生物技術(shù)下游技術(shù)膜分離技術(shù)應(yīng)用前景

生物技術(shù)下游技術(shù)膜分離技術(shù)應(yīng)用前景

生112-3許作超201170502306生物技術(shù)下游技術(shù)中最重要的技術(shù)之一是產(chǎn)品的分離技術(shù)，如何高效，高分離率，高純度分離產(chǎn)品將是工業(yè)生產(chǎn)的主要問題。膜分離技術(shù)被認(rèn)為是20世紀(jì)末至21世紀(jì)中期最有發(fā)展前途，甚至?xí)?dǎo)致一次工業(yè)革命的高新技術(shù)之一，成為當(dāng)今世界各國(guó)研究熱點(diǎn)。膜分離作為一種新發(fā)展的高新分離技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,廣泛應(yīng)用于化工、食品、水加工業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)、生物技術(shù)、能源工程等領(lǐng)域，并發(fā)揮了巨大的作用。膜分離是指用半透膜作為障礙層，借助于膜的選擇滲透作用，在能量、濃度或化學(xué)位差的作用下對(duì)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(guò)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。利用膜分離技術(shù)來(lái)進(jìn)行分離具有如下優(yōu)點(diǎn)：膜分離過(guò)程裝置比較簡(jiǎn)單，同時(shí)操作方便、結(jié)構(gòu)緊湊、維修費(fèi)用低且方便、易于自動(dòng)控制；.膜分離過(guò)程一般不涉及相變，無(wú)二次污染且能耗較低;膜分離過(guò)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(guò)程具有相當(dāng)大的選擇性,適用對(duì)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(guò)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(guò)程中不用添加任何外來(lái)的化學(xué)物質(zhì),透過(guò)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。正是由于膜分離技術(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(guò)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。膜分離過(guò)程常有幾種類型，有滲析、電滲析、微濾、超濾、反滲透、納濾、氣體分離等幾種。不同的膜分離技術(shù)有不同的原理以及分離的范圍，應(yīng)用的范圍也有所不同。微濾在所有膜過(guò)程中應(yīng)用最普遍，它的孔徑為0.02-10Mm。在工業(yè)應(yīng)用于制藥工業(yè)的MF過(guò)濾技術(shù)生產(chǎn)西藥品種；在生物領(lǐng)域收集細(xì)菌、酶、蛋白等供檢驗(yàn)分析。目前，微濾正被引入更廣泛的領(lǐng)域。超濾其分離機(jī)理一般認(rèn)為是機(jī)械篩分原理，分離范圍的粒子直徑在0.005-0.川m操作壓強(qiáng)低易于工業(yè)化，應(yīng)用廣泛。在水處理的應(yīng)用中凈化飲用水是超濾的膜技術(shù)應(yīng)用之一，除去有害微生物效果明顯。在食品及發(fā)酵工業(yè)應(yīng)用也很廣泛。反滲透是以膜兩側(cè)靜壓差為推動(dòng)力，克服溶劑的滲透壓，通過(guò)反滲透膜的選擇透過(guò)性使溶劑透過(guò)離子物質(zhì)被截留，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液體混合物進(jìn)行分離的膜過(guò)程。其截留組分大小在1-10Mm小分子溶質(zhì)。對(duì)反滲透體系，不但需要高的選擇性和透過(guò)性，還必須使操作過(guò)程壓力高于溶液的滲透壓。反滲透技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用主要是苦咸水的海水的淡化，應(yīng)用于純水制備及生活用水的處理，以及難以用其他方法分離的混合物。