發酵液或培養液是復雜的多相系統，含有細胞、代謝產物和未用完的培養基等。分散在其中的固體和膠狀物質，具有可壓縮性，其密度又和液體相近，粘度很大，屬非牛頓性液體，因而從發酵液中分離出固體很困難。尋找一種有效的發酵液處理方式可以大幅度提高整個后提取工藝的工藝水平。

發酵液或培養液多是分批操作，生物變異性大、各批發酵液不盡相同，這就要求處理手段有一定的彈性，特別是對于染菌的批號，也要能處理。

為使得發酵液易于分離，傳統的做法是添加各種各樣的助濾劑和絮凝劑，改善發酵液的性質，但是這種方式會給待處理體系帶來新的雜質，增加后處理工藝負荷，并且有可能破壞部分產品。增加提取成本，降低提取收率。此外，發酵液處理過程中產生大量的廢水和廢渣，BOD及COD很高，需要經處理后才能排放。廢棄物處理的費用對于生產成本的影響非常大。因而尋找一種發酵液直接處理方式至關重要。

常見的幾種發酵液的菌體情況：

陶瓷膜和不銹鋼管式膜可廣泛應用于各類發酵液的澄清?？捎行コw系中的懸浮固體(硅石、高嶺土及鈣鎂等金屬沉淀物)、細菌、酵母、大多數油脂、葡萄糖糖泥、膠體及固體蛋白?？商娲蹇?、離心機等傳統的分離手段，對發酵液進行澄清。如：抗生素、有機酸、葡萄糖等發酵液的澄清。

陶瓷膜和不銹鋼管式膜采用錯流方式，錯流方式避免了在死端過濾過程中產生堵塞現象。料液流經膜的表面，在壓力的作用下液體透過濾膜，而固體顆粒、懸浮物則被截留，料液具有足夠的流速可將被膜截留的固體顆粒從膜表面剝離，連續不斷的剝離阻止固體顆粒在膜上的聚集，使膜的污染降至最小程度。使得過濾過程成為一件極為簡單的工作，可使生產過程實現高度的自動化。

錯流過程同時避免了在死端過濾(如板框壓濾機、鼓式真空過濾機)過程中依靠濾餅層進行過濾的情況，分離發生在膜表面而不是濾餅層中，因而濾液質量在整個過程中是均一而穩定的。濾液的質量取決于膜本身，使生產過程完全處于有效的控制之中。

發酵液經澄清預處理后，還需要進一步去除雜質，提高目標產品的濃度和純度，這個過程成為提取和精制。卷式超濾和納濾膜可以很好的解決發酵產品濃縮提純的問題，濃縮產品，脫除蛋白、色素等雜質。

2.1.1 氨基酸

D-對羥基苯甘氨酸膜分離解決方案
D-對羥基苯甘氨酸外觀為白色結晶粉末，是合成半合成內酰胺類半合成抗菌素的側鏈。目前，生產D-對羥基苯甘氨酸的主要方法有化學合成法與酶法等。其中化學合成法中存在著成本高、轉化率較低、三廢嚴重、反應條件苛刻等。

1)菌絲收集過程

通常的菌體收集采用板框過濾的方式，但由于該菌體細小，過濾難度大需添加大量助濾劑才能較順利過 濾，助濾劑添加成本巨大。故也有企業采用高速離心獲取菌體，上層輕液再進行板框過濾收集殘余菌體，這是一種比較好的方法，但菌體罐倒來倒去，設備多，效率較低。采用陶瓷微濾膜或不銹鋼管式微濾膜收集菌體，可將菌體收集、菌體清洗、酶解處理同在一個罐中進行，避免了菌體的損失，同時能充分清洗菌絲；免去助濾劑的添加成本，節約了板框或高速離心機的投資。
 2)超濾過程

D-對羥基苯甘氨酸酶解完成后，酶解液直接進入陶瓷微濾膜或不銹鋼管式微濾膜系統進行除蛋白、除菌體、除大分子色素得到澄清透明的濾液。常規工藝在板框過濾酶解液時將有10%左右的收率損失，而膜工藝通過在超濾流動過程中適當的加水（利用二級納濾透析液）透析洗滌，可將菌體中的有效成分充分混合透析出來，避免了板框過濾加水頂洗時的“短流現象”（CUT-OFF），實踐證明過濾收率在96-99%以上。

