膜分離技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

膜分離技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢膜分離技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢膜分離技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢xxx公司膜分離技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度膜分離技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢摘要：綜述膜分離技術(shù)的分離機(jī)理、特點(diǎn)、種類，介紹國內(nèi)外膜分離技術(shù)的研究進(jìn)展及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，同時(shí)指出該技術(shù)存在的問題，提出選用更佳的膜材料以及多種膜分離技術(shù)聯(lián)用是其今后的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：膜分離技術(shù)；微濾；超濾；納濾；生化產(chǎn)品；微生物制藥膜分離技術(shù)是一種新型高效、精密分離技術(shù)，它是材料科學(xué)與介質(zhì)分離技術(shù)的交叉結(jié)合，具有高效分離、設(shè)備簡單、節(jié)能、常溫操作、無污染等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，尤其在食品、醫(yī)藥、生化領(lǐng)域發(fā)展迅猛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，膜銷售每年以14%~30%的速度增長，而最大的市場為生物醫(yī)藥市場[1]。筆者在此綜述了膜分離技術(shù)的原理及其應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望其發(fā)展趨勢。1膜分離技術(shù)原理膜分離技術(shù)是一種使用半透膜的分離方法，在常溫下以膜兩側(cè)壓力差或電位差為動(dòng)力，對溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離、濃縮、純化。膜分離技術(shù)主要是采用天然或人工合成高分子薄膜，以外界能量或化學(xué)位差為推動(dòng)力，對雙組分或多組分流質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離、分級、提純和富集操作。現(xiàn)已應(yīng)用的有反滲透、納濾、超過濾、微孔過濾、透析電滲析、氣體分離、滲透蒸發(fā)、控制釋放、液膜、膜蒸餾膜反應(yīng)器等技術(shù)，其中在食品、藥學(xué)工業(yè)中常用的有微濾、超濾和反滲透3種。特點(diǎn)膜分離技術(shù)具有如下特點(diǎn)[2]：1）膜分離過程不發(fā)生相變化，因此膜分離技術(shù)是一種節(jié)能技術(shù)；2）膜分離過程是在壓力驅(qū)動(dòng)下，在常溫下進(jìn)行分離，特別適合于對熱敏感物質(zhì)，如酶、果汁、某些藥品的分離、濃縮、精制等。3)膜分離技術(shù)適用分離的范圍極廣，從微粒級到微生物菌體，甚至離子級都有其用武之地，關(guān)鍵在于選擇不同的膜類型；4）膜分離技術(shù)以壓力差作為驅(qū)動(dòng)力，因此采用裝置簡單，操作方便。分類超濾的截留相對分子質(zhì)量在之間，選擇某一截留相對分子質(zhì)量的膜可以將雜質(zhì)與目標(biāo)產(chǎn)物分離。超濾技術(shù)在生化產(chǎn)品分離中應(yīng)用最早、最為成熟，已廣泛應(yīng)用于各種生物制品的分離、濃縮。納濾膜具有納米級孔徑，截留相對分子質(zhì)量為200--1000，能使溶劑、有機(jī)小分子和無機(jī)鹽通過。納濾可以采用兩種方式提取抗生素，一是用溶劑萃取抗生素后，萃取液用納濾濃縮，可改善操作環(huán)境；二是對未經(jīng)萃取的抗生素發(fā)酵液進(jìn)行納濾濃縮，除去水和無機(jī)鹽，再用萃取劑萃取，可減少萃取劑用量。微濾是發(fā)展最早、制備技術(shù)最成熟的膜形式之一，孔徑在цm之間，可以將細(xì)菌、微粒、亞微粒、膠團(tuán)等不溶物除去，濾液純凈，國際上通稱為絕對過濾。由于微濾孔徑相對較大，單位膜面積透水率高，而且制備成本最低，使用范圍非常廣，其銷售額居于各類膜的首位。