发酵工业：七大亮点开拓技术新领域

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膜技术作为一种新型的分离技术，由于其在分离过程中不涉及相变，无二次污染，又由于分离中具有生物膜浓缩富集的功能，同时它操作方便，结构紧凑，维修费用低，易于自动化，因而已在多种发酵产品的后处理过程中得到应用。用膜技术处理发酵液可根据物质分子量的大小去掉与目的产物分子量相差较大的各类杂质，提高发酵液质量，有利于后继工艺过程的进行，提高产品纯度和收率，减少溶剂消耗量，降低能耗。其中用的最多的是微滤、超滤、纳滤和反渗透。膜技术在发酵液后处理过程中的应用已进行了大量试验研究，有些已实现了工业化。其研究应用工作主要集中在抗生素、维生素、氨基酸、酶制剂等方面。

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抗生素的生产工艺大体分为发酵、过滤、浓缩和干燥四个过程。目前膜技术主要用于抗生素发酵液的澄清、产品的浓缩和脱盐以及废液中抗生素的浓缩。发酵法生产的抗生素原液中含 4%生物残渣，不定的盐分，约 0.1%~0.2%的抗生素。传统方法采用溶剂萃取从发酵液中加以分离，再对萃取液进行真空蒸发即得抗生素。但此法纯化和浓缩抗生素存在有机溶剂用量大，蒸发浓缩能耗高，操作环境差等缺点。纳滤膜可用两种途径回收和纯化抗生素：一种是先用溶剂萃取，再用纳滤膜浓缩，这一过程由于溶剂可循环利用，可节约 80%的成本；另一种是先用膜浓缩再用溶剂萃取，这一方法可大大提高萃取设备的生产能力，降低溶剂的用量。在抗生素的后处理过程中除纳滤膜用的较多外，超滤和反渗透也有较多应用。采用微滤膜除去青霉素 G 发酵液中的菌丝体，青霉素 G 的回收率可达 98%。采用超滤和纳滤的组合分离技术，纯化浓缩林可霉素发酵液，大大节省了溶媒和能源，缩短并优化了传统工艺路线，提高产品收率及质量。青霉素提炼过程中使用超滤膜分离技术可以去除蛋白质及其它大分子杂质，消除萃取时的乳化现象，提高萃取过程的收率。硫酸卡那霉素和头孢菌素 C 的发酵滤液使用合适的超滤膜进行处理，也取得了满意的结果。

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维生素 C（简称 VC）是发酵法生产维生素的典型产品。VC 是山梨醇在细菌作用下发酵形成制备 VC的中间体——2-酮基-L-古龙酸，古龙酸经提纯后进一步转化生产的。由于采用细菌发酵，发酵液中残留着菌丝体、蛋白质和悬浮微粒等杂质，采用超滤膜系统可以省去了预处理、加热、离心等工序，既降低了能耗，又提高了古龙酸的收率；用膜技术处理 VC发酵液已进行了大量的研究，并成功实现了工业化。

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氨基酸广泛应用于食品、医药工业以及作为动物饲料添加剂，此外还用作某些特殊化合物的合成中间体。目前大多数氨基酸均可利用微生物发酵法生产。在发酵法生产氨基酸工艺中，可选用超滤膜将产液中的酵母菌截留并回收利用，透过液经纳滤膜或反渗透膜进行浓缩，再经结晶法获得高纯度的氨基酸产品，同时节约菌种培养费和分离能耗。另外，用纳滤膜可将氨基酸生产中残液进行回收浓缩，既可提高产量，又可减少污染。

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酶是一种具有高度催化活性的特殊蛋白质。对工业生产的液体酶制剂，必须进行浓缩提纯。传统生产工艺是发酵、絮凝沉淀、过滤、溶剂萃取、真空蒸发、干燥，其生产过程能耗高、酶失活率高、收率低。常用酶制剂的分子质量在 10000~100000Dal 之间，这个范围恰好在超滤技术应用的范围之内。用膜技术对酶发酵液进行浓缩提纯，在常温下操作，减少了温度对酶制剂质量的影响，去掉了蒸发过程中的相变化，能耗低，操作简单，不用或少用溶剂，减少溶剂消耗量和溶剂回收费用。

