Биомембранные системы для конвергентных природоподобных технологий

Актуальными направлениями развития биотехнологических производств являются создание и внедрение конвергентных природоподобных технологий, в том числе на основе биологических и мембранных процессов. Однако эти качественно новые прогрессивные технологии требуют принципиально нового специального инженерного обеспечения, в частности разработки гибридных биомембранных систем. Цель обзора – проанализировать и обобщить результаты научных иссле дований и инженерных разработок, посвященных созданию и изучению биомембранных систем, включая их конструктивные особенности, технологические возможности и перспективы развития.

Объектами исследования послужили научные публикации о разработке, исследованиях, практическом применении, проблемах функционирования и перспективах развития биомембранных систем (преимущественно за 2013–2024 гг.). Поиск и отбор статей осуществлялись в библиографических базах Web of Science, Google Scholar, Scopus, Elsevier и в российской электронной библиотеке eLIBRARY.RU.

Провели анализ, обобщение и систематизацию научно-технической информации в области изучения и создания био мембранных систем, выявили основные признаки их классификации. Обобщили результаты функционирования био мембранных систем: их использование в производстве существенно (иногда в десятки раз) повышает продуктивность процессов культивирования дрожжей, молочной и уксусной кислот и прочих метаболитов. Применение биомембранных систем при получении молочной кислоты повышает производительность процесса до 10 раз с достижением продуктивности до 50 г/л×ч при содержании продукта 100 г/л.

Обосновали перспективность применения биомембранных систем для создания новых прогрессивных биотехнологий. Однако они остаются недостаточно изученными, что не позволяет применять их в промышленном масштабе, и нуждаются в дальнейших исследованиях. Таким образом, изучение организации, строения, функционирования и развития био мембранных процессов и систем, а также создание на их основе эффективных и экономичных конвергентных природо подобных технологий являются актуальными направлениями.

1. Ковальчук М. В., Нарайкин О. С. Природоподобные технологии – новые возможности и угрозы. Индекс Безопас ности. 2016. Т. 22. № 3–4. С. 103–108. https://elibrary.ru/YRNQYF

2. Ковальчук М. В., Нарайкин О. С., Яцишина Е. Б. Конвергенция наук и технологий – новый этап научно-техниче ского развития. Вопросы философии. 2013. № 3. С. 3–11. https://elibrary.ru/PYKLUT

3. Ковальчук М. В., Нарайкин О. С., Яцишина Е. Б. Природоподобные технологии: новые возможности и новые вызовы. Вестник российской академии наук. 2019. Т. 89. № 5. С. 455–465. https://www.doi.org/10.31857/s0869-5873895455-465

4. Федоренко Б. Н. Промышленная биоинженерия: инженерное сопровождение биотехнологических производств. СПб.: Профессия; 2020. 518 с.

5. Федоренко Б. Н., Яблоков А. Е., Якушев А. О. Инженерное обеспечение конвергентных природоподобных технологий. Фабрика будущего: переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам для отраслей пищевой промышленности: сборник научных докладов конференции. М.: МГУПП; 2021. С. 399–407.

6. Федоренко Б. Н. Инженерия конвергентных природоподобных технологий на основе биомембранных процессов и систем. М.: Росбиотех; 2024. 576 с.

7. Антипов С. Т., Бредихин С. А., Ключников А. И., Панфилов В. А., Федоренко Б. Н. Конструирование биореакто ров будущего пищевых технологий (научно-прикладные аспекты). СПб.: Лань; 2022. 524 с.

8. Klyuchnikov AI, Fedorenko BN, Antipov ST, Panfilov VA. Fundamental creation concepts for food technologies bioreactors constructions of the future. Bulletin of the Kerch State Marine Technological University. 2023;(1):130–137.

9. Dostalek M, Häggstrom M. A filter fermenter apparatus and control equipment. Biotechnology and Bioengineering. 1982;24(9):2077–2086. https://www.doi.org/10.1002/bit.260240914

10. Свитцов А. А., Марквичев Н. С., Кураков В. В. Мембранные биореакторы в биотехнологии. Обзор. М.: ВНИИСЭНТИминмедмикробиопрома; 1986. 36 с.

