Микрофильтрация является наиболее близкой к обычной фильтрации системой, которую мы уже упоминали в разделе, связанном с отделением биомассы от культуральной жидкости. Размер пор микрофильтрационных мембран варьируется от 0,1 до 3 мкм. Это позволяет задерживать бактерии, дрожжи, грибы и высокомолекулярные вещества, такие, как жиры.

Наиболее известно использование микрофильтрации как средства деконтаминации питательных сред, дозируемых подпиток, жидких пеногасителей и титрующих агентов для поддержания величины рН. Это позволяет избежать теплового воздействия на стерилизуемые растворы. В связи с этим важно, чтобы сами микрофильтры могли стерилизоваться паром перед началом операции и регенерироваться после длительной эксплуатации. Такими свойствами в наилучшей степени обладают металлокерамические трубчатые мембранные элементы, которые могут регенерироваться обратным током пара.

Мембранная фильтрация позволяет только концентрировать выделяемые частицы в меньшем по сравнению с первоначальным объеме жидкости (т. е. сгущать суспензию), в то время как обычная фильтрация может отделять биомассу от жидкости практически полностью.

Мембранная фильтрация имеет «ситовой» характер, т. е. это обычно тонкая мембрана с контролируемым размером пор.

При обычной фильтрации поток фильтруемой среды направлен перпендикулярно поверхности фильтра. При мембранной поток идет параллельно поверхности фильтра («тангенциально»), а та его часть, которая проходит через поры мембраны, движется перпендикулярно поверхности фильтра. Иначе говоря, это так называемая «фильтрация в поперечном потоке». Такая фильтрация обычно проводится в замкнутой системе, в которой осуществляется непрерывная циркуляция фильтруемой суспензии с непрерывной подпиткой для компенсации убыли объема за счет фильтрата (пермеата).

С помощью микрофильтрации отделяют бактерии, дрожжи, жировые шарики молока и крупные мицеллы белков (например, казеина).

По мере проведения микрофильтрации концентрация биомассы в фильтруемой жидкости (концентрате) возрастает, а растворенные вещества уходят с пермеатом. Тем не менее концентрация растворенных веществ в жидкой фазе, окружающей клетки микроорганизмов и другие нефильтруемые твердые частицы, остается постоянной. Эти нефильтруемые частицы за счет высокой скорости циркуляции как бы смываются с поверхности мембраны, что позволяет иметь довольно высокую скорость фильтрации, не снижающуюся из-за образования слоя осадка, который, как и при обычной фильтрации, может быть сжимаемым.

Обычно скорость движения циркулирующего потока составляет 1–2 м/с для полимерных мембран и 4–7 м/с для керамических.

С целью удаления из фильтруемой суспензии растворенных веществ после концентрирования культуральной жидкости проводят промывку концентрата водой. Для этого вместо подпитки исходным фильтруемым раствором подают воду так, что ее общий объем превышает в 2–3 раза и более «мертвый» объем циркулирующей жидкости. Фильтрат после промывки присоединяют к основному потоку пермеата или обрабатывают отдельно. Целью такой промывки является либо снижение потерь, если целевой продукт – растворенное вещество, либо очистка биомассы от загрязняющих растворенных примесей. Такую операцию называют еще диафильтрацией.

При диафильтрации скорость фильтрации может возрасти, в результате чего появляется возможность повысить концентрацию микроорганизмов в концентрате.

В некоторых случаях вместо воды при диафильтрации используют растворы солей, кислот или щелочей, совмещая процесс концентрирования с процессом экстракции продуктов из биомассы.

Для ускорения процесса микрофильтрации часто повышают температуру, чтобы снизить вязкость жидкости.

Микрофильтрация часто используется для стерилизации сред. В этом случае поры должны быть не более 0,2 мкм, чтобы исключить проскок микроорганизмов очень маленьких размеров.

Такое использование микрофильтрации позволяет предотвратить потери ценных компонентов и образование нежелательных соединений во время тепловой стерилизации. Но при этом важно иметь возможность тепловой стерилизации самих микрофильтрационных элементов. Это трудно осуществить с полимерными мембранами, но при использовании металлокерамических элементов (трубок) вполне возможно.