膜分離技術(shù)具有設(shè)備簡單、操作方便、處理效率高和節(jié)省能量等優(yōu)點，適合于熱敏物料、無相變和無化學(xué)變化的分離過程，已成為一種新型的分離單元操作。膜分離技術(shù)在電子工業(yè)、食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、環(huán)境保護(hù)和發(fā)酵工業(yè)等領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用。在發(fā)酵工業(yè)中，常被用于分離、濃縮、分級與純化發(fā)酵產(chǎn)品、連續(xù)發(fā)酵和發(fā)酵廢水處理等。
1、澄清除菌
對于胞外產(chǎn)物發(fā)酵液，通常是先去除懸浮液的微生物、粒子與膠體；而對于胞內(nèi)產(chǎn)物，則要進(jìn)行細(xì)胞收集。目前，較好的細(xì)胞收集方法是過濾法或離心法。從經(jīng)濟(jì)性考慮，工業(yè)規(guī)模的方法應(yīng)是連續(xù)過程，但該法存在連續(xù)離心設(shè)備昂貴，操作和維修費用高，生產(chǎn)速度受粒徑、粒子與懸浮液密度差、液體黏度及離心力大小所制約，且需冷卻系統(tǒng)進(jìn)行降溫等缺點。轉(zhuǎn)鼓真空過濾也是連續(xù)分離微生物的一個方法，其主要問題在于固體顆粒物聚集而使濾速急劇下降，采用助濾劑雖能提高分離速率，但增大了費用。
近年來，錯流過濾逐漸受到人們的重視，其實質(zhì)與超濾操作相似。其優(yōu)點：（1）對大小不同的細(xì)胞可較靈活地選用孔徑不同的膜；（2）透水量不依賴于細(xì)胞與懸浮介質(zhì)間的密度差；（3）不需要任何助劑，有利于下一步純化；（4）選擇合適的膜可使細(xì)胞在膜表面的沉積量降低到最小，有長時間的高透水量；（5）與離心法相比可減少空氣中病原體的污染；（6）回收率高；（7）處理能力可通過增大膜表面積來提高。隨著膜技術(shù)的發(fā)展，錯流過濾或超濾收集細(xì)胞將會替代離心和轉(zhuǎn)鼓真空過濾。
1.1 醬油和醋的超濾澄清
自古以來，醬油和醋就在人們?nèi)粘Ｉ钪姓紦?jù)著重要的位置。傳統(tǒng)的澄清技術(shù)往往達(dá)不到國家規(guī)定的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，而且濁度高，存放過程中會有大量的沉淀產(chǎn)生。采用超濾技術(shù)處理醬油、醋，能除去其中的大分子物質(zhì)和懸浮物，達(dá)到澄清的目的，同時保持風(fēng)味不變，衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)也符合要求。
日本于20世紀(jì)80年代就在液態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)醋中應(yīng)用了超濾技術(shù)。20世紀(jì)90年代，我國一些企業(yè)嘗試將中空纖維超濾用于醋的生產(chǎn)，由于固態(tài)發(fā)酵醋固形物含量高，預(yù)處理工藝不合理，超濾器易被污染或堵塞，清洗恢復(fù)較難，影響了該技術(shù)的推廣。北京食品研究所在國家“八五”攻關(guān)項目中，從預(yù)處理和膜清洗2個關(guān)鍵環(huán)節(jié)入手，得到了較理想的結(jié)果，超濾總酸保持率＞99%，濁度（NTU）從700降至0.2，菌落總數(shù)從9600個/mL降至10個/mL，經(jīng)過清洗，膜通量可完全恢復(fù)[3。目前北京龍門和田寬等企業(yè)在生產(chǎn)中應(yīng)用了該技術(shù)。
醬油的固形物含量和黏度都較高，做好預(yù)處理十分重要。通常先將醬油在60℃保持40min，再用3μm~5μm微濾過濾，然后在45℃~50℃超濾。1997年由中科院生態(tài)環(huán)境中心設(shè)計生產(chǎn)的國內(nèi)最大的醬油超濾裝置在佛山海天調(diào)味食品公司運(yùn)行，處理醬油8t/h；上海原子核所的卷式超濾設(shè)備也在杭州釀造總廠得到工業(yè)化應(yīng)用。