11. Сойфер Р. Д. Мембранная технология в производстве биологически активных веществ. Журнал Всесоюзного химического общества им. Д. И. Менделеева. 1987. Т. 32. № 6. С. 661–669.

12. Кудряшов В. Л. Мембранный биореактор – новое гибридное оборудование для производства пищевых БАВ, биопрепаратов и очистки стоков. Пищевая промышленность. 2018. № 1. С. 14–17. https://elibrary.ru/YNTMHG

13. Kuznetsov NA, Beloded AV, Derunets AS, Grosheva VD, Vakar LL, et al. Biosynthesis of lactic acid in a membrane bioreactor for cleaner technology of polylactide production. Clean Technologies and Environmental Policy. 2017;19(3):869–882. https://www.doi.org/10.1007/s10098-016-1275-z

14. Мухачев С. Г., Александровская Ю. П., Филлипова Н. К., Емельянов В. М. Кинетика аэробного культивирова ния спиртовых дрожжей в мембранном биореакторе. Вестник Казанского технологического университета. 2003. № 2. С. 168–172. https://elibrary.ru/HUWHJJ

15. Шавалиев М. Ф., Мухачев С. Г., Валеева Р. Т., Емельянов В. М. Применение инокулятора с мембранным устройством подвода газового питания для повышения асептики спиртовых производств. Вестник Казанского техноло гического университета. 2011. № 5. С. 147–149. https://elibrary.ru/NPIXVT

16. Nedovic V, Willaert R. Fundamentals of cell immobilisation biotechnology. Berlin: Springer Science & Business Media; 2013. 555 p.

17. Eibl R, Eibl D, Portner R, Catapano G, Czermak P. Cell and tissue reaction engineering: Principles and practice. Berlin: Springer; 2009. 363 p.

18. Степанов С. В., Степанов А. С., Сташок Ю. Е., Блинкова Л. А. Модульные мембранные биореакторы. Водо снабжение и санитарная техника. 2013. № 8. С. 51–55. https://elibrary.ru/QZHNYJ

19. Воробьева Е. С., Сафаров Р. Р., Гусева Е. В., Меньшутина Н. В. Моделирование гидродинамики в половолокон ной мембране для культивирования клеток млекопитающих. Успехи в химии и химической технологии. 2015. Т. 29. № 4. С. 72–74. https://elibrary.ru/SLIZFV

20. van Bentem AGN, Petri CP, Schyns PFT, van der Roest HF. Membrane bioreactors: Operation and results of an MBR wastewater treatment plant. London: IWA; 2007. 100 p. https://doi.org/10.2166/9781780402017

21. Judd S, Judd C. The MBR Book: Principles and applications of membrane bioreactors in water and wastewater treatment. Oxford: Elsevier; 2006. 325 p.

22. Yang W, Cicek N, Ilg J. State-of-the-art of membrane bioreactors: Worldwide research and commercial applications in North America. Journal of Membrane Science. 2006;270(1–2):201–211. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2005.07.010

23. Степанов С. В. Технологический расчет аэротенков и мембранных биореакторов. М.: АСВ; 2023. 224 с.

24. Kozlovskiy R, Shvets V, Kuznetsov A. Technological aspects of the production of biodegradable polymers and other chemicals from renewable sources using lactic acid. Journal of Cleaner Technology. 2017;155(1):157–163. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2016.08.092

25. Смирнова И. В., Кречетникова А. Н., Гернет М. В. Способ получения сусла в производстве спирта с ультра звуковой обработкой сырья. Хранение и Переработка Сельхозсырья. 2007. № 9. С. 68–69. https://elibrary.ru/IBSBAL

26. Dey P, Pal P. Direct production of l (+) lactic acid in a continuous and fully membrane-integrated hybrid reactor system under non-neutralizing conditions. Journal of Membrane Science. 2012;389:355–362. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2011.10.051

27. Giorno L, Chojnacka K, Donato L, Drioli E. Study of a сell-recycle membrane fermentor for the production of lactic acid by Lactobacillus bulgaricus. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2002;41(3):433–440. https://doi.org/10.1021/ie010201r

28. Nishiwaki A, Dann I. Comparison of lactic acid productivities at high substrate conversions in a continuous two-stage fermenter with cell recycle using different kinetic models. Chemical Engineering Communications. 2005;192(2):219–236. https://doi.org/10.1080/00986440590473335

