בחירת תהליך ייצור ביולוגי: ממברנות קרמיות|פתרון ליבה לטיהור, עיקור וריכוז תסיסה

במירוץ הייצור הביולוגי הירוק, הפרדה וטיהור תמיד היו מכריעים בקביעת עלות, תשואה ואיכות המוצר. מרק התסיסה מורכב, צמיג מאוד ומכיל זיהומים רבים. ממברנות מסורתיות של פלטות-ו-מסגרות, צנטריפוגות וממברנות אורגניות סובלים לעתים קרובות מחסרונות כגון עכירות מהירה, תוחלת חיים קצרה, חוסר רגישות לחומצות ואלקליות, והדרדרות של פעילות ביולוגית.

היום, נדון בממברנות קרמיות-ב"שחקן ליבה" שמעצב מחדש את תהליכי ההפרדה של ייצור ביולוגי.

ממברנות קרמיות, הנקראות גם ממברנות קרמיות אנאורגניות, הן ממברנות רב שכבתיות א-סימטריות העשויות מחומרים קרמיים אנאורגניים כגון Al2O3, ZrO2, TiO2 ו-SiC באמצעות סינטר-בטמפרטורה גבוהה. הם שייכים לטכנולוגיית הפרדת ממברנות מדויקת.

1. מבנה ליבה

• שכבת תמיכה: מספקת חוזק גבוה וגודל נקבוביות גדול

• שכבת ביניים: מבנה מעבר ומייצב

• שכבת הפרדה: קובעת דיוק, ומאפשרת סינון מדויק ברמת ננו- עד מיקרון-

2. עקרון ההפרדה

מופעל על ידי הפרש לחצים, באמצעות סינון זרימה צולבת-: נוזל ההזנה זורם במקביל על פני הממברנה. מולקולות קטנות (מים, מלח, מוצרים) חודרות דרך הממברנה, בעוד מולקולות גדולות, חיידקים, קולואידים ומוצקים מרחפים נשמרים, ומשיגים בירור, עיקור, הפרדה וריכוז.

3. סיווג מדויק

• Microfiltration (MF): >50nm, מסיר חיידקים, פסולת תאים ומוצקים מרחפים

• סינון אולטרה (UF): 2-50nm, שומר על חלבונים, אנזימים, פוליסכרידים וקולואידים

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

בקיצור: ממברנות קרמיות הן "מסננות מולקולריות מדויקות" העשויות מחומרים קשיחים אנאורגניים, המעניקות יציבות, דיוק ויעילות במערכות תסיסה מורכבות.

בהשוואה לממברנות אורגניות ולסינון מסורתי, ממברנות קרמיות מציעות יתרונות מדהימים ביישומי ייצור ביולוגי.

1. **ביצועים קיצוניים:**
• **עמידות לחומצה ואלקליות:** מכסה pH 0-14, לא מושפע מניקוי חומצה חזקה ואלקלי.
• **התנגדות לטמפרטורה גבוהה:** יכול להיות קיטור-ב-מקום (SIP) ונקי-ב-קו (CIP), מתאים לפתרונות הזנה-בטמפרטורה גבוהה.
• **עמידות לממסים אורגניים:** עמיד בפני קורוזיה מאלכוהול, קטונים ואסטרים במערכות תסיסה.
• **חוזק מכני גבוה:** נשאר לא מעוות ולא פגום בלחץ גבוה, עם תוחלת חיים העולה בהרבה על זה של ממברנות אורגניות.

2. **חומר נגד ציפורניים חזק, שטף יציב וניקוי קל:**
• **הידרופיליות טובה של פני השטח:** מונעת ספיחה של חלבונים ופוליסכרידים, וכתוצאה מכך פחות עכירות.
• **עיצוב זרימה צולבת- + מבנה קשיח אנאורגני:** דעיכה איטית של השטף.
• **יכולת ניקוי עמוק:** ניתן לניקוי עמוק-עם חומצות חזקות, אלקליות וחומרי חמצון, עם קצב התאוששות שטף גדול או שווה ל-95%.
• **תוחלת חיים:** 10–15 שנים, לעומת 1–3 שנים בלבד לממברנות אורגניות. שנה אחר שנה, זה חוסך יותר כסף בטווח הארוך.

3. הפרדה עדינה, שמירה על פעילות ביולוגית

• אין שינוי פאזה בטמפרטורת החדר, אינו פוגע בחומרים רגישים-לחום כגון אנזימים, חלבונים, פרוביוטיקה ואנטיביוטיקה.

• ללא פלוקולנטים, ללא אדמה דיאטומית, ללא זיהום חיצוני, יותר בקנה אחד עם ייצור נקי.

• גזירה נמוכה, שיעור הישרדות תאים גבוה יותר ושיעור שימור פעילות האנזים.

4. פחמן נמוך ויעילות גבוהה, בהתאם ל"פחמן כפול" (יעילות פחמן, הפחתת פחמן והפחתת פליטת פחמן).

