膜分離技術(shù)論文摘要簡要介紹膜分離技術(shù)特點(diǎn)及其在生物化工產(chǎn)品分離應(yīng)用現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，指出了膜分離技術(shù)在應(yīng)用中仍存在的一些問題，并進(jìn)一步對其解決對策進(jìn)行了論述，最后對膜分離技術(shù)在生物分離方面的發(fā)展方向和用前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞生物化工膜分離技術(shù)應(yīng)用生物技術(shù)與化學(xué)工程相結(jié)合而形成的生物化技術(shù)是新興高技術(shù)領(lǐng)域中的重要分支是21世紀(jì)高新技術(shù)的核心，已經(jīng)得到了各國的重視，我國也把生物技術(shù)作為新興的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一。根據(jù)生物產(chǎn)品的分離經(jīng)驗(yàn)，下游分離技術(shù)是產(chǎn)品制備過程的重要組成部分，對產(chǎn)品的純度回收率、性狀等具有至關(guān)重要的影響，并且在成本中占據(jù)很大比例，是生物技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。生物化工產(chǎn)品的下游分離與常規(guī)化工產(chǎn)品的分離相比具有一定的特殊性，大多要求純度高并且具有生物活性，因而生物分離過程一般要求在低溫、潔凈、不改變產(chǎn)品生物活性的條件下進(jìn)行。常規(guī)的生物分離技術(shù)包括離心、沉淀、萃取、過濾、離子交換、蒸餾、結(jié)晶、吸附和干燥等，這些工藝往往過程繁雜、分離周期長、原料消耗量大、能耗高、回收率低、易引起二次污染，最重要的是產(chǎn)品在分離純化過程中易失活。膜分離技術(shù)由于設(shè)備簡單、易操作、節(jié)能、高效、無相變、可低溫操作等特點(diǎn)，可替代傳統(tǒng)的分離技術(shù)；并且膜分離過程可以與生物反應(yīng)過程耦合，既能將產(chǎn)物實(shí)時地從反應(yīng)體系中分離出來，降低產(chǎn)物抑制、提高反應(yīng)速率、縮短反應(yīng)周期，又可以回收利用生化反應(yīng)過程中的酶等原材料，降低成本，因此膜分離技術(shù)在生物化工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，膜分離技術(shù)在生物化工領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用還很有限，仍存在一些問題，這給膜離技術(shù)的應(yīng)用帶來諸多不利因素。在簡要介紹膜分離技術(shù)及其在生物化工產(chǎn)品的分離純化方面的應(yīng)用基礎(chǔ)上，指出了膜分離技術(shù)在生物化工產(chǎn)品分離方面仍然存在的一些問題，并進(jìn)一步對其解決對策進(jìn)行了論述。1膜分離技術(shù)1.1月膜分離原理膜分離是指用半透膜作為分離介質(zhì)，借助于膜的選擇滲透性作用，在能量，濃度或化學(xué)位差的作用下對混合物中的不同組分進(jìn)行分離提純.由于半透膜中濾膜孔徑大小不同，可以允許某些組分透過膜層，而其它組分被保留在混合物中，以達(dá)到一定的分離效果.膜可以是固相，液相或氣相，膜的結(jié)構(gòu)可以是均質(zhì)或非均質(zhì)的，膜可以是中性的或帶電的，但必須都具有選擇性通過物質(zhì)的特性.具體的工作原理可分為兩類：一是根據(jù)混合物物質(zhì)的質(zhì)量，體積，大小和幾何形態(tài)的不同，用過篩的方法將其分離；二是根據(jù)混合物的不同化學(xué)性質(zhì)分離開物質(zhì)。1.2膜分離技術(shù)的類型目前己經(jīng)深入研究和開發(fā)的膜分離技術(shù)有微濾，超濾,納濾，反滲透，滲析，電滲析，滲透汽化和氣體分離等.