膜分离技术论文文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208]
膜分离技术论文摘要简要介绍膜分离技术特点及其在生物化工产品分离应用现状基础上，指出了膜分离技术在应用中仍存在的一些问题，并进一步对其解决对策进行了论述，最后对膜分离技术在生物分离方面的发展方向和用前景进行了展望。
关键词生物化工膜分离技术应用
生物技术与化学工程相结合而形成的生物化技术是新兴高技术领域中的重要分支是21 世纪高新技术的核心，已经得到了各国的重视，我国也把生物技术作为新兴的战略产业之一。根据生物产品的分离经验，下游分离技术是产品制备过程的重要组成部分，对产品的纯度回收率、性状等具有至关重要的影响，并且在成本中占据很大比例，是生物技术实现产业化的关键。生物化工产品的下游分离与常规化工产品的分离相比具有一定的特殊性，大多要求纯度高并且具有生物活性，因而生物分离过程一般要求在低温、洁净、不改变产品生物活性的条件下进行。常规的生物分离技术包括离心、沉淀、萃取、过滤、离子交换、蒸馏、结晶、吸附和干燥等，这些工艺往往过程繁杂、分离周期长、原料消耗量大、能耗高、回收率低、易引起二次污染，最重要的是产品在分离纯化过程中易失活。膜分离技术由于设备简单、易操作、节能、高效、无相变、可低温操作等特点，可替代传统的分离技术；并且膜分离过程可以与生物反应过程耦合，既能将产物实时地从反应体系中分离出来，降低产物抑制、提高反应速率、缩短反应周期，又可以回收利用生化反应过程中的酶等原材料，降低成本，因此膜分离技术在生物化工领域具有广阔的应用前景。但是，膜分离技术在生物化工领域的工业应用还很有限，仍存在一些问题，这给膜离技术的应用带来诸多不利因素。在简要介绍
膜分离技术及其在生物化工产品的分离纯化方面的应用基础上，指出了膜分离技术在生物化工产品分离方面仍然存在的一些问题，并进一步对其解决对策进行了论述。
1 膜分离技术
1. 1 膜分离原理膜分离是指用半透膜作为分离介质, 借助于膜的选择渗透性作用, 在能量, 浓度或化学位差的作用下对混合物中的不同组分进行分离提纯. 由于半透膜中滤膜孔径大小不同, 可以允许某些组分透过膜层, 而其它组分被保留在混合物中, 以达到一定的分离效果. 膜可以是固相, 液相或气相, 膜的结构可以是均质或非均质的, 膜可以是中性的或带电的, 但必须都具有选择性通过物质的特性. 具体的工作原理可分为两类: 一是根据混合物物质的质量, 体积, 大小和几何形态的不同, 用过筛的方法将其分离; 二是根据混合物的不同化学性质分离开物质。
1. 2 膜分离技术的类型目前己经深入研究和开发的膜分离技术有微滤, 超滤, 纳滤, 反渗透, 渗析, 电渗析, 渗透汽化和气体分离等. 正在开发研究中新的膜过程有: 膜蒸馏, 支撑液膜, 膜萃取, 膜生物反应器, 控制释放膜, 仿生膜, 生物膜, 无机膜, 膜电极, 膜分相, 膜控制释放, 双极膜以及LB 膜等过程。
1. 3 膜分离技术的特点膜分离技术作为一门新型的高效分离, 浓缩, 提纯及净化技术, 由于其多学科性特点, 膜技术可应用于大量的分离过程. 各种膜过程具有不同的机理, 适用于不同的对象和要求. 但有其共同的优点: 膜分离过程装置比较简单, 同时操作方便, 结构紧凑, 维修费用低且方便, 易于自动控
制; 膜分离过程一般不涉及相变, 无二次污染且能耗较低; 膜分离过程可以在室温或低温下操作, 适宜热敏感物质 ( 酶, 药物) 的浓缩分离; 膜分离过程具有相当大的选择性, 适用对象广泛, 可以分离肉眼看得见的颗粒, 也可以分离离子和气体; 该过程可以在室温下连续操作, 设备易于放大, 可以专一配膜, 选择合适的膜, 从而得到较高的回收率; 膜分离处理系统可以在密闭系统中循环进行, 因而可以防止外界的污染; 在过程中不用添加任何外来的化学物质, 透过液可以循环使用, 从而降低了成本, 并可以减少环境污染. 当然, 膜分离过程也有自身的缺点, 如易浓差极化和膜污染, 膜寿命有限等, 而这些也正是需要我们克服或者需要解决的问题所在.
正由于膜分离技术具有上述优点, 是现代生物化工分离技术中一种效率较高的分离手段, 完全可以取代传统的过滤, 吸附, 蒸发, 冷凝等分离技术, 所以膜分离技术在生物化工分离工程中起着很大的作用.
