膜分离技术具有设备简单、操作方便、处理效率高和节省能量等优点，适合于热敏物料、无相变和无化学变化的分离过程，已成为一种新型的分离单元操作。膜分离技术在电子工业、食品工业、医药工业、环境保护和发酵工业等领域中已得到广泛应用。在发酵工业中，常被用于分离、浓缩、分级与纯化发酵产品、连续发酵和发酵废水处理等。
1、澄清除菌
对于胞外产物发酵液，通常是先去除悬浮液的微生物、粒子与胶体；而对于胞内产物，则要进行细胞收集。目前，较好的细胞收集方法是过滤法或离心法。从经济性考虑，工业规模的方法应是连续过程，但该法存在连续离心设备昂贵，操作和维修费用高，生产速度受粒径、粒子与悬浮液密度差、液体黏度及离心力大小所制约，且需冷却系统进行降温等缺点。转鼓真空过滤也是连续分离微生物的一个方法，其主要问题在于固体颗粒物聚集而使滤速急剧下降，采用助滤剂虽能提高分离速率，但增大了费用。
近年来，错流过滤逐渐受到人们的重视，其实质与超滤操作相似。其优点：（1）对大小不同的细胞可较灵活地选用孔径不同的膜；（2）透水量不依赖于细胞与悬浮介质间的密度差；（3）不需要任何助剂，有利于下一步纯化；（4）选择合适的膜可使细胞在膜表面的沉积量降低到最小，有长时间的高透水量；（5）与离心法相比可减少空气中病原体的污染；（6）回收率高；（7）处理能力可通过增大膜表面积来提高。随着膜技术的发展，错流过滤或超滤收集细胞将会替代离心和转鼓真空过滤。
1.1 酱油和醋的超滤澄清
自古以来，酱油和醋就在人们日常生活中占据着重要的位置。传统的澄清技术往往达不到国家规定的卫生标准，而且浊度高，存放过程中会有大量的沉淀产生。采用超滤技术处理酱油、醋，能除去其中的大分子物质和悬浮物，达到澄清的目的，同时保持风味不变，卫生标准也符合要求。
日本于20世纪80年代就在液态发酵生产醋中应用了超滤技术。20世纪90年代，我国一些企业尝试将中空纤维超滤用于醋的生产，由于固态发酵醋固形物含量高，预处理工艺不合理，超滤器易被污染或堵塞，清洗恢复较难，影响了该技术的推广。北京食品研究所在国家“八五”攻关项目中，从预处理和膜清洗2个关键环节入手，得到了较理想的结果，超滤总酸保持率＞99%，浊度（NTU）从700降至0.2，菌落总数从9600个/mL降至10个/mL，经过清洗，膜通量可完全恢复[3。目前北京龙门和田宽等企业在生产中应用了该技术。
酱油的固形物含量和黏度都较高，做好预处理十分重要。通常先将酱油在60℃保持40min，再用3μm~5μm微滤过滤，然后在45℃~50℃超滤。1997年由中科院生态环境中心设计生产的国内最大的酱油超滤装置在佛山海天调味食品公司运行，处理酱油8t/h；上海原子核所的卷式超滤设备也在杭州酿造总厂得到工业化应用。
1.2 酒精饮料的澄清
在白酒的生产中，我国20世纪80年代就有应用超滤澄清低度白酒的报道[5]。新疆伊犁酿酒总厂、山东坊子酒厂等利用了该技术后经济效果显著。啤酒应用方面主要是采用微滤去除酵母菌和杂菌生产生啤酒，因为无需加热，所以保持了鲜啤酒的风味、酒花的香味，提高了啤酒的透明度（一般为0.5个EBC单位以下），细菌去除率接近100%，保质期可延长20d以上[6]。国家海洋局杭州水处理中心开发了耐强碱膜元件用于生啤加工，膜元件可根据处理量任意组合，价格只有进口产品的50%。此外还有报道利用不锈钢膜的疏水性分离浆料中的油脂，可使脂肪质量分数降为0.05%以下，有利于酒的发酵。在果酒生产的应用，Sartorius（德）公司1986年最早应用超滤澄清葡萄酒，目前仅在法国就有200套该公司的膜系统在运行。我国的杭州酒厂（1999年）采用超滤用于梅酒生产。此外应用反渗透和纳滤浓缩葡萄汁有利于酒的发酵，而且口味更加醇厚芳香。纳滤可使部分有机酸透过，口味更加柔和，目前国内还未有这方面的应用。膜技术在我国传统黄酒和米酒的应用也有一些进展，浙江乌镇酒厂采用超滤处理黄酒，提高了酒的澄清度，延长了货架期；吉林农业大学采用超滤进行甜糯玉米酒的澄清。
