایی با نانوفیلتراسیون، بازدهی بیشتر یا مساوی 99%

• پیش سازهای اسید لاکتیک / پلی لاکتیک اسید: غلظت نانوفیلتراسیون و جداسازی، ساده سازی فرآیند

• کتوگلوتارات: ادغام غشایی دو مرحله‌ای، شفاف‌سازی + رنگ‌زدایی در یک مرحله

3. انرژی زیستی: راه حلی جدید برای تصفیه سوخت های تجدیدپذیر

• بیودیزل: جداسازی گلیسرول و تصفیه فاز استر، جایگزین شستشوی سنتی آب، بدون فاضلاب

• اتانول سوختی: جداسازی مداوم در سیستم های تخمیر CO، با ظرفیت بیش از 200000 تن در سال

• بیوبوتانول: جفت تخمیر غشایی، مهار محصول را کاهش می دهد و غلظت و کارایی را بهبود می بخشد.

4. محصولات تخمیر فله: اسیدهای آلی، اسیدهای آمینه، ویتامین ها

• اسیدهای آلی (سوسینیک اسید، اسید سیتریک، اسید گلوتامیک): حذف ناخالصی → شفاف سازی → غلظت → تبلور

• اسیدهای آمینه (لیزین، اسید گلوتامیک): استریل کردن غشای سرامیکی 50 نانومتری و حذف پروتئین، بهبود کارایی رزین

• ویتامین B12/B4: جفت شدن غشایی-تخمیر، حفظ سلولی آنلاین، افزایش قابل توجه عملکرد

5. غذاها و نوشیدنی های تخمیری: حفظ و بهبود کیفیت، کاهش هزینه و افزایش کارایی

• آبجو: جداسازی مخمر، شفاف سازی آبجو جوان، بازیابی آبجو پایین، عقیم سازی سرد، حفظ طعم تازه

• سس سویا/سرکه: استریل در دمای اتاق، بدون سوختن، بدون تیره شدن، طعم خالص تر

• آب میوه/فرآورده های لبنی: شفاف سازی و استریل کردن، افزایش عمر مفید، حفظ تغذیه و طعم

برای تخمیر آبگوشت، انتخاب غشای مناسب بر اساس این 5 نکته بسیار مهم است:

1. هدف را در نظر بگیرید: میکروفیلتراسیون برای حذف باکتری. اولترافیلتراسیون برای حذف پروتئین؛ نانوفیلتراسیون برای غلظت و نمک زدایی

2. مواد را در نظر بگیرید: Al2O3 برای کاربردهای عمومی. ZrO2/SiC برای مواد بسیار خورنده.

3. پیکربندی را در نظر بگیرید: غشاهای لوله‌ای چند کاناله برای محتوای جامد بالا و ویسکوزیته بالا ترجیح داده می‌شوند.

4. شرایط عملیاتی را در نظر بگیرید: غشاهای سرامیکی برای شرایط اسیدی/قلیایی قوی و دماهای بالا ایده آل هستند.

5. هزینه را در نظر بگیرید: سرمایه گذاری اولیه بالاتر، اما طول عمر بیشتر، تمیز کردن کمتر، و بازدهی بالاتر. دوره بازپرداخت 1-3 ساله ارزشمندتر است.

روندهای اصلی در تولید زیستی عبارتند از: سبز، کارآمد، پایدار و کم هزینه-.

غشاهای سرامیکی با مقاومت در برابر دماهای بالا و پایین، اسیدها و قلیاها، مقاومت در برابر رسوب، طول عمر طولانی و دقت بالا، کاملاً برای سیستم های پیچیده آبگوشت های تخمیر مناسب هستند و به سرعت جایگزین غشاهای آلی و فرآیندهای سنتی می شوند و به گزینه اصلی برای جداسازی و خالص سازی بیولوژیکی تبدیل می شوند.