多段膜プロセスが必要です：ホエイの分画は通常、タンパク質を保持・濃縮するための限外ろ過（UF）から始まり、続いて乳糖を多く含む透過液を逆浸透（RO）、ダイアフィルトレーション、またはその両方で処理します。その後、ストリームを発酵させる場合は、精密ろ過（MF）で菌体を除去し、電気透析、イオン交換、活性炭吸着によってさらなる脱塩と脱色を行います。
このプロセスは、選択的な単位操作の連続として設計されるべきであり、各膜ステージが次のステージのための制御された供給液を生成するようにします。膜は主にサイズに基づく分離を担い、電気透析、イオン交換、吸着は、膜だけでは確実に提供できないイオンや色の仕様を達成します。
なぜ単一の膜ステージでは不十分なのか
複雑なストリームには異なる成分クラスが含まれる
ホエイには、タンパク質、乳糖、ミネラル塩、水、微生物、および発色化合物が含まれています。これらの成分は分子サイズ、電荷、化学的挙動が異なるため、単一の膜で全ての画分を高純度で回収することはできません。
各ステージは次のステージを保護しなければならない
最初の分離では、より微細な精製を開始する前に、最大の有用画分を除去または濃縮する必要があります。これにより、下流の膜への負荷が軽減され、最終製品の品質と回収率が向上します。
製品純度にはサイズ排除以上のものが必要
膜ろ過はサイズによる成分分離には有効ですが、塩類、イオン性不純物、色、および一部の溶解汚染物質には、電気駆動分離、選択的樹脂、または吸着が必要になる場合があります。
推奨されるホエイ分画構成
ステージ1：タンパク質回収のための限外ろ過（UF）
プロセスは限外ろ過から始まります。これはホエイタンパク質を保持し、乳糖、水、溶解ミネラルの多くを透過させます。
UF保持液は、ホエイタンパク質濃縮物（WPC）または関連するタンパク質リッチな製品に濃縮されます。UF透過液は、別の処理工程のための乳糖とミネラルを多く含むストリームとなります。
ステージ2：タンパク質洗浄のためのダイアフィルトレーション
タンパク質保持液から乳糖やミネラルをさらに除去する必要がある場合、ダイアフィルトレーションをUFと統合できます。保持液に水を加えながら透過液を連続的に除去することで、より小さな溶質を膜を通して洗い流します。
これにより、別のバルク分離ステップに頼ることなく、よりクリーンなタンパク質画分が得られます。
ステージ3：乳糖ストリーム濃縮のためのRO
乳糖を多く含むUF透過液は、逆浸透（RO）で処理して水を除去し、溶解固形分を濃縮できます。ROは主に濃縮操作であり、完全な脱塩ステップではありません。
RO濃縮液は、その後の乳糖回収や発酵の効率を向上させることができ、RO透過液は、検証後に再利用可能な比較的低固形分の水ストリームとなります。
ステージ4：発酵（該当する場合）
乳糖ストリームを生物学的に変換する場合、発酵は生物や製品に適した上流の濃縮および調整ステップの後に行う必要があります。
得られた発酵液には、目的の発酵製品とともに、菌体、残留栄養素、塩類、その他の溶解化合物が含まれます。この発酵液には、新たな清澄化および精製シーケンスが必要です。
ステージ5：菌体除去のための精密ろ過（MF）
適切な場合、公称孔径約0.45マイクロメートルの精密ろ過を使用して、発酵液から微生物細胞や懸濁固形分を除去できます。
MF透過液には溶解した製品と小さな不純物が含まれます。MF保持液には濃縮された菌体と保持された粒子状物質が含まれ、プロセスに応じて回収、リサイクル、または廃棄されます。
ステージ6：イオン脱塩のための電気透析
電気透析は、イオン選択性膜と印加電場を使用して帯電種を除去します。したがって、清澄化後の溶解イオン含有量を低減するのに適しています。
MFの後に配置することで、懸濁固形分や菌体が電気透析スタックを汚染（ファウリング）するのを防ぐことができます。必要な脱塩度は、製品仕様と下流のプロセスによって異なります。
ステージ7：仕上げのためのイオン交換
イオン交換は、残留イオン性不純物に対するより選択的な仕上げステップを提供します。バルクの塩負荷が既に低減されている電気透析の後に配置できます。
イオン交換を早すぎる段階で使用すると、樹脂の消費量と再生需要が増加する可能性があります。樹脂の選択と操作順序は、製品の結合、pH、競合イオンも考慮する必要があります。
ステージ8：脱色のための活性炭吸着
活性炭吸着は、膜ろ過やイオン分離では十分に除去できない色成分や特定の溶解有機不純物を除去できます。
炭処理は製品の損失を抑えるように制御する必要があります。製品回収の前に、炭の微粉末を除去するための最終的な清澄化またはろ過ステップが必要になる場合があります。
パイロットプラントの構成方法
独立して接続可能な膜モジュールを使用する