2、产物浓缩
发酵液中发酵产品通常含量比较低，所以必须对其进行分离提纯或者浓缩处理。
2.1 酶制剂的浓缩
传统蒸发浓缩能耗高，热相变过程生物酶易褐变、失活，超滤则能很好地解决这些问题，目前已在淀粉酶、糖化酶、蛋白酶等酶制剂的生产中得到应用[7]。如使用板框式膜组件进行发酵液中真菌蛋白酶浓缩，经20h循环操作，可使300L料液浓缩至10L，酶的回收率为96%[8]。上海工业微生物研究所应用超滤实现了食品级酸性蛋白酶的生产。中科院微生物所在年产100t β-甘露聚糖酶的项目中，采用超滤使产品收率超过70%。
2.2 其他一些发酵产品和食品的分离浓缩
膜分离浓缩还广泛应用于果汁饮料、酒类、糖类黄原胶、果胶等发酵产品及食品生产过程中。如常温条件下采用超滤代替酶解法可同时实现对果汁和果胶的分离与提纯。经超滤后果汁的总糖、总酸、色素和果胶的分离率分别为98.1%、97.0%、98.0%、99.0%，果胶最终浓缩至质量分数为3%，果汁加工时间可缩短至2h~4h[3]。纳滤应用于低聚果糖，一次纯化达到80%，二次纯化超过95%，收率比传统工艺高5%~8%，并可回收果糖和葡萄糖，得到75%的果葡糖浆，每生产1t产品可回收0.8t糖浆。北京食品研究所采用超滤对黄原胶进行了浓缩，将其由3%浓缩至6%，部分蛋白和色素得到脱除，乙醇的使用量减少50%。
3、分级与纯化
发酵产物是组成较为复杂的混合物，必须进行分离提纯。传统的生物化工产品如氨基酸、抗生素、乳酸及低聚糖等的提取与精制，通常采用离心、沉淀、吸附、萃取、离子交换和色谱等方法，因此存在工艺过程复杂、操作时间长、原料消耗大、能量消耗高、产品回收率低、废水污染严重等问题，且产品在漫长的提取过程中可能会发生变形失活。而膜分离技术具有设备简单、常温操作、无相变及化学变化、选择性高及能耗低等优点，特别适用于热敏性生物化工产品的分离纯化。
为尽可能避免膜的堵塞或污染，根据分子大小逐步分离是有利的。在这方面，常用的膜分离操作是以压差为推动力的液相膜分离（微滤、超滤、纳滤和反渗透）操作。超滤常用于分离大分子有机化合物，但由于超滤膜切割分子量敏锐性较差，且存在浓差极化和“凝胶层”对膜截留分子量的影响，因而采用超滤膜进行生物发酵液初分级时需慎重选择膜的截留分子量与生物产品分子量之间的差距。一般分级原则是在足够稀的浓度下，分子量相差应在10倍以上。选择耐污染膜和切割分子量较敏锐的膜，同时采用合适的操作条件，则可分级分子量差别较小的2种蛋白质[10]。物化工产品的分离纯化。
采用聚偏氟乙烯中空纤维微滤膜，考察了双向流膜分离工艺用于维生素B2的提取效果，结果表明，与原离心过滤工艺相比，双向流膜过滤技术在过滤精度方面具有明显的优越性，膜的过滤速率稳定，污染后容易清洗，且膜水通量的恢复率可达100%[11]。采用膜法处理青霉素发酵液，可以大大提高滤液质量，提高青霉素生产收率2.31%，同时可以降低后续工段的生产负荷，降低废水中的有机物含量，节能降耗，减少环保费用，有利于清洁生产[12]。李冬敏等[13]采用中空纤维膜反应器应用于气爆秸秆酶解耦合丙酮丁醇发酵中，构建了膜循环酶解耦合丙酮丁醇发酵的装置，发酵周期延长1倍以上，并有效解除了纤维素酶解产物对酶的反馈抑制，纤维素酶能够循环利用，减少了酶的用量，降低了成本。消耗单位纤维素酶酶活所产生的丁醇的量为0.0039g/IU，是2段式发酵的1.5倍。最大丁醇产率为0.31g/（L•h），是2段式发酵的1.2倍。凯能高科技工程公司采用纳滤得到质量分数＞95%的IMO900产品，单糖含量＜2%，收率＞97%，与传统工艺相比，口味得到改善，减少了废水排放，每生产1 t产品可回收300kg葡萄糖，80%的水可回用，综合经济效益显著。