2 膜分离技术在生物化工中的应用
2. 1 在生物化工产品分离提纯中的应用
传统的生物化工产品如氨基酸, 抗生素, 乳酸及低聚糖等的提取与精制, 通常采用离心, 沉淀, 吸附, 萃取, 离子交换和色谱等方法, 因此存在工艺过程复杂, 操作时间长, 原料消耗大, 能量消耗高, 产品回收率低, 废水污染严重等问题, 且产品在漫长的提取过程中可能会发生变形失活; 而这些生物化工产品生产过程中的浓缩工序主要采用多效蒸发法, 因此造成投资大, 能耗高, 以及由于蒸发相变所造成的产品损失. 膜分离技术具有设备简单, 常温操作, 无相变及化学变化, 选择性高及能耗低等优点, 特别适用于热敏性生物化工产品
的分离纯化. 膜分离技术在生物化工产品分离提纯中的应用主要用于以下几个
方面: 2.1.1氨基酸的分离和精制膜分离技术用于发酵液中氨基酸的分离和精制, 可以先用微滤或超滤将发酵液中的菌体截留并回收利用, 透过液经纳滤或反渗
透浓缩后, 再通过等电点结晶获得高纯氨基酸产品, 这样不仅可提高氨基酸的
质量和回收率, 而且可节约菌种培养费和分离能耗. 2. 1. 2 抗生素的浓缩与
纯化抗生素的相对分子质量大都在 300 1200, 多采用发酵法生产. 通常是从发
酵液中通过澄清和溶剂萃取分离, 再对萃取液减压蒸馏得到抗生素. 但是溶剂
用量大, 能量消耗高, 产品收率低, 还需进行溶剂回收和废水, 母液的排放处理. 膜分离技术可以克服上述缺点, 获得较大的经济效益. 纳滤可以从两个方面改
进抗生素发酵滤液的浓缩与纯化工艺: 一是用亲水性纳滤膜浓缩未经溶媒抽提
的抗生素发酵滤液, 水和无机盐透过膜被除去, 然后用萃取剂抽提出抗生素, 大
幅度提高了生产能力, 并大大减少萃取剂的用量. 二是仍先用溶媒从发酵液中
萃取出抗生素, 然后用耐溶剂疏水性纳滤膜浓缩萃取液, 透过膜的溶媒可循环
给下一步萃取过程. 这样, 可节省溶媒蒸发设备的投资与蒸发所需的热能, 同
时也改善了操作环境, 避免溶媒蒸汽对工人的危害. 反渗透从发酵液中分离乙醇, 丁醇和丙酮溶剂及浓缩抗生素, 氨基酸等. 除了纳滤浓缩外, 也可用反渗
透浓缩抗生素. 2. 1. 3 果胶的生产利用膜的优良选择性可将溶液中的欲提取
组分在与其他组分分离的同时有效地得到浓缩和纯化. 果胶是一种由半乳糖醛
酸组成的高分子物质, 在食品工业上用作胶凝剂, 增稠剂等, 市场需求量很大. 目前果胶的生产工艺主要以柑橘皮等为原料, 利用稀酸进行提取, 提取液中含
大量对胶凝度无贡献的有机酸, 皮油及酚, 色素. 其后续处理任务繁重, 成本
较高, 且产品颜色偏深. 采用滤膜装置对提取液进行处理, 初步浓缩除去大部
分对胶凝度无贡献的杂质后, 再经电渗析 ( ED ) 脱去大部分盐酸和无机离子, 所得提取液可直接干燥获得高品质的果胶, 并且能够大幅降低生产成本. 2. 1.
4 酶制剂的提纯和浓缩利用超滤技木还可以实现酶制剂的提纯和浓缩, 利用聚醚砜 ( PES ) 为膜材科的超滤装置提纯溶菌酶 ( 截留分子量为 30000, 操作压力为0. 35M Pa, 温度为1
5 ℃) 超滤进行15m in 后进行清洗. 酶得率63% , 纯度98. 5% , 酶活14610 U m g 或16831 U m g, 而后将浓缩液直接进行冷冻干燥即可.以D 52 弱酸性离子交换树脂的N a+ 型和 H 十型树脂混合用于吸附过程, 然后用硫酸铵溶液洗脱, 即可得到较纯净的溶菌酶.每 100 克蛋清可得酶 0. 4 克, 酶活 10000 U m g 左右. 2. 1. 5 酱油的加工传统的酱油澄清技术是采用巴氏消毒法, 板框过滤澄清产品. 产品有沉淀, 细菌数偏高, 生产强度大, 废弃物多, 易造成环境污染. 利用超滤膜技术对酱油澄清, 除菌, 脱色处理, 可大幅降低能耗, 提高产品品质.