3)納濾預濃縮

根據我們的經驗D-對羥基苯甘氨酸在PH9.2時的溶解度較大，可保持在6-7%而不析出，這樣可用氨水將超濾澄清液的PH穩定在 9.2-9.5，進行常溫納濾濃縮，在不破壞產品的同時將其濃縮6-7%。這樣便在低含量時脫除了50%的水。由于D-對羥基苯甘氨酸的分子量較小，為保證膜通量及對小分子無機鹽的脫除，我們采用截留分子量為100-150的納濾膜，此時收率在92-95%，通過對一級納濾透析液的二級納濾再濃縮可將納濾總收率保持在99.2-99.7%以上，二級納濾在濃縮后期的高單位透析液可用做酶解液超濾過程的頂洗水之用。理論上講，納濾的過程應基本沒有損失，且實現水的綜合利用。

D-對羥基苯甘氨酸膜法生產工藝優點

1） 由于直接對酶解液進行超濾，取代原有板框過濾，濾液質量明顯提高。濾液中幾乎沒有可溶性蛋白、小部分色素也被剔除，濾液透光率高，減少了下游工藝提煉的難度。
2） 超濾后的菌渣由于沒有添加其他助濾劑，可以用做飼料，作到廢物利用。
3） 納濾濃縮取代原薄膜蒸發，濃縮操作溫度可在常溫，避免升溫破壞，濃縮倍數可達7-10倍。
4） 在濃縮的同時可去除一價離子及部分二價離子減少產品的灰份，提高產品質量，降低后工藝提煉難度。
5） 納濾濃縮收率高可達99%以上（由于對羥基苯甘氨酸的分子量較小，采用一級納濾濃縮的收率一般在80%左右，通過對透析液的二次濃縮可實現較高的收率）。
6） 納濾濃縮靠壓力驅動，動力費用低，綜合濃縮成本一般在15-20元/噸水（包括換膜費用、電力消耗、清洗劑等）；而與之相比的薄膜蒸發濃縮成本高達80-100元/噸水；若每天濃縮除水量為40噸將節約成本86-106萬元/年

谷氨酸膜分離解決方案

味精，即L-谷氨酸單鈉，味精廠現有的工藝，即放罐發酵液直接進等點電罐（中試設備）進行等點電調節結晶。其發酵工藝流程為：

發酵液—等電沉降—中和—脫色—濃縮—結晶—成品味精

膜法工藝是將谷氨酸發酵液經陶瓷膜或不銹鋼管式膜系統，過濾除去菌絲體，然后再進等點電罐調節。
1） 經膜過濾的濾液的第一等點電的麩酸質量明顯優于直接發酵液的第一等點電的麩酸質量。其干品麩酸中的GA含量可高達90%以上，含水量少，等點電收率70%以上，干品比較白。
2） 濾液質量 從表現澄清度來看，濾液澄清、清亮。另外從濾液直接調常溫等點結晶來看，產品質量明顯好于常規工藝而得到的晶體，晶體白色且飽滿，純度上升。
3） 廢液排放指標

廢液排放COD、BOD的影響因素主要為菌絲體、蛋白和氨基酸等。從超濾本質來看，超濾可以一次截留蛋白和菌絲體，把菌絲體和蛋白變為可利用的飼料，因而大大減少了廢液COD、BOD排放。濾液質量的提高可以提高谷氨酸的結晶收率，因而也減少谷氨酸的損失和廢液排放。
4）收率

從濾渣比例和損失來看，谷氨酸過濾收率達到98%是完全可以的。

谷氨酸膜法生產工藝優點

膜系統應用味精廠谷氨酸發酵液過濾，具有巨大的經濟效益與社會效益。從經濟效益來看：
1）膜系統變廢為寶，把菌絲體和蛋白充分利用，既增加了附加（飼料）價值，又減少了廢液排放（減少了COD、BOD排放）。
2） 谷氨酸濾液質量的提高，可以大大提高一步等電結晶收率，按我們在其他廠的經驗，此步收率可提高10%左右。
3） 濾液質量的提高也可以減輕離子交換的壓力，延長樹脂的壽命。
4） 谷氨酸成品收率的提高可以減少谷氨酸的損失，既提高了收率，又減少了廢液排放。

