膜技術(shù)在綠色生物制造中的應(yīng)用

齊本坤，陳向榮，蘇儀，沈飛，羅建泉，萬(wàn)印華

中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所，生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190

膜技術(shù)在綠色生物制造中的應(yīng)用

齊本坤，陳向榮，蘇儀，沈飛，羅建泉，萬(wàn)印華

中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所，生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190

生物制造是我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，但生物制造過(guò)程中普遍存在著產(chǎn)物抑制、產(chǎn)物濃度低且成分復(fù)雜、廢水排放量大等問(wèn)題。膜分離技術(shù)應(yīng)用于生物制造過(guò)程，可有效解決生物制造過(guò)程中所面臨的上述問(wèn)題。重點(diǎn)介紹了筆者研究團(tuán)隊(duì)將膜技術(shù)應(yīng)用于綠色生物制造領(lǐng)域所取得的研究進(jìn)展，包括高性能滲透汽化優(yōu)先透醇分離膜的研制與規(guī)?；苽浼夹g(shù)，高效旋轉(zhuǎn)膜生物反應(yīng)器的研制，分別實(shí)現(xiàn)了乙醇/丁醇發(fā)酵-滲透汽化分離耦合和乳酸發(fā)酵-旋轉(zhuǎn)膜分離耦合，有效降低了產(chǎn)物抑制，大幅提高了發(fā)酵效率；開發(fā)了周期性換向-脈沖沖刷膜污染控制技術(shù)，成功應(yīng)用于醬油等調(diào)味品的傳統(tǒng)發(fā)酵行業(yè)，顯著提高了產(chǎn)品品質(zhì)，大幅降低了能耗和水耗。以上成果充分顯示膜分離技術(shù)在綠色生物制造中有著廣闊的應(yīng)用前景。

生物制造；膜分離；發(fā)酵-分離耦合；醬油精制

生物制造是利用細(xì)胞（微生物、動(dòng)植物細(xì)胞）或酶以可再生的生物質(zhì)為原料生產(chǎn)生物能源、生物材料、大宗化學(xué)品和精細(xì)化學(xué)品等重大或重要產(chǎn)品的技術(shù)，具有高效、綠色、低碳、可持續(xù)等特征[1-2]。生物制造是我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。但是在生物制造過(guò)程中，還存在著一些亟需解決的問(wèn)題[3]。①大多數(shù)生物催化過(guò)程是間歇催化，導(dǎo)致無(wú)法機(jī)械化和自動(dòng)化，人工成本高，產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定。②生物產(chǎn)品成分復(fù)雜，目標(biāo)產(chǎn)物分離純化困難。③生物催化過(guò)程存在嚴(yán)重的產(chǎn)物反饋抑制，導(dǎo)致催化效率低，表現(xiàn)為原料利用率低和產(chǎn)物產(chǎn)量低。④有些生物制造過(guò)程產(chǎn)生的廢水量大、能耗高，節(jié)能減排壓力大。

膜分離技術(shù)應(yīng)用于生物制造過(guò)程，可有效解決生物制造過(guò)程中面臨的上述問(wèn)題。如生物催化-膜分離耦合不但可以降低產(chǎn)物反饋抑制，提高催化效率，而且還能實(shí)現(xiàn)細(xì)胞或酶的循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作；高性能的膜產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)發(fā)酵目標(biāo)產(chǎn)物的分離和濃縮；膜分離技術(shù)還可對(duì)生物制造過(guò)程產(chǎn)生的廢水進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)水的回用，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

多年來(lái)，筆者研究團(tuán)隊(duì)在高效生物分離膜制備、膜過(guò)程強(qiáng)化與污染控制、新型高效膜分離裝備研制和膜技術(shù)的集成與應(yīng)用方面開展了較為系統(tǒng)的研究工作，下面重點(diǎn)介紹研究團(tuán)隊(duì)將膜分離技術(shù)應(yīng)用于綠色生物制造領(lǐng)域所取得的一些重要進(jìn)展。

