Sélection du processus de biofabrication : membranes céramiques|Une solution de base pour la purification, la stérilisation et la concentration par fermentation

Dans la course à la biofabrication verte, la séparation et la purification ont toujours été cruciales pour déterminer le coût, le rendement et la qualité du produit. Les bouillons de fermentation sont complexes, très visqueux et contiennent de nombreuses impuretés. Les membranes traditionnelles à plaques-et-cadres, les centrifugeuses et les membranes organiques souffrent souvent d'inconvénients tels qu'un encrassement rapide, une courte durée de vie, une insensibilité aux acides et aux alcalis et une dégradation de la bioactivité.

Aujourd'hui, nous allons discuter des membranes céramiques-un "acteur principal" qui remodèle les processus de séparation de la biofabrication.

Les membranes céramiques, également appelées membranes céramiques inorganiques, sont des membranes multicouches asymétriques fabriquées à partir de matériaux céramiques inorganiques tels que Al2O3, ZrO2, TiO2 et SiC par frittage à haute température-. Ils appartiennent à la technologie de séparation par membrane de précision.

1. Structure de base

• Couche de support : offre une résistance élevée et des pores de grande taille

• Couche intermédiaire : structure de transition et de stabilisation

• Couche de séparation : détermine la précision, permettant un tamisage précis au niveau du nano- au micron-

2. Principe de séparation

Alimenté par la différence de pression, grâce à une filtration à flux croisés- : le liquide d'alimentation s'écoule parallèlement à la surface de la membrane. Les petites molécules (eau, sel, produits) pénètrent à travers la membrane, tandis que les grosses molécules, bactéries, colloïdes et matières en suspension sont retenues, permettant ainsi la clarification, la stérilisation, la séparation et la concentration.

3. Classification de précision

• Microfiltration (MF): >50 nm, élimine les bactéries, les débris cellulaires et les matières en suspension

• Ultrafiltration (UF) : 2 à 50 nm, retient les protéines, les enzymes, les polysaccharides et les colloïdes

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

En bref : les membranes céramiques sont des « tamis moléculaires de précision » fabriqués à partir de matériaux inorganiques rigides, offrant stabilité, précision et efficacité dans les systèmes de fermentation complexes.

Par rapport aux membranes organiques et à la filtration traditionnelle, les membranes céramiques offrent des avantages considérables dans les applications de biofabrication.

1. **Performances extrêmes :**
• **Résistance aux acides et aux alcalis :** Couvre un pH de 0 à 14, non affecté par un nettoyage acide et alcalin puissant.
• **Résistance aux hautes températures :** Peut être utilisé à la vapeur-en-place (SIP) et propre-en-ligne (CIP), adapté aux solutions d'alimentation à haute-température.
• **Résistance aux solvants organiques :** Résistant à la corrosion causée par les alcools, les cétones et les esters dans les systèmes de fermentation.
• **Haute résistance mécanique :** Reste indéformable et intact sous haute pression, avec une durée de vie bien supérieure à celle des membranes organiques.

2. **Antifouling puissant, flux stable et nettoyage facile :**
• **Bonne hydrophilie de surface :** Empêche l'adsorption des protéines et des polysaccharides, ce qui entraîne moins d'encrassement.
• **Conception à flux croisés- + Structure rigide inorganique :** Dégradation lente du flux.
• **Capacité de nettoyage en profondeur :** peut être nettoyé en profondeur-avec des acides forts, des alcalis et des oxydants, avec un taux de récupération du flux supérieur ou égal à 95 %.
• **Durée de vie :** 10 à 15 ans, contre seulement 1 à 3 ans pour les membranes organiques. Année après année, cela permet d’économiser davantage d’argent à long terme.

3. Séparation douce, préservant l'activité biologique

• Aucun changement de phase à température ambiante, n'endommage pas les substances sensibles à la chaleur telles que les enzymes, les protéines, les probiotiques et les antibiotiques.

• Pas de floculants, pas de terre de diatomées, pas de pollution extérieure, plus conforme à une production propre.

• Faible cisaillement, taux de survie cellulaire et taux de rétention de l'activité enzymatique plus élevés.

4. Faible teneur en carbone et haute efficacité, conforme au « double carbone » (efficacité carbone, réduction du carbone et réduction des émissions de carbone).

• La consommation d'énergie est bien inférieure à celle de l'évaporation et de l'extraction.

