近年，隨著國內益生菌產業規模的不斷擴大，菌體的分離濃縮技術已成為工業化生產的關鍵技術。菌體濃縮是將菌體與培養液分離的過程，處理過程要求在保持菌體活性的前提下，獲得較高的濃縮倍數和菌體收得率。濃縮方法主要有離心法和膜過濾法。離心分離法的問題是離心力的剪切作用和間隙操作的氧損傷造成菌體的死亡率增高。

陶瓷膜過濾技術的優點是操作條件溫和，對菌體活性影響較小，過濾系統可與發酵設備相連，實現自動化連續生產。到目前為止，國內的膜分離技術僅在少數生物制劑中有所應用，應用陶瓷膜過濾濃縮益生菌培養液，還處于實驗研究階段，工業化裝置的運行還未見報道。

在膜技術的應用中，原料特性和操作條件對膜分離性能有重要影響，根據原料的特性選用操作系統，優化操作參數是應用性研究的主要內容。本實驗采用100nm陶瓷膜中試設備過濾濃縮益生菌培養液，目的是考查關鍵操作參數和濃縮效果，優化操作參數和清洗方法，為放大生產提供技術準備。

1實驗材料與方法

1.1實驗裝置

頗爾公司單支膜管的陶瓷膜中試實驗系統。實驗用陶瓷膜柱:ExekiaMembralox陶瓷膜柱，型號為1P1960GL/SD/100nm。膜有效面積:0.36m2。水過濾濾芯:ABU0.07P/1.0um。物料預過濾袋式濾器:MO200/200um。清洗用水:軟化水。化學清洗劑:分析純氫氧化鈉、分析純次氯酸鈉。

1.2益生菌培養液

企業發酵培養，濕重2.8%～3.5%(w/w)，pH3.8～414，菌體數量>4×108cfu/mL。

1.3實驗方法

1.3.1活菌計數法

MRS培養基，平板計數法。

1.3.2測定過濾通量與過膜壓力關系的方法

在指定的速度下，保持料液的溫度不變，開放回流閥，關閉濾出閥，在系統內循環料液，待系統穩定后緩慢打開濾出閥，將滲透液和回流液返回至供料罐中，調節初始過膜壓力在指定値，每運行30min調高過膜壓力0.3bar，記錄過濾通量和過膜壓力數值，直至過濾通量不再隨過膜壓力變化為止，制作過濾通量與過膜壓力的關系曲線。

1.3.3測定過濾通量與濃縮倍數關系的方法

保持其他參數不變，在系統內循環益生菌培養液。待系統穩定后，緩慢打開濾出端閥門，通過調整供料泵，使過膜壓力恒定在數值下進行過濾。過濾濃縮時，始終保持循環罐內液體體積在50L左右。當過濾通量下降到一定數量，停止往循環罐內添料，直至濃縮過濾結束。過濾濃縮過程中，每濾出20L料液，記錄過濾通量和濾出液體積，計算濃縮倍數，制作過濾通量與濃縮倍數的關系曲線。

2結果與分析

2.1膜過濾對菌體活性的影響

2.1.1切向流速對菌體活性的影響

在切向流速分別為2m/s、3m/s、4m/s和5m/s條件下，循環原料30min以上，采集回流液體樣本，檢測活菌數量，同時采集在靜置相同時間的樣本作為對照。實驗過程中，陶瓷膜濾出端閥門處于關閉狀態，物料溫度始終控制在23～25℃之間。實驗結果見表1。

表1結果顯示，在不同切向流速下活菌數量處在同一數量級，說明切向流速所產生的剪切作用對菌體的活性影響較小。

2.1.2原料循環時間對菌體活性的影響

原料在系統內循環，濾出液返回原料罐。在循環期間，每間隔一定時間采樣，進行活菌數量檢測。原料在系統內連續循環7h，實驗結果見表2。

從表2中數據可見，原料在系統中循環的時間對活菌數影響不明顯。在膜過濾系統中，影響菌體活性的主要因素有泵的剪切力、膜管的剪切力、設備內表面摩擦力和進出口壓力差，原料在系統中循環的時間越長，這些因素的作用應越顯著，菌體受到的損害越大。7h循環實驗表明陶瓷膜過濾系統對菌體的活性影響較小。

2.2操作參數對膜過濾的影響

2.2.1過膜壓力對過濾通量的影響

恒定過濾溫度在23～25℃，切向流速為5m/s，待系統穩定后調定過膜壓力，記錄過濾通量和過膜壓力的數值。過濾通量與過膜壓力關系見圖1。

由圖1可知，當過膜壓力低于0.75bar時，膜柱的過濾通量隨過膜壓力的增加而增高，當過膜壓力高于0.75bar后，過濾通量隨過膜壓力升高而下降。

實驗表明過濾壓力提高到一定數值后膜污染趨勢增快，致使過濾通量降低。

2.2.2濃縮倍數與過濾通量的關系

取170L原料過濾濃縮，原料濕重3%(w/w)，原料pH値4133～4135，過濾溫度23～25℃，切向流速5m/s，過膜壓力恒定在已確定的數值0.75bar。在過濾濃縮過程中，每濾出20L料液，記錄過濾通量和濾出液體積，計算原料濃縮倍數。濃縮倍數和過濾通量的關系見圖2。

由圖2可見，在23～25℃溫度、切向流速為5m/s、恒壓0.75bar條件下過濾，隨著濃縮倍數的增高過濾通量迅速下降，然后趨于穩定。產生這種現象的原因是發酵液中存在著大量的細胞碎片、蛋白和糖等物質，高分子物質和膠體物質在膜表面被截留形成凝膠層，造成過濾膜污染，使過濾通量迅速下降。

2.2.3膜過濾濃縮的效果

在23～25℃溫度、切向流速為5m/s、恒壓0.75bar條件下過濾，分別對原料液、5倍濃縮液及透過液取樣，進行活菌計數、OD値和pH値檢測，采集發酵罐內靜置相同時間的原料作對照，記錄膜濃縮前后料液特性數據，檢查陶瓷膜對菌體的攔截效率。結果見表3。

從表3實驗數據得到，100nm陶瓷膜對菌體的攔截效率達到99%以上。

2.3陶瓷膜的清洗

選擇幾種化學清洗劑清洗污染的過濾膜，測定清洗后凈水通量值，考查膜通量的恢復情況。通過實驗確定了陶瓷膜的清洗方法:在60℃條件下，用清水沖洗系統。關閉濾出閥，用2%的氫氧化鈉和0.5%的次氯酸鈉混合溶液循環清洗40min。打開濾出閥，繼續循環混合液20分鐘，最后用水沖洗至中性。應用這種清洗方法可使膜的恢復率穩定在原始凈水通量的90%以上，有效清除膜表面污染物。

3結論

1)采用100nm精度的Membralox陶瓷膜過濾濃縮益生菌培養液，可有效攔截菌體，過濾過程對菌體的活性影響較小。

2)在操作溫度23～25℃、切向流速5m/s、過膜壓力0.75bar的條件下過濾濃縮益生菌培養液，可增高濃縮倍數。

3)采用以下清洗方法可使陶瓷膜水通量恢