磷脂酰絲氨酸（PS）的連續化生產以微生物發酵合成為核心，結合原位產物分離、連續提取純化技術，突破傳統批次發酵的效率瓶頸，實現產物的高效合成與定向分離。全流程遵循 “連續發酵→原位萃取→微濾/超濾澄清→層析精制→濃縮干燥” 的主線，具有生產效率高、產物純度穩定、能耗低的優勢，適合規模化工業應用。

一、工藝設計核心原則

連續性與集成化：打破批次發酵的 “接種-培養-放罐” 周期限制，實現發酵、分離、純化單元的無縫銜接，減少中間物料轉運時間與損耗。

產物原位保護：磷脂酰絲氨酸易被微生物自身的磷脂酶降解，需通過原位萃取技術及時將胞外 PS 轉移至有機相，降低降解率；同時控制發酵體系溫和環境，避免產物結構破壞。

高效分離與高純度導向：采用 “膜分離+層析” 組合工藝，逐級去除菌體、雜蛋白、雜磷脂等雜質，最終得到食品級（純度≥50%）或醫藥級（純度≥98%）磷脂酰絲氨酸產品。

綠色低碳：選用無毒溶劑（如乙醇、正己烷），實現溶劑回收循環利用；采用膜分離替代傳統離心，降低能耗與固廢產生。

二、全流程工藝單元模擬

（一）連續發酵單元：微生物合成磷脂酰絲氨酸 PS 的核心工段

1. 菌種選擇與種子培養

生產菌株：選用釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）或大腸桿菌（E. coli 工程菌），前者天然合成磷脂且安全性高，后者通過基因工程強化磷脂酰絲氨酸合酶（PSS）表達，磷脂酰絲氨酸合成效率提升3~5倍。

連續種子培養：采用兩級串聯種子罐，一級種子罐（5m³）接入冷凍保藏菌種，在28℃、通氣量1.0vvm條件下培養至OD₆₀₀=10~12；二級種子罐（20m³）接收一級種子的連續流加液，維持OD₆₀₀=15~20，穩定向主發酵罐供種。

2. 主發酵罐連續培養系統

設備配置：采用500m³ 氣升式發酵罐（無攪拌槳，降低剪切力對菌體的損傷），配套在線監測系統（溶解氧DO、pH、菌體濃度、葡萄糖濃度、PS濃度實時檢測）。

連續流加策略

碳源與氮源連續補料：以葡萄糖為碳源（流加速率20~30g/L・h），酵母膏為氮源（流加速率5~8g/L・h），維持發酵液中葡萄糖濃度在5~10g/L，避免碳源過量導致的菌體過度增殖。

前體物精準供給：磷脂酰絲氨酸合成的關鍵前體為L-絲氨酸，通過在線監測它的濃度，聯動調節L-絲氨酸流加速率（5~10 g/L・h），使前體物轉化率提升至80%以上。

發酵參數控制：溫度28~30℃，pH6.0~6.5（通過氨水自動調節），溶解氧DO維持在30%~50%（通氣量+罐壓協同調控），菌體停留時間（HRT）控制在 24 h，發酵液中磷脂酰絲氨酸胞外濃度穩定在15~20g/L。

3. 原位產物萃取：減少磷脂酰絲氨酸降解的關鍵設計

在主發酵罐出口設置原位萃取裝置，采用水-乙醇-正己烷三元雙相體系，利用膜接觸器實現發酵液與有機相的高效傳質：

發酵液從罐底連續流出，與體積比1:1的乙醇-正己烷混合液（體積比3:7）逆向接觸，磷脂酰絲氨酸在有機相中的分配系數（K）達5~8，快速從水相轉移至有機相。

萃取后的水相（含菌體、未利用底物）通過循環泵回流至發酵罐，實現菌體與底物的重復利用；有機相（含PS、少量雜磷脂）進入后續純化單元，磷脂酰絲氨酸原位萃取率＞90%，降解率降至5%以下。