• Moins d'eaux usées, rendement élevé, moins de consommables.

• Fonctionnement continu et automatisé, réduisant considérablement les coûts de main d'œuvre.

Les membranes céramiques ont pénétré en profondeur cinq domaines d'or majeurs : les produits biopharmaceutiques, les matériaux bio-sourcés, la bioénergie, les produits de fermentation en vrac et les aliments et boissons fermentés.

1. Produits biopharmaceutiques : la « référence » en matière de purification et de stérilisation

Les produits pharmaceutiques constituent le plus grand domaine d'application des membranes céramiques, représentant près de 30 %.

• Bouillon de fermentation antibiotique (érythromycine, céphalosporines, vancomycine), stérilisation et clarification

• Concentration et purification de protéines, d'enzymes et de peptides

• Filtration aseptique des vaccins et de l'eau pour injection, répondant aux exigences BPF

• Remplace la centrifugation sur plaques et cadres, augmentant le rendement de 10 à 20 % et réduisant les impuretés de plus de 90 %

2. Matériaux bio- : un outil puissant pour la purification des monomères verts

• 1,3-Propylène glycol : Stérilisation par microfiltration + dessalement et décoloration par nanofiltration, rendement supérieur ou égal à 99%

• Précurseurs d'acide lactique/acide polylactique : concentration et séparation par nanofiltration, simplifiant le processus

• Cétoglutarate : intégration membranaire en deux -étapes : clarification + décoloration en une seule étape.

3. Bioénergie : Une nouvelle solution pour la purification des carburants renouvelables

• Biodiesel : Séparation du glycérol et purification de la phase ester, remplaçant le lavage à l'eau traditionnel, pas d'eaux usées

• Ethanol carburant : Séparation continue dans des systèmes de fermentation du CO, d'une capacité supérieure à 200 000 tonnes/an

• Biobutanol : Membrane- Le couplage de fermentation atténue l'inhibition du produit et améliore la concentration et l'efficacité.

4. Produits de fermentation en vrac : acides organiques, acides aminés, vitamines

• Acides organiques (acide succinique, acide citrique, acide glutamique) : élimination des impuretés → Clarification → Concentration → Cristallisation

• Acides aminés (lysine, acide glutamique) : stérilisation par membrane céramique 50 nm et élimination des protéines, améliorant l'efficacité de la résine.

• Vitamine B12/B4 : couplage de fermentation membranaire-, rétention cellulaire en ligne, augmentation significative du rendement

5. Aliments et boissons fermentés : préservation et amélioration de la qualité, réduction des coûts et augmentation de l'efficacité

• Bière : séparation du moût, clarification de la bière jeune, récupération de la bière par le bas, stérilisation à froid, préservation de la saveur fraîche

• Sauce soja/vinaigre : stérilisation à température ambiante, pas de brûlure, pas de noircissement, saveur plus pure

• Jus de fruits/produits laitiers : clarification et stérilisation, prolongation de la durée de conservation, préservation de la nutrition et du goût

Pour un bouillon de fermentation, choisir la bonne membrane en fonction de ces 5 points est crucial :

1. Considérez l'objectif : Microfiltration pour l'élimination des bactéries ; Ultrafiltration pour l'élimination des protéines ; Nanofiltration pour concentration et dessalement.

2. Considérez le matériau : Al₂O₃ pour les applications générales ; ZrO₂/SiC pour matériaux hautement corrosifs.

3. Considérez la configuration : les membranes tubulaires multi-canaux sont préférées en raison de leur teneur élevée en solides et de leur viscosité élevée.

4. Tenez compte des conditions de fonctionnement : les membranes en céramique sont idéales pour les conditions acides/alcalis fortes et les températures élevées.

5. Tenez compte du coût : un investissement initial plus élevé, mais une durée de vie plus longue, moins de nettoyage et un rendement plus élevé ; une période de récupération de 1 à 3 ans est plus intéressante.

Les principales tendances de la biofabrication sont les suivantes : verte, efficace, stable et faible-coût.

Avec leur résistance aux températures élevées et basses, aux acides et aux alcalis, leur résistance à l'encrassement, leur longue durée de vie et leur haute précision, les membranes céramiques sont parfaitement adaptées aux systèmes complexes de bouillons de fermentation et remplacent rapidement les membranes organiques et les processus traditionnels, devenant ainsi le choix courant pour la séparation et la purification biologiques.