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膜生物反应器(MembraneBioreactor,简称MBR),是由膜分离和生物处理结合而成的一种新型、高效的污水处理技术。膜分离技术最早应用于微生物发酵工业,随着膜材料和制膜技术的发展,其应用领域不断扩大,已经涉及到化工、电子、轻工、纺织、冶金、食品、石油化工和污水处理等多个领域。　　1 MBR技术在国外污水处理中的研究及应用　　膜分离技术在污水处理中的应用开始于20世纪60年代末#1969年美国的Smith等人首次将活性污泥法与超滤膜组件相结合用于处理城市污水的工艺研究,该工艺大胆地提出了用膜分离技术轴承取代常规活性污泥法中的二沉池,利用膜具有高效截留的物理特性,使生物反应器内维持较高的污泥浓度,在F/M低比值下工作,这样就可以使有机物尽可能地得到氧化降解,提高了反应器的去除效率,这就是MBR的最初雏形。　　进入20世纪70年代,有关MBR的研究进一步深入开展#1970年,Hardt等人使用完全混合生物反应器与超滤膜组合工艺处理生活污水,获得了 98%的COD去除率和100%去除细菌的结果。1971年,Bemberis等人在污水处理厂进行了MBR试验,取得了良好的试验结果。1978 年,Bhattacharyya等人将超滤膜用于处理城市污水,获得了非饮用回用水。1978年,Grethlein利用厌氧消化池与膜分离进行了处理生活污水的研究,BOD和TN的去除率分别为90%和75%。　　在这一时期,尽管各国学者对MBR工艺做了大量的研究工作,并获得了一定的研究成果,但是由于当时膜组件的种类很少,制膜工艺也不是十分成熟,膜的寿命通常很短,这就限制了MBR工艺长期稳定的运行,从而也就限制了MBR技术在实际工程中的推广应用。　　进入20世纪80年代以后,随着材料科学的发展与制膜水平的提高,推动了膜生物反应器技术的向前发展,MBR工艺也随之得到迅速发展。日本研究者根据本国国土狭小!地价高的特点对MBR技术进行了大力开发和研究,并在MBR技术的研究和开发上走在了前列,使MBR技术开始走向实际应用。

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20世纪90年代以后,MBR技术得到了最为迅猛的发展,人们对MBR在生活污水处理!工业废水　　20世纪的最后几年,人们围绕着膜生物反应器的关键问题进行了较多的研究,并取得了一些成果。有关膜生物反应器的研究从实验室小试!中试规模走向了生产性试验,应用MBR的中、小型污水处理厂也逐渐见诸报道。1998年初,欧洲第一座应用一体式膜生物反应器的生活污水处理厂在英国的Porlock建成运行,成为英国膜生物反应器技术的里程碑。　　本世纪初,人们对膜生物反应器的研究方兴未艾,使得该项技术正在逐渐趋于成熟。　　2 MBR技术在国内污水处理中的研究及应用　　我国对膜生物反应器的研究虽然起步较晚,但发展速度很快。1991年,芩运华对膜生物反应器的应用进行了综述,介绍了MBR在日本的研究状况,这是我国学者对膜生物反应器做的较早的报道。随后,江成璋等人进行了中空纤维超滤膜在生物技术中的应用研究。1995年,樊耀波将MBR用于石油化工污水净化的研究,研制出一套实验室规模的好氧分离式MBR。　　从1995年以来,我国对膜生物反应器污水处理技术的研究工作开始全面展开,多家科研院所进行了此方面的研究,清华大学、哈尔滨工业大学、中国科学院生态环境研究中心、天津大学、同济大学等对膜生物反应器的运行特性、膜通量的影响因素、膜污染的防止与清洗等方面做了大量细致的研究工作。2000年,顾平采用国产中空纤维膜对生活污水做了中试规模的MBR研究,结果表明：MBR工艺出水悬浮物为零,细菌总数优于饮用水标准,COD和氨氮的去除率都高于 95%,出水可直接回用。2001年,张立秋等对一体式MBR处理生活污水的主要设计参数HRT、SRT等进行了理论推导,为实际工程设计提供了参考,并对膜堵塞机理进行了深入研究探讨,提出了膜内部生物堵塞的存在。

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虽然,我国在MBR技术的研究探讨方面取得了显著的成绩,但是同日本、英国、美国等国家相比,我国的研究试验水平还比较落后,由于国产膜组件的种类较少, 膜质量较差,寿命通常较短,因此在实际应用中存在一定的问题。虽然在我国膜生物反应器用于处理生活污水已有应用,但到目前为止,设计完善、运行良好的应用膜生物反应器的生活污水处理厂还未见报道。　　3 MBR工艺的分类　　膜生物反应器主要是由膜组件和生物反应器两部分组成#根据膜组件与生物反应器的组合方式可将膜生物反应器分为以下三种类型:分置式膜生物反应器、一体式膜生物反应器和复合式膜生物反应器。　　3.1 分置式膜生物反应器　　分置式膜生物反应器是指膜组件与生物反应器分开设置,相对独立,膜组件与生物反应器通过泵与管路相连接#分置式膜生物反应器的工艺流程如图1所示。　　该工艺膜组件和生物反应器各自分开,独立运行,因而相互干扰较小,易于调节控制,而且,膜组件置于生物反应器之外,更易于清洗更换#但其动力消耗较大,加压泵提供较高的压力,造成膜表面高速错流,延缓膜污染,这是其动力费用大的原因,每吨出水的能耗为2~10kWh,约是传统活性污泥法能耗的 10~20倍,因此能耗较低的一体式膜生物反应器的研究逐渐得到了人们的重视。