2. 2 在除菌方面的应用
传统的食品饮料杀菌方法为巴氏杀菌和高温瞬时杀菌, 操作繁琐, 残留细菌多, 高温易造成热敏物质失活和产品口味营养的破坏. 利用微滤技术, 孔径为纳米级的微滤膜足以阻止微生物通过, 并在分离的同时达到 "冷杀菌" 的效果. 在谷氨酸发酵液的除菌过程中, 王焕章等人采用微孔陶瓷膜过滤器过滤, 实现除菌, 洗菌, 浓缩连续操作, 除菌率高于 98 ～ 99% , 浓缩倍数达 25 倍, 膜平均通量为 80L m 2·h, 当加水量达到发酵液的 0. 1 倍时, 谷氨酸收率达99. 7% .在牛奶的除菌过滤中, 采用膜孔径为 1- 15∧的微孔陶瓷膜脱除低脂牛奶中细 m 菌, 效率可达 99. 6% , 滤速达 500 L - 700 L m 2·h, 产品在低温下的保存期由未处理前的6 8 天延长至16 21 天. ～～在鲜啤酒生产过
程中采用微滤膜常温下处理用水及发酵液, 可有效去除水中的大肠杆菌和谷类杂菌, 有效去除发酵浓中的污染微生物和残留的酵母菌. 诸良银等人采用孔径为 0. 5 ∧陶瓷膜处理, 除 m 菌率达 100% , 色截留率仅为 3% .
2. 3 在食品工业中的应用
膜分离技术用于食品工业开始于20 世纪60 年代末, 首先是从乳品加工和啤酒的无菌过滤开始的, 随后逐渐用于果汁, 饮料加工, 酒精类精制等方面. 至今, 膜分离技术在食品加工中已得到广泛应用. 主要用于以下几个方面: ①利用膜分离技术对植物蛋白进行浓缩, 提纯和分离.②利用膜分离技术加工乳制品.③利用膜分离技术对卵蛋白惊醒浓缩. ④利用膜分离技术对动物血浆进行浓缩. ⑤利用膜分离技术对明胶进行提纯. ⑥在含酒精饮料加工中的应用. ⑦在非酒精饮料加工中的应用. ⑧膜分离技术在处理淀粉废水中的应用. ⑨膜分离技术在制糖工业中的应用. 膜分离技术在食用油加工中的应用. 膜分离技术在食品κβλβ添加剂生产中的应用. 膜分离技术用于食品加工有很多优点: 与传统方法相比, 不会因加热而产生色, 营养成分等质量指标的恶化; 节省能源, 香, 设备占地面积小; 更重要的是由于分离膜性能的提高, 能在很高
精度水平下分离各种成分.
2. 4 在生物技术中的应用
在生物技术方面, 膜技术也有各种应用, 其中应用最广泛的是微滤和超滤技术. 例如: 从植物或动物组织萃取液中进行酶的
精制; 从发酵液或反应液中进行产物的分离, 浓缩等. 膜技术应用于蛋白质加水分解或糖液生产, 有助于稳定产品质量, 提高产品的收率和降低成本.
由于应用分离膜可以在室温下进行物理化学分离, 所以它特别适合于热敏性生物物质的分离. 可以想象膜分离技术在生物技术方面将会得到越来越广泛的应用.
2. 5 在医药工业和医疗设备方面的应用
膜分离技术在这方面的应用已经有 30 多年的历史, 现在微滤, 超滤, 反渗透和渗透等膜技术已经在医药和医疗设备上得到了广泛的应用. 在制药工业中膜技术主要用于: ①利用微滤技术进行药物澄清; ②利用超滤和反渗透技术进行药液精制和浓缩; ③利用分渗透技术制备灭菌水, 除热原水和注射水等; ④渗析技术在医药科学中的典型应用是人工模拟肾脏进行血液的透析分离; ⑤利用亲合膜技术, 通过在膜上固载特定的功能配位键. 在医疗设备方面除了用于药物控制释放的膜技术外, 膜式人工肺, 人工肾也都应用了膜分离技术. 随着新的膜材料的出现以及膜成本的降低, 膜技术将会在医药和医院中起到更重要的作用.
2. 6 在环境工程中的应用
随着工业的进一步发展, 水源和大气被污染更加严重, 这就要求人们提高对它们进行处理净化的能力, 因此膜分离技术在环境工程中的地位越来越突出. 应用膜分离技术来处理工业废水, 废气已经被证明是卓有成效的, 在不少废水处理中膜分离技术能实现闭路循环, 在消除污染的同时变废为宝, 取得了较大的经济效益和社会效益. 除了微滤, 超滤, 反渗透, 电渗析的过程外, 渗透汽化的其他膜技术也将在 21 世纪的环境工程中发挥极其重要的作用.
参考文献
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