4、酶催化合成
在酶催化生物合成过程中，膜技术的应用主要有2个方面：一是使用膜作为选择性分离介质，将游离态酶/细胞酶系限制在反应器内，实现酶催化与膜分离的耦合；二是通过固定化手段将活性酶或细胞酶系结合在膜表面，实现生物转化与膜分离的偶联[14]。通过吸附、包埋和交联等方法，可以将酶或细胞酶系固定在膜上，得到反应与分离相偶联的酶膜。
如果采用纳滤等膜分离装置与蛋白水解过程进行耦合，则可以对蛋白质水解物的分子量大小进行更好地控制[17]。谭天伟等[18]将脂肪酶用聚乙烯和壳聚糖共混制膜的方法，制成了固定有脂肪酶的复合酶膜，用于脂肪水解，实现了反应和分离同时进行，解决了酶法脂肪水解时由于乳化而出现分离困难的问题。GIORNO L等[19]发现脂肪酶被固定化到高分子膜后，酶的催化活性和选择性有所提高，并且酶的稳定性也较游离态的好。目前，固定化生物催化剂的膜生物反应器应用成功的例子是6-氨基青霉烷酸生产[20]，青霉素酰化酶被戊二醛交联，然后再固定在中空纤维超滤膜上，构成一个酶膜反应器。
5、连续发酵
目前的发酵生产大多采用间歇式，由于发酵过程供给底物有限，耗用大量营养物培养出来的生物活性物质的使用寿命受到了限制。对于产物抑制的发酵过程，随着发酵液中目的物浓度的提高，直接影响转化速率和产率，将膜分离与生物反应器相结合组成的膜生物反应器系统，可以将产物或副产物从反应区连续地分离出来，打破反应的平衡，从而大大提高反应转化率和转化速度，实现连续式生产，具有过程能耗低、效率高，设计、操作简单等特点。
在循环发酵过程中，膜将细胞截留而让发酵产品透过，浓缩后的细胞回到发酵罐中循环使用，渗透液输出回收产品。由于连续抽出产品和供给培养液，提高了发酵产率，还可以使某些不稳定的生物产品（如蛋白）生成后立即从发酵液中抽出，避免受到进一步的降解。由于是以膜为屏障将酶（细胞）保持在反应器中，因此这类生化反应器也被称为广义的固定化细胞（酶）反应器[23]。膜生物反应器的应用是对固定化细胞和固定化生物催化剂的充分利用，也使酶工程的完善更进一步。
6、发酵废水处理
膜分离技术在发酵废水处理方面的应用主要是废水中有价值物质的回收和废水的生物净化回用。
通常发酵废水中含有许多有回收价值的物质，直接排放既浪费资源又危害环境，膜技术可根据回收对象、废水排放及回用水的等级不同，分别选用或配合使用不同膜过程，回收这些物质，并使大部分处理水回用。除了微滤、超滤、反渗透、电渗析的过程外，渗透气化的其他膜技术也将在21世纪的环境工程中发挥极其重要的作用。铃兰味精集团年产味精1.2万t，排放高浓度废水66万t，1998年投资1450万元，采用膜技术等工艺日处理污水3000t，使排放水符合国家标准。凯能高科技工程公司采用0.1μm不锈钢膜系统回收发酵液的菌丝做高蛋白（含70%）饲料，对于年产万吨赖氨酸的企业，菌丝回收每年可新增产值600万元[30]。山东万德福植物蛋白公司投资1100万美元，利用膜技术从乳清中提取低聚糖。山东金锣大豆蛋白厂采用电渗析脱盐，超滤回收蛋白，反渗透浓缩低聚糖的工艺，投资5000万元建成日产10t大豆低聚糖生产线，日处理乳清废1000m3，其中95%以上的水可以回用。
7、展望
资源和环境是目前人们最关心的话题。现代工业迫切需要节能、资源再生和循环利用。膜分离作为一种新型的分离单元操作过程，在技术进步、产品结构调整、节省能源及污染防治方面日益显示出其强大的生命力和竞争能力。在发酵工业中，膜技术除了在下游工程中不断发挥新的作用外，生物膜和膜反应器在生物反应中也得到了很好的应用。但膜的发展受到了几个方面的制约：一是膜产品的价格；二是膜污染；三是膜分离性能的提高。相信随着新材料、新技术的不断出现，膜技术在化学和生物工程中的应用将显示出令人瞩目的前景。