隨著反滲透膜的高度功能化和應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)，反滲透過(guò)程的應(yīng)用逐漸滲透到制備受熱容易分解的產(chǎn)品以及化學(xué)上不穩(wěn)定的產(chǎn)品，如藥品、生物制品和食品的方面。納濾膜的應(yīng)用可歸納為三種場(chǎng)合：一是對(duì)單價(jià)鹽并不要求有很高的截留，二是實(shí)現(xiàn)不同價(jià)態(tài)離子的分離，三是實(shí)現(xiàn)高相對(duì)分子質(zhì)量與低分子質(zhì)量的有機(jī)物的分離。因此被經(jīng)常用于各種氨基酸、抗生素、低聚糖等的濃縮、精制方面。應(yīng)用微濾去除乳制品中細(xì)菌是近幾年發(fā)展起來(lái)的技術(shù)。1987年，Piot等人首次將無(wú)機(jī)膜用于全脂牛奶的過(guò)濾除菌?，F(xiàn)在，將巴氏殺菌和無(wú)機(jī)膜過(guò)濾相結(jié)合生產(chǎn)濃縮的巴氏殺菌牛奶的過(guò)程已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。此過(guò)程是通過(guò)半透膜的微孔對(duì)細(xì)菌及孢子的截留，來(lái)實(shí)現(xiàn)乳品除菌，具有冷殺菌優(yōu)勢(shì)。但由于脂肪球與乳中一般所含細(xì)菌大小相似，故脂肪球與細(xì)菌會(huì)一同被截留于保留液中，為此在整個(gè)工藝過(guò)程中于微濾之前應(yīng)先分離脂肪，其目的是為了減少微孔過(guò)濾時(shí)的膜堵塞，以提高蛋白質(zhì)的過(guò)濾速度，又可以獲得良好的濃縮比，且不會(huì)因阻孔而形成嚴(yán)重的流速下降。陶瓷膜分離技術(shù)是一種“錯(cuò)流過(guò)濾”形式的液體分離過(guò)程，原料液在膜管內(nèi)高速流動(dòng)，在壓力驅(qū)動(dòng)下含小分子組分的澄清滲透液沿與之垂直方向向外透過(guò)膜，含大分子組分的混濁濃縮液被膜截留,從而使流體達(dá)到分離、濃縮、純化的目的。陶瓷膜具有化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸、耐堿、耐有機(jī)溶劑，機(jī)械強(qiáng)度大等特點(diǎn)，其不足表現(xiàn)在價(jià)格昂貴、制造過(guò)程復(fù)雜等方面。目前已商品化的多孔陶瓷膜的構(gòu)形主要有平板、管式和多通道3種微孔陶瓷膜分離技術(shù)在給水處理中的應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代初期，其優(yōu)點(diǎn)是能夠保證更好和更可靠的水質(zhì)，不用化學(xué)物質(zhì)，特別適合于高附加值產(chǎn)品。無(wú)機(jī)陶瓷膜在廢水處理中的應(yīng)用主要包括處理含油廢水、紡織廢水、化工廢水、對(duì)放射性廢水、含重金屬?gòu)U水、城市生活污水和造紙廢水等。陶瓷膜用于牛奶、果酒、果汁、飲料、白酒、啤酒、飲用水等的除菌過(guò)濾,效果十分顯著，其特別之處在于可以采用蒸汽對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行消毒，使產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。陶瓷微濾膜和陶瓷超濾膜處理地表水制備飲用水己在歐洲應(yīng)用多年，陶瓷膜與吸附集成凈水技術(shù)在我國(guó)己應(yīng)用8年,以陶瓷膜為核心的集團(tuán)式凈水器和家用凈水器可以采用加熱的方法進(jìn)行消毒處理，具有廣闊的發(fā)展前景。陶瓷膜的應(yīng)用領(lǐng)域還包括:氣體分離、滲透氣化、催化反應(yīng)、生物化工等。陶瓷膜滲透氣化工藝具有高通量、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，有著極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力和巨大的市場(chǎng)需求;陶瓷膜在生物化工領(lǐng)域的應(yīng)用研究是近期的熱點(diǎn)之一，涉及領(lǐng)域包括細(xì)胞脫除、無(wú)菌水生產(chǎn)以及低分子有機(jī)物的澄清和生物膜反應(yīng)器等。