（二）預處理單元：發酵萃取液的連續澄清與濃縮

1. 連續微濾（MF）除雜

設備：采用陶瓷膜微濾系統（孔徑0.2μm），錯流過濾模式，操作壓力0.2~0.3MPa，膜面流速3~5m/s。

功能：去除有機相中夾帶的菌體碎片、膠體雜質，微濾透過液濁度＜1NTU，雜質去除率＞95%；截留的菌體殘渣收集后可作為飼料添加劑，實現副產物資源化。

2. 連續超濾（UF）脫蛋白

設備：選用聚偏氟乙烯（PVDF）超濾膜（截留分子量10kDa），操作壓力0.1~0.2MPa。

功能：截留有機相中的雜蛋白（如磷脂酶、菌體分泌蛋白），避免蛋白污染后續層析柱；超濾透過液中蛋白含量＜0.1g/L，滿足層析進料要求。

3. 連續溶劑濃縮與回收

工藝：采用多級降膜蒸發器，真空度-0.08MPa，溫度40~50℃，將有機相中的乙醇-正己烷混合溶劑濃縮回收，溶劑回收率＞95%，循環回用于原位萃取單元。

產物富集：濃縮后得到磷脂酰絲氨酸的濃縮液（濃度50~80g/L），溶劑殘留量＜1%，進入精制單元。

（三）純化單元：高純度磷脂酰絲氨酸的連續層析精制

1. 連續硅膠柱吸附層析

固定相：選用硅膠填料（孔徑60Å，粒徑50μm），利用磷脂酰絲氨酸與雜磷脂（如磷脂酰膽堿PC、磷脂酰乙醇胺PE）的極性差異實現分離。

連續操作模式：采用模擬移動床層析（SMBC），設置吸附區、沖洗區、解吸區、再生區四個功能區，實現填料與料液的逆向連續接觸。

上樣：磷脂酰絲氨酸的濃縮液以5BV/h 的流速進入吸附區，它被硅膠選擇性吸附，雜磷脂隨流出液排出。

沖洗：用正己烷-乙醇混合液（體積比9:1）沖洗，去除弱吸附的雜脂。

解吸：用乙醇-水混合液（體積比8:2）洗脫，得到高純度磷脂酰絲氨酸洗脫液，PC、PE等雜磷脂去除率＞90%。

再生：用無水乙醇沖洗層析柱，硅膠填料再生后循環使用，使用壽命＞500次。

2. 離子交換層析深度純化（醫藥級PS專用）

設備：采用強陰離子交換樹脂柱（如Q-Sepharose Fast Flow），連續上樣模式。

原理：磷脂酰絲氨酸分子中的磷酸基團帶負電，與陰離子樹脂的季銨基團結合，雜蛋白、中性脂不被吸附而直接流出。

操作：上樣流速3BV/h，用0.5mol/L NaCl溶液梯度洗脫，收集磷脂酰絲氨酸的洗脫峰，純度提升至98%以上，滿足醫藥級標準。

（四）后處理單元：連續干燥與成品制備

1. 濃縮脫溶

將層析洗脫液送入連續真空旋轉蒸發儀，在-0.09MPa、50℃條件下濃縮至磷脂酰絲氨酸的濃度200~250g/L，溶劑殘留量＜0.05%（符合食品藥品標準）。

2. 連續噴霧干燥

設備：采用離心式噴霧干燥塔，進風溫度160~180℃，出風溫度70~80℃，進料流速 10~15 L/h。

優勢：干燥過程快速，避免磷脂酰絲氨酸在高溫下氧化分解；得到的磷脂酰絲氨酸粉末粒徑均勻（50~100μm），流動性好，便于后續制劑加工。

3. 成品包裝

干燥后的磷脂酰絲氨酸粉末經連續篩分（100目篩）去除大顆粒，然后進入全自動包裝線，充氮氣密封包裝，防止氧化變質；食品級磷脂酰絲氨酸的純度≥50%，醫藥級磷脂酰絲氨酸的純度≥98%，總收率可達60%~70%。

三、全流程物料平衡模擬（以500m³發酵罐為例）

發酵進料：葡萄糖1200kg/h，L-絲氨酸300kg/h，酵母膏150kg/h，水100m³/h。

發酵產出：胞外磷脂酰絲氨酸的濃度20g/L，發酵液流量5m³/h，磷脂酰絲氨酸的產量100kg/h。

原位萃取：有機相萃取率90%，得到含磷脂酰絲氨酸90kg/h的有機相。

預處理單元：微濾+超濾雜質去除率 95%，濃縮后磷脂酰絲氨酸的濃度80g/L。

層析精制：硅膠層析純度提升至80%，離子交換層析純度提升至98%，精制后磷脂酰絲氨酸的產量63kg/h。

干燥收率：噴霧干燥收率95%，最終成品磷脂酰絲氨酸的產量59.85kg/h，年產能（300天）可達4310噸。

四、工藝關鍵控制點與優化策略

發酵過程的穩定性控制：通過在線監測DO、pH、PS濃度，聯動調節補料速率與通氣量，避免菌體生長失衡；控制發酵液停留時間24h，防止菌體老化導致的 PS降解。

原位萃取的傳質效率優化：調節有機相配比（乙醇：正己烷=3:7），控制料液與有機相的接觸時間與流速，提升磷脂酰絲氨酸的分配系數；定期清洗膜接觸器，防止膜污染導致的傳質效率下降。

層析柱的壽命延長：預處理單元嚴格控制進料濁度與蛋白含量，避免層析填料堵塞；采用模擬移動床層析，降低填料磨損，延長使用壽命。

溶劑回收與循環：多級降膜蒸發+活性炭吸附聯用，實現乙醇-正己烷混合溶劑的高效回收，循環利用率＞95%，降低生產成本。

五、工藝優勢與工業化前景

高效性：連續化生產相比批次發酵，生產效率提升2~3倍，占地面積減少40%，人力成本降低50%。

產品質量穩定：全程連續操作避免批次間差異，磷脂酰絲氨酸的純度波動范圍＜2%，溶劑殘留量遠低于國標限值。

綠色環保：膜分離替代傳統離心，減少固廢產生；溶劑循環利用，降低VOC排放，符合清潔生產要求。

本文來源于理星（天津）生物科技有限公司官網 http://m.ichew.com.cn/