2膜分離技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展生化產(chǎn)品制備我國維生素C、酶制劑已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。維生素C發(fā)酵液中的蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量一般為，可以選擇一定截留相對分子質(zhì)量的超濾膜除去蛋白質(zhì)等大分子雜質(zhì)。李春艷等[3]選用超濾膜系統(tǒng)及截留相對分子質(zhì)量為30000的膜處理維生素C的原始發(fā)酵液，濾液質(zhì)量好，通量高，并且簡化了工藝，提高了收率。酶制劑相對分子質(zhì)量在間，是高度催化活性的特殊蛋白質(zhì)，正好落在超濾的切割范圍內(nèi)。丁鳳平[4]用截留相對分子質(zhì)量5000和10000的超濾平面膜組件，直接從去除菌體的發(fā)酵液中濃縮回收，在濃縮率20倍以下，取得%的高回收率，具有應(yīng)用價(jià)值。超濾在血漿蛋白的分離、濃縮、脫醇以及除內(nèi)毒素[5]等方面也有應(yīng)用。劉霆等[6]用聚醚砜中空纖維超濾膜血漿器進(jìn)行血漿分離的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，膜式血漿分離器適用面寬，裝置簡單，能耗小，可常溫分離。目前現(xiàn)有膜材料的生物相容性均達(dá)不到臨床要求，若要在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用，首先應(yīng)發(fā)展研究分離好、相容性優(yōu)良的膜材料。在生化領(lǐng)域中，微濾主要作為預(yù)處理方法并與其他技術(shù)聯(lián)用劉國慶等[7]采用微濾和絮凝、離心技術(shù)聯(lián)用，回收大豆乳清中的生物活性物質(zhì)，在蛋白質(zhì)損失率只有10%的情況下可將懸浮固體全部除去，脂肪去除率達(dá)到90%。以上幾種膜材料在早期主要是醋酸纖維素，后來主要用聚砜。聚砜具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、較寬的PH值使用范圍和良好的耐熱性能。目前還發(fā)展了多種性能優(yōu)良的高分子聚合膜。20世紀(jì)80年代，無機(jī)膜開始應(yīng)用于生物分離，優(yōu)點(diǎn)是可以在苛刻條件下進(jìn)行精密過濾，機(jī)械強(qiáng)度高，化學(xué)性能穩(wěn)定，耐熱性好。目前開發(fā)的商品化無機(jī)膜主要有氧化鋁、氧化鈦和氧化鋯陶瓷膜，陶瓷膜在生物化工領(lǐng)域中的應(yīng)用研究是膜材料研究的熱點(diǎn)之一。今后膜材料的研究方向是發(fā)展抗污染性能好的共混改性膜、無機(jī)膜以及復(fù)合膜，開發(fā)新型專用的醫(yī)用膜。微生物制藥隨著基因工程技術(shù)的不斷發(fā)展，由發(fā)酵法生產(chǎn)的微生物藥物的分離和純化正面臨著一系列新的問題，如含量低、活性高、易失活、提取收率低等。膜分離技術(shù)作為一種新型的分離技術(shù)，在現(xiàn)代生物制藥分離工程中具有巨大的應(yīng)用潛力，得到了廣泛的發(fā)展，已經(jīng)用于酶、活性蛋白、氨基酸、維生素、甾體、疫苗等物質(zhì)的分離純化，而膜分離技術(shù)在抗生素提煉中的應(yīng)用也是重點(diǎn)推廣的領(lǐng)域之一。多數(shù)抗生素的相對分子質(zhì)量在300-1200范圍內(nèi)，存在于細(xì)胞外，需從發(fā)酵液中提取。傳統(tǒng)提取方法主要有吸附法、溶劑萃取法、離子交換法和沉淀法，這些方法各有特點(diǎn)#但工藝往往都十分繁雜，所需時(shí)間長、易變性失活、需消耗大量的原料、能耗高、回收率低、廢水污染嚴(yán)重且處理難度大。膜分離技術(shù)作為一門新型的分離、濃縮、提純及凈化技術(shù)具有節(jié)能、不破壞產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、少污染和操作簡單，可在常溫下連續(xù)操作、可直接放大、可專一配膜等特點(diǎn)，且各種膜過程具有不同的分離機(jī)制，適于用不同對象和要求。由于其特別適用于熱敏性物質(zhì)的分離#在食品加工、醫(yī)藥等領(lǐng)域有其實(shí)用性。用于微生物藥物分離和純化中的膜分離技術(shù)主要涉及微濾、超濾、納濾、液膜分離和反滲透等。李十中等[8]先用截留相對分子量為50000的超濾膜處理土霉素結(jié)晶母液，除去母液中的懸浮物和大分子物質(zhì)。然后反滲透膜處理，這一步脫鹽率可達(dá)99%。所得濃縮液，再經(jīng)截留相對分子質(zhì)量為10000的超濾膜，體積濃縮10倍，最后調(diào)節(jié)PH值，從土霉素結(jié)晶母液回收土霉素，得到的土霉素純度為%，回收率為62%?