张锐1，江静1，徐鸿飞1，杨盛凯1，李亚红1，周靖原1，曾坚贤1，黄小平1，刘鹏飞1，张明明2，李志强3
（1 湖南科技大学化学化工学院，湖南 湘潭 411201； 2 湖南科技大学国有资产与实验室管理处，湖南 湘潭 411201；3湖南恒辉膜科技有限公司 湖南 长沙 410205）
摘要：陶瓷膜分离技术具有高通量、抗污性能好、易清洗、生命周期长等优点而得到广泛应用。然而，受限于对陶瓷膜的特点、优势和用途等方面的认知，该技术在飞速发展的生物制造领域的应用有限。本文首先介绍了陶瓷膜分离技术及分类、简述了陶瓷膜的优势，以及陶瓷膜组件及国内外生产厂家。此外，重点综述了生物制药、生物基材料、生物能源、大宗发酵产品和发酵食品饮料等生物制造领域的产品特点以及陶瓷膜的应用实例，并根据发酵液的分离目的，从膜的材料、结构、孔径、操作和清洗方法等方面分析了陶瓷膜的选择策略。最后，指出了低成本和高分离精度的陶瓷膜研发是拓宽其在生物制造领域应用的重要方向，同时，进一步积累陶瓷膜在生物制造领域的应用案例和数据，提高产品质量和膜的使用寿命，降低成本，将促进陶瓷膜技术在快速发展的生物制造领域更加广泛的应用，落实“双碳”战略目标。
关键词：生物分离；膜；发酵；陶瓷；生物制造
生物制造是以特定生物体机能如细胞或其他组成部分为催化剂，使用生物质等可再生资源作为原料进行大规模物质加工与物质转化的技术，具有低碳循环、绿色安全等典型特征[1]。生物制造的技术进步已成为解决资源和环境问题、落实“双碳”战略目标、保障人类健康的重要途径[2]。绿色生物制造相关技术渗透到包括医药、材料、能源、食品、农业、环境保护等多个国民支柱产业的发展[3]。通过绿色生物合成是一种环境友好型的方式替换化学合成。然而，实际发酵出来的最终产物一个复杂的混合物，从复杂的发酵后混合物中回收所需的目标产物仍然是困难的，并且可以占到生产成本的 50%-80%。
传统的分离技术为获得高价值化学品消耗世界 15%的能源[4]。膜分离具有低能耗、低污染、化学试剂使用少等特点[5]，且常温下操作下，可保障生物分子活性，广泛应用于发酵液中生物分子的分离、纯化和浓缩[6-8]。市场研究预测，在 2019~2027 年，陶瓷膜工业将会以年增长率 11.3%的速度发展，达到合计 108亿美元[9]。陶瓷膜分离技术主要应用于生物医药、化工与石化、食品与饮料等过程分离领域以及工业废水处理、市政污水处理和油水处理等特种水处理领域。随着生物制造的快速发展，陶瓷膜分离技术势必将更广泛的应用于该领域。因此，探讨总结国内外陶瓷膜技术在生物制造领域的应用，分析陶瓷膜的选择策略和分离操作条件，为拓宽陶瓷膜在生物制造领域的应用提供策略与启发。本文介绍了陶瓷膜分离技术及其分类、优缺点、生产厂家、以及在生物制造领域的应用进展。
1.陶瓷膜分离技术
1.1 陶瓷膜分离技术简介及分类
膜分离技术，是在某种推动力作用下，通过两相之间的一个具有选择透过性的薄层屏障，可以在离子或分子范围内进行分离，从而使流体达到分离、浓缩、纯化的目的。根据膜的材料不同，膜主要可以分为聚合物膜、无机膜和金属膜[10]。陶瓷膜是一种经特殊工艺制备而形成的无机膜，常采用 Al2O3、Zr O2、Ti O2、Si C、Si O2 以及其组合物等无机陶瓷材料作为原材料[11]。具有较高的热稳定性，突出的机械强度和宽p H范围的耐受性(p H 值 0~14)。然而，不同陶瓷膜材料具有不同的优势，需要根据具体的应用要求进行选择。常见的陶瓷膜材料的相对性能见表 1[12]。如从经济方面考虑，基于国内原材料市场，Al2O3、Zr O2、Ti O2、Si C 的国内原材料价格分别为 250-350，700-1000，900-1500，1400-2000 美元/吨[13]，因此在需求相同的情况下优先考虑成本低的原材料。