1 膜技術(shù)在乙醇、丁醇和乳酸發(fā)酵中的應(yīng)用

有機(jī)醇和有機(jī)酸發(fā)酵工業(yè)是生物制造領(lǐng)域中一個(gè)重要且較為成熟的分支，以微生物發(fā)酵法生產(chǎn)且達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的有機(jī)醇和有機(jī)酸產(chǎn)品已達(dá)10多種。在有機(jī)醇和有機(jī)酸的工業(yè)發(fā)酵過(guò)程中，產(chǎn)物有機(jī)醇和有機(jī)酸對(duì)發(fā)酵菌種的生長(zhǎng)和代謝有著明顯的抑制作用，導(dǎo)致產(chǎn)物發(fā)酵產(chǎn)率降低[4]。發(fā)酵-分離耦合技術(shù)是在發(fā)酵過(guò)程中將發(fā)酵產(chǎn)物從發(fā)酵液中原位快速移除的技術(shù)，本質(zhì)上是發(fā)酵和分離兩個(gè)過(guò)程的原位耦合實(shí)現(xiàn)過(guò)程強(qiáng)化，能在發(fā)酵的同時(shí)移除產(chǎn)物，從而減輕或降低發(fā)酵產(chǎn)物對(duì)發(fā)酵微生物的抑制，提高發(fā)酵效率[5-6]。在有機(jī)醇和有機(jī)酸發(fā)酵過(guò)程中采用的發(fā)酵-分離耦合技術(shù)包括發(fā)酵-溶劑萃取分離耦合（以油酸、叔胺等為萃取劑）、發(fā)酵-吸附分離耦合（以離子交換樹脂、活性炭等為吸附分離介質(zhì)）、發(fā)酵-膜分離耦合（以微濾、超濾、滲透汽化等分離膜為分離介質(zhì)）等[7]。有機(jī)醇中的乙醇和丁醇發(fā)酵是研究揮發(fā)性有機(jī)物發(fā)酵與分離耦合的樣板體系，而有機(jī)酸中的乳酸發(fā)酵則是研究非揮發(fā)性產(chǎn)物發(fā)酵與分離耦合的樣板體系。

1.1 發(fā)酵-滲透汽化膜分離耦合生產(chǎn)乙醇和丁醇

生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)生物燃料乙醇和丁醇已成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)，但是由于發(fā)酵產(chǎn)物乙醇和丁醇對(duì)微生物的毒性作用[8]，造成生物乙醇發(fā)酵中，乙醇濃度僅約10%[9]，生物丁醇發(fā)酵中，丁醇濃度僅為1%左右[10]。由于乙醇和丁醇產(chǎn)物濃度低，造成后續(xù)蒸餾過(guò)程的能耗偏高，成為影響乙醇和丁醇經(jīng)濟(jì)性的重要因素。將發(fā)酵與汽提、吸附、萃取和滲透汽化等分離方法耦合，不但能移除乙醇或丁醇，降低產(chǎn)物抑制，還能實(shí)現(xiàn)乙醇或丁醇的濃縮，降低后續(xù)蒸餾成本，一舉兩得[11]。同時(shí)，由于滲透汽化法具有能耗低、分離效率高、對(duì)微生物無(wú)毒害等優(yōu)點(diǎn)，成為構(gòu)造乙醇/丁醇發(fā)酵-分離耦合系統(tǒng)中重要的分離技術(shù)。

1.1.1 滲透汽化優(yōu)先透有機(jī)物膜的研發(fā)與規(guī)?；苽?/p>

滲透汽化優(yōu)先透有機(jī)物膜在生物乙醇、丁醇以及揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的去除和回收中有著廣闊的應(yīng)用前景[12]。制備高性能、抗污染的滲透汽化膜是進(jìn)行耦合發(fā)酵的前提和基礎(chǔ)。市售的滲透汽化膜產(chǎn)品多由歐美發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)，品種少，價(jià)格昂貴，這類膜產(chǎn)品主要是有機(jī)高分子膜，對(duì)壓力、溫度和有機(jī)溶劑的穩(wěn)定性差；無(wú)機(jī)膜材料能克服上述缺點(diǎn)，但成本高，大規(guī)模制備困難。有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化膜材料集有機(jī)膜材料和無(wú)機(jī)膜材料兩者的優(yōu)點(diǎn)為一體，性能優(yōu)異，是制備滲透汽化優(yōu)先透有機(jī)物膜的不二之選。

