齊本坤，陳向榮，蘇儀，沈飛，羅建泉，萬印華

中國科學(xué)院過程工程研究所，生化工程國家重點實驗室，北京 100190

膜技術(shù)在綠色生物制造中的應(yīng)用

齊本坤，陳向榮，蘇儀，沈飛，羅建泉，萬印華

中國科學(xué)院過程工程研究所，生化工程國家重點實驗室，北京 100190

生物制造是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點領(lǐng)域，但生物制造過程中普遍存在著產(chǎn)物抑制、產(chǎn)物濃度低且成分復(fù)雜、廢水排放量大等問題。膜分離技術(shù)應(yīng)用于生物制造過程，可有效解決生物制造過程中所面臨的上述問題。重點介紹了筆者研究團隊將膜技術(shù)應(yīng)用于綠色生物制造領(lǐng)域所取得的研究進展，包括高性能滲透汽化優(yōu)先透醇分離膜的研制與規(guī)?；苽浼夹g(shù)，高效旋轉(zhuǎn)膜生物反應(yīng)器的研制，分別實現(xiàn)了乙醇/丁醇發(fā)酵-滲透汽化分離耦合和乳酸發(fā)酵-旋轉(zhuǎn)膜分離耦合，有效降低了產(chǎn)物抑制，大幅提高了發(fā)酵效率；開發(fā)了周期性換向-脈沖沖刷膜污染控制技術(shù)，成功應(yīng)用于醬油等調(diào)味品的傳統(tǒng)發(fā)酵行業(yè)，顯著提高了產(chǎn)品品質(zhì)，大幅降低了能耗和水耗。以上成果充分顯示膜分離技術(shù)在綠色生物制造中有著廣闊的應(yīng)用前景。

生物制造；膜分離；發(fā)酵-分離耦合；醬油精制

生物制造是利用細胞（微生物、動植物細胞）或酶以可再生的生物質(zhì)為原料生產(chǎn)生物能源、生物材料、大宗化學(xué)品和精細化學(xué)品等重大或重要產(chǎn)品的技術(shù)，具有高效、綠色、低碳、可持續(xù)等特征[1-2]。生物制造是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點領(lǐng)域。但是在生物制造過程中，還存在著一些亟需解決的問題[3]。①大多數(shù)生物催化過程是間歇催化，導(dǎo)致無法機械化和自動化，人工成本高，產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定。②生物產(chǎn)品成分復(fù)雜，目標(biāo)產(chǎn)物分離純化困難。③生物催化過程存在嚴(yán)重的產(chǎn)物反饋抑制，導(dǎo)致催化效率低，表現(xiàn)為原料利用率低和產(chǎn)物產(chǎn)量低。④有些生物制造過程產(chǎn)生的廢水量大、能耗高，節(jié)能減排壓力大。

膜分離技術(shù)應(yīng)用于生物制造過程，可有效解決生物制造過程中面臨的上述問題。如生物催化-膜分離耦合不但可以降低產(chǎn)物反饋抑制，提高催化效率，而且還能實現(xiàn)細胞或酶的循環(huán)利用，實現(xiàn)連續(xù)操作；高性能的膜產(chǎn)品能實現(xiàn)發(fā)酵目標(biāo)產(chǎn)物的分離和濃縮；膜分離技術(shù)還可對生物制造過程產(chǎn)生的廢水進行處理，實現(xiàn)水的回用，達到節(jié)能減排的目的。

多年來，筆者研究團隊在高效生物分離膜制備、膜過程強化與污染控制、新型高效膜分離裝備研制和膜技術(shù)的集成與應(yīng)用方面開展了較為系統(tǒng)的研究工作，下面重點介紹研究團隊將膜分離技術(shù)應(yīng)用于綠色生物制造領(lǐng)域所取得的一些重要進展。