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3.2 一体式膜生物反应器　　一体式膜生物反应器起源于日本,主要用于处理生活污水,近年来,欧洲一些国家也热衷于它的研究和应用#一体式膜生物反应器是将膜组件直接安置在生物反应器内部,有时又称为淹没式膜生物反应器(SMBR),依靠重力或水泵抽吸产生的负压或真空泵作为出水动力#一体式膜生物反应器工艺流程如图2所示。该工艺由于膜组件置于生物反应器之中,减少了处理系统的占地面积,而且该工艺用抽吸泵或真空泵抽吸出水,动力消耗费用远远低于分置式膜生物反应器,每吨出水的动力消耗约是分置式的1/10。如果采用重力出水,则可完全节省这部分费用。但由于膜组件浸没在生物反应器的混合液中,污染较快,而且清洗起来较为麻烦, 需要将膜组件从反应器中取出。 　　 3.3 复合式膜生物反应器　　复合式膜生物反应器也是将膜组件置于生物反应器之中,通过重力或负压出水,但生物反应器　　的型式不同#复合式MBR,是在生物反应器中安装填料,形成复合式处理系统, 　　在复合式膜生物反应器中安装填料的目的有两个：一是提高处理系统的抗冲击负荷,保证系统的处理效果;二是降低反应器中悬浮性活性污泥浓度,减小膜污染的程度,保证较高的膜通量。　　复合式膜生物反应器中,由于填料上附着生长着大量微生物,能够保证系统具有较高的处理效果并有抵抗冲击负荷的能力,同时又不会使反应器内悬浮污泥浓度过高,影响膜通量。　　4 MBR工艺的特点　　4.1 对污染物的去除效率高　　MBR对悬浮固体(SS)浓度和浊度有着非常良好的去除效果。由于膜组件的膜孔径非常小(0.01~1µm),可将生物反应器内全部的悬浮物和污泥都截留下来,其固液分离效果要远远好于二沉池,MBR对SS的去除率在99%以上,甚至达到100%;浊度的去除率也在90%以上,出水浊度与自来水相近。　　由于膜组件的高效截留作用,将全部的活性污泥都截留在反应器内,使得反应器内的污泥浓度可达到较高水平,最高可达40~50g/L。这样,就大大降低了生物反应器内的污泥负荷,提高了MBR对有机物的去除效率,对生活污水COD的平均去除率在94%以上,BOD的平均去除率在96%以上。　　同时,由于膜组件的分离作用,使得生物反应器中的水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)是完全分开的,这样就可以使生长缓慢、世代时间较长的微生物(如硝化细菌)也能在反应器中生存下来,保证了MBR除具有高效降解有机物的作用外,还具有良好的硝化作用。研究表明,MBR在处理生活污水时, 对氨氮的去除率平均在98%以上,出水氨氮浓度低于1mg/L。　　此外,选择合适孔径的膜组件后,MBR对细菌和病毒也有着较好的去除效果,这样就可以省去传统处理工艺中的消毒工艺,大大简化了工艺流程。　　另外,在DO浓度较低时,在菌胶团内部存在缺氧或厌氧区,为反硝化创造了条件。仅采用好氧MBR工艺,虽然对TP的去除效率不高,但如果将其与厌氧进行组合,则可大大提高TP的去除率。研究表明,采用A/O复合式MBR工艺,对TP的去除率可达70%以上。　　4.2 具有较大的灵活性和实用性　　在城市污水或工业废水处理中,传统的处理工艺(格栅+沉砂池+初沉池+曝气池+二沉池+消毒池)流程较长,占地面积大,而出水水质又不能保证。而 MBR工艺(筛网过滤+MBR)则因流程短、占地面积小!处理水量灵活等特点,而呈现出明显优势#MBR的出水量根据实际情况,只需增减膜组件的片数就可完成产水量调整,非常简单、方便。　　对于传统的活性污泥法工艺中出现的污泥膨胀现象,MBR由于不用二沉池进行固液分离,可以轻松解决。这样,就大大减轻了管理操作的复杂程度,使优质!稳定的出水成为可能。　　同时,MBR工艺非常易于实现自动控制,提高了污水处理的自动化水平。　　4.3 解决了剩余污泥处置难的问题　　剩余污泥的处置问题,是污水处理厂运行好坏的关键问题之一#MBR工艺中,污泥负荷非常低,反应器内营养物质相对缺乏,微生物处在内源呼吸区,污泥产率低,因而使得剩余污泥的产生量很少,SRT得到延长,排除的剩余污泥浓度大,可不用进行污泥浓缩,而直接进行脱水,这就大大节省了污泥处理的费用。有研究得出,在处理生活污水时,MBR最佳的排泥时间在35d左右。　　由上述可知,MBR工艺所具有的优越性,是目前其他处理工艺无法比拟的#该工艺在城市污水或生活污水处理!高浓度有机废水、难降解有机废水以及中水回用等方面都具有广阔的应用前景。