正在開發(fā)研究中新的膜過程有：膜蒸餾，支撐液膜，膜萃取，膜生物反應(yīng)器，控制釋放膜，仿生膜，生物膜，無機(jī)膜，膜電極，膜分相，膜控制釋放，雙極膜以及LB膜等過程。3膜分離技術(shù)的特點(diǎn)膜分離技術(shù)作為一門新型的高效分離，濃縮，提純及凈化技術(shù)，由于其多學(xué)科性特點(diǎn)，膜技術(shù)可應(yīng)用于大量的分離過程.各種膜過程具有不同的機(jī)理，適用于不同的對象和要求.但有其共同的優(yōu)點(diǎn)：膜分離過程裝置比較簡單，同時操作方便，結(jié)構(gòu)緊湊，維修費(fèi)用低且方便，易于自動控制；膜分離過程一般不涉及相變，無二次污染且能耗較低；膜分離過程可以在室溫或低溫下操作，適宜熱敏感物質(zhì)（酶，藥物）的濃縮分離；膜分離過程具有相當(dāng)大的選擇性，適用對象廣泛，可以分離肉眼看得見的顆粒，也可以分離離子和氣體；該過程可以在室溫下連續(xù)操作，設(shè)備易于放大，可以專一配膜，選擇合適的膜，從而得到較高的回收率；膜分離處理系統(tǒng)可以在密閉系統(tǒng)中循環(huán)進(jìn)行，因而可以防止外界的污染；在過程中不用添加任何外來的化學(xué)物質(zhì)，透過液可以循環(huán)使用，從而降低了成本，并可以減少環(huán)境污染.當(dāng)然，膜分離過程也有自身的缺點(diǎn)，如易濃差極化和膜污染，膜壽命有限等，而這些也正是需要我們克服或者需要解決的問題所在.正由于膜分離技術(shù)具有上述優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代生物化工分離技術(shù)中一種效率較高的分離手段，完全可以取代傳統(tǒng)的過濾，吸附，蒸發(fā)，冷凝等分離技術(shù)，所以膜分離技術(shù)在生物化工分離工程中起著很大的作用.2膜分離技術(shù)在生物化工中的應(yīng)用1在生物化工產(chǎn)品分離提純中的應(yīng)用傳統(tǒng)的生物化工產(chǎn)品如氨基酸，抗生素，乳酸及低聚糖等的提取與精制，通常采用離心，沉淀，吸附，萃取，離子交換和色譜等方法，因此存在工藝過程復(fù)雜，操作時間長，原料消耗大，能量消耗高，產(chǎn)品回收率低，廢水污染嚴(yán)重等問題，且產(chǎn)品在漫長的提取過程中可能會發(fā)生變形失活；而這些生物化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的濃縮工序主要采用多效蒸發(fā)法，因此造成投資大，能耗高，以及由于蒸發(fā)相變所造成的產(chǎn)品損失.膜分離技術(shù)具有設(shè)備簡單，常溫操作，無相變及化學(xué)變化，選擇性高及能耗低等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于熱敏性生物化工產(chǎn)品的分離純化.膜分離技術(shù)在生物化工產(chǎn)品分離提純中的應(yīng)用主要用于以下幾個方面：2.1.1氨基酸的分離和精制膜分離技術(shù)用于發(fā)酵液中氨基酸的分離和精制，可以先用微濾或超濾將發(fā)酵液中的菌體截留并回收利用，透過液經(jīng)納濾或反滲透濃縮后，再通過等電點(diǎn)結(jié)晶獲得高純氨基酸產(chǎn)品，這樣不僅可提高氨基酸的質(zhì)量和回收率，而且可節(jié)約菌種培養(yǎng)費(fèi)和分離能耗.2.1.2抗生素的濃縮與純化抗生素的相對分子質(zhì)量大都在3001200,多采用發(fā)酵法生產(chǎn).通常是從發(fā)酵液中通過澄清和溶劑萃取分離，再對萃取液減壓蒸餾得到抗生素.但是溶劑用量大，能量消耗高，產(chǎn)品收率低,還需進(jìn)行溶劑回收和廢水，母液的排放處理.膜分離技術(shù)可以克服上述缺點(diǎn)，獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益.