1 膜技術(shù)在乙醇、丁醇和乳酸發(fā)酵中的應(yīng)用

有機醇和有機酸發(fā)酵工業(yè)是生物制造領(lǐng)域中一個重要且較為成熟的分支，以微生物發(fā)酵法生產(chǎn)且達到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的有機醇和有機酸產(chǎn)品已達10多種。在有機醇和有機酸的工業(yè)發(fā)酵過程中，產(chǎn)物有機醇和有機酸對發(fā)酵菌種的生長和代謝有著明顯的抑制作用，導(dǎo)致產(chǎn)物發(fā)酵產(chǎn)率降低[4]。發(fā)酵-分離耦合技術(shù)是在發(fā)酵過程中將發(fā)酵產(chǎn)物從發(fā)酵液中原位快速移除的技術(shù)，本質(zhì)上是發(fā)酵和分離兩個過程的原位耦合實現(xiàn)過程強化，能在發(fā)酵的同時移除產(chǎn)物，從而減輕或降低發(fā)酵產(chǎn)物對發(fā)酵微生物的抑制，提高發(fā)酵效率[5-6]。在有機醇和有機酸發(fā)酵過程中采用的發(fā)酵-分離耦合技術(shù)包括發(fā)酵-溶劑萃取分離耦合（以油酸、叔胺等為萃取劑）、發(fā)酵-吸附分離耦合（以離子交換樹脂、活性炭等為吸附分離介質(zhì)）、發(fā)酵-膜分離耦合（以微濾、超濾、滲透汽化等分離膜為分離介質(zhì)）等[7]。有機醇中的乙醇和丁醇發(fā)酵是研究揮發(fā)性有機物發(fā)酵與分離耦合的樣板體系，而有機酸中的乳酸發(fā)酵則是研究非揮發(fā)性產(chǎn)物發(fā)酵與分離耦合的樣板體系。

1.1 發(fā)酵-滲透汽化膜分離耦合生產(chǎn)乙醇和丁醇

生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)生物燃料乙醇和丁醇已成為世界各國的研究熱點，但是由于發(fā)酵產(chǎn)物乙醇和丁醇對微生物的毒性作用[8]，造成生物乙醇發(fā)酵中，乙醇濃度僅約10%[9]，生物丁醇發(fā)酵中，丁醇濃度僅為1%左右[10]。由于乙醇和丁醇產(chǎn)物濃度低，造成后續(xù)蒸餾過程的能耗偏高，成為影響乙醇和丁醇經(jīng)濟性的重要因素。將發(fā)酵與汽提、吸附、萃取和滲透汽化等分離方法耦合，不但能移除乙醇或丁醇，降低產(chǎn)物抑制，還能實現(xiàn)乙醇或丁醇的濃縮，降低后續(xù)蒸餾成本，一舉兩得[11]。同時，由于滲透汽化法具有能耗低、分離效率高、對微生物無毒害等優(yōu)點，成為構(gòu)造乙醇/丁醇發(fā)酵-分離耦合系統(tǒng)中重要的分離技術(shù)。

1.1.1 滲透汽化優(yōu)先透有機物膜的研發(fā)與規(guī)模化制備

滲透汽化優(yōu)先透有機物膜在生物乙醇、丁醇以及揮發(fā)性有機物（VOCs）的去除和回收中有著廣闊的應(yīng)用前景[12]。制備高性能、抗污染的滲透汽化膜是進行耦合發(fā)酵的前提和基礎(chǔ)。市售的滲透汽化膜產(chǎn)品多由歐美發(fā)達國家生產(chǎn)，品種少，價格昂貴，這類膜產(chǎn)品主要是有機高分子膜，對壓力、溫度和有機溶劑的穩(wěn)定性差；無機膜材料能克服上述缺點，但成本高，大規(guī)模制備困難。有機-無機雜化膜材料集有機膜材料和無機膜材料兩者的優(yōu)點為一體，性能優(yōu)異，是制備滲透汽化優(yōu)先透有機物膜的不二之選。