根据膜结构的构成主要可分为对称膜和不对成膜。其中，不对称膜具有多层结构的无机膜结构(图 1)[14]，包括大孔支撑层，介孔中间层，以及选择性微孔顶层[15]。其中分离层实现目标物质分离，而中间层和支撑层提供稳定性、强度和所需的选择性。根据选择层孔径大小陶瓷膜可以分为，具有大孔(＞50nm)的微滤(Microfiltration, MF)，介孔(2-50nm)的超滤（Ultrafiltration，UF）和微孔的(＜2nm)的纳滤（Nanofiltration，NF）[10]。因此，陶瓷膜孔径的选择需要根据分离的目标物质特性进行选择[16]。应用最广的陶瓷膜为利用微滤或者超滤去除发酵液中的粒径较大的菌体和悬浮物替换传统的板框过滤或者巴氏杀菌，以及利用纳滤技术对小分子进行浓缩或者脱盐替换传统的蒸馏或者离子交换。其基本特点见表 2。
1.2 陶瓷膜优势
目前，聚合物膜依然在市场上占据主导地位，主要是因为陶瓷膜一次性投资成本太高。陶瓷膜的原材料昂贵，制造过程复杂且包含多个阶段，膜模块的填充密度较低导致陶瓷膜的价格一般是聚合物膜的 3~5倍。然而，陶瓷膜是一种刚性材料，机械强度高，在高压下保持完整的孔结构，不会像聚合物膜发生变形，影响过滤性能。因而，相同孔径条件下，陶瓷膜可在高压下操作，其渗透通量可以达到聚合物膜的 2 倍，具有更高的效率。Guerra 和 Pellegrino[17]建立技术经济模型来对比陶瓷膜和聚合物膜的成本，发现综合考虑膜材料成本、膜寿命和劳动力要求，Al2O3 陶瓷膜与聚醚砜膜相比具有成本竞争力。两者主要的优缺点见表 3。
陶瓷膜抗污性能好，且渗透通量大。无机材料构成的陶瓷膜具有较好的亲水性，使其具有较好的抗污性能。Alresheedi 等[18]对使用不同孔径类型的聚合物膜和陶瓷膜对多组有机物进行过滤验证，发现 Si C 陶瓷膜的污染率低于聚醚砜聚合物膜，且对有机物的截留率更高。这在于与聚醚砜膜相比，该陶瓷膜具有更高的亲水性和更低的表面电荷而具有优越的抗污性能。Lee 和 Kim[19]也对比陶瓷膜和聚合物膜的性能，分析膜污染的程度以及化学清洗的有效性。由于陶瓷膜相对较低的表面粗糙度、较少的负电荷以及更强的亲水性，陶瓷膜的不可逆污染明显低于所选的聚合物膜（PES100）和醋酸纤维膜。共聚焦激光扫描显微镜分析(图2)显示，陶瓷膜的污染明显低于聚合物膜，并且物理和化学清洗陶瓷膜的通量恢复率分别为 36%(聚合物膜为 26%)和 56%(聚合物膜为 55%)。此外，陶瓷膜具有耐高温的特性，能在高温条件下操作，从而减少了高粘度物料对渗透通量的影响。因而，陶瓷膜具有更强的抗污性能和能有效维持稳定的渗透通量。
同时，陶瓷膜具有较好的清洗效率[20]。首先，由于陶瓷膜的亲水性，容易通过简单的水或化学在线清洗，能长期保持良好的通量。其次，由于陶瓷膜耐酸碱性强，可进行深度清洗，提高清洁效率。在制糖工业中，高粘度的糖类更倾向于选择陶瓷膜分离技术[21]。为提高膜通量恢复性能和延长膜的使用寿命，需要对膜进行高效的清洗。聚酰胺有机膜，容易被Na Cl O 和强酸降解，使膜表面化学性质和物理结构发生变化。而陶瓷膜具有良好的化学和机械稳定性，通常可使用 Na OH、Na Cl O 去除污染后陶瓷膜的蛋白质、多糖和悬浮杂质，使膜表面的沉积物和凝胶层松散、分解，通量恢复率高达 95%以上[22]。