納濾可以從兩個方面改進(jìn)抗生素發(fā)酵濾液的濃縮與純化工藝：一是用親水性納濾膜濃縮未經(jīng)溶媒抽提的抗生素發(fā)酵濾液，水和無機(jī)鹽透過膜被除去，然后用萃取劑抽提出抗生素，大幅度提高了生產(chǎn)能力，并大大減少萃取劑的用量.二是仍先用溶媒從發(fā)酵液中萃取出抗生素，然后用耐溶劑疏水性納濾膜濃縮萃取液，透過膜的溶媒可循環(huán)給下一步萃取過程.這樣，可節(jié)省溶媒蒸發(fā)設(shè)備的投資與蒸發(fā)所需的熱能，同時也改善了操作環(huán)境，避免溶媒蒸汽對工人的危害.反滲透從發(fā)酵液中分離乙醇，丁醇和丙酮溶劑及濃縮抗生素，氨基酸等.除了納濾濃縮外，也可用反滲透濃縮抗生素.2.1.3果膠的生產(chǎn)利用膜的優(yōu)良選擇性可將溶液中的欲提取組分在與其他組分分離的同時有效地得到濃縮和純化.果膠是一種由半乳糖醛酸組成的高分子物質(zhì)，在食品工業(yè)上用作膠凝劑，增稠劑等，市場需求量很大.目前果膠的生產(chǎn)工藝主要以柑橘皮等為原料，利用稀酸進(jìn)行提取，提取液中含大量對膠凝度無貢獻(xiàn)的有機(jī)酸，皮油及酚，色素.其后續(xù)處理任務(wù)繁重，成本較高，且產(chǎn)品顏色偏深.采用濾膜裝置對提取液進(jìn)行處理，初步濃縮除去大部分對膠凝度無貢獻(xiàn)的雜質(zhì)后，再經(jīng)電滲析（ED）脫去大部分鹽酸和無機(jī)離子，所得提取液可直接干燥獲得高品質(zhì)的果膠，并且能夠大幅降低生產(chǎn)成本.2.1.4酶制劑的提純和濃縮利用超濾技木還可以實(shí)現(xiàn)酶制劑的提純和濃縮，利用聚醚砜（PES）為膜材科的超濾裝置提純?nèi)芫福ń亓舴肿恿繛?0000,操作壓力為0.35MPa,溫度為15°C）超濾進(jìn)行15min后進(jìn)行清洗.酶得率63%,純度98.5%,酶活14610Umg或16831Umg,而后將濃縮液直接進(jìn)行冷凍干燥即可.以D52弱酸性離子交換樹脂的Na+型和H十型樹脂混合用于吸附過程，然后用硫酸銨溶液洗脫，即可得到較純凈的溶菌酶.每100克蛋清可得酶0.4克，酶活10000Umg左右.2.1.5醬油的加工傳統(tǒng)的醬油澄清技術(shù)是采用巴氏消毒法，板框過濾澄清產(chǎn)品.產(chǎn)品有沉淀，細(xì)菌數(shù)偏高，生產(chǎn)強(qiáng)度大，廢棄物多，易造成環(huán)境污染.利用超濾膜技術(shù)對醬油澄清，除菌，脫色處理，可大幅降低能耗，提高產(chǎn)品品質(zhì).2.2在除菌方面的應(yīng)用傳統(tǒng)的食品飲料殺菌方法為巴氏殺菌和高溫瞬時殺菌，操作繁瑣，殘留細(xì)菌多，高溫易造成熱敏物質(zhì)失活和產(chǎn)品口味營養(yǎng)的破壞.利用微濾技術(shù)，孔徑為納米級的微濾膜足以阻止微生物通過，并在分離的同時達(dá)到〃冷殺菌〃的效果.在谷氨酸發(fā)酵液的除菌過程中，王煥章等人采用微孔陶瓷膜過濾器過濾，實(shí)現(xiàn)除菌，洗菌，濃縮連續(xù)操作，除菌率高于98?99%,濃縮倍數(shù)達(dá)25倍，膜平均通量為80Lm2-h,當(dāng)加水量達(dá)到發(fā)酵液的0.1倍時，谷氨酸收率達(dá)99.7%.在牛奶的除菌過濾中，采用膜孔徑為1-15A的微孔陶瓷膜脫除低脂牛奶中細(xì)m菌，效率可達(dá)99.6%,濾速達(dá)500L-700Lm2?h,產(chǎn)品在低溫下的保存期由未處理前的68天延長至1621天. 在鮮啤酒生產(chǎn)過程中采用微濾膜常溫下處理用水及發(fā)酵液，可有效去除水中的大腸桿菌和谷類雜菌，有效去除發(fā)酵濃中的污染微生物和殘留的酵母菌.諸良銀等人采用孔徑為0.5A陶瓷膜處理，除m菌率達(dá)100%,色截留率僅為3%.2.3在食品工業(yè)中的應(yīng)用膜分離技術(shù)用于食品工業(yè)開始于20世紀(jì)60年代末，首先是從乳品加工和啤酒的無菌過濾開始的，隨后逐漸用于果汁，飲料加工，酒精類精制等方面.至今，膜分離技術(shù)在食品加工中已得到廣泛應(yīng)用.