我国是全球农药生产及消费大国之一,拥有全球最大农药原药产能,农药消费量居世界第四。当前,化学农药仍是我国使用量最多的农药品种,但长期大量施用化学农药会引发农药残留、环境污染、生物抗药性等问题。农药减量增效、农药产业绿色发展已成为促进我国农业高质量发展的必然趋势。
生物农药是指用于控制农作物病虫草鼠害的生物活体或其代谢产物,具有低毒、低残留等优点。国际上对于生物农药的分类尚未统一,我国主要将其划分为微生物农药、生物化学农药、植物源农药、农用抗生素、转基因生物、天敌生物等。采用生物农药替代化学农药,有助于提升农作物病虫草鼠害防治绿色化水平,保障食品安全,促进农业强国建设和实现“双碳”目标。
近年来,我国生物农药产业迎来利好,2022年市场规模150.3亿元,预计将以年均增幅17%左右快速增长,发展潜力巨大。然而,我国生物农药产业仍面临成本高、绿色生产能力不足等问题,制约其推广与应用;将膜技术应用于生物农药产业,可有效提升生产环节绿色化水平,实现降本增效,推动我国生物农药行业绿色创新发展。鉴于国内外尚无针对膜技术在生物农药产业应用的综述,本文中基于生物农药生产工艺概况,重点分析微滤、超滤、纳滤、渗透气化、膜强化、膜集成等主要膜技术在生物农药生产环节中应用的国内外研究现状,提出膜技术在我国生物农药产业应用的发展建议,为我国膜技术及生物农药产业相关从业人士提供参考。
1 生物农药生产工艺概况
目前,生物农药生产工艺主要包括生物发酵法、植物提取法、活体昆虫培养法、昆虫细胞培养法、生物合成法等(
表1)。其中,生物发酵法在我国生物农药生产工艺中应用最为广泛,这主要是由于农用抗生素、微生物农药大多采用生物发酵法进行制备,而其在我国生物农药使用市场中的占比最高(农用抗生素占据2/3,微生物农药占30%以上)。合成生物学是近年来蓬勃发展的新兴前沿交叉学科,生物合成法已在生物农药生产领域崭露头角,如中国科学院青岛生物能源与过程研究所、天津工业生物研究所、大连化学物理研究所等机构已采用生物合成法实现多种植物源生物农药(如大黄素甲醚、白藜芦醇)、生物化学农药(如吲哚乙酸)制备,有效提高了生物农药产量,解决了天然产物中有效成分含量偏低、来源不稳定等问题
[1-4]。实际上,生物农药生产工艺中大多涉及有效成分精制、纯化、浓缩等分离需求,膜技术相比于传统分离技术具有节能高效、环境友好等优势,有助于实现生物农药传统生产技术升级、提高分离效率、降低生产成本。
2 膜技术在生物农药产业中的应用
膜技术主要应用于生物农药产业生产环节涉及的有效成分精制、纯化、浓缩以及生物农药发酵培养等方面,涉及的膜技术主要包括微滤、超滤、纳滤、渗透气化、膜萃取、膜反应器及膜集成技术等。
2.1 微滤技术
微滤(MF)技术主要用于生物农药发酵液、提取液等的澄清过程;相比于传统离心、板框过滤等工艺,具有高效节约、产品效价损失小等优势。
已有研究采用醋酸纤维素、聚砜等有机膜材料,但无机陶瓷膜材料在复杂生物发酵液、植物提取液体系中以更高的材料耐受性而具有实际应用优势
[5-6]。通过增加预处理、增强膜表面传质、控制进料方式等方法有助于减轻膜污染、提高膜渗透通量。Jokić等
[7-9]将孔径0.2 μm陶瓷MF膜用于贝莱斯芽孢杆IP22培养发酵液的澄清过程,通过将Kenics静态混合器与气体喷射器相结合,在膜组件内部产生湍流流型,从而降低滤饼阻力,相比于单独使用气体喷射器,最佳稳态渗透通量提高了2.8倍,比能耗降低了1.8倍。
在水蒸气蒸馏法(SD)提取植物精油过程中,常规过滤仅对分散油进行回收,而无法实现乳化油、溶解油回收,造成有效成分收率低、产品质量不高。MF技术可用于乳化油分离富集,考虑到精油为亲脂性成分,溶剂耐受性能好的陶瓷MF膜更具优势。南京中医药大学朱华旭团队
[10]采用水热法制备紫胶(lac)涂覆改性Al
2O
3(lac@AC)膜,利用天然紫胶的纳米针状结构及天然脂溶性实现对陶瓷MF膜表面的疏水改性;相比于未改性AC膜,lac@AC膜对醋制香附精油提取液的稳定渗透通量及截留率均明显提高[分别从158.49 L/(m
2·h)、64.81%提高至313.89 L/(m