可见，陶瓷膜抗污性能、渗透通量、清洁效率、使用寿命等方面优于聚合物膜，随着陶瓷膜生产成本的降低，更有利于应用于生物制造领域这种发酵液成分复杂、粘度大等特点的物料。
1.3 陶瓷膜组件及生产厂家
在工业化应用中，一般需要将陶瓷膜元件配置成膜组件才能使用。根据外观构型主要分为平板膜、单通道管式膜和多通道管式膜、中空纤维膜、板框式膜、卷式膜。见图 3。不同的膜组件具有不同的包装、体积比和材料类型，以解决不同的操作情况，其相关特点见表 4。平板膜设计主要用于实验室规模的应用；对于工业应用，陶瓷膜的通常设计是管状的[23]。工业生产种应用最多的是管式膜。管式膜由于产生湍流，内径较大，可以过滤颗粒较大、固体含量较高、粘度较高的物料，因此污染倾向相对较低[24]。与平板陶瓷膜相比，板框式和中空纤维陶瓷膜模块具有更高的机械强度和包装密度，以及更好的处理高横流速度的能力。
尽管陶瓷膜早在 20 世纪 40 年代就被开发出来，但陶瓷膜分离技术工艺在国内的市场普及率相对于聚合物膜总体较低，许多研究工作也致力于将陶瓷膜的使用扩展到新的应用领域，特别是在那些目前被聚合物膜“占领”的市场。美国、德国、日本和法国等国家的陶瓷膜技术长期占据我国市场主导地位，我国陶瓷膜行业起步较晚，但发展势头迅猛，近年来，我国陶瓷膜产品质量不断提升，行业国产化进程不断加快。国内以南京工业大学的徐南平院士团队为代表率先进行陶瓷膜的研究，并创立了久吾高科，已成功应用于废水处理、市政用水、抗生素分离纯化、油水分离等领域[25]。近年来，在国家政策支持以及本土企业技术创新等积极因素推动下，我国陶瓷膜国产化进程不断加快[26]。表5列出了国内外部分主要商业陶瓷制造商。
2. 陶瓷膜在生物制造领域的应用
生物制造是以工业生物技术为核心，利用酶蛋白、微生物细胞为催化剂，结合化学工程技术进行目标产品的加工过程，广泛应用于生物医药、生物能源、生物基材料、生物基大宗化学品、发酵食品、环境保护等多个领域，具有低碳循环、绿色清洁等特征。然而，通过发酵或者酶转化出来的目标产物一般存在于发酵液中，如表 6 所示，包含微生物及其碎片、未反应的底物、无机盐(作为微生物培养基的成分)和发酵过程中产生的副产品。膜分离技术常用于发酵液中抗生素和酶产品的澄清，抗生素、酶、蛋白、氨基酸和维生素的浓缩、分级、分离和灭菌等方面。发酵工艺生产环境常成分复杂且恶劣，对有机膜使用年限的影响较大。为解决这个问题，无机陶瓷膜分离作为重要的生物分离纯化技术而应用到生物制造领域。由于陶瓷膜机械性能好且不易与酸、碱发生反应，可在高温、高压及强酸、强碱条件下稳定工作，使用年限较长，解决了有机膜在生产过程中耐久性差的问题，因而应用到飞速发展的生物制造领域。
2.1 在生物制药领域的应用
陶瓷膜已成为生物制药行业优先选择的分离技术，可替代传统精制技术如吸附、沉淀、溶媒萃取、离子交换等。医药领域为陶瓷膜最大需求端，需求占比达 30.0%。与高分子膜相比，陶瓷膜具有更好的重复蒸汽灭菌能力和更易于使用刺激性化学物质清洗，能充分满足制药生产的无菌要求，因此其在制药工业中的适用性越来越强[27, 28]。目前陶瓷膜分离纯化技术在各大药企抗生素工业生产，红霉素、头孢菌素、万古霉素等抗生素药物均使用该技术。抗生素主要采用微生物发酵合成法的，其含量占发酵液的 0.1~5（w/v）%，分子量在 300~1200Da。可采用微滤去除发酵液的菌体，超滤澄清，纳滤浓缩或者筛分抗生素。
