膜分離技術的應用及發(fā)展趨勢

膜分離技術的應用及發(fā)展趨勢膜分離技術的應用及發(fā)展趨勢膜分離技術的應用及發(fā)展趨勢xxx公司膜分離技術的應用及發(fā)展趨勢文件編號：文件日期：修訂次數：第1.0次更改批準審核制定方案設計，管理制度膜分離技術的應用及發(fā)展趨勢摘要：綜述膜分離技術的分離機理、特點、種類，介紹國內外膜分離技術的研究進展及其在各個領域的應用現狀，同時指出該技術存在的問題，提出選用更佳的膜材料以及多種膜分離技術聯用是其今后的發(fā)展方向。關鍵詞：膜分離技術；微濾；超濾；納濾；生化產品；微生物制藥膜分離技術是一種新型高效、精密分離技術，它是材料科學與介質分離技術的交叉結合，具有高效分離、設備簡單、節(jié)能、常溫操作、無污染等優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)領域，尤其在食品、醫(yī)藥、生化領域發(fā)展迅猛。據統(tǒng)計，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的原理及其應用現狀，并展望其發(fā)展趨勢。1膜分離技術原理膜分離技術是一種使用半透膜的分離方法，在常溫下以膜兩側壓力差或電位差為動力，對溶質和溶劑進行分離、濃縮、純化。膜分離技術主要是采用天然或人工合成高分子薄膜，以外界能量或化學位差為推動力，對雙組分或多組分流質和溶劑進行分離、分級、提純和富集操作。現已應用的有反滲透、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、膜蒸餾膜反應器等技術，其中在食品、藥學工業(yè)中常用的有微濾、超濾和反滲透3種。特點膜分離技術具有如下特點[2]：1）膜分離過程不發(fā)生相變化，因此膜分離技術是一種節(jié)能技術；2）膜分離過程是在壓力驅動下，在常溫下進行分離，特別適合于對熱敏感物質，如酶、果汁、某些藥品的分離、濃縮、精制等。3)膜分離技術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，關鍵在于選擇不同的膜類型；4）膜分離技術以壓力差作為驅動力，因此采用裝置簡單，操作方便。分類超濾的截留相對分子質量在之間，選擇某一截留相對分子質量的膜可以將雜質與目標產物分離。超濾技術在生化產品分離中應用最早、最為成熟，已廣泛應用于各種生物制品的分離、濃縮。納濾膜具有納米級孔徑，截留相對分子質量為200--1000，能使溶劑、有機小分子和無機鹽通過。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；二是對未經萃取的抗生素發(fā)酵液進行納濾濃縮，除去水和無機鹽，再用萃取劑萃取，可減少萃取劑用量。微濾是發(fā)展最早、制備技術最成熟的膜形式之一，孔徑在цm之間，可以將細菌、微粒、亞微粒、膠團等不溶物除去，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膜分離技術的應用現狀及研究進展生化產品制備我國維生素C、酶制劑已經實現工業(yè)化生產。維生素C發(fā)酵液中的蛋白質相對分子質量一般為，可以選擇一定截留相對分子質量的超濾膜除去蛋白質等大分子雜質。李春艷等[3]選用超濾膜系統(tǒng)及截留相對分子質量為30000的膜處理維生素C的原始發(fā)酵液，濾液質量好，通量高，并且簡化了工藝，提高了收率。酶制劑相對分子質量在間，是高度催化活性的特殊蛋白質，正好落在超濾的切割范圍內。丁鳳平[4]用截留相對分子質量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，具有應用價值。超濾在血漿蛋白的分離、濃縮、脫醇以及除內毒素[5]等方面也有應用。劉霆等[6]用聚醚砜中空纖維超濾膜血漿器進行血漿分離的動物實驗，結果表明，膜式血漿分離器適用面寬，裝置簡單，能耗小，可常溫分離。目前現有膜材料的生物相容性均達不到臨床要求，若要在醫(yī)學上應用，首先應發(fā)展研究分離好、相容性優(yōu)良的膜材料。在生化領域中，微濾主要作為預處理方法并與其他技術聯用劉國慶等[7]采用微濾和絮凝、離心技術聯用，回收大豆乳清中的生物活性物質，在蛋白質損失率只有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80年代，無機膜開始應用于生物分離，優(yōu)點是可以在苛刻條件下進行精密過濾，機械強度高，化學性能穩(wěn)定，耐熱性好。目前開發(fā)的商品化無機膜主要有氧化鋁、氧化鈦和氧化鋯陶瓷膜，陶瓷膜在生物化工領域中的應用研究是膜材料研究的熱點之一。