2·h)、81.85%],通量衰减率明显降低(从50.42%降低至16.96%),且富集后的精油成分与采用SD法获得的精油成分相似度达99.6%。
2.2 超滤技术
超滤(UF)技术主要用于有效成分分子尺寸处于2 nm~0.02 μm范围内的生物农药纯化浓缩过程。
UF过程分离性能主要由膜材料及工艺过程决定。对于多糖、多肽、蛋白质(如酶)、病毒等生物农药有效成分分离,应结合其活性成分分子结构以及相对分子质量(简称“分子质量”)/尺寸分布等选择具有合适截留分子质量(MWCO)的膜材料。Alves等
[11]采用不同MWCO UF膜对低浓度细胞壁降解混合酶发酵液进行浓缩,其中,10 kDa UF膜对各类酶纯化因子最高,渗透液对子宫飞蛾幼虫的防治效果最佳,而当MWCO高于10 kDa时,混合酶中所有酶纯化因子均降低,表明所有酶的分子质量均低于10 kDa,MWCO过高会造成杂蛋白等非目标成分透过膜而降低生物农药活性。Michalsky等
[12]采用不同MWCO UF膜对苜蓿银纹夜蛾核型多角体病毒(AcMNPV)细胞培养液进行终端过滤,其中,100 kDa UF膜可将AcMNPV浓缩20倍,渗透液中病毒效价可降低2个对数单位,即病毒数量降低至未过滤前的1%,表明该MWCO与病毒尺寸(直径20~100 nm)更匹配。范云鹏等
[13]采用MWCO 50 kDa UF膜对香菇多糖提取液进行分离,相比于浓缩操作方式,浓缩-渗滤操作方式可使香菇多糖纯度从74.1%提高至80.4%。
对于天然来源的糖类物质,通常伴生大量蛋白质;对于分子质量与蛋白质差异较大的小分子糖苷类有效成分,可采用UF技术将糖苷、蛋白质进行分离。Hebert等
[14]采用不同MWCO UF膜对硫代葡萄糖苷(GSL)提取粗汁进行浓缩,由于10 kDa膜可获得与5 kDa膜相似的GSL渗透液浓度(~90%),且两者对蛋白质截留率相当,但前者渗透性能更好(两者膜阻分别为4.25×10
13、9.25×10
13 m
-1),因此优选MWCO 10 kDa UF膜;渗透液GSL组分用于生物农药配制,截留液蛋白质组分用于动物饲料,实现综合利用。
2.3 纳滤技术
纳滤(NF)技术主要用于有效成分分子质量处于200~1 000 Da的小分子生物农药纯化浓缩过程。
在纯水体系NF过程中,溶质通过NF膜的分离性能主要由静电、位阻、吸附等多种作用机理共同决定。以苦参中共存的苦参碱(MT)、氧化苦参碱(OMT)2种极性生物碱为例,由于分子结构相似,分离较为困难。朱华旭团队
[15]采用4种NF商品膜研究了纯水体系中MT与OMT的分离机理;结果显示,静电作用、亲疏水作用及竞争吸附作用共同决定其分离过程。随后,该团队
[16]采用真空抽滤法制备出一系列氧化石墨烯(GO)NF膜,通过调节GO纳米片的氧化程度,实现纯水体系中MT与OMT分离;随着GO纳米片中的O/C比增加,GO膜Zeta电位越负亲水性越强,OMT因存在氮氧配位键,相比于MT具有更大极性,更易透过膜,此时亲水性相互作用占主导,MT截留率高于OMT;随着O/C比进一步增加,由于MT比OMT携带更多正电荷,MT与GO膜的静电相互作用更强、更易穿过膜,此时静电作用力占主导,MT截留率低于OMT;二次分离后,MT与OMT分离因子达3.16,并可稳定运行72 h以上。
实际上,植物源农药等提取分离过程中,更多采用水-有机溶剂混合体系或纯有机溶剂以提高提取率;该过程不同于纯水体系,NF膜分离性能还需考虑有机溶剂体系特性影响。南京中医药大学李存玉团队
[17]采用NF传质模型结合Box-Behnken设计方法,探索乙醇溶液环境下3种黄连生物碱成分(盐酸巴马汀、盐酸小檗碱、盐酸黄连碱)的NF分离机制;黄连生物碱传质系数随着乙醇浓度升高而下降,这是由于乙醇浓度与分离层溶胀程度在一定范围内呈正相关,膜材料溶胀引起的有效分离孔径下降,导致溶质通过NF膜的难度增加;当乙醇体积分数30%时,3种黄连生物碱成分的传质系数差异明显,可实现多组分拆分分离。另外,对于植物精油等亲脂性成分,可利用正己烷等非极性溶剂进行萃取,再采用耐溶剂NF膜进行纯化浓缩;相比于热法溶剂回收工艺,可显著降低能耗、提高效率。Gopika等
