膜分離技術(shù)在生物化工中的應(yīng)用

1、 本文由lgg21st貢獻(xiàn) pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 科技信息 高校理科研究 膜分離技術(shù)在生物化工中的應(yīng)用 中南大學(xué) 湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉 軍 摘 要 通過對分離技術(shù)中的膜分離技術(shù)的原理, 類型及特點作簡要的介紹, 說明了膜分離技術(shù)在生物化工技術(shù)實現(xiàn) 產(chǎn)業(yè)化中的重要性, 并簡要敘述了膜分離技術(shù)在生物化工中的應(yīng)用. 關(guān)鍵詞 生物化工 膜分離技術(shù) 應(yīng)用 膜分離技術(shù)被認(rèn)為是 21 世紀(jì)最有前途, " 最有發(fā)展前景的 重大高新技術(shù)之一, 它在工業(yè)技術(shù)改造中起著戰(zhàn)略性作用" 世 . 界上許多國家包括我國在內(nèi), 都把膜分離

2、技術(shù)及其應(yīng)用列為國 家重點發(fā)展項目. 膜分離技術(shù)對許多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵 作用. 甚至有人預(yù)言 "誰掌握了膜技術(shù), 誰就掌握了化學(xué)工業(yè)的 未來" . 目前, 膜產(chǎn)品的世界年銷售額已經(jīng)超過 100 億美元, 而且年 增長率在 20 % 左右. 膜分離技術(shù)作為一種新興的高效分離技 術(shù), 現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用于化工, 環(huán)保, 電子, 輕工, 紡織, 石油, 食 品, 醫(yī)藥, 生物技術(shù), 能源工程等. 國外有關(guān)專家甚至把膜分離技 術(shù)的發(fā)展稱為 "第三次工業(yè)革命"下面就膜分離技術(shù)的原理, . 特 點及在生物化工中的應(yīng)用作簡要的敘述. 1, 膜分離技術(shù) 1. 1 膜

3、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

4、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. 1. 3 膜分離技術(shù)的特點 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, 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: 膜分離過程裝置比較簡單, 同時操作方便, 結(jié)構(gòu)緊湊, 維修費用低且方便, 易于自動控制; 膜分離過程

5、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, 如易濃差極化和膜污染, 膜壽命有限等, 而 這些也

6、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, 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 2. 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

7、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, 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)費和

8、 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 300 1200, 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, 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,

9、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

10、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. 采用超 84 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 科技信息 高校理科研究 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現(xiàn)酶制劑的提純和濃縮, 利用聚醚 砜 (

11、PES ) 為 膜 材 科 的 超 濾 裝 置 提 純 溶 菌 酶 ( 截 留 分 子 量 為 30000, 操作壓力為0. 35M Pa, 溫度為15 ) 超濾進(jìn)行15m in 后進(jìn) 行清洗. 酶得率63% , 純度98. 5% , 酶活14610 U m g 或16831 U m g, 而后將濃縮液直接進(jìn)行冷凍干燥即可.以D 52 弱酸性離子 交換樹脂的N a+ 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 10000 U m g 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

12、, 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, 實現(xiàn)除菌, 洗菌, 濃縮連續(xù)操作, 除菌率高于 98 99% , 濃縮

13、倍數(shù)達(dá) 25 倍, 膜平均通量為 80L m 2·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- 15 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) 500 L - 700 L m 2·h, 產(chǎn)品在低溫 下的保存期由未處理前的6 8 天延長至16 21 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. 5 陶瓷膜處理, 除 m 菌率達(dá) 100%

14、, 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: 利用膜分離技術(shù)對植物 蛋白進(jìn)行濃縮, 提純和分離.利用膜分離技術(shù)加工乳制品. 利用膜分離技術(shù)對卵蛋白驚醒濃縮. 利用膜分離技術(shù)對動物 血漿進(jìn)行濃縮. 利用膜分離技術(shù)對明膠進(jìn)行提純. 在含酒精 飲料加工中的應(yīng)用. 在非酒精飲料加工中的應(yīng)用. 膜分離技 術(shù)在處理淀粉廢水中的應(yīng)用. 膜分離技術(shù)在制糖工業(yè)中的應(yīng) 用. 膜分

15、離技術(shù)在食用油加工中的應(yīng)用. 膜分離技術(shù)在食品 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: 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)備占地面積小; 更重要的是由于分離膜性能的提高, 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

16、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: 利用微濾技術(shù) 進(jìn)行藥物澄清; 利用超濾和反滲透技術(shù)進(jìn)行藥液精制和濃縮; 利用分滲透技術(shù)制備滅菌水, 除熱原水和注射水等; 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; 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

17、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 外, 滲透汽化的其他膜技術(shù)也將在 21 世

18、紀(jì)的環(huán)境工程中發(fā)揮極 其重要的作用. 3, 膜分離技術(shù)在生物化工應(yīng)用中存在的問題 膜分離技術(shù)具有許多優(yōu)點, 是一種較理想的分離手段, 但在 應(yīng)用中還存在一定的問題. 與色譜法比較, 分離精度不高, 同時 多組分分離做不到; 在操作過程中, 膜面易受污染, 形成附著層, 使膜的性能降低, 降低膜的透水率, 形成濃差極化現(xiàn)象. 為了減 少濃差極化, 常采用錯流流程, 即過濾液主體水平流過膜面, 而 過濾液是垂直通過膜面. 此外, 在膜分離技術(shù)中容易遇到膜污染 問題, 即膜的透水量隨運行時間延長而下降. 因此需采用一定的 方法對膜面或膜內(nèi)的污染物進(jìn)行清洗, 以使透水量得到提高. 常 用清洗方法是高流速水清洗和用化學(xué)清洗劑對膜進(jìn)行清洗. 膜 分離雖然原理簡單, 在生物化工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用, 但由于生物化工 產(chǎn)品種類繁多, 性質(zhì)各異, 對膜分離會產(chǎn)生不同的影響, 如吸附 會使膜孔堵塞等, 所以要想很好地利用膜分離技術(shù), 必須針對具 體過程研究開發(fā)各種防止膜性能降低的裝置并探討有效的操作 方法. 參考文獻(xiàn) 1 何旭敏等. 膜分離技術(shù)的應(yīng)用 J . 廈門大學(xué)學(xué)報 ( 自然 科學(xué)版) , 2001