圍繞有機-無機雜化滲透汽化優(yōu)先透有機物膜的研制，筆者研究團隊[13-15]通過對有機硅材料和無機納米材料的分子設(shè)計和表面改性，在有機材料和無機材料之間引入穩(wěn)定的共價連接，實現(xiàn)有機、無機材料的化學(xué)鍵合，解決了有機材料和無機材料相容性差的技術(shù)難題，提高了無機材料在有機相中的填充量和均勻分散程度，從而減少了制膜缺陷，獲得通量、選擇性和耐溶劑性俱佳且穩(wěn)定性好的滲透汽化優(yōu)先透有機物膜；并自行設(shè)計研發(fā)了寬幅500mm 的制膜設(shè)備，實現(xiàn)了滲透汽化優(yōu)先透有機物膜的放大制備（圖1）。制備的均質(zhì)膜在50℃條件下對5%的乙醇水溶液的分離因子為26～32，通量為160～220g/（m2·h）；對1%的丁醇水溶液的分離因子為143，通量為220g/（m2·h）。制備的復(fù)合膜在50℃條件下對5%的乙醇水溶液的通量大于1000g/（m2·h）；在70℃條件下，對1% 的丁醇水溶液的分離因子達70，通量超過1300g/（m2·h）。

1.1.2 發(fā)酵-滲透汽化耦合生產(chǎn)乙醇和丁醇

筆者研究團隊在成功研制出高性能滲透汽化優(yōu)先透有機物膜的基礎(chǔ)上，進一步將其應(yīng)用于燃料乙醇和丁醇的發(fā)酵-分離耦合生產(chǎn)研究中，設(shè)計構(gòu)建了中試規(guī)模的發(fā)酵-滲透汽化耦合裝置（圖2），開展了乙醇/丁醇發(fā)酵-滲透汽化耦合工藝的中試放大試驗。研究結(jié)果表明，乙醇/丁醇發(fā)酵-滲透汽化耦合過程大幅降低了乙醇/丁醇對發(fā)酵微生物的反饋抑制，提高了乙醇/丁醇產(chǎn)量和原料轉(zhuǎn)化率，簡化了提取過程，縮短了生產(chǎn)周期。與間歇發(fā)酵相比，耦合發(fā)酵的乙醇體積產(chǎn)率從2.31g/（L·h）提高到4.82g/（L·h），提高了1倍以上，并可在線獲得568g/L的乙醇濃縮液[16]。以木薯為發(fā)酵底物進行了304h的丁醇連續(xù)發(fā)酵實驗，與常規(guī)的分批發(fā)酵相比，底物消耗速率、總產(chǎn)率和總轉(zhuǎn)化率分別提高了58%、81% 和15%，滲透液中丁醇濃度高達122.4g/L，經(jīng)相分離后，有機相中丁醇濃度可達501.1g/L[17]。據(jù)初步估算，利用連續(xù)發(fā)酵-滲透汽化集成技術(shù)生產(chǎn)ABE（丙酮-丁醇-乙醇），能夠降低生產(chǎn)成本12%，降低能耗70%。

圖1 幅寬500mm規(guī)?；ぶ圃煸O(shè)備和膜產(chǎn)品

1.2 發(fā)酵-膜分離耦合生產(chǎn)乳酸

乳酸是一種重要的有機酸，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域。在乳酸發(fā)酵-膜分離耦合過程中，膜分離不但能連續(xù)移除乳酸，而且還能截留細胞和培養(yǎng)基中的大部分蛋白質(zhì)等營養(yǎng)組分，實現(xiàn)細胞高密度培養(yǎng)和培養(yǎng)基的充分利用，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢[18]。但是發(fā)酵-膜分離耦合也存在一個很突出的缺陷即膜污染，造成耦合過程中膜通量下降迅速，嚴(yán)重阻礙發(fā)酵-膜分離耦合的工業(yè)化應(yīng)用。