圍繞有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化滲透汽化優(yōu)先透有機(jī)物膜的研制，筆者研究團(tuán)隊(duì)[13-15]通過(guò)對(duì)有機(jī)硅材料和無(wú)機(jī)納米材料的分子設(shè)計(jì)和表面改性，在有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料之間引入穩(wěn)定的共價(jià)連接，實(shí)現(xiàn)有機(jī)、無(wú)機(jī)材料的化學(xué)鍵合，解決了有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料相容性差的技術(shù)難題，提高了無(wú)機(jī)材料在有機(jī)相中的填充量和均勻分散程度，從而減少了制膜缺陷，獲得通量、選擇性和耐溶劑性俱佳且穩(wěn)定性好的滲透汽化優(yōu)先透有機(jī)物膜；并自行設(shè)計(jì)研發(fā)了寬幅500mm 的制膜設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了滲透汽化優(yōu)先透有機(jī)物膜的放大制備（圖1）。制備的均質(zhì)膜在50℃條件下對(duì)5%的乙醇水溶液的分離因子為26～32，通量為160～220g/（m2·h）；對(duì)1%的丁醇水溶液的分離因子為143，通量為220g/（m2·h）。制備的復(fù)合膜在50℃條件下對(duì)5%的乙醇水溶液的通量大于1000g/（m2·h）；在70℃條件下，對(duì)1% 的丁醇水溶液的分離因子達(dá)70，通量超過(guò)1300g/（m2·h）。

1.1.2 發(fā)酵-滲透汽化耦合生產(chǎn)乙醇和丁醇

筆者研究團(tuán)隊(duì)在成功研制出高性能滲透汽化優(yōu)先透有機(jī)物膜的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其應(yīng)用于燃料乙醇和丁醇的發(fā)酵-分離耦合生產(chǎn)研究中，設(shè)計(jì)構(gòu)建了中試規(guī)模的發(fā)酵-滲透汽化耦合裝置（圖2），開展了乙醇/丁醇發(fā)酵-滲透汽化耦合工藝的中試放大試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，乙醇/丁醇發(fā)酵-滲透汽化耦合過(guò)程大幅降低了乙醇/丁醇對(duì)發(fā)酵微生物的反饋抑制，提高了乙醇/丁醇產(chǎn)量和原料轉(zhuǎn)化率，簡(jiǎn)化了提取過(guò)程，縮短了生產(chǎn)周期。與間歇發(fā)酵相比，耦合發(fā)酵的乙醇體積產(chǎn)率從2.31g/（L·h）提高到4.82g/（L·h），提高了1倍以上，并可在線獲得568g/L的乙醇濃縮液[16]。以木薯為發(fā)酵底物進(jìn)行了304h的丁醇連續(xù)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，與常規(guī)的分批發(fā)酵相比，底物消耗速率、總產(chǎn)率和總轉(zhuǎn)化率分別提高了58%、81% 和15%，滲透液中丁醇濃度高達(dá)122.4g/L，經(jīng)相分離后，有機(jī)相中丁醇濃度可達(dá)501.1g/L[17]。據(jù)初步估算，利用連續(xù)發(fā)酵-滲透汽化集成技術(shù)生產(chǎn)ABE（丙酮-丁醇-乙醇），能夠降低生產(chǎn)成本12%，降低能耗70%。

圖1 幅寬500mm規(guī)?；ぶ圃煸O(shè)備和膜產(chǎn)品

1.2 發(fā)酵-膜分離耦合生產(chǎn)乳酸

乳酸是一種重要的有機(jī)酸，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域。在乳酸發(fā)酵-膜分離耦合過(guò)程中，膜分離不但能連續(xù)移除乳酸，而且還能截留細(xì)胞和培養(yǎng)基中的大部分蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)組分，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞高密度培養(yǎng)和培養(yǎng)基的充分利用，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[18]。但是發(fā)酵-膜分離耦合也存在一個(gè)很突出的缺陷即膜污染，造成耦合過(guò)程中膜通量下降迅速，嚴(yán)重阻礙發(fā)酵-膜分離耦合的工業(yè)化應(yīng)用。