• צריכת האנרגיה נמוכה בהרבה מאידוי והפקה.

• פחות שפכים, תפוקה גבוהה, פחות חומרים מתכלים.

• פעולה רציפה ואוטומטית, הוזלה משמעותית בעלויות העבודה.

ממברנות קרמיות חדרו עמוק לחמישה מסלולי זהב עיקריים: ביו-פרמצבטיקה, חומרים מבוססי ביו-, ביו-אנרגיה, מוצרי תסיסה בתפזורת ומזון ומשקאות מותססים.

1. ביו-פרמצבטיקה: "תקן הזהב" לטיהור ועיקור

תרופות הן אזור היישום הגדול ביותר עבור ממברנות קרמיות, המהווים כמעט 30%.

• מרק תסיסה אנטיביוטי (אריתרומיצין, צפלוספורינים, ונקומיצין) עיקור והבהרה

• ריכוז וטיהור חלבונים, אנזים ופפטידים

• סינון אספטי של חיסונים ומים להזרקה, עומד בדרישות GMP

• מחליף צנטריפוגה של צלחת ומסגרת, מגדיל את התפוקה ב-10%-20% ומפחית זיהומים ב-90%+

2. חומרים מבוססי-ביו: כלי רב עוצמה לטיהור מונומר ירוק

• 1,3-פרופילן גליקול: עיקור מיקרופילטרציה + התפלה והפחתת צבע ננופילטרציה, תפוקה גדולה או שווה ל-99%

• מבשרי חומצה לקטית/פולילקטית: ריכוז והפרדה של ננופילטרציה, מפשטים את התהליך

• קטוגלוטראט: שילוב-דו שלבי ממברנה, הבהרה + דה-צבע בשלב אחד

3. ביו-אנרגיה: פתרון חדש לטיהור דלק מתחדש

• ביודיזל: הפרדת גליצרול וטיהור שלב האסטר, מחליף שטיפת מים מסורתית, ללא שפכים

• אתנול דלק: הפרדה רציפה במערכות תסיסת CO, עם קיבולת העולה על 200,000 טון לשנה

• ביובוטנול: ממברנה- צימוד תסיסה מקל על עיכוב המוצר ומשפר את הריכוז והיעילות.

4. מוצרי תסיסה בתפזורת: חומצות אורגניות, חומצות אמינו, ויטמינים

• חומצות אורגניות (חומצה סוצינית, חומצת לימון, חומצה גלוטמית): הסרת טומאה ← הבהרה ← ריכוז ← התגבשות

• חומצות אמינו (ליזין, חומצה גלוטמית): עיקור קרום קרמי 50nm והסרת חלבון, שיפור יעילות השרף

• ויטמין B12/B4: צימוד-תסיסה של ממברנה, שימור תאים מקוון, הגדלת תשואה משמעותית

5. מזונות ומשקאות מותססים: שימור ושיפור איכות, הפחתת עלויות והגדלת יעילות

• בירה: הפרדת תולע, בירור בירה צעירה, שחזור בירה תחתית, עיקור קר, שימור טעם טרי

• רוטב סויה/חומץ: עיקור בטמפרטורת החדר, ללא שריפה, ללא כהה, טעם טהור יותר

• מיץ פירות/מוצרי חלב: בירור ועיקור, הארכת חיי מדף, שימור תזונה וטעם

עבור מרק תסיסה, בחירת הממברנה הנכונה על סמך 5 הנקודות הללו היא קריטית:

1. שקול את המטרה: מיקרו סינון להסרת חיידקים; אולטרה סינון להסרת חלבון; סינון ננו לריכוז והתפלה.

2. שקול את החומר: Al₂O₃ ליישומים כלליים; ZrO₂/SiC לחומרים קורוזיביים במיוחד.

3. שקול את התצורה: ממברנות צינוריות רב--תעלות מועדפות עבור תכולת מוצקים גבוהה וצמיגות גבוהה.

4. קחו בחשבון את תנאי ההפעלה: ממברנות קרמיות אידיאליות לתנאי חומצה/אלקליים חזקים וטמפרטורות גבוהות.

5. קחו בחשבון את העלות: השקעה ראשונית גבוהה יותר, אך תוחלת חיים ארוכה יותר, פחות ניקיון ותשואה גבוהה יותר; תקופת החזר של 1-3 שנים כדאית יותר.

מגמות הליבה בייצור ביולוגי הן: ירוק, יעיל, יציב ובעלות-נמוכה.

עם עמידותו לטמפרטורות גבוהות ונמוכות, חומצות ואלקליות, עמידות בפני עכירות, תוחלת חיים ארוכה ודיוק גבוה, ממברנות קרמיות מתאימות באופן מושלם למערכות המורכבות של מרקי תסיסה ומחליפות במהירות ממברנות אורגניות ותהליכים מסורתיים, והופכות לבחירה המרכזית להפרדה וטיהור ביולוגיים.