29. Xu G, Chu J, Wang Y-H, Zhuang Y-P, Zhang S-L, et al. Development of a continuous cell-recycle fermentation system for production of lactic acid by Lactobacillus paracasei. Process Biochemistry. 2006;41(12):2458–2463. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2006.05.022

30. Pal P, Sikder J, Roy S, Giorno L. Process intensification in lactic acid production: A review of membrane based processes. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. 2009;48(11–12):1549–1559. https://doi.org/10.1016/j.cep.2009.09.003

31. Lu Z, Wei M, Yu L. Enhancement of pilot scale production of l(+)-lactic acid by fermentation coupled with separation using membrane bioreactor. Process Biochemistry. 2012;47(3):410–415. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2011.11.022

32. Fan R, Ebrahimi M, Czermak P. Anaerobic membrane bioreactor for continous lactic acid fermentation. Membra nes. 2017;7(2):26. https://doi.org/10.3390/membranes7020026

33. Meng F, Chae S-R, Drews A, Kraume M, Shin H-S, et al. Recent advances in membrane bioreactors (MBRs): Membrane fouling and membrane material. Water Research. 2009;43(6):1489–1512. https://doi.org/10.1016/j.watres.2008.12.044

34. Xiong Y, Liu Y. Biological control of microbial attachment: A promising alternative for mitigating membrane biofouling. Applied Microbiology and Biotechnology. 2010;86(3):825–837. https://doi.org/10.1007/s00253-010-2463-0

35. Judd SJ. A review of fouling of membrane bioreactor in sewage treatment. Water Science & Technology. 2004; 49(2):229–235. https://doi.org/10.2166/wst.2004.0131

36. van der Marela P, Zwijnenburgb A, Kempermana A, Wessling M, Temmink H, et al. Influence of membrane pro perties on fouling in submerged membrane bioreactors. Journal of Membrane Science. 2010;348(1–2):66–74. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2009.10.054

37. Yu H-Y, Hu M-X, Xu Z-K, Wang J-L, Wang S-Yu. Surface modification of polypropylene microporous membranes to improve their antifouling property in MBR: NH3 plasma treatment. Separation and Purification Technology. 2005;45(1):8–15. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2005.01.012

38. Kim J-S, Lee C-H, Chang I-S. Effect of pump shear on the performance of a crossflow membrane bioreactor. Water Research. 2001;35(9):2137–2144. https://doi.org/10.1016/S0043-1354(00)00495-4

39. Liu R, Huang X, Sun YF, Qian Y. Hydrodynamic effect on sludge accumulation over membrane surfaces in a submerged membrane bioreactor. Process Biochemistry. 2003;39(2):157–163. https://doi.org/10.1016/S0032-9592(03)00022-0

40. Ognier S, Wisniewski C, Grasmick A. Membrane bioreactor fouling in sub-critical filtration conditions: A local critical flux concept. Journal of Membrane Science 2004;229(1–2):171–177. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2003.10.026

41. Pollice A, Brookes A, Jefferson B, Judd S. Sub-critical flux fouling in membrane bioreactors – A review of recent literature. Desalination. 2005;174(3):221–230. https://doi.org/10.1016/j.desal.2004.09.012

42. Cho BD, Fane AG. Fouling transients in nominally sub-critical flux operation of a membrane bioreactor. Journal of Membrane Science. 2002;209(2):391–403. https://doi.org/10.1016/S0376-7388(02)00321-6

43. Meng F, Chae S-R, Drews A, Kraume M, Shin H-S, et al. Recent advances in membrane bioreactors (MBRs): Membrane fouling and membrane material. Water Research. 2009;43(6):1489–1512. https://doi.org/10.1016/j.watres.2008.12.044

44. Паландова Р. Д. Анализ методов активации хлебопекарных дрожжей и альтернативный вариант. Хранение и Переработка Сельхозсырья. 2000. № 8. С. 19–22.

45. Спирин А. С., Четверин А. Б., Воронин Л. А., Баранов В. И., Алахов Ю. Б. Биосинтез белка и перспективы бесклеточной биотехнологии. Вестник АН СССР. 1989. № 11. С. 30–38.