1.2 酒精飲料的澄清
在白酒的生產(chǎn)中，我國20世紀(jì)80年代就有應(yīng)用超濾澄清低度白酒的報道[5]。新疆伊犁釀酒總廠、山東坊子酒廠等利用了該技術(shù)后經(jīng)濟(jì)效果顯著。啤酒應(yīng)用方面主要是采用微濾去除酵母菌和雜菌生產(chǎn)生啤酒，因為無需加熱，所以保持了鮮啤酒的風(fēng)味、酒花的香味，提高了啤酒的透明度（一般為0.5個EBC單位以下），細(xì)菌去除率接近100%，保質(zhì)期可延長20d以上[6]。國家海洋局杭州水處理中心開發(fā)了耐強(qiáng)堿膜元件用于生啤加工，膜元件可根據(jù)處理量任意組合，價格只有進(jìn)口產(chǎn)品的50%。此外還有報道利用不銹鋼膜的疏水性分離漿料中的油脂，可使脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)降為0.05%以下，有利于酒的發(fā)酵。在果酒生產(chǎn)的應(yīng)用，Sartorius（德）公司1986年最早應(yīng)用超濾澄清葡萄酒，目前僅在法國就有200套該公司的膜系統(tǒng)在運(yùn)行。我國的杭州酒廠（1999年）采用超濾用于梅酒生產(chǎn)。此外應(yīng)用反滲透和納濾濃縮葡萄汁有利于酒的發(fā)酵，而且口味更加醇厚芳香。納濾可使部分有機(jī)酸透過，口味更加柔和，目前國內(nèi)還未有這方面的應(yīng)用。膜技術(shù)在我國傳統(tǒng)黃酒和米酒的應(yīng)用也有一些進(jìn)展，浙江烏鎮(zhèn)酒廠采用超濾處理黃酒，提高了酒的澄清度，延長了貨架期；吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)采用超濾進(jìn)行甜糯玉米酒的澄清。
2、產(chǎn)物濃縮
發(fā)酵液中發(fā)酵產(chǎn)品通常含量比較低，所以必須對其進(jìn)行分離提純或者濃縮處理。
2.1 酶制劑的濃縮
傳統(tǒng)蒸發(fā)濃縮能耗高，熱相變過程生物酶易褐變、失活，超濾則能很好地解決這些問題，目前已在淀粉酶、糖化酶、蛋白酶等酶制劑的生產(chǎn)中得到應(yīng)用[7]。如使用板框式膜組件進(jìn)行發(fā)酵液中真菌蛋白酶濃縮，經(jīng)20h循環(huán)操作，可使300L料液濃縮至10L，酶的回收率為96%[8]。上海工業(yè)微生物研究所應(yīng)用超濾實現(xiàn)了食品級酸性蛋白酶的生產(chǎn)。中科院微生物所在年產(chǎn)100t β-甘露聚糖酶的項目中，采用超濾使產(chǎn)品收率超過70%。
2.2 其他一些發(fā)酵產(chǎn)品和食品的分離濃縮
膜分離濃縮還廣泛應(yīng)用于果汁飲料、酒類、糖類黃原膠、果膠等發(fā)酵產(chǎn)品及食品生產(chǎn)過程中。如常溫條件下采用超濾代替酶解法可同時實現(xiàn)對果汁和果膠的分離與提純。經(jīng)超濾后果汁的總糖、總酸、色素和果膠的分離率分別為98.1%、97.0%、98.0%、99.0%，果膠最終濃縮至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，果汁加工時間可縮短至2h~4h[3]。納濾應(yīng)用于低聚果糖，一次純化達(dá)到80%，二次純化超過95%，收率比傳統(tǒng)工藝高5%~8%，并可回收果糖和葡萄糖，得到75%的果葡糖漿，每生產(chǎn)1t產(chǎn)品可回收0.8t糖漿。北京食品研究所采用超濾對黃原膠進(jìn)行了濃縮，將其由3%濃縮至6%，部分蛋白和色素得到脫除，乙醇的使用量減少50%。
3、分級與純化
發(fā)酵產(chǎn)物是組成較為復(fù)雜的混合物，必須進(jìn)行分離提純。傳統(tǒng)的生物化工產(chǎn)品如氨基酸、抗生素、乳酸及低聚糖等的提取與精制，通常采用離心、沉淀、吸附、萃取、離子交換和色譜等方法，因此存在工藝過程復(fù)雜、操作時間長、原料消耗大、能量消耗高、產(chǎn)品回收率低、廢水污染嚴(yán)重等問題，且產(chǎn)品在漫長的提取過程中可能會發(fā)生變形失活。而膜分離技術(shù)具有設(shè)備簡單、常溫操作、無相變及化學(xué)變化、選擇性高及能耗低等優(yōu)點，特別適用于熱敏性生物化工產(chǎn)品的分離純化。