動態(tài)旋轉(zhuǎn)膜通過膜自身旋轉(zhuǎn)獲得的膜面剪切力強化膜面湍流程度，從而達到有效降低膜污染、提高膜分離效率的目的。一方面能有效降低系統(tǒng)運行對料液循環(huán)流量的依賴，同時獲得強化的膜面湍流程度，另一方面可將跨膜驅(qū)動力與循環(huán)流量解耦合，提高過程的可操控性，特別適用于高黏度物料的分離與濃縮。目前，筆者研究團隊設(shè)計并研制了單軸、雙軸、多軸交叉等多種型式與規(guī)模的旋轉(zhuǎn)膜分離裝置以及動態(tài)旋轉(zhuǎn)膜生物反應(yīng)器。開發(fā)的10L規(guī)模全自動衛(wèi)生級旋轉(zhuǎn)膜生物反應(yīng)器（圖3）成功應(yīng)用于實驗室規(guī)模的乳酸發(fā)酵生產(chǎn)，乳酸發(fā)酵強度高達1.3g/（L·h），是間歇發(fā)酵平均強度的近10倍；與常規(guī)錯流式的膜分離耦合技術(shù)相比，乳酸發(fā)酵強度提高了1.5～4.0倍[19]。這為膜生物反應(yīng)器在乳酸生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)和裝備保證，同時相關(guān)技術(shù)也為其他發(fā)酵產(chǎn)品的高效率生產(chǎn)提供了借鑒。

圖2 中試規(guī)模的發(fā)酵-滲透汽化膜分離耦合裝置

圖3 10L規(guī)模全自動衛(wèi)生級旋轉(zhuǎn)膜生物反應(yīng)器

2 膜技術(shù)提升傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平

膜分離技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生物產(chǎn)品的分離過程，特別是固液分離、發(fā)酵液澄清等。然而，由于發(fā)酵液成分復(fù)雜，有效控制膜污染是提高膜過程經(jīng)濟性、實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。以我國傳統(tǒng)發(fā)酵食品醬油為例，利用超濾技術(shù)能實現(xiàn)醬油除菌除濁同步完成，無需熱力殺菌，并能保存醬油的風(fēng)味，具有獨特的優(yōu)勢。但在工業(yè)化應(yīng)用過程中，受自動化程度低、運行成本高、膜污染嚴(yán)重等因素的制約，醬油超濾這一先進工藝并未在我國醬油生產(chǎn)企業(yè)中體現(xiàn)出明顯的成本優(yōu)勢。筆者研究團隊與廣東省佛山市海天調(diào)味食品股份有限公司（簡稱海天公司）合作，圍繞提高過程效率、降低過程成本的目標(biāo)，提出采用高效膜技術(shù)對醬油產(chǎn)品精制提質(zhì)，解決了醬油超濾過程中膜污染嚴(yán)重、過濾效率低、膜使用壽命短、能耗高等難題，極大地提高了我國醬油產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益和國際競爭力。

2.1 膜污染控制技術(shù)——周期性換向-脈沖沖刷技術(shù)

醬油是一種成分復(fù)雜、黏度較高的發(fā)酵液。醬油超濾過程中膜污染嚴(yán)重，如何降低和調(diào)控膜分離過程中的污染是膜技術(shù)成功應(yīng)用于醬油精制的關(guān)鍵。針對醬油特點及生產(chǎn)需要，筆者研究團隊開發(fā)了新型的周期性換向-脈沖沖刷膜污染控制技術(shù)[20]。一方面，通過周期性開啟和關(guān)閉透過液閥門，同時增大截留液側(cè)閥門，使料液大流量周期性脈沖沖刷膜表面，取得類似反洗的效果，但沒有引入外來反洗介質(zhì)，同時又避免了常規(guī)反洗技術(shù)可能對膜產(chǎn)生的損害，完全克服了反洗固有的缺陷。另一方面，通過交替地改變原料液在膜面的流動方向，利用系統(tǒng)流體力學(xué)優(yōu)化控制亦可降低膜污染，實現(xiàn)膜過程的高效運行。其原理是原料液從膜組件進料口進入，回流濃縮液從出料口流出。這時，進料口端壓力高，膜的進料口端因過濾速度快，污染逐漸加重，而回流濃縮液出口壓力則較低，相應(yīng)的膜污染較輕。當(dāng)過濾進行一段時間后，通過閥門切換，原液和回流濃縮液的方向進行倒換。原液從污染較輕的出料口進入，出料口端壓力高，過濾主要在出料口端進行，進料口端壓力較低，回流濃縮液迅速通過，對污染較重的進料口端膜表面進行沖刷，污染物脫落，膜的性能得以恢復(fù)。通過周期性切換閥門使膜組件料液進口循環(huán)變換，在過濾的同時對膜面進行更有效的沖刷清洗，使膜一直保持在較好的狀態(tài)下運行。