[18]采用MWCO 500 Da耐溶剂NF膜对从副产物姜黄素去除-姜黄油树脂中正己烷萃取的姜黄油进行纯化浓缩,可将产品中的姜黄油浓度从75.0%提高至97.8%;同时,由于NF法得到的姜黄油中的总酚含量更高,相比于SD法得到的姜黄油具有更高的产品稳定性。
2.4 其他膜技术
优先透有机物型渗透气化(PV)技术主要用于精油溶解油回收。已有研究
[19]证实,MF膜对乳化油(基于孔径筛分机理)分离效果更佳,PV膜对溶解油(基于溶解-扩散机理)分离效果更佳。膜材料及操作条件等均对PV分离性能有影响。天津工业大学杜润红团队
[20]对比了聚醚嵌段酰胺(PEBA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)2种PV膜在模拟紫苏挥发油组分水溶液中的分离性能;PEBA膜渗透通量高于PDMS膜,这是由于PEBA距离参数值Δ
s均小于PDMS,显示该聚合物材料与溶剂间的相互作用更强、更有利于溶剂中的组分传输。南京工业大学仲兆祥团队
[21]将PDMS/陶瓷复合PV膜用于薰衣草精油提取液中的4种溶解油成分(芳樟醇、松油烯-4醇、
α-松油醇及樟脑)富集,考察进料浓度、流速等操作条件对分离性能的影响;4种溶解油成分通量随进料浓度的增加而增加,樟脑的富集因子相比于其他组分随流速增加更显著,最优条件下,薰衣草精油提取液通量254.84 g/(m
2·h),4种溶解油成分的富集因子分别为5.64、4.56、2.59、15.31。
膜萃取技术可用于生物农药有效成分提取分离。新疆医科大学艾尔肯·伊布拉音团队
[22]采用逆三相膜萃取技术用于氧化槐果碱的萃取分离,以PTFE中空纤维膜固定酸碱相界面,酸相(HCl)、碱相(NaOH)分别在膜两侧搅拌,有机相(CHCl
3)在酸/碱相间进行循环;相比于溶剂萃取法,具有溶剂消耗量低、萃取时间短等优势,最佳萃取率可达98.21%。
膜反应器技术可用于生物农药的发酵培养过程;通过构建膜分离与生物发酵相耦合的膜恒梯度反应器(MGR),将微生物细胞固定在中空纤维超微滤膜材料内部,利用膜材料实现营养梯度维持并为微生物生长提供固定表面,从而促进天然次生代谢产物生成;与固态发酵法相比,该技术更易实现发酵参数控制,有利于微生物连续发酵培养。De Jager等
[23]、Godongwana等
[24]采用孔径40 nm中空纤维Al
2O
3 UF膜构建MGR系统,量化考察了链霉菌在该系统中的生长动力学,并利用生物膜对膜材料水渗透性能的相关性,研究了细菌生长对MGR膜腔内营养液流速及压力分布的影响;结果显示,轴向及径向流速随生物膜生长而下降,且存在临界渗透率值κcrit,在此临界值以下,营养液可再循环至MGR膜腔内。
2.5 膜集成技术
根据分离体系特点,通常需将多种膜技术集成或与其他工艺耦合应用以达到良好的分离效果。
由于生物农药有效成分与杂质成分尺寸分布存在差异,且部分有效成分本身具有较宽的尺寸分布,需采用膜集成技术实现有效成分与杂质成分分离,提高有效成分收率及生物农药活性。江西新瑞丰生化公司
[25-26]采用“超滤+纳滤+反渗透”工艺替代“板框过滤+真空薄膜蒸发”工艺,对赤霉酸发酵液进行分离,将产品收率由~70%提高至~90%。早期研究中,福建农林大学陈锦权团队采用UF技术进行苏云金芽孢杆菌(Bt)发酵液中的杀虫晶体蛋白纯化浓缩
[27];考虑到Bt有效成分还包含微米级芽孢以及苏云金素等小分子活性物质,武汉科诺生物公司
[28]将“微滤+超滤+纳滤”工艺用于Bt生产过程,总收率超85%且产品生物农药活性显著提高。仲兆祥团队
[19]将陶瓷MF膜、PDMS/PTFE复合PV膜集成用于大蒜精油提取液分离,实现了乳化油及溶解油的同步回收,大蒜精油收率接近100%(99.6%)。
膜技术应用还应与上下游工艺进行集成耦合。Erragued等
[29]采用溶剂萃取与膜技术集成方式对橄榄叶中的橄榄苦苷进行提取分离,在乙醇(75%)/水(25%)中提取的总酚类化合物(TFC)含量最高、达51.22±1.07 mg/g,再经UF-NF纯化浓缩,TFC含量可达119.01 mg/g。另外,在生物农药活性成分作用机制解析过程中,考虑到UF得到的富集物为混合组分,且体系中存在的离子等非目标成分会对分析产生影响,通常还需在UF下游结合层析等纯化手段。江苏省中国科学院植物研究所于金平团队