主要用于以下幾個方面：①利用膜分離技術(shù)對植物蛋白進(jìn)行濃縮，提純和分離.②利用膜分離技術(shù)加工乳制品.③利用膜分離技術(shù)對卵蛋白驚醒濃縮.④利用膜分離技術(shù)對動物血漿進(jìn)行濃縮.⑤利用膜分離技術(shù)對明膠進(jìn)行提純.⑥在含酒精飲料加工中的應(yīng)用?⑦在非酒精飲料加工中的應(yīng)用.⑧膜分離技術(shù)在處理淀粉廢水中的應(yīng)用.⑨膜分離技術(shù)在制糖工業(yè)中的應(yīng)用.膜分離技術(shù)在食用油加工中的應(yīng)用.膜分離技術(shù)在食品k0久0添加劑生產(chǎn)中的應(yīng)用.膜分離技術(shù)用于食品加工有很多優(yōu)點(diǎn)：與傳統(tǒng)方法相比，不會因加熱而產(chǎn)生色，營養(yǎng)成分等質(zhì)量指標(biāo)的惡化；節(jié)省能源，香，設(shè)備占地面積?。桓匾氖怯捎诜蛛x膜性能的提高，能在很高精度水平下分離各種成分.2.4在生物技術(shù)中的應(yīng)用在生物技術(shù)方面，膜技術(shù)也有各種應(yīng)用，其中應(yīng)用最廣泛的是微濾和超濾技術(shù).例如：從植物或動物組織萃取液中進(jìn)行酶的精制；從發(fā)酵液或反應(yīng)液中進(jìn)行產(chǎn)物的分離，濃縮等.膜技術(shù)應(yīng)用于蛋白質(zhì)加水分解或糖液生產(chǎn)，有助于穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的收率和降低成本.由于應(yīng)用分離膜可以在室溫下進(jìn)行物理化學(xué)分離，所以它特別適合于熱敏性生物物質(zhì)的分離.可以想象膜分離技術(shù)在生物技術(shù)方面將會得到越來越廣泛的應(yīng)用.2.5在醫(yī)藥工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備方面的應(yīng)用膜分離技術(shù)在這方面的應(yīng)用已經(jīng)有30多年的歷史，現(xiàn)在微濾，超濾，反滲透和滲透等膜技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)藥和醫(yī)療設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用.在制藥工業(yè)中膜技術(shù)主要用于:①利用微濾技術(shù)進(jìn)行藥物澄清；②利用超濾和反滲透技術(shù)進(jìn)行藥液精制和濃縮；③利用分滲透技術(shù)制備滅菌水，除熱原水和注射水等；④滲析技術(shù)在醫(yī)藥科學(xué)中的典型應(yīng)用是人工模擬腎臟進(jìn)行血液的透析分離；⑤利用親合膜技術(shù)，通過在膜上固載特定的功能配位鍵.在醫(yī)療設(shè)備方面除了用于藥物控制釋放的膜技術(shù)外，膜式人工肺，人工腎也都應(yīng)用了膜分離技術(shù).隨著新的膜材料的出現(xiàn)以及膜成本的降低，膜技術(shù)將會在醫(yī)藥和醫(yī)院中起到更重要的作用.2.6在環(huán)境工程中的應(yīng)用隨著工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，水源和大氣被污染更加嚴(yán)重，這就要求人們提高對它們進(jìn)行處理凈化的能力，因此膜分離技術(shù)在環(huán)境工程中的地位越來越突出.應(yīng)用膜分離技術(shù)來處理工業(yè)廢水，廢氣已經(jīng)被證明是卓有成效的，在不少廢水處理中膜分離技術(shù)能實(shí)現(xiàn)閉路循環(huán)，在消除污染的同時變廢為寶，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益.除了微濾，超濾，反滲透，電滲析的過程夕卜，滲透汽化的其他膜技術(shù)也將在21世紀(jì)的環(huán)境工程中