在調(diào)味品和果汁的膜過濾過程中，通過對比錯流、換向流和周期性換向-脈沖沖刷技術(shù)3種操作模式，發(fā)現(xiàn)采用周期性換向-脈沖沖刷技術(shù)，膜過濾通量較錯流提高25%～32%，較換向流提高12%～17%（表1），充分顯示出該膜污染控制技術(shù)的良好效果。

表1 周期性換向-脈沖沖刷膜污染控制技術(shù)與錯流及換向流技術(shù)對比

2.2 醬油超濾新技術(shù)的應(yīng)用

為充分發(fā)揮膜分離技術(shù)的優(yōu)勢，結(jié)合醬油生產(chǎn)的特點，筆者研究團隊以“臨界通量”理論為指導(dǎo)，開發(fā)了膜過程優(yōu)化技術(shù)、膜過程控制技術(shù)以及膜清洗技術(shù)和工藝，并成功應(yīng)用于高品質(zhì)醬油的生產(chǎn)，先后投資建成了2.5萬噸/年、7.5萬噸/年和20萬噸/年的醬油超濾裝置，目前產(chǎn)能達60萬噸/年。經(jīng)過長期監(jiān)測和生產(chǎn)運行，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，各項指標(biāo)均達到預(yù)期水平。與改進前的生產(chǎn)線相比，改進后的超濾生產(chǎn)線節(jié)能80%，節(jié)水50%，優(yōu)品率提高5%，膜壽命提高2倍以上。新超濾生產(chǎn)線生產(chǎn)的醬油成品的產(chǎn)品透光率（澄清度）、沉淀物以及細菌總數(shù)3個重要質(zhì)量指標(biāo)均有顯著提高[21]，解決了醬油產(chǎn)品貨架期二次沉淀和微生物超標(biāo)的難題。2013～2015年，海天公司累計實現(xiàn)新增收入24.5億元，新增利潤5.1億元，新增稅收2.4億元。

3 小 結(jié)

當(dāng)今，生物制造對世界經(jīng)濟社會效益的貢獻日益突出，我國2016年8月發(fā)布的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》更是明確指出綠色生物制造技術(shù)的目標(biāo)是“突破原料轉(zhuǎn)化利用率、生物工藝效率、生物制造成本等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，拓展工業(yè)原材料新來源和開發(fā)綠色制造新工藝，形成生物技術(shù)引領(lǐng)的工業(yè)和能源經(jīng)濟綠色發(fā)展新路線”。在生物制造過程中充分挖掘并利用膜技術(shù)的特點和優(yōu)勢，可實現(xiàn)生物制造產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品品質(zhì)提升、節(jié)能減排、傳統(tǒng)工藝改造，為上述目標(biāo)的實現(xiàn)提供有力保障。