為盡可能避免膜的堵塞或污染，根據(jù)分子大小逐步分離是有利的。在這方面，常用的膜分離操作是以壓差為推動力的液相膜分離（微濾、超濾、納濾和反滲透）操作。超濾常用于分離大分子有機(jī)化合物，但由于超濾膜切割分子量敏銳性較差，且存在濃差極化和“凝膠層”對膜截留分子量的影響，因而采用超濾膜進(jìn)行生物發(fā)酵液初分級時需慎重選擇膜的截留分子量與生物產(chǎn)品分子量之間的差距。一般分級原則是在足夠稀的濃度下，分子量相差應(yīng)在10倍以上。選擇耐污染膜和切割分子量較敏銳的膜，同時采用合適的操作條件，則可分級分子量差別較小的2種蛋白質(zhì)[10]。物化工產(chǎn)品的分離純化。
采用聚偏氟乙烯中空纖維微濾膜，考察了雙向流膜分離工藝用于維生素B2的提取效果，結(jié)果表明，與原離心過濾工藝相比，雙向流膜過濾技術(shù)在過濾精度方面具有明顯的優(yōu)越性，膜的過濾速率穩(wěn)定，污染后容易清洗，且膜水通量的恢復(fù)率可達(dá)100%[11]。采用膜法處理青霉素發(fā)酵液，可以大大提高濾液質(zhì)量，提高青霉素生產(chǎn)收率2.31%，同時可以降低后續(xù)工段的生產(chǎn)負(fù)荷，降低廢水中的有機(jī)物含量，節(jié)能降耗，減少環(huán)保費用，有利于清潔生產(chǎn)[12]。李冬敏等[13]采用中空纖維膜反應(yīng)器應(yīng)用于氣爆秸稈酶解耦合丙酮丁醇發(fā)酵中，構(gòu)建了膜循環(huán)酶解耦合丙酮丁醇發(fā)酵的裝置，發(fā)酵周期延長1倍以上，并有效解除了纖維素酶解產(chǎn)物對酶的反饋抑制，纖維素酶能夠循環(huán)利用，減少了酶的用量，降低了成本。消耗單位纖維素酶酶活所產(chǎn)生的丁醇的量為0.0039g/IU，是2段式發(fā)酵的1.5倍。最大丁醇產(chǎn)率為0.31g/（L•h），是2段式發(fā)酵的1.2倍。凱能高科技工程公司采用納濾得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞95%的IMO900產(chǎn)品，單糖含量＜2%，收率＞97%，與傳統(tǒng)工藝相比，口味得到改善，減少了廢水排放，每生產(chǎn)1 t產(chǎn)品可回收300kg葡萄糖，80%的水可回用，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。
4、酶催化合成
在酶催化生物合成過程中，膜技術(shù)的應(yīng)用主要有2個方面：一是使用膜作為選擇性分離介質(zhì)，將游離態(tài)酶/細(xì)胞酶系限制在反應(yīng)器內(nèi)，實現(xiàn)酶催化與膜分離的耦合；二是通過固定化手段將活性酶或細(xì)胞酶系結(jié)合在膜表面，實現(xiàn)生物轉(zhuǎn)化與膜分離的偶聯(lián)[14]。通過吸附、包埋和交聯(lián)等方法，可以將酶或細(xì)胞酶系固定在膜上，得到反應(yīng)與分離相偶聯(lián)的酶膜。
如果采用納濾等膜分離裝置與蛋白水解過程進(jìn)行耦合，則可以對蛋白質(zhì)水解物的分子量大小進(jìn)行更好地控制[17]。譚天偉等[18]將脂肪酶用聚乙烯和殼聚糖共混制膜的方法，制成了固定有脂肪酶的復(fù)合酶膜，用于脂肪水解，實現(xiàn)了反應(yīng)和分離同時進(jìn)行，解決了酶法脂肪水解時由于乳化而出現(xiàn)分離困難的問題。GIORNO L等[19]發(fā)現(xiàn)脂肪酶被固定化到高分子膜后，酶的催化活性和選擇性有所提高，并且酶的穩(wěn)定性也較游離態(tài)的好。目前，固定化生物催化劑的膜生物反應(yīng)器應(yīng)用成功的例子是6-氨基青霉烷酸生產(chǎn)[20]，青霉素酰化酶被戊二醛交聯(lián)，然后再固定在中空纖維超濾膜上，構(gòu)成一個酶膜反應(yīng)器。
5、連續(xù)發(fā)酵
