需要多级膜工艺：乳清分馏通常从超滤 (UF) 开始，以截留和浓缩蛋白质，随后使用反渗透 (RO)、渗滤或两者结合处理富含乳糖的渗透液。如果后续对物流进行发酵，微滤 (MF) 可去除细胞，而电渗析、离子交换和碳吸附则提供进一步的脱盐和脱色。
该工艺应设计为一系列选择性单元操作，每个膜阶段都为下一个阶段产生受控的进料。膜处理基于尺寸的主要分离，而电渗析、离子交换和吸附则实现膜本身无法可靠提供的离子和颜色规格。
为什么单级膜是不够的
复杂的物流包含不同的成分类别
乳清含有蛋白质、乳糖、矿物盐、水、微生物和成色化合物。这些成分在分子大小、电荷和化学行为上各不相同，因此没有任何单一膜能够以高纯度有效地回收每一种组分。
每个阶段必须保护下一个阶段
在开始更精细的纯化之前，第一次分离应去除或浓缩最大的有价值组分。这减轻了下游膜的负荷，并提高了后续产品的质量和回收率。
产品纯度需要的不仅仅是尺寸排阻
膜过滤对于按尺寸分离成分是有效的，但盐分、离子杂质、颜色和某些溶解的污染物可能需要电驱动分离、选择性树脂或吸附。
推荐的乳清分馏配置
第 1 阶段：用于蛋白质回收的超滤
工艺从超滤开始，它截留乳清蛋白，同时允许大部分乳糖、水和溶解的矿物质通过。
UF 截留液被浓缩成乳清蛋白浓缩物或相关的富含蛋白质的产品。UF 渗透液成为富含乳糖和矿物质的物流，用于单独处理。
第 2 阶段：用于蛋白质洗涤的渗滤
当需要从蛋白质截留液中进一步去除乳糖和矿物质时，可以将渗滤与 UF 集成。在连续去除渗透液的同时向截留液中加水，从而通过膜洗掉较小的溶质。
这产生了一种更纯净的蛋白质组分，而无需依赖单独的大规模分离步骤。
第 3 阶段：用于乳糖物流浓缩的 RO
富含乳糖的 UF 渗透液可以通过反渗透进行处理，以去除水分并浓缩溶解固体。RO 主要是一种浓缩操作，而不是完全脱盐步骤。
RO 浓缩液可以提高后续乳糖回收或发酵的效率，而 RO 渗透液是一种固体含量相对较低的水流，经核实后可能适合回用。
第 4 阶段：发酵（如适用）
如果乳糖物流进行生物转化，发酵应在适合生物体和产品的上游浓缩和调节步骤之后进行。
所得发酵液包含所需的产物以及细胞、残留营养物质、盐分和其他溶解化合物。该发酵液需要一套新的澄清和纯化程序。
第 5 阶段：用于细胞去除的微滤
微滤（在适当情况下使用约 0.45 微米的标称孔径）可以从发酵液中去除微生物细胞和悬浮固体。
MF 渗透液包含溶解的产物和较小的杂质。MF 截留液包含浓缩的细胞和截留的颗粒物，根据工艺的不同，这些物质可以被回收、循环利用或丢弃。
第 6 阶段：用于离子脱盐的电渗析
电渗析利用离子选择性膜和外加电场去除带电物质。因此，它适用于在澄清后降低溶解的离子含量。
它在 MF 之后的位置有助于防止悬浮固体和细胞污染电渗析堆。所需的脱盐程度取决于产品规格和下游工艺。
第 7 阶段：用于精制的离子交换
离子交换为残留的离子杂质提供了更具选择性的精制步骤。当大部分盐负荷已经降低时，它可以放置在电渗析之后。
过早使用离子交换会增加树脂消耗和再生需求。树脂的选择和操作顺序还必须考虑产品结合、pH 值和竞争离子。
第 8 阶段：用于脱色的碳吸附
活性炭吸附可以去除膜过滤或离子分离无法充分去除的色体和某些溶解的有机杂质。
应控制碳处理以限制产品损失。在产品回收之前，可能需要最后的澄清或过滤步骤来去除细碳粉。
如何布置中试工厂
使用独立但可连接的膜模块