[30]采用MWCO 3 kDa UF膜对解淀粉芽孢杆菌菌株FX2无细胞上清液(CFS)进行分离浓缩,可保留大部分对苹果环腐病病原体具有拮抗作用的活性蛋白成分,但由于其为混合组分且含有盐分等干扰成分,还需结合多级层析技术对CFS进行脱盐及结合蛋白梯度洗脱,进一步鉴定出FX2中的AE-6、AE-7、AE-8为主要抗真菌蛋白成分。
3 总结及建议
膜技术在生物农药产业涉及的有效成分精制、纯化、浓缩和生物农药发酵培养、缓控释及载体介质制备、残留含量检测等领域已取得诸多研究进展。我国已将MF、UF及NF技术应用于部分生物农药品种实际生产过程中;但总体而言,膜技术在我国生物农药实际生产过程中的应用并不多,主要原因在于:现有膜产品无法满足生物农药多元化分离需求,膜污染限制实际应用,膜集成工艺及装备开发不足等;尽管我国生物农药产品登记费用仅为化学农药的1/5,但仍较高,且膜法工艺可能对生物农药产品活性产生一定影响,一定程度上抑制了相关农药企业采用膜法的积极性。为推进膜技术在我国生物农药产业中的应用,从以下3个层面提出发展建议。
3.1 技术层面
(1)面向生物农药产业的膜集成技术开发及耦合强化:研究不同膜集成方式、工艺过程等对生物农药体系中有效成分的分离性能、产品收率及农药活性等的影响,探究膜材料微结构与复杂体系各组分(尤其是生物农药有效成分)的相互作用以及其对分离性能的影响,研究膜污染过程及传质机理,借助机器学习等手段建立分离性能预测模型,并开发高效膜污染防控技术。针对已实现规模化量产的生物农药有效成分品种(如芽孢杆菌、赤霉酸、氨基寡糖素、农用抗生素、少量植物源农药),基于生物农药生产上下游工艺,重点开发专用膜集成工艺及装备,开展膜法与现有工艺装备应用于生物农药生产过程中的技术经济性评价对比,通过膜集成工艺优化提高膜技术在生物农药生产过程中的应用综合效益、降低成本,从而为膜法替代现有工艺装备提供产业化数据支撑,加快膜法生物农药规模化生产替代进程。采用膜技术与萃取、乳化、反应等多种过程相耦合,考察膜强化过程中涉及的膜产品性能、工艺条件、相组成等因素影响,分析膜强化机理及控制方法,为拓展膜技术在生物农药领域中的应用提供新途径。
(2)面向生物农药产业的高性能膜材料设计与制备:重点针对尚处于研发、小试或中试阶段的生物农药有效成分品种(如多肽、病毒、性信息素、大多数植物源农药),分析生物农药分离体系组成特点,结合分离体系中有效成分的药效发挥依赖于单一组分或复合组分,研究膜材料性质(如微结构、表面性质)对膜分离性能影响以及制膜控制参数对膜材料性质影响,分析其定量控制关系,设计制备满足不同生物农药分离要求的系列化高渗透及选择性膜材料,实现有效与无效成分最大化分离、提高农药活性;开展膜材料规模化制备研究,从而加速生物农药新品种研制进程。针对膜强化过程开发满足应用需求的新型膜材料,如面向膜反应器等应用的高分离选择性膜材料,面向固相膜萃取等应用的高吸附性膜材料。
3.2 政策层面
加大膜技术在我国生物农药产业应用的政策扶持力度,在国家及省部级科研项目中将其列为优先资助方向。对我国采用膜技术研制生物农药原药/母药的相关企业给予税收优惠、奖补及融资等支持,鼓励相关企业投入经费及技术力量进行产业升级。为采用膜技术研制的生物农药已有品种及新品种相关产品提供更顺畅的农药登记审批绿色通道,在确保产品高效安全前提下,适当缩减登记试验要求,从而加快膜法研制生物农药产品的评审进程。
3.3 市场层面
加强膜领域研发机构及企业与生物农药领域研发机构及企业的技术交流,为我国膜产业及生物农药产业的研发进展及共性难题提供交融结合平台。积极推进膜技术在我国生物农药新品种研制生产中的应用,开展联合研发攻关,在生物农药新品种研制初期介入生产链,相关生物农药试验结果可直接用于后期农药登记审批过程,从而降低生物农药新品种产品开发成本,加快我国生物农药新品种开发及应用步伐。
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