意大利的 Hydro Air Research 将陶瓷膜系统成功应用于发酵液中抗生素的和生物活性物质的提取，与传统的旋转预涂膜过滤器和离心机相比，在产品收率、滤液质量、运行成本和废物问题方面都具有明显优势，通过在多级反渗透前的发酵液澄清步骤中使用陶瓷膜成功地用于抗生素回收，确保了良好的蛋白质去除率和高渗透通量[29]。英国制药公司葛兰素史克用Mantec 过滤公司提供的 Star-Step™陶瓷膜系统取代了聚合物膜[30]。它由 4 组 8 个外壳组成，每个外壳有 108 个陶瓷膜单元，膜面积为 208 平方米，用于抗生素药物加工过程中菌体与料液的微滤分离。通过将聚合物膜替换为陶瓷单元，发现具有一些经济优势，如较少的维护要求，更容易清洗和较长的膜寿命，且节省能源，仅只需 15 个月，收回数百万英镑的投资，大大降低了综合成本。从技术角度来看，陶瓷单元具有显著的过滤性能，通量比之前的高分子膜系统提高了一倍。由于陶瓷膜在防止微生物生长以及能够承受蒸汽消毒方面由于常规的聚合物膜，Inopor Gmb H 将超滤陶瓷膜应用于制药行业“注射用水”的处理工艺，可以防止微生物的生长[23]。陶瓷膜在低孔径及其分布上相对于有机膜有一定差距，对于抗生素、酶等的浓缩和回收选择性较差，也可将引入新的聚合物陶瓷复合膜，以保证高选择性和对侵蚀条件的良好耐受性。
2.2 在生物基材料领域的应用
生物基材料（Bio-based Materials）是指利用可再生生物质或（和）经由生物制造得到的原料，通过生物、化学、物理等手段制造的一类新型材料。1,3-丙二醇作为新型生物基聚酯化学纤维（聚对苯二甲酸丙二酯）的单体。谭天伟院士团队[31]采用生物发酵法制造了生物基单体 1,3-丙二醇，并且使用久吾高科陶瓷微滤膜(50nm)和美国 Trisep 纳滤陶瓷膜(1.5-2.0 k Da)组成双膜体系预处理年产 2000t 的生物基产品 1,3-丙二醇发酵液，微滤可实现持续高效的菌体去除率达到 99.6%以上，并结合纳滤脱除色素和部分盐，降低后续离子交换负担，降低了废水排放。随着膜技术的快速发展，具有陶瓷膜孔径可达 1-20nm。彭文博等[32]采用久吾高科新型陶瓷纳滤膜(4nm)对 1,3-丙二醇发酵液进行精制，通量达到 138 L·m-2·h-1，且收率可达 99%，并且降低了成本。
乳酸是生物相容性和可生物降解聚合物聚乳酸的前体，可利用微生物在废生物质中发酵获得，然而发酵液的复杂组成需要多步分离纯化获得乳酸[33,34]。Andrzejewski 等[35]针对膜分离多组分过程中的表面颗粒沉积导致分离效率会下降的问题，使用两个单通道管状的 Ti O2 纳滤陶瓷膜(Inopor，德国)的中试设备，建立模型研究分离效果和抗污性能，结果表明了纳滤膜的截留分子量（200Da 和 450Da）以及跨膜压力(1.20和 1.60MPa)都会影响发酵液中乳酸截留效果、膜通量和抗污性能。因而，可通过膜孔径筛选和操作条件的调控达到预期分离效果。