賴氨酸膜分離解決方案

傳統的賴氨酸生產工藝一般是發酵液先酸化后，進入樹脂柱中進行離交提取，用氨水進行解析后的賴氨酸（解析液）進行薄膜蒸發濃縮，經結晶分離后精制成品（見下圖）。

賴氨酸傳統工藝存在的問題

1） 發酵液處理問題

賴氨酸發酵液不進行過濾直接上柱提?。ɑ煲何剑?，由之而產生的后果是顯而易見的，即樹脂吸附后進行洗滌，含大量的菌體、蛋白、膠體的廢水將被洗滌下來形成難以治理的廢水。事實上該廢水是具有豐富營養資源的物質可做飼料使用的有價值的東西，但廢水濃度很稀要將該廢水濃縮成飼料要耗費大量的能源，經濟上極不劃算，這就是賴氨酸生產時廢水難以治理的原因所在。由于混液吸附，樹脂要頻繁洗滌反沖，造成樹脂破碎，樹脂用量大更換頻繁。更為重要的是雜質的吸附在一定程度上影響了樹脂的提取收率，雜質及色素會帶入下游工藝中影響產品的色澤、結晶質量。
2）蒸發濃縮的問題

傳統料液濃縮技術基本沿用減壓蒸發濃縮的方法，能耗成本很高。平均一噸蒸汽的效率只有1.0-1.2之間，蒸發水的成本將近100元。有工廠采用多效蒸發技 術，能將蒸汽的利用效率提高很多，但多效蒸發器的投資同樣相當高昂，且維護工作相對困難。蒸發由于是采用加熱的方式同樣帶來一個問題是在加熱蒸發過程中產 品破壞使得產品的色澤加深影響質量。然而這一問題一直被賴氨酸生產企業所忽視。
3）含硫酸銨的上柱廢液處理問題

由于賴氨酸利用其兩性氨基酸的特性進行吸附與解析，因此要在上柱之前進行硫酸調酸處理，然后解析時通過加入一定流量的氨水改變PH解析賴氨酸。不可避免的將會產生含硫酸銨的廢水。

結合膜工藝：

發酵液放罐后直接經陶瓷膜或不銹鋼管式膜系統過濾，能使真正收率達到99%以上，濾渣中含有大量的蛋白質及菌絲等營養物質，烘干后作飼料，可進行包裝銷售。濾液經連續式離子柱進行離交吸附，此工序后賴氨酸洗脫液進入納濾膜系統預濃縮，賴氨酸濃縮液進行活性炭脫色、薄膜蒸發再濃縮、結晶、分離后精制成品，分離出的結晶母液再回收進行離交濃縮循環操作。納濾膜的透析液為氨水，可回收利用。上柱廢液經納濾膜系統進行濃縮后，濃縮液為硫酸銨，納濾系統出水可用于超濾過程的頂洗水再利用（套用）。整個工藝過程除了最終產品賴氨酸和副產品飼料、硫酸銨外，無多余廢水排放。

賴氨酸膜法生產工藝優點：

1） 發酵液超濾過濾無須任何預處理，節約成本。菌渣可直接做飼料，完全消除廢液污染。濾液不含蛋白質量高，保證連續離交進料要求。過濾收率可達98-99%。
2） 由于減少了蛋白對樹脂的污染，可增加樹脂的吸附容量10%以上，并有效延長樹脂壽命。
3） 減少懸浮物在連續離交樹脂罐內的沉積，減少反沖次數，減少樹脂破碎。
4） 納濾低成本的預濃縮，降低能耗。部分無機鹽透過納濾膜，減少產品灰份。納濾透析水回用頂洗，閉路循環提高收率減低成本。（根據實踐表明納濾濃縮平均成本為20元/噸水）
5） 納濾廢水處理系統能將硫酸銨廢水處理成回用水，并且回收硫酸銨做肥料。膜系統適應性強，能隨時跟上今后用戶對處理后的污水排放水質進一步提高的要求。
6） 本工藝膜系統運行平穩，維修容易。膜系統可分性強，可根據料液流量大小隨時切換膜的運行數量，其余可進行清洗、保護或更換等操作，故膜系統無傳統工藝的每年大修要求，在40℃~45℃左右用低壓力大流量對膜進行清洗，只需清洗一小時左右即能使膜通量恢復，而不用拆卸設備，可實現全自動運行與清洗。
7） 本工藝的占地面積大大縮小。由于膜設備都是由膜元件疊加起來的，使膜設備占地極小。膜系統為全封閉系統，無物料和氣體的泄漏，噪音小，并容易實現全自動化運行。