，F(xiàn)代中藥提取制劑工藝用孔徑為цm的無機(jī)陶瓷膜對多種根及根莖類中藥提取液進(jìn)行微濾，證明無機(jī)陶瓷膜對中藥水提液具有較好的澄清除雜作用[9]。用陶瓷微濾膜與醇沉法對照處理兩種水提液，除雜率及有效成分得率與醇沉法接近。用陶瓷微濾膜與大孔吸附樹脂聯(lián)用精制苦參水提液，其總黃酮吸附率與除雜率均優(yōu)于醇沉大孔樹脂法[10]。中藥注射劑應(yīng)用膜分離技術(shù)除雜、除菌、除熱原，無需高溫或其他化學(xué)方法，在常溫下進(jìn)行，可以除去雜質(zhì)，保留有效成分，提高澄明度，達(dá)到藥典要求。飲用水處理[11]在飲用水處理中，膜分離是一種在某種推動(dòng)力作用下，利用特定膜的透過性能分離水中的離子、分子和雜質(zhì)的技術(shù)。膜分離性能按截留相對分子質(zhì)量大小評價(jià)。截留相對分子質(zhì)量是反映膜孔徑大小的替代參數(shù)，具有較小的截留相對分子質(zhì)量的膜可除去水中較小分子量的物質(zhì)。膜分離技術(shù)可解決傳統(tǒng)工藝難以解決的諸多問題，如去除水中的微污染物、運(yùn)行管理簡單、基建費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，已被大規(guī)模用于處理飲用水。石化領(lǐng)域的應(yīng)用在氫氣的分離和回收，與傳統(tǒng)技術(shù)比較，氣體膜分離技術(shù)用于從煉廠氣中回收氫氣，能耗低，經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特點(diǎn)。膜法天然氣脫濕有幾個(gè)特點(diǎn)：（1）它利用于然氣本身的壓力作為推動(dòng)力，幾乎沒有壓力損失，因此，脫濕后的天然氣仍保持原來的壓力進(jìn)行輸送。（2）屬于“干法”脫濕，不需要額外加入溶劑或分子篩，不需再生，沒有二次污染。（3）工藝簡單，組裝方便，操作容易，占地面積小。（4）其他方面在食品機(jī)械方面，用牛奶制干酪，分離后得到乳清，其中含不少可溶蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，但也含大量的難消化的乳糖。用超濾法回收其中的蛋白質(zhì)，可使蛋白質(zhì)含量從3%增加到50%以上，甚至高達(dá)80%[12]。此外，膜分離技術(shù)在無水乙醇生產(chǎn)中也有應(yīng)用[13]。3、結(jié)語膜分離技術(shù)應(yīng)用廣泛，為提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，縮短處理時(shí)間，今后的研究趨勢將是分離技術(shù)的高效集成化。目前膜分離技術(shù)在各個(gè)方面的應(yīng)用研究很活躍，但膜的污染、堵塞，原料液的粘度高，使膜通量衰減嚴(yán)重，無法繼續(xù)分離，影響了膜分離在實(shí)際操作中迅速應(yīng)用發(fā)展。要實(shí)現(xiàn)生物制品提純的規(guī)模性應(yīng)用，還要取決于相關(guān)方面的發(fā)展，如膜污染機(jī)制研究，對性能優(yōu)良、抗污染膜材料的研究。將來多種類型的膜分離技術(shù)在生化產(chǎn)品應(yīng)用中協(xié)同發(fā)展，取長補(bǔ)短，超濾、納濾、微濾技術(shù)聯(lián)用，實(shí)行多級分離是其發(fā)展趨勢。參考文獻(xiàn)：[1]王從厚，陳勇，吳鳴-新世紀(jì)膜分離技術(shù)市場展望[J]-膜科學(xué)與技術(shù)，（4）：54-60[2]羅麗萍，高蔭榆，楊柏云-膜分離技術(shù)在食品工業(yè)上的應(yīng)用[J]-江西科學(xué)，（2）：146-150[3]李春艷，方富林-超濾膜分離技術(shù)在維生素C生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]-膜科學(xué)與技術(shù)，（6）：49-51[4]丁鳳平-超濾技術(shù)在堿性果膠酶濃縮工藝中的應(yīng)用[J]-膜科學(xué)與技術(shù)，2001，21（6）：55-59[5]劉霆，余喜訊-聚醚砜中空纖維膜血漿分離器血漿分離功能與血液相容性[J]-生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志。（3）：249-253[6]俞三傳，陳小良-多糖納濾濃縮初步研究[J]-水處理技術(shù)。(3)：249-253[7]陳正行-膜分離技術(shù)提取米糠脂多糖[J]-水處理技術(shù)。[8]劉國慶，羅敏，龍國萍，等-大豆乳清的預(yù)處理[J]-膜科學(xué)與技術(shù)。2003，23[9]韓少卿，趙芹，彭齊均-膜分離技術(shù)提取