納濾(Nanofiltration,NF)是在反滲透基礎(chǔ)上發(fā)展的一種以壓力為驅(qū)動(dòng)的液體膜分離過(guò)程，是膜分離技術(shù)的一個(gè)新興領(lǐng)域。納濾膜(Nanofiltrationmembrane)是20世紀(jì)80年代末期問世的一種分離膜,其截留的分子量約為100?1000，推測(cè)該膜可能有1nm左右的微孔結(jié)構(gòu)，故稱之為“納濾”。納濾分離過(guò)程無(wú)化學(xué)反應(yīng)，無(wú)相變，不破壞生物活性，適用于分子量1000以下的活性物質(zhì)的濃縮純化。如納濾可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的薄膜蒸發(fā)等方法,縮短濃縮時(shí)間，有較高的回收率，且成本較低。因而納濾在制藥工業(yè)中應(yīng)用正日益廣泛,如中藥提取物、生物制品、化學(xué)藥物等的濃縮和純化;在食品中主要是功能性低聚糖的分離，其他還有乳品加工、果汁濃縮等。制藥工業(yè)中的溶液大多成分復(fù)雜，不易分離、濃縮和凈化。近年來(lái)膜分離技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生物制藥領(lǐng)域，如血透、腎析、藥品濃縮、發(fā)酵液與培養(yǎng)液的澄清等領(lǐng)域。5.1.1中藥提取物的分離純化中藥中許多有效成分受熱易發(fā)生氧化、水解等結(jié)構(gòu)改變，可能影響藥效。傳統(tǒng)的濃縮溶液易產(chǎn)生沉淀，影響藥物穩(wěn)定性。納濾在常溫下操作，有利于保留中藥或復(fù)方中的有效成分，提高藥物的穩(wěn)定性。此外,納濾還具有節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn),具有工業(yè)化應(yīng)用的可行性。由于納濾分離過(guò)程具有防止細(xì)菌污染和熱敏性物質(zhì)失活等特點(diǎn)，在生化生產(chǎn)流程中的作用正日益增大。多肽是由蛋白質(zhì)水解或氨基酸合成制得的。生產(chǎn)中通常采用色譜柱從有機(jī)溶液或水溶液中純化多肽和多肽化合物，然后進(jìn)行蒸發(fā)濃縮。采用納濾膜技術(shù)代替蒸發(fā)，優(yōu)點(diǎn)是濃縮和純化可一步完成，并可低溫操作,效率高，操作簡(jiǎn)便。納濾分離氨基酸主要靠電荷效應(yīng)起作用。納濾膜對(duì)于處于等電點(diǎn)狀態(tài)的氨基酸的截留率幾乎為零。調(diào)整溶液的pH值，使不同的氨基酸在不同的pH值時(shí)帶上不同的電荷，利用膜的電荷效應(yīng)分離和純化分子量接近的氨基酸。目前納濾在化學(xué)藥物制劑中應(yīng)用主要是抗生素的濃縮純化以及少許的其他藥物的提取等。納濾濃縮抗生素發(fā)酵液工藝已成功用于青霉素、克拉維酸、頭孢霉素和螺旋霉素等多種抗生素的濃縮和純化過(guò)程中。生活污水一般用生物降解和化學(xué)氧化法相結(jié)合處理，氧化劑的浪費(fèi)很大，且殘留物多。因此可以在它們之間加納濾環(huán)節(jié)，被微生物降解的小分子透過(guò)(Mw<100)納濾膜，而截留住不能生物降解的大分子(Mw>100)，再進(jìn)化學(xué)氧化器后再去生物降解，這樣就可充分利用生物降解作用，節(jié)約氧化劑或活性炭用量，降低最終殘留物含量。目前去除水中農(nóng)藥的傳統(tǒng)方法是活性炭吸附過(guò)濾和臭氧或過(guò)氧化氫氧化，但活性炭失效很快，需要頻繁再生和更換，處理費(fèi)用偏高，且在水中由于競(jìng)爭(zhēng)吸附會(huì)使農(nóng)藥的吸附效率下降;而氧化法將農(nóng)藥大分子氧化成小分子后會(huì)促進(jìn)水中細(xì)菌的繁衍。納濾膜則因其對(duì)低分子量中性溶質(zhì)分子的篩分作用，對(duì)水中的農(nóng)藥殘留物具有良好的截留效果,處理農(nóng)藥污染廢水更為經(jīng)濟(jì)可行。納濾膜技術(shù)對(duì)SanJoaquim的重度污染水可以截留95%以上的硒和90%以上的其他多價(jià)陰離子。納濾膜法為處理含硒廢水提供了突破性的方法。納濾膜分離技術(shù)作為一種新型膜分離技術(shù)和分離手段，在新型的膜分離過(guò)程中具有很高的潛在應(yīng)用價(jià)值，如含催化劑的溶劑中催化劑回收的應(yīng)用、對(duì)糖脫色樹脂再生液進(jìn)行再處理以及過(guò)程中水的回用、廢液中回收酸堿、從含重金屬離子的鹽水中回收溴、電廠冷卻水的處理、納濾膜膜生物