動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)膜通過(guò)膜自身旋轉(zhuǎn)獲得的膜面剪切力強(qiáng)化膜面湍流程度，從而達(dá)到有效降低膜污染、提高膜分離效率的目的。一方面能有效降低系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)料液循環(huán)流量的依賴，同時(shí)獲得強(qiáng)化的膜面湍流程度，另一方面可將跨膜驅(qū)動(dòng)力與循環(huán)流量解耦合，提高過(guò)程的可操控性，特別適用于高黏度物料的分離與濃縮。目前，筆者研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并研制了單軸、雙軸、多軸交叉等多種型式與規(guī)模的旋轉(zhuǎn)膜分離裝置以及動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)膜生物反應(yīng)器。開發(fā)的10L規(guī)模全自動(dòng)衛(wèi)生級(jí)旋轉(zhuǎn)膜生物反應(yīng)器（圖3）成功應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的乳酸發(fā)酵生產(chǎn)，乳酸發(fā)酵強(qiáng)度高達(dá)1.3g/（L·h），是間歇發(fā)酵平均強(qiáng)度的近10倍；與常規(guī)錯(cuò)流式的膜分離耦合技術(shù)相比，乳酸發(fā)酵強(qiáng)度提高了1.5～4.0倍[19]。這為膜生物反應(yīng)器在乳酸生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)和裝備保證，同時(shí)相關(guān)技術(shù)也為其他發(fā)酵產(chǎn)品的高效率生產(chǎn)提供了借鑒。

圖2 中試規(guī)模的發(fā)酵-滲透汽化膜分離耦合裝置

圖3 10L規(guī)模全自動(dòng)衛(wèi)生級(jí)旋轉(zhuǎn)膜生物反應(yīng)器

2 膜技術(shù)提升傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平

膜分離技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生物產(chǎn)品的分離過(guò)程，特別是固液分離、發(fā)酵液澄清等。然而，由于發(fā)酵液成分復(fù)雜，有效控制膜污染是提高膜過(guò)程經(jīng)濟(jì)性、實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。以我國(guó)傳統(tǒng)發(fā)酵食品醬油為例，利用超濾技術(shù)能實(shí)現(xiàn)醬油除菌除濁同步完成，無(wú)需熱力殺菌，并能保存醬油的風(fēng)味，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但在工業(yè)化應(yīng)用過(guò)程中，受自動(dòng)化程度低、運(yùn)行成本高、膜污染嚴(yán)重等因素的制約，醬油超濾這一先進(jìn)工藝并未在我國(guó)醬油生產(chǎn)企業(yè)中體現(xiàn)出明顯的成本優(yōu)勢(shì)。筆者研究團(tuán)隊(duì)與廣東省佛山市海天調(diào)味食品股份有限公司（簡(jiǎn)稱海天公司）合作，圍繞提高過(guò)程效率、降低過(guò)程成本的目標(biāo)，提出采用高效膜技術(shù)對(duì)醬油產(chǎn)品精制提質(zhì)，解決了醬油超濾過(guò)程中膜污染嚴(yán)重、過(guò)濾效率低、膜使用壽命短、能耗高等難題，極大地提高了我國(guó)醬油產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

2.1 膜污染控制技術(shù)——周期性換向-脈沖沖刷技術(shù)