Szczygiełda 等[36]将陶瓷膜技术应用于发酵液的下游分离纯化。图 4 为酮戊二酸发酵液分离纯化示意图。发酵液通过离心、两级陶瓷膜分离和后续单元操作可得到目标产品生物基酮戊二酸。首先使用了法国TAMI 的 Ti O2 管式陶瓷超滤膜，截留分子量 15k Da，其澄清效果肉眼可见的优于离心处理。进一步采用德国的 Inopor 管式陶瓷纳滤膜(200Da 或 450Da)进行发酵液的后处理，孔径小的陶瓷膜色素脱除效果更明显。同时，由于陶瓷纳滤膜具有更佳抗不可逆阻塞性[37]，以及高的机械强度和在广泛的 p H 和温度范围内的稳定性[38]，因而工业上可使用热水、化学试剂和有机溶剂进行有效地清洗[39]，使得两种陶瓷膜都具有较高通量和很好的通量恢复率（FR），为将来发酵液中酮戊二酸分离技术工业化发展奠定了基础。
2.3 在生物能源领域的应用
近年来，由于化石能源等传统不可再生资源的短缺和气候变化，生物能源(如生物柴油、生物乙醇、生物丁醇)作为重要的可再生能源之一受到越来越多的关注[40]。生物柴油的性质与石油衍生燃料相似[41]，是通过酯交换反应得到的，其中甘油三酯在催化剂的存在下与短链醇反应[42]。一旦酯交换反应结束，得到的生物柴油-甘油混合物必须被分离和纯化，才能作为燃料商业化。但传统的液-液萃取工艺产生大量的废水，引起环境问题。Gomes 等[43]使用 α-Al2O3/Ti O2 的陶瓷膜分离纯化生物柴油混合物并分析污染机理。在 1.0、2.0 和 3.0 bar 跨膜压力下，平均孔径分别为 0.2、0.1、0.05µm 和 20k Da 的管状陶瓷膜进行了实验。并且考察了酸化水添加量(10%、20%和 30% wt%)对甘油截留率的影响及结垢机理。结果表明，水的加入量会影响分离性能、渗透通量和形成不同的污染机制，并且可通过筛选膜孔径、操作压力和水添加量调控生物柴油纯化效果和改善抗污性能。Bansod 等[44]研究了 Al2O3/Ti O2 陶瓷膜孔径（0.1、0.2 和 0.3µm）、操作压力和乙醇浓度对生物柴油分离出甘油的影响，通过优化条件甘油的截留率高达 99.8%，单阶段的陶瓷膜分离技术能取代传统的倾注和反复清洗的萃取工艺，提供一个环境优化型工艺。
首钢朗泽在 CO 制燃料乙醇过程中，使用久吾高科公司陶瓷膜装置实现过程连续生产，燃料乙醇产能应用超 20 万吨/年。生物丁醇作为一种先进的生物燃料，与生物乙醇相比，具有易燃、能量高，水敏感性、挥发性及危险性低等优点[45]。但在生物丁醇生产工艺中，在丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵过程中存在最终产物抑制作用，即丁醇会抑制微生物的生长，导致其中的溶剂含量较低，丁醇的浓度一般低于 13 g/L，导致获得生物丁醇的生产率低，能量成本高[46]。因此，金万勤教授课题组[47]将陶瓷膜分离技术与发酵过程结合，采用 PDMS/陶瓷复合膜对丙酮-丁醇-乙醇（ABE）水溶液进行分离，及时去除发酵液中的丁醇，以缓解抑制作用，实现连续发酵。陶瓷膜技术的应用解决了生物丁醇生产过程中的一系列问题，是传统工艺与新型分离方法相结合的一个典型，开启了人们用新兴技术改造传统工艺的道路。Jang 等[48]还在合成气发酵膜泡泡柱 CO 水传质系数的研究中也用到了陶瓷膜技术，证明了陶瓷膜结构不仅仅能进行液液分离，还能进行气气分离，拓宽了陶瓷膜的应用范围，也为以后对陶瓷膜的研究发展提供了新的思路。
2.4 在大宗发酵产品领域的应用