發(fā)酵-膜分離耦合技術(shù)可在一定程度上解決生物制造過程中原料利用率低、催化效率低和產(chǎn)品分離成本高等問題。有機酸和有機醇是兩大類重要的化工產(chǎn)品，本文選取生物燃料乙醇和丁醇作為代表的揮發(fā)性發(fā)酵產(chǎn)品，選取乳酸作為代表的非揮發(fā)性發(fā)酵產(chǎn)品，分別開展了乙醇/丁醇發(fā)酵-滲透汽化耦合、乳酸發(fā)酵-旋轉(zhuǎn)膜分離耦合的研究工作，制備了高性能的滲透汽化分離膜，研制了高性能的動態(tài)旋轉(zhuǎn)膜，大幅提高了發(fā)酵效率，降低了發(fā)酵成本。結(jié)合目前廣泛使用的發(fā)酵產(chǎn)品超濾澄清技術(shù)，以傳統(tǒng)發(fā)酵調(diào)味品醬油為研究對象，開發(fā)了周期性換向-脈沖沖刷膜污染控制技術(shù)，實現(xiàn)了醬油超濾精制提質(zhì)的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，顯著改善了醬油的產(chǎn)品品質(zhì)，大幅提升了企業(yè)的技術(shù)水平。上述研究充分顯示了膜技術(shù)在生物制造過程中具有的得天獨厚的優(yōu)勢，隨著此領(lǐng)域研究的不斷深入，必將有更多的膜技術(shù)應(yīng)用于生物制造工業(yè)化生產(chǎn)中，使生物制造過程更經(jīng)濟、更綠色，極大地促進綠色生物制造的發(fā)展。

［1］ 關(guān)于印發(fā)“十二五”現(xiàn)代生物制造發(fā)展專項規(guī)劃的通知[EB/OL].（2011-12-02）[2017-09-04］. http：//www.most.gov.cn/tztg/201112/t20111209_91321.htm.

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Application of membrane separation technology in green biological manufacturing

QI Benkun，CHEN Xiangrong，SU Yi，SHEN Fei，LUO Jianquan，WAN Yinhua
State Key Laboratory of Biochemical Engineering, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

Biological manufacturing is the key development fi eld of China’s emerging industries of strategic importance.The main problems that biological manufacturing process faces include severe product inhibition, the low product concentration, complex fermentation broth and large amount of wastewater to be processed. Application of membrane separation in the biological manufacturing can address above challenges. This paper addresses research and development work conducted by our research team in the fi eld of the application of membrane separation technology in the biological manufacturing, including developments of the large-scale preparation technology of high performance pervaporation membrane and high ef fi cient dynamic rotary membrane bioreactor. The applications of pervaporation separation coupled with ethanol/butanol fermentation and dynamic rotary membrane bioreactor coupled with lactic acid production greatly reduce product inhibition and significantly increase the fermentation efficiency. The successful application of periodic reversal fl ow and impulse fl ushing in the traditional food fermentation industries like soy sauce production, substantially improves the product quality and greatly reduces water and energy consumption. Those demonstrate the promising prospects of membrane separation technology in the green biological manufacturing.

biological manufacturing; membrane separation; fermentation coupled with separation; soy sauce re fi ning

10.3969/j.issn.1674-0319.2017.06.010

萬印華，研究員，現(xiàn)任中國科學(xué)院過程工程研究所生化工程與裝備研究部主任，生化工程國家重點實驗室副主任，中國生物工程學(xué)會副秘書長，亞洲生物技術(shù)聯(lián)合會（AFOB）副秘書長、常務(wù)理事。研究方向為高效膜分離技術(shù)與應(yīng)用。擔(dān)任Journal of Water Process Engineering、《膜科學(xué)與技術(shù)》和《化學(xué)工程》等多個期刊編委。發(fā)表論文100余篇，獲中國發(fā)明專利授權(quán)28項，美國專利授權(quán)2項，多項技術(shù)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。獲2009年中國食品學(xué)會科技一等獎1項、 2013年中國石油和化工聯(lián)合會技術(shù)發(fā)明一等獎1項、2014年中國科學(xué)院科技促進發(fā)展獎科技貢獻獎二等獎1項。E-mail：yhwan@ipe.ac.cn

齊本坤，副研究員，研究方向為高效膜分離技術(shù)及其應(yīng)用

國家“863”計劃資助項目（2007AA02Z202，2012AA021202）