醬油是一種成分復(fù)雜、黏度較高的發(fā)酵液。醬油超濾過(guò)程中膜污染嚴(yán)重，如何降低和調(diào)控膜分離過(guò)程中的污染是膜技術(shù)成功應(yīng)用于醬油精制的關(guān)鍵。針對(duì)醬油特點(diǎn)及生產(chǎn)需要，筆者研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了新型的周期性換向-脈沖沖刷膜污染控制技術(shù)[20]。一方面，通過(guò)周期性開啟和關(guān)閉透過(guò)液閥門，同時(shí)增大截留液側(cè)閥門，使料液大流量周期性脈沖沖刷膜表面，取得類似反洗的效果，但沒(méi)有引入外來(lái)反洗介質(zhì)，同時(shí)又避免了常規(guī)反洗技術(shù)可能對(duì)膜產(chǎn)生的損害，完全克服了反洗固有的缺陷。另一方面，通過(guò)交替地改變?cè)弦涸谀っ娴牧鲃?dòng)方向，利用系統(tǒng)流體力學(xué)優(yōu)化控制亦可降低膜污染，實(shí)現(xiàn)膜過(guò)程的高效運(yùn)行。其原理是原料液從膜組件進(jìn)料口進(jìn)入，回流濃縮液從出料口流出。這時(shí)，進(jìn)料口端壓力高，膜的進(jìn)料口端因過(guò)濾速度快，污染逐漸加重，而回流濃縮液出口壓力則較低，相應(yīng)的膜污染較輕。當(dāng)過(guò)濾進(jìn)行一段時(shí)間后，通過(guò)閥門切換，原液和回流濃縮液的方向進(jìn)行倒換。原液從污染較輕的出料口進(jìn)入，出料口端壓力高，過(guò)濾主要在出料口端進(jìn)行，進(jìn)料口端壓力較低，回流濃縮液迅速通過(guò)，對(duì)污染較重的進(jìn)料口端膜表面進(jìn)行沖刷，污染物脫落，膜的性能得以恢復(fù)。通過(guò)周期性切換閥門使膜組件料液進(jìn)口循環(huán)變換，在過(guò)濾的同時(shí)對(duì)膜面進(jìn)行更有效的沖刷清洗，使膜一直保持在較好的狀態(tài)下運(yùn)行。

在調(diào)味品和果汁的膜過(guò)濾過(guò)程中，通過(guò)對(duì)比錯(cuò)流、換向流和周期性換向-脈沖沖刷技術(shù)3種操作模式，發(fā)現(xiàn)采用周期性換向-脈沖沖刷技術(shù)，膜過(guò)濾通量較錯(cuò)流提高25%～32%，較換向流提高12%～17%（表1），充分顯示出該膜污染控制技術(shù)的良好效果。

表1 周期性換向-脈沖沖刷膜污染控制技術(shù)與錯(cuò)流及換向流技術(shù)對(duì)比

2.2 醬油超濾新技術(shù)的應(yīng)用

為充分發(fā)揮膜分離技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合醬油生產(chǎn)的特點(diǎn)，筆者研究團(tuán)隊(duì)以“臨界通量”理論為指導(dǎo)，開發(fā)了膜過(guò)程優(yōu)化技術(shù)、膜過(guò)程控制技術(shù)以及膜清洗技術(shù)和工藝，并成功應(yīng)用于高品質(zhì)醬油的生產(chǎn)，先后投資建成了2.5萬(wàn)噸/年、7.5萬(wàn)噸/年和20萬(wàn)噸/年的醬油超濾裝置，目前產(chǎn)能達(dá)60萬(wàn)噸/年。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)運(yùn)行，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期水平。與改進(jìn)前的生產(chǎn)線相比，改進(jìn)后的超濾生產(chǎn)線節(jié)能80%，節(jié)水50%，優(yōu)品率提高5%，膜壽命提高2倍以上。新超濾生產(chǎn)線生產(chǎn)的醬油成品的產(chǎn)品透光率（澄清度）、沉淀物以及細(xì)菌總數(shù)3個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)均有顯著提高[21]，解決了醬油產(chǎn)品貨架期二次沉淀和微生物超標(biāo)的難題。2013～2015年，海天公司累計(jì)實(shí)現(xiàn)新增收入24.5億元，新增利潤(rùn)5.1億元，新增稅收2.4億元。

3 小 結(jié)

當(dāng)今，生物制造對(duì)世界經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益的貢獻(xiàn)日益突出，我國(guó)2016年8月發(fā)布的《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》更是明確指出綠色生物制造技術(shù)的目標(biāo)是“突破原料轉(zhuǎn)化利用率、生物工藝效率、生物制造成本等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，拓展工業(yè)原材料新來(lái)源和開發(fā)綠色制造新工藝，形成生物技術(shù)引領(lǐng)的工業(yè)和能源經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展新路線”。在生物制造過(guò)程中充分挖掘并利用膜技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)生物制造產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品品質(zhì)提升、節(jié)能減排、傳統(tǒng)工藝改造，為上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供有力保障。

