使用陶瓷膜浓缩浓缩益生菌培养液
近年，随着国内益生菌产业规模的不断扩大，菌体的分离浓缩技术已成为工业化生产的关键技术。菌体浓缩是将菌体与培养液分离的过程，处理过程要求在保持菌体活性的前提下，获得较高的浓缩倍数和菌体收得率。浓缩方法主要有离心法和膜过滤法。离心分离法的问题是离心力的剪切作用和间隙操作的氧损伤造成菌体的死亡率增高。
陶瓷膜过滤技术的优点是操作条件温和，对菌体活性影响较小，过滤系统可与发酵设备相连，实现自动化连续生产。到目前为止，国内的膜分离技术仅在少数生物制剂中有所应用，应用陶瓷膜过滤浓缩益生菌培养液，还处于实验研究阶段，工业化装置的运行还未见报道。
在膜技术的应用中，原料特性和操作条件对膜分离性能有重要影响，根据原料的特性选用操作系统，优化操作参数是应用性研究的主要内容。本实验采用100nm陶瓷膜中试设备过滤浓缩益生菌培养液，目的是考查关键操作参数和浓缩效果，优化操作参数和清洗方法，为放大生产提供技术准备。
1实验材料与方法
1.1实验装置
颇尔公司单支膜管的陶瓷膜中试实验系统。实验用陶瓷膜柱:ExekiaMembralox陶瓷膜柱，型号为1P1960GL/SD/100nm。膜有效面积:0.36m2。水过滤滤芯:ABU0.07P/1.0um。物料预过滤袋式滤器:MO200/200um。清洗用水:软化水。化学清洗剂:分析纯氢氧化钠、分析纯次氯酸钠。
1.2益生菌培养液
企业发酵培养，湿重2.8%～3.5%(w/w)，pH3.8～414，菌体数量>4×108cfu/mL。
1.3实验方法
1.3.1活菌计数法
MRS培养基，平板计数法。
1.3.2测定过滤通量与过膜压力关系的方法
在指定的速度下，保持料液的温度不变，开放回流阀，关闭滤出阀，在系统内循环料液，待系统稳定后缓慢打开滤出阀，将渗透液和回流液返回至供料罐中，调节初始过膜压力在指定値，每运行30min调高过膜压力0.3bar，记录过滤通量和过膜压力数值，直至过滤通量不再随过膜压力变化为止，制作过滤通量与过膜压力的关系曲线。
1.3.3测定过滤通量与浓缩倍数关系的方法
保持其他参数不变，在系统内循环益生菌培养液。待系统稳定后，缓慢打开滤出端阀门，通过调整供料泵，使过膜压力恒定在数值下进行过滤。过滤浓缩时，始终保持循环罐内液体体积在50L左右。当过滤通量下降到一定数量，停止往循环罐内添料，直至浓缩过滤结束。过滤浓缩过程中，每滤出20L料液，记录过滤通量和滤出液体积，计算浓缩倍数，制作过滤通量与浓缩倍数的关系曲线。
2结果与分析
2.1膜过滤对菌体活性的影响
2.1.1切向流速对菌体活性的影响
在切向流速分别为2m/s、3m/s、4m/s和5m/s条件下，循环原料30min以上，采集回流液体样本，检测活菌数量，同时采集在静置相同时间的样本作为对照。实验过程中，陶瓷膜滤出端阀门处于关闭状态，物料温度始终控制在23～25℃之间。实验结果见表1。
表1结果显示，在不同切向流速下活菌数量处在同一数量级，说明切向流速所产生的剪切作用对菌体的活性影响较小。
2.1.2原料循环时间对菌体活性的影响
原料在系统内循环，滤出液返回原料罐。在循环期间，每间隔一定时间采样，进行活菌数量检测。原料在系统内连续循环7h，实验结果见表2。
从表2中数据可见，原料在系统中循环的时间对活菌数影响不明显。在膜过滤系统中，影响菌体活性的主要因素有泵的剪切力、膜管的剪切力、设备内表面摩擦力和进出口压力差，原料在系统中循环的时间越长，这些因素的作用应越显著，菌体受到的损害越大。7h循环实验表明陶瓷膜过滤系统对菌体的活性影响较小。
2.2操作参数对膜过滤的影响
2.2.1过膜压力对过滤通量的影响
恒定过滤温度在23～25℃，切向流速为5m/s，待系统稳定后调定过膜压力，记录过滤通量和过膜压力的数值。过滤通量与过膜压力关系见图1。
由图1可知，当过膜压力低于0.75bar时，膜柱的过滤通量随过膜压力的增加而增高，当过膜压力高于0.75bar后，过滤通量随过膜压力升高而下降。
实验表明过滤压力提高到一定数值后膜污染趋势增快，致使过滤通量降低。
2.2.2浓缩倍数与过滤通量的关系
取170L原料过滤浓缩，原料湿重3%(w/w)，原料pH値4133～4135，过滤温度23～25℃，切向流速5m/s，过膜压力恒定在已确定的数值0.75bar。在过滤浓缩过程中，每滤出20L料液，记录过滤通量和滤出液体积，计算原料浓缩倍数。浓缩倍数和过滤通量的关系见图2。
由图2可见，在23～25℃温度、切向流速为5m/s、恒压0.75bar条件下过滤，随着浓缩倍数的增高过滤通量迅速下降，然后趋于稳定。产生这种现象的原因是发酵液中存在着大量的细胞碎片、蛋白和糖等物质，高分子物质和胶体物质在膜表面被截留形成凝胶层，造成过滤膜污染，使过滤通量迅速下降。
2.2.3膜过滤浓缩的效果
在23～25℃温度、切向流速为5m/s、恒压0.75bar条件下过滤，分别对原料液、5倍浓缩液及透过液取样，进行活菌计数、OD値和pH値检测，采集发酵罐内静置相同时间的原料作对照，记录膜浓缩前后料液特性数据，检查陶瓷膜对菌体的拦截效率。结果见表3。
从表3实验数据得到，100nm陶瓷膜对菌体的拦截效率达到99%以上。
2.3陶瓷膜的清洗
选择几种化学清洗剂清洗污染的过滤膜，测定清洗后净水通量值，考查膜通量的恢复情况。通过实验确定了陶瓷膜的清洗方法:在60℃条件下，用清水冲洗系统。关闭滤出阀，用2%的氢氧化钠和0.5%的次氯酸钠混合溶液循环清洗40min。打开滤出阀，继续循环混合液20分钟，最后用水冲洗至中性。应用这种清洗方法可使膜的恢复率稳定在原始净水通量的90%以上，有效清除膜表面污染物。
3结论
1)采用100nm精度的Membralox陶瓷膜过滤浓缩益生菌培养液，可有效拦截菌体，过滤过程对菌体的活性影响较小。
2)在操作温度23～25℃、切向流速5m/s、过膜压力0.75bar的条件下过滤浓缩益生菌培养液，可增高浓缩倍数。
3)采用以下清洗方法可使陶瓷膜水通量恢