抗生素

抗生素是微生物在新陳代謝過程中產生的，具有抑制它種微生物生長及其活動，甚至殺死它種微生物的一種化學物質。細菌、真菌、放線菌、高等植物、動物都能產生抗生素。產生的抗生素按化學結構來分類，可分為：β-內酰胺類、四環素類、胺基糖苷類、大環內酯類、多烯大環類、多肽類、苯烴基胺類、蒽環類等。

抗生素的生產方法一般來說有微生物發酵法、全化學合成法、半合成法?，F代抗生素工業生產多采用微生物合成法進行生產，其工藝工程大體相同，主要通過下列途徑來完成 ：

菌種—孢子制備—種子制備—發酵—發酵液預處理—細胞分離（胞內產物需經細胞破壁—碎片分離）—提取—精制—成品制作

抗生素發酵完成后，發酵液中除了含有很低濃度的抗生素（一般僅占發酵液體積的0.1-5%左右，有些新抗生素的濃度則更低）外，還含有大量的其他雜質。這些雜質有的是菌絲體本身，有的是未用完的培養基，有的是產生菌的其他代謝產物，還有的是在發酵液預處理過程中需要加入的物質等，這些雜質在發酵液中的濃度往往超過抗生素的百倍、千倍、甚至萬倍，而且其中很多代謝產物的物化性能和抗生素又非常接近，甚至化學組成和抗生素相同，僅立體構型不同而已。因此要從發酵液中去掉這些雜質，以制取高純度的合乎藥典規定的抗生素產品，發酵液的提取及精制是很重要的一個環節。

發酵液提取精制方法有吸附法、沉淀法、溶媒萃取法和離子交換法、膜法等。

凡為在發酵液的下游膜法提取與精制過程中提供了很多成功的解決方案。尤其是在β-內酰胺類（青霉素、頭孢菌素）、胺基糖苷類（鏈霉素）、大環內酯類（紅霉素）抗生素的應用中。

維生素C

維生素C又稱抗壞血酸。1907年挪威化學家霍爾斯特在檸檬汁中發現。1934年才獲得純品，是無色晶體，屬于水溶性維生素，易溶于水，水溶液呈酸性，所以稱它為抗壞血酸。在酸性溶液中穩定，在中性或堿性溶液中易被氧化分解。鐵、銅等金屬離子能夠加速其氧化速率。

傳統工藝：

我國首創了二次發酵法生產維生素C,全工藝包括發酵、提取和轉化三大步驟，即以D-葡萄糖為原料，通過兩次發酵生成2-酮基-L-古龍酸，經提取后用酸或堿轉化成維生素C，其先進性得到了國際公認，但在發酵液中殘留著菌絲體、蛋白質和懸浮微粒等雜質。原工藝采用加熱沉淀法去除這些雜質，即將發酵液靜置沉降后通過離子交換樹脂，部分酸化2-酮基-L-古龍酸鈉，調節PH值至蛋白質等電點并加熱使蛋白質凝聚，然后用高速離心法分離出凝聚的菌絲、蛋白和懸浮微粒，清液再次通過離子交換樹脂，全部酸化為2-酮基-L-古龍酸水溶液，在進行濃縮結晶，其工藝流程為：

發酵液—沉降—樹脂調pH—加熱—冷卻—離心機—樹脂脫鹽—濃縮結晶—2-酮基-L-古龍酸

此工藝通過一次樹脂和加熱沉淀法除蛋白，加熱既要耗能又造成2-酮基-L-古龍酸損失近4%，且發酵液直接通過離子交換樹脂，是樹脂表面污染嚴重，交換容量下降。

結合膜分離工藝：

發酵液—超濾—樹脂脫鹽—濃縮結晶—2-酮基-L-古龍酸

超濾截留分子量范圍從500到50萬，而維生素發酵液的分子量范圍一般在1萬到10萬，所以選擇一定截留分子量的超濾膜可以除去蛋白等雜質。

VC膜分離工藝的優點：
1、工序簡單
2、節約能耗，提高收率，一般收率可達99%

此工藝采用超濾法一步去除發酵液中殘留的菌絲體、蛋白質和懸浮微粒等雜質，省略了預處理、加熱、離心等工序，既節約了能耗，又提高了古龍酸的收率。由于超濾是一個物理過程，它本身不會造成2-酮基-L-古龍酸的分解或變化，收率主要取決于濾渣中含2-酮基-L-古龍酸的量，而超濾的濾渣中含2-酮基-L-古龍酸的量小，且可通過加水洗滌，所以超濾收率可達99%。