实用的中试工厂应包括带有可配置泵、压力控制、进料罐、渗透液收集和截留液循环的独立 UF、RO 和 MF 模块。
这允许每个阶段独立测试，然后按顺序连接，而无需固定在一种操作条件下。
为每个物流提供专用收集装置
工厂应分别收集 UF 截留液和渗透液、RO 浓缩液和渗透液以及 MF 截留液和渗透液。这些物流是潜在的产品、循环物流或废物流，其组成决定了工艺是否具有经济可行性。
在阶段之间包括调节
级间调节可能包括稀释、pH 调节、温度控制、固体去除或浓度调节。这些控制很重要，因为膜通量、选择性、污染和产品稳定性在很大程度上取决于进料条件。
测量质量平衡和产品质量
中试系统应跟踪流量、压力、温度、电导率、总固体、蛋白质、乳糖、矿物质含量、颜色以及相关的微生物或发酵指标。
只有当一个阶段提高了整体组分回收率和纯度，而不仅仅是产生高渗透通量时，它才是成功的。
理解权衡
更高的纯度可能会降低回收率
剧烈的渗滤、脱盐或吸附可能会提高纯度，同时将有价值的产品转移到废物或侧流中。因此，必须同时优化回收率和纯度。
膜污染可能主导性能
蛋白质、细胞、胶体和色体可能会污染膜并降低通量。预处理、错流操作、清洁规程和真实的进料测试对于建立稳定的性能是必要的。
RO 和电渗析具有不同的作用
RO 通过优先去除水来浓缩物流。电渗析去除带电物质，因此将它们视为可互换的操作可能会导致工艺设计不完整。
更多的阶段增加了复杂性
多级工厂需要额外的泵、罐、控制装置、清洁程序和分析监控。只有当每个阶段对产品价值或工艺稳定性做出可衡量的贡献时，增加的复杂性才是合理的。
精制过程中可能会出现产品损失
离子交换和碳吸附不仅可以去除杂质，还可以去除目标分子。在指定全尺寸设备之前，需要进行穿透监测、树脂选择、吸附测试和回收率研究。
为您的目标做出正确的选择
正确的设置取决于哪个组分是主要产品以及它必须满足什么纯度规格。
- 如果您的主要重点是蛋白质回收：使用 UF 作为主要的浓缩步骤，并在需要从蛋白质截留液中去除乳糖和矿物质时添加渗滤。
- 如果您的主要重点是乳糖浓缩：用 RO 处理 UF 渗透液，并在需要较低盐含量时使用渗滤或合适的下游脱盐步骤。
- 如果您的主要重点是发酵产品：在发酵后放置 MF 以去除细胞，然后根据离子和颜色规格进行电渗析、离子交换和碳吸附。
- 如果您的主要重点是工艺开发：使用带有独立膜阶段、完整物流收集、级间调节和组分级质量平衡分析的模块化中试工厂。
设计良好的分馏工艺为每个膜和精制操作分配一个特定的分离任务，从而实现高回收率和高纯度，而无需强迫单一单元操作解决整个物流化学问题。
总结表：
| 工艺阶段 | 主要功能 | 主要产出或效益 |
|---|---|---|
| 超滤 (UF) | 截留并浓缩蛋白质 | 富含蛋白质的截留液和富含乳糖的渗透液 |
| 渗滤 | 从蛋白质中洗掉乳糖和矿物质 | 更高纯度的蛋白质组分 |
| 反渗透 (RO) | 去除水并浓缩溶解固体 | 浓缩的乳糖物流 |
| 发酵 | 将乳糖转化为目标产物 | 发酵液 |
| 微滤 (MF) | 去除细胞和悬浮固体 | 澄清的产品物流 |
| 电渗析 | 降低溶解的离子含量 | 脱盐物流 |
| 离子交换 | 精制残留的离子杂质 | 更高纯度的产品 |
| 碳吸附 | 去除色体和溶解的有机物 | 脱色产品物流 |
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