發酵工藝中濾芯的應用與選型分析

在現代生物發酵工業中，過濾技術是保障發酵過程無菌、高效、穩定運行的關鍵環節之一。濾芯作為發酵系統中空氣、液體及蒸汽過濾的核心部件，其材質、結構與性能直接影響發酵產物的質量、收率及生產安全。根據不同的過濾對象和工藝需求，發酵工藝中常用的濾芯類型主要包括空氣濾芯、液體過濾濾芯和蒸汽過濾濾芯，其選型需綜合考慮過濾介質、孔徑精度、化學兼容性、耐溫性及滅菌耐受性等因素。

一、發酵空氣濾芯：保障無菌通氣

發酵過程中，微生物的生長依賴于持續供給的無菌空氣。若空氣中含有雜菌、顆粒物或噬菌體，極易導致染菌，造成整批發酵失敗。因此，空氣濾芯是發酵罐系統中不可或缺的“第一道防線”。

常用材質及特點：

1. 聚四氟乙烯（PTFE）濾芯

○ 過濾精度：可達0.01–0.2μm，能100%截留0.02μm以上的噬菌體和細菌。

○ 疏水性強：適用于壓縮空氣、發酵氣體過濾，有效防止水分侵入導致濾芯失效。

○ 耐高溫高壓：可在121–125℃下承受多次蒸汽滅菌（≥50次循環），耐壓可達4.0MPa。

○ 應用場景：廣泛用于制藥、生物工程等高要求領域，適用于生物反應器、儲罐排氣等。

2. 聚醚砜（PES）濾膜濾芯

○ 高孔隙率與大納污量：深層過濾結構可容納更多雜質，延長使用壽命。

○ 親水性設計：適合液體預過濾，也可用于空氣過濾的終端精濾。

○ 耐受性強：可反沖再生，支持高溫消毒，適用于pH 2–12的廣泛環境。

3. 聚偏氟乙烯（PVDF）濾芯

○ 化學穩定性優異：耐氧化、耐溶劑，適用于含有機溶劑或強氧化劑的氣體/液體過濾。

○ 可疏水可親水：膜材料經改良后可適應不同介質，常用于電子工業高純氣體與發酵蒸汽過濾。

4. 尼龍膜濾芯

○ 親水性好、化學相容性強：適用于食品、飲料及醫藥行業，能耐受H?O?和漂白劑清洗。

○ 無纖維脫落：釋出物極低，符合醫藥級標準。

結構設計優勢：

● 多層復合結構實現梯度過濾：外層長纖維無紡布增強強度，中間層細短纖維無紡布作為預過濾，內層平面導流網降低流阻，提升流速（可達4–6m/s）。

● 完整性測試要求高：起泡點壓力≥0.25MPa，確保無泄漏。

二、發酵液過濾濾芯：實現澄清與分離

發酵液成分復雜，含有菌體、蛋白質、多糖、代謝產物等，需通過微濾或超濾實現固液分離或目標產物富集。

常用類型：

1. 醋酸纖維素（CA）微濾膜濾芯

○ 成本低、蛋白吸附少，適用于食品發酵（如醬油、醋）等對成本敏感的場景。

○ 過濾精度通常為0.1–1.0μm，適合菌體去除與初步澄清。

2. 聚砜（PS）超濾膜濾芯

○ 化學穩定性高，耐受寬pH范圍和有機溶劑。

○ 孔徑0.001–0.1μm，用于分離大分子雜質，常作為預處理步驟，保護后續精濾系統。

3. PE燒結濾芯

○ 以超高分子量聚乙烯（UHMWPE）燒結而成，耐酸堿、耐溫（0–120℃），可反復反沖再生。

○ 過濾精度0.3–50μm，適用于高粘度發酵液的粗濾或中間過濾，廣泛用于制藥、釀酒業。

4. PGA系列折疊濾芯

○ 采用雙層超細纖維膜與進口支架，精度高、流量大、壓降低。

○ 純PP材質，化學兼容性好，適用于發酵液預過濾，經濟實用。

三、選型建議與應用策略

1. 按用途選擇濾芯類型：

○ 空氣過濾優先選用PTFE或PES濾芯，確保絕對除菌；

○ 液體過濾根據黏度和成分選擇CA、PS或PE燒結濾芯；

○ 蒸汽過濾推薦PVDF或PTFE材質，耐高溫且疏水。

2. 關注關鍵參數：

○ 過濾精度（0.01μm為除菌級標準）；

○ 最高工作溫度與壓力；

○ 滅菌耐受次數（建議≥30次）；

○ 完整性測試方法（如起泡點、擴散流測試）。

3. 系統集成與維護：

○ 采用多級過濾設計（初效+精濾），延長終端濾芯壽命；

○ 定期更換濾芯，避免壓差過高導致破損；

○ 優先選擇符合ISO標準接口的產品，確保安裝密封性。

四、總結

發酵工藝中的濾芯不僅是物理屏障，更是保障產品質量與生產安全的核心元件。從空氣除菌到發酵液澄清，從PTFE的高效截留到PE燒結濾芯的可再生性，不同材質與結構的濾芯各具優勢。合理選型、科學配置、規范維護，才能實現過濾效率與生產成本的最優平衡，助力發酵工業向高效、綠色、智能化方向持續發展。