發(fā)酵-膜分離耦合技術(shù)可在一定程度上解決生物制造過(guò)程中原料利用率低、催化效率低和產(chǎn)品分離成本高等問(wèn)題。有機(jī)酸和有機(jī)醇是兩大類重要的化工產(chǎn)品，本文選取生物燃料乙醇和丁醇作為代表的揮發(fā)性發(fā)酵產(chǎn)品，選取乳酸作為代表的非揮發(fā)性發(fā)酵產(chǎn)品，分別開展了乙醇/丁醇發(fā)酵-滲透汽化耦合、乳酸發(fā)酵-旋轉(zhuǎn)膜分離耦合的研究工作，制備了高性能的滲透汽化分離膜，研制了高性能的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)膜，大幅提高了發(fā)酵效率，降低了發(fā)酵成本。結(jié)合目前廣泛使用的發(fā)酵產(chǎn)品超濾澄清技術(shù)，以傳統(tǒng)發(fā)酵調(diào)味品醬油為研究對(duì)象，開發(fā)了周期性換向-脈沖沖刷膜污染控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了醬油超濾精制提質(zhì)的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，顯著改善了醬油的產(chǎn)品品質(zhì)，大幅提升了企業(yè)的技術(shù)水平。上述研究充分顯示了膜技術(shù)在生物制造過(guò)程中具有的得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，隨著此領(lǐng)域研究的不斷深入，必將有更多的膜技術(shù)應(yīng)用于生物制造工業(yè)化生產(chǎn)中，使生物制造過(guò)程更經(jīng)濟(jì)、更綠色，極大地促進(jìn)綠色生物制造的發(fā)展。

［1］ 關(guān)于印發(fā)“十二五”現(xiàn)代生物制造發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃的通知[EB/OL].（2011-12-02）[2017-09-04］. http：//www.most.gov.cn/tztg/201112/t20111209_91321.htm.

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Application of membrane separation technology in green biological manufacturing

QI Benkun，CHEN Xiangrong，SU Yi，SHEN Fei，LUO Jianquan，WAN Yinhua
State Key Laboratory of Biochemical Engineering, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

Biological manufacturing is the key development fi eld of China’s emerging industries of strategic importance.The main problems that biological manufacturing process faces include severe product inhibition, the low product concentration, complex fermentation broth and large amount of wastewater to be processed. Application of membrane separation in the biological manufacturing can address above challenges. This paper addresses research and development work conducted by our research team in the fi eld of the application of membrane separation technology in the biological manufacturing, including developments of the large-scale preparation technology of high performance pervaporation membrane and high ef fi cient dynamic rotary membrane bioreactor. The applications of pervaporation separation coupled with ethanol/butanol fermentation and dynamic rotary membrane bioreactor coupled with lactic acid production greatly reduce product inhibition and significantly increase the fermentation efficiency. The successful application of periodic reversal fl ow and impulse fl ushing in the traditional food fermentation industries like soy sauce production, substantially improves the product quality and greatly reduces water and energy consumption. Those demonstrate the promising prospects of membrane separation technology in the green biological manufacturing.

biological manufacturing; membrane separation; fermentation coupled with separation; soy sauce re fi ning

10.3969/j.issn.1674-0319.2017.06.010

萬(wàn)印華，研究員，現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所生化工程與裝備研究部主任，生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，中國(guó)生物工程學(xué)會(huì)副秘書長(zhǎng)，亞洲生物技術(shù)聯(lián)合會(huì)（AFOB）副秘書長(zhǎng)、常務(wù)理事。研究方向?yàn)楦咝し蛛x技術(shù)與應(yīng)用。擔(dān)任Journal of Water Process Engineering、《膜科學(xué)與技術(shù)》和《化學(xué)工程》等多個(gè)期刊編委。發(fā)表論文100余篇，獲中國(guó)發(fā)明專利授權(quán)28項(xiàng)，美國(guó)專利授權(quán)2項(xiàng)，多項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。獲2009年中國(guó)食品學(xué)會(huì)科技一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、 2013年中國(guó)石油和化工聯(lián)合會(huì)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、2014年中國(guó)科學(xué)院科技促進(jìn)發(fā)展獎(jiǎng)科技貢獻(xiàn)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。E-mail：yhwan@ipe.ac.cn

齊本坤，副研究員，研究方向?yàn)楦咝し蛛x技術(shù)及其應(yīng)用

國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目（2007AA02Z202，2012AA021202）