実用的なパイロットプラントには、設定可能なポンプ、圧力制御、供給タンク、透過液回収、保持液循環を備えた個別のUF、RO、MFモジュールを含めるべきです。
これにより、各ステージを個別にテストし、その後、一つの固定された操作条件に縛られることなく順次接続することができます。
すべてのストリームに専用の回収装置を設ける
プラントは、UF保持液と透過液、RO濃縮液と透過液、MF保持液と透過液を個別に回収する必要があります。これらのストリームは潜在的な製品、リサイクルストリーム、または廃棄物ストリームであり、その組成がプロセスの経済的実現可能性を決定します。
ステージ間の調整を含める
ステージ間の調整には、希釈、pH調整、温度制御、固形分除去、または濃縮調整が含まれます。膜のフラックス、選択性、ファウリング、製品の安定性は供給条件に強く依存するため、これらの制御は重要です。
物質収支と製品品質を測定する
パイロットシステムは、流量、圧力、温度、導電率、全固形分、タンパク質、乳糖、ミネラル含有量、色、および関連する微生物や発酵指標を追跡する必要があります。
ステージが成功したと言えるのは、単に高い透過フラックスを生み出した時ではなく、成分の全体的な回収率と純度が向上した時だけです。
トレードオフの理解
純度の向上は回収率を低下させる可能性がある
過度なダイアフィルトレーション、脱塩、または吸着は、純度を向上させる一方で、有用な製品を廃棄物やサイドストリームに移行させてしまう可能性があります。したがって、回収率と純度は同時に最適化する必要があります。
膜ファウリングが性能を左右する可能性がある
タンパク質、細胞、コロイド、色成分は膜を汚染し、フラックスを低下させる可能性があります。安定した性能を確立するには、前処理、クロスフロー操作、洗浄プロトコル、および現実的な供給液テストが必要です。
ROと電気透析には異なる役割がある
ROは主に水を除去することでストリームを濃縮します。電気透析は帯電種を除去するため、これらを交換可能な操作として扱うと、不完全なプロセス設計につながる可能性があります。
ステージが増えると複雑さが増す
多段プラントには、追加のポンプ、タンク、制御装置、洗浄手順、および分析監視が必要です。この複雑さの増加は、各ステージが製品価値やプロセスの安定性に測定可能な貢献をする場合にのみ正当化されます。
仕上げ工程での製品損失の可能性
イオン交換や活性炭吸着は、不純物だけでなく目的の分子も除去する可能性があります。フルスケールの機器を指定する前に、ブレークスルー監視、樹脂選択、吸着テスト、および回収試験が必要です。
目標に適した選択
正しい構成は、どの画分が主要製品であり、どのような純度仕様を満たす必要があるかによって決まります。
- 主な焦点がタンパク質回収の場合：UFを主要な濃縮ステップとして使用し、タンパク質保持液から乳糖やミネラルを除去する必要がある場合にダイアフィルトレーションを追加します。
- 主な焦点が乳糖濃縮の場合：UF透過液をROで処理し、塩分含有量を低くする必要がある場合はダイアフィルトレーションや適切な下流の脱塩ステップを使用します。
- 主な焦点が発酵製品の場合：発酵後にMFを配置して菌体を除去し、続いてイオンや色の仕様に応じて電気透析、イオン交換、活性炭吸着を行います。
- 主な焦点がプロセス開発の場合：独立した膜ステージ、完全なストリーム回収、ステージ間調整、成分レベルの物質収支分析を備えたモジュール式パイロットプラントを使用します。
適切に設計された分画プロセスは、各膜および仕上げ操作に一つの特定の分離タスクを割り当て、一つの単位操作だけでストリーム全体の化学的性質を解決しようとすることなく、高い回収率と純度を実現します。
要約表：
| プロセスステージ | 主な機能 | 主な出力または利点 |
|---|---|---|
| 限外ろ過（UF） | タンパク質の保持と濃縮 | タンパク質リッチな保持液と乳糖リッチな透過液 |
| ダイアフィルトレーション | タンパク質からの乳糖とミネラルの洗浄 | より高純度なタンパク質画分 |
| 逆浸透（RO） | 水の除去と溶解固形分の濃縮 | 濃縮された乳糖ストリーム |
| 発酵 | 乳糖の目的製品への変換 | 発酵液 |
| 精密ろ過（MF） | 菌体と懸濁固形分の除去 | 清澄化された製品ストリーム |
| 電気透析 | 溶解イオン含有量の低減 | 脱塩されたストリーム |
| イオン交換 | 残留イオン性不純物の仕上げ | より高純度な製品 |
| 活性炭吸着 | 色成分と溶解有機物の除去 | 脱色された製品ストリーム |
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