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、無機膜以及復合膜，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的不斷發(fā)展，由發(fā)酵法生產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。膜分離技術作為一種新型的分離技術，在現代生物制藥分離工程中具有巨大的應用潛力，得到了廣泛的發(fā)展，已經用于酶、活性蛋白、氨基酸、維生素、甾體、疫苗等物質的分離純化，而膜分離技術在抗生素提煉中的應用也是重點推廣的領域之一。多數抗生素的相對分子質量在300-1200范圍內，存在于細胞外，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#但工藝往往都十分繁雜，所需時間長、易變性失活、需消耗大量的原料、能耗高、回收率低、廢水污染嚴重且處理難度大。膜分離技術作為一門新型的分離、濃縮、提純及凈化技術具有節(jié)能、不破壞產品結構、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，且各種膜過程具有不同的分離機制，適于用不同對象和要求。由于其特別適用于熱敏性物質的分離#在食品加工、醫(yī)藥等領域有其實用性。用于微生物藥物分離和純化中的膜分離技術主要涉及微濾、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晶母液，除去母液中的懸浮物和大分子物質。然后反滲透膜處理，這一步脫鹽率可達99%。所得濃縮液，再經截留相對分子質量為10000的超濾膜，體積濃縮10倍，最后調節(jié)PH值，從土霉素結晶母液回收土霉素，得到的土霉素純度為%，回收率為62%?，F代中藥提取制劑工藝用孔徑為цm的無機陶瓷膜對多種根及根莖類中藥提取液進行微濾，證明無機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]。中藥注射劑應用膜分離技術除雜、除菌、除熱原，無需高溫或其他化學方法，在常溫下進行，可以除去雜質，保留有效成分，提高澄明度，達到藥典要求。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、分子和雜質的技術。膜分離性能按截留相對分子質量大小評價。截留相對分子質量是反映膜孔徑大小的替代參數，具有較小的截留相對分子質量的膜可除去水中較小分子量的物質。膜分離技術可解決傳統(tǒng)工藝難以解決的諸多問題，如去除水中的微污染物、運行管理簡單、基建費用低等優(yōu)點，已被大規(guī)模用于處理飲用水。石化領域的應用在氫氣的分離和回收，與傳統(tǒng)技術比較，氣體膜分離技術用于從煉廠氣中回收氫氣，能耗低，經濟環(huán)保等特點。膜法天然氣脫濕有幾個特點：（1）它利用于然氣本身的壓力作為推動力，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、礦物質等營養(yǎng)物質，但也含大量的難消化的乳糖。用超濾法回收其中的蛋白質，可使蛋白質含量從3%增加到50%以上，甚至高達80%[12]。此外，膜分離技術在無水乙醇生產中也有應用[13]。3、結語膜分離技術應用廣泛，為提高產品質量，降低成本，縮短處理時間，今后的研究趨勢將是分離技術的高效集成化。目前膜分離技術在各個方面的應用研究很活躍，但膜的污染、堵塞，原料液的粘度高，使膜通量衰減嚴重，無法繼續(xù)分離，影響了膜分離在實際操作中迅速應用發(fā)展。要實現生物制品提純的規(guī)模性應用，還要取決于相關方面的發(fā)展，如膜污染機制研究，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在生化產品應用中協同發(fā)展，取長補短，超濾、納濾、微濾技術聯用，實行多級分離是其發(fā)展趨勢。參考文獻：[1]王從厚，陳勇，吳鳴-新世紀膜分離技術市場展望[J]-膜科學與技術，（4）：54-60[2]羅麗萍，高蔭榆，楊柏云-膜分離技術在食品工業(yè)上的應用[J]-江西科學，（2）：146-150[3]李春艷，方富林-超濾膜分離技術在維生素C生產中的應用[J]-膜科學與技術，（6）：49-51[4]丁鳳平-超濾技術在堿性果膠酶濃縮工藝中的應用[J]-膜科學與技術，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)學工程學雜志。（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。(3)：249-253[7]陳正行-膜分離技術提取米糠脂多糖[J]-水處理技術。[8]劉國慶，羅敏，龍國萍，等-大豆乳清的預處理[J]-膜科學與技術。2003，23[9]韓少卿，趙芹，彭齊均-膜分離技術提取