目前的發(fā)酵生產(chǎn)大多采用間歇式，由于發(fā)酵過程供給底物有限，耗用大量營養(yǎng)物培養(yǎng)出來的生物活性物質(zhì)的使用壽命受到了限制。對于產(chǎn)物抑制的發(fā)酵過程，隨著發(fā)酵液中目的物濃度的提高，直接影響轉(zhuǎn)化速率和產(chǎn)率，將膜分離與生物反應(yīng)器相結(jié)合組成的膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)，可以將產(chǎn)物或副產(chǎn)物從反應(yīng)區(qū)連續(xù)地分離出來，打破反應(yīng)的平衡，從而大大提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化速度，實現(xiàn)連續(xù)式生產(chǎn)，具有過程能耗低、效率高，設(shè)計、操作簡單等特點。
在循環(huán)發(fā)酵過程中，膜將細(xì)胞截留而讓發(fā)酵產(chǎn)品透過，濃縮后的細(xì)胞回到發(fā)酵罐中循環(huán)使用，滲透液輸出回收產(chǎn)品。由于連續(xù)抽出產(chǎn)品和供給培養(yǎng)液，提高了發(fā)酵產(chǎn)率，還可以使某些不穩(wěn)定的生物產(chǎn)品（如蛋白）生成后立即從發(fā)酵液中抽出，避免受到進(jìn)一步的降解。由于是以膜為屏障將酶（細(xì)胞）保持在反應(yīng)器中，因此這類生化反應(yīng)器也被稱為廣義的固定化細(xì)胞（酶）反應(yīng)器[23]。膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用是對固定化細(xì)胞和固定化生物催化劑的充分利用，也使酶工程的完善更進(jìn)一步。
6、發(fā)酵廢水處理
膜分離技術(shù)在發(fā)酵廢水處理方面的應(yīng)用主要是廢水中有價值物質(zhì)的回收和廢水的生物凈化回用。
通常發(fā)酵廢水中含有許多有回收價值的物質(zhì)，直接排放既浪費資源又危害環(huán)境，膜技術(shù)可根據(jù)回收對象、廢水排放及回用水的等級不同，分別選用或配合使用不同膜過程，回收這些物質(zhì)，并使大部分處理水回用。除了微濾、超濾、反滲透、電滲析的過程外，滲透氣化的其他膜技術(shù)也將在21世紀(jì)的環(huán)境工程中發(fā)揮極其重要的作用。鈴蘭味精集團(tuán)年產(chǎn)味精1.2萬t，排放高濃度廢水66萬t，1998年投資1450萬元，采用膜技術(shù)等工藝日處理污水3000t，使排放水符合國家標(biāo)準(zhǔn)。凱能高科技工程公司采用0.1μm不銹鋼膜系統(tǒng)回收發(fā)酵液的菌絲做高蛋白（含70%）飼料，對于年產(chǎn)萬噸賴氨酸的企業(yè)，菌絲回收每年可新增產(chǎn)值600萬元[30]。山東萬德福植物蛋白公司投資1100萬美元，利用膜技術(shù)從乳清中提取低聚糖。山東金鑼大豆蛋白廠采用電滲析脫鹽，超濾回收蛋白，反滲透濃縮低聚糖的工藝，投資5000萬元建成日產(chǎn)10t大豆低聚糖生產(chǎn)線，日處理乳清廢1000m3，其中95%以上的水可以回用。
7、展望
資源和環(huán)境是目前人們最關(guān)心的話題?，F(xiàn)代工業(yè)迫切需要節(jié)能、資源再生和循環(huán)利用。膜分離作為一種新型的分離單元操作過程，在技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)省能源及污染防治方面日益顯示出其強(qiáng)大的生命力和競爭能力。在發(fā)酵工業(yè)中，膜技術(shù)除了在下游工程中不斷發(fā)揮新的作用外，生物膜和膜反應(yīng)器在生物反應(yīng)中也得到了很好的應(yīng)用。但膜的發(fā)展受到了幾個方面的制約：一是膜產(chǎn)品的價格；二是膜污染；三是膜分離性能的提高。相信隨著新材料、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，膜技術(shù)在化學(xué)和生物工程中的應(yīng)用將顯示出令人矚目的前景。