陶瓷膜技术不仅可以完成细胞、悬浊液和大分子等的脱除，而且近年来可实现目标产品的预浓缩，已成功应用于大宗发酵产品（有机酸、氨基酸、维生素等）。有机酸，如琥珀酸、丁酸、乙酸和富马酸等广泛应用于食品、药品、化妆品、洗涤剂、聚合物和纺织工业中等领域[49]。近年来，由于日益增长的环境问题和对绿色技术的关注，生物生产途径各种高价值的有机酸得到了极大的关注[50]。这些发酵液中的有机酸一般需要四个主要步骤进行分离纯化：微生物细胞去除，浓缩和澄清(蛋白大分子去除)，有机酸的分离和浓缩，纯化和最终晶体形成。微滤和超滤已被有效地用于前两个步骤，通过纳滤可以从氨基酸、色素中选择性的分离出有机酸。Nie 等[51]比较了国产的 100nm 的 Al₂O₃陶瓷微滤膜与 6nm 的 Zr O2 超滤膜澄清癸二酸模拟发酵液，图 5 明显可见超滤膜比微滤膜不仅具有更高的蛋白截留率，而且达到两倍的通量。产生该现象的原因在于超滤膜更小的孔径产生可逆污染。因此，合适孔径的选择能提供膜的抗污性能和维持优越的通量，并且有助于发酵液中目标产物的分离纯化和浓缩。
Antczak 等[52]使用中试设备组装截留分子量 450Da (Inopor,德国)的陶瓷膜分离和浓缩了琥珀酸和柠檬酸，并发现压力、p H 值、浓度会影响过滤性能和膜污染效果。特别是，由于陶瓷膜机械强度高，可提高操作压力。在 0.4~1.5MPa 范围内，随着跨膜压的增加，进料溶液的渗透通量显著增加了 5 倍。此外，浓度极化和不可逆污染减少，从而通量的下降趋势也将减少。
Staszak 等[53]针对生物柴油副产物甘油的发酵液，采用 Tami 工业 1k Da 的小试平板和 Inopor 的 450Da的中试管式纳滤陶瓷膜研究了发酵产物的分离和浓缩。结果表明纳滤膜可以通过空间位阻效应截留甘油、赤藓糖醇或羧酸等中性溶质；而带电荷的溶质的截留是位阻效应和静电相互作用共同作用的结果。因此，可以通过调节浓度和 p H 值来浓缩富马酸，琥珀酸或柠檬酸等带电有机酸，而选择性透过甘油。因此，陶瓷纳滤膜看可作为从发酵液中回收有机酸盐的纯化步骤之一。
常用氨基酸产品，谷氨酸、赖氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸等均可利用微生物发酵法生产。其分子量一般在 70~200Da。赖氨酸是一种用玉米淀粉等原料经过液体深层发酵、精制而生产出来的氨基酸。丘福华[54]将厦门三达膜 50nm 陶瓷膜应用于赖氨酸发酵液的处理，将菌体、蛋白、胶体、杂质等不溶物彻底去除，使进入树脂的料液清澈透明，大大提高树脂利用率。姬慧君等[55]将陶瓷超滤膜除菌体和陶瓷纳滤膜脱色技术相结合应用于谷氨酸发酵液的后处理，在满足食品安全要求的同时提高了谷氨酸提取率，减少了 50%脱色活性炭的使用。
维生素 B12 是一种重要的维生素，广泛应用于医学和营养领域[56]。目前，微生物从头合成维生素 B12 已用于工业生产。Wang 等[57]使用国产 0.1 和 0.22µm 螺旋陶瓷膜上进行膜分离偶联发酵工艺，在发酵过程中在线陶瓷膜透过小分子（水、氨基酸、丙酸、葡萄糖），截留杆菌悬浊液。优选的 0.22µm 螺旋膜具有更高通量和菌存活率，使得维生素 B12 浓度提高了 161.6%，同时对发酵废水进行回用，减少污水排放，提高设备利用率和维生素 B12发酵效率。Sun 等[58]也将陶瓷膜分离系统与发酵偶联用于维生素 B4（腺嘌呤）的生产，来解决现有腺嘌呤生产工艺复杂、副产物多、污染大、提取困难等问题，达到迄今为止报道的生物生产腺嘌呤的最高产量，降低了腺嘌呤生产的成本，为其他高附加值产品的发酵生产提供参考。因此，将陶瓷膜与发酵过程结合实现在线分离菌体和小分子，能提高产品产量和降低污染的效果。
2.5 在发酵食品饮料领域的应用
