新型死端过滤策略的开发及其在普鲁兰多糖发酵液分离中的应用研究

为解决高粘度普鲁兰多糖(pullulan)发酵液中细胞分离效率低下的难题，研究人员创新性地开发了基于1-3 μm过滤介质与1%助滤剂的死端过滤(dead-end filtration)策略。该研究通过系统评估膜孔径对Aureobasidium pullulans截留率的影响，揭示了剪切力导致多糖颗粒增大的机制，并优化出"清水-洗涤剂"两步膜再生方案，最终实现99.54%生物量去除率和90.67%多糖回收率，为生物高分子分离提供了高效工业化解决方案。

　　

在食品、医药和化妆品领域广受青睐的普鲁兰多糖(pullulan)，是由Aureobasidium pullulans发酵产生的线性多糖，其独特的α-1,6-糖苷键连接结构赋予其卓越的成膜性和生物相容性。然而这个"明星分子"的产业化之路却遭遇了分离纯化的瓶颈——高粘度发酵液使得传统离心法难以获得澄清上清液，而交叉流过滤(cross-flow filtration)又面临多糖回收率骤降的困境。更棘手的是，现有技术往往需要在发酵浓度与分离效率之间做出艰难取舍，这种"鱼与熊掌不可兼得"的现状严重制约着生产效率。

针对这一行业痛点，中国研究人员在《Process Biochemistry》发表的研究中另辟蹊径。团队首先采用150 kDa至0.8 μm不同孔径的TiO₂陶瓷膜进行交叉流过滤测试，意外发现即使选用最大孔径(0.8 μm)膜，仍会截留50%的多糖。深入分析揭示这源于流体剪切力诱导的多糖颗粒聚集现象——这种"自相矛盾"的效应使得传统膜技术陷入两难。研究人员继而转向死端过滤策略创新，通过引入聚丙烯纤维过滤介质与SiO₂助滤剂的组合，配合独创的两阶段浓度模式操作，成功破解了效率与收率的平衡难题。

关键技术方法包括：采用不同MWCO（分子量截留值）陶瓷膜评估截留性能；建立两阶段死端过滤模型分析膜污染机制；开发"清水-洗涤粉"序贯清洗方案；使用HPLC（高效液相色谱）监测多糖回收率。所有实验均采用天津百川生物技术公司提供的标准发酵液。

【Cross-flow filtration for separation of pullulan broth】
研究发现150 kDa膜对细胞的截留率达99%，但多糖损失高达48%。0.8 μm膜虽提升通量，却因剪切力导致多糖粒径增大至1-3 μm，反而加剧了膜污染。这种"剪切力悖论"解释了为何传统方法难以兼顾效率与收率。

【Dead-end filtration strategy development】
创新设计的1-3 μm过滤系统在添加1%助滤剂后，第一阶段污染呈现标准阻塞与中间阻塞混合特征，第二阶段则表现为完全阻塞与中间阻塞的过渡态。这种动态变化提示需采用差异化的清洗策略。

【Membrane regeneration optimization】
对比五种清洗方案后，清水冲洗结合洗涤剂的组合使膜通量恢复率达98.2%，显著优于单一清洗方法。电镜分析证实该方案能有效清除膜面形成的多糖-细胞复合污染层。

研究结论指出，这种死端过滤策略突破了高粘度生物高分子分离的传统范式：一方面通过精确匹配多糖聚集态与过滤介质孔径，将回收率提升至90.67%；另一方面创新的两阶段污染控制策略使操作周期延长3倍。特别值得注意的是，该方法可直接处理未经稀释的发酵液，避免了交叉流过滤必需的稀释步骤，使能耗降低40%。

讨论部分强调该技术的双重革新价值：在理论上首次阐明剪切力对多糖溶液胶体行为的调控机制，为类似生物高分子的分离提供新思路；在实践上开发的模块化过滤系统可直接整合到现有生产线，目前已成功应用于β-聚苹果酸(PMLA)的联产工艺。作者特别指出，这种"介质-助剂-工艺"三位一体的设计理念，可拓展至其他微生物胞外多糖的分离纯化领域，为生物制造产业的提质增效提供关键技术支撑。