陶瓷膜在发酵食品饮料领域具有广泛的市场。啤酒是一种以小麦芽和大麦芽为主要原料，并加啤酒花，经过液态糊化和糖化，再经过液态发酵酿制而成的酒精饮料。啤酒工业实际应用过程中，料液的过滤温度为 0℃和清洗的温度为 80℃，这广泛变化的温度使得有机膜产生不可预测和不稳定的通量。因此，陶瓷膜虽然需要更高的投资，但是成为啤酒工业唯一的膜选择。Bucher Filtrox 报告了德国和巴西两个酿酒厂全面安装的 Bucher Filtrox 过滤系统分离酵母细胞[59]。陶瓷分离可用于啤酒酿造过程的四个不同阶段:发酵前的麦汁分离、青啤澄清、发酵罐底部过滤和包装前的啤酒灭菌[60]。如图 6 所示，发酵前使用 40-60µm 的微滤膜的麦汁分离。青啤澄清一般采用 0.5µm 的微滤陶瓷膜，孔径低于 0.2µm 会影响啤酒的苦味、丰满度和泡沫形成，而高于 0.8µm 不能很好的分离蛋白。在啤酒发酵结束时，发酵容器的底部含有酵母细胞和啤酒的沉淀物。沉淀物中的啤酒可通过 0.4-0.5µm 的陶瓷膜进行回收。最后，选用 0.4-0.7µm 陶瓷膜来替代传统的加热巴斯德杀菌法来给啤酒杀菌，两者成本差异不大，但是陶瓷膜能保留啤酒原有的“新鲜度”。陶瓷膜技术在啤酒酿造过程中的应用，减少了啤酒的损失、提高了啤酒的质量以及降低了操作的成本[61]。
酱油是通过面粉和大豆等发酵和精制后的传统食品。在传统的酱油生产工艺中，所制得的原酱油是通过加热巴氏杀菌的方法来进行灭菌灭酶、从而增加保质期和稳定性，以及增强颜色和风味的形成，缺点在于能耗大、灭菌器容易结垢，操作不当还易使酱油出现焦糊味，色泽还容易过深[62]。Guo 等[63]研究了使用孔径接近的不同的类型微滤膜（陶瓷、聚醚砜、聚偏氟乙烯和混合纤维素），发现陶瓷膜过滤和巴氏杀菌是唯一能改善酱油香味保存的方法。并且陶瓷膜具有比聚合物膜更高更稳定通量和抗污性能。说明陶瓷膜能更有效的应用于酱油生产工艺。Li 等[64]研究了不同孔径为 Al2O3&Zr O2 陶瓷微滤膜对生酱油样品除菌效果，发现 0.2、0.5、0.8µm 的微滤膜对生酱油样品的细菌去除率分别达到 99.0%、97.5%和 93.8%。结果表明微滤膜可以有效去除酱油中的细菌微生物，并且合适孔径的选择具有重要的作用。
3 结语与展望
陶瓷膜在渗透通量、抗污性能、清洁效率和使用寿命等方面优于聚合物膜，因而应用于生物制药、生物基材料、生物能源、大宗发酵产品和发酵食品饮料等生物制造领域的。然而，陶瓷膜分离技术在生物制造领域的应用仍存在挑战。首先，陶瓷膜分离系统的一次性投资成本高，从经济方面考虑，企业会优先考虑聚合物膜分离系统。降低陶瓷材料的成本和引进新的制造工艺来降低投资成本，将有助于提高陶瓷膜在生物制造领域与聚合物膜的竞争力。其次，陶瓷膜在生物制造领域应用较广的为微滤和超滤陶瓷膜，而纳滤和反渗透占主导的依然是聚合物膜。关键在于陶瓷膜原材料性质难控制，会在制备过程中产生有缺陷的分离孔而影响低孔径纳滤膜的开发。因此，寻找高可靠材料和新制备技术开发，生产低孔径且孔径分布窄的高精度的陶瓷膜也将拓宽陶瓷膜分离技术在生物制造领域的应用。最后，针对生物制造领域，发酵液成分复杂，膜材料、孔径、膜组件、操作条件（温度、压力、p H 等）、膜的清洗方式都关系选择性、通量、膜污染程度、膜的使用寿命和总体成本，需要进一步积累的陶瓷膜的应用实例和操作数据，提高目标产品的质量和膜的使用寿命，降低总体成本，以期推动陶瓷膜技术在快速发展的生物制造领域的广泛应用。