1、 本文由 lgg21st 贡献pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。科技信息高校理科研究膜分离技术在生物化工中的应用中南大学 湖南化工职业技术学院 刘 军 摘 要 通过对分离技术中的膜分离技术的原理, 类型及特点作简要的介绍, 说明了膜分离技术在生物化工技术实现 产业化中的重要性, 并简要叙述了膜分离技术在生物化工中的应用. 关键词 生物化工 膜分离技术 应用膜分离技术被认为是 21 世纪最有前途, “ 最有发展前景的 重大高新技术之一, 它在工业技术改造中起着战略性作用“ 世 . 界上许多国家包括我国在内, 都把膜分离技术及其应用列为国
2、家重点发展项目. 膜分离技术对许多传统产业的发展起着关键 作用. 甚至有人预言 “谁掌握了膜技术, 谁就掌握了化学工业的 未来“ . 目前, 膜产品的世界年销售额已经超过 100 亿美元, 而且年 增长率在 20 % 左右. 膜分离技术作为一种新兴的高效分离技 术, 现在已被广泛应用于化工, 环保, 电子, 轻工, 纺织, 石油, 食 品, 医药, 生物技术, 能源工程等. 国外有关专家甚至把膜分离技 术的发展称为 “第三次工业革命“下面就膜分离技术的原理, . 特 点及在生物化工中的应用作简要的叙述. 1, 膜分离技术 1. 1 膜分离原理 膜分离是指用半透膜作为分离介质, 借助于膜的选择渗
3、透 性作用, 在能量, 浓度或化学位差的作用下对混合物中的不同组 分进行分离提纯. 由于半透膜中滤膜孔径大小不同, 可以允许某 些组分透过膜层, 而其它组分被保留在混合物中, 以达到一定的 分离效果. 膜可以是固相, 液相或气相, 膜的结构可以是均质或 非均质的, 膜可以是中性的或带电的, 但必须都具有选择性通过 物质的特性. 具体的工作原理可分为两类: 一是根据混合物物质的质量, 体积, 大小和几何形态的不同, 用过筛的方法将其分离; 二是根 据混合物的不同化学性质分离开物质. 1. 2 膜分离技术的类型 目前己经深入研究和开发的膜分离技术有微滤, 超滤, 纳 滤, 反渗透, 渗析, 电渗析
4、, 渗透汽化和气体分离等. 正在开发研 究中新的膜过程有: 膜蒸馏, 支撑液膜, 膜萃取, 膜生物反应器, 控制释放膜, 仿生膜, 生物膜, 无机膜, 膜电极, 膜分相, 膜控制释 放, 双极膜以及 LB 膜等过程. 1. 3 膜分离技术的特点 膜分离技术作为一门新型的高效分离, 浓缩, 提纯及净化技 术, 由于其多学科性特点, 膜技术可应用于大量的分离过程. 各 种膜过程具有不同的机理, 适用于不同的对象和要求. 但有其共 同的优点: 膜分离过程装置比较简单, 同时操作方便, 结构紧凑, 维修费用低且方便, 易于自动控制; 膜分离过程一般不涉及相 变, 无二次污染且能耗较低; 膜分离过程可以
5、在室温或低温下操 作, 适宜热敏感物质 ( 酶, 药物) 的浓缩分离; 膜分离过程具有相 当大的选择性, 适用对象广泛, 可以分离肉眼看得见的颗粒, 也 可以分离离子和气体; 该过程可以在室温下连续操作, 设备易于 放大, 可以专一配膜, 选择合适的膜, 从而得到较高的回收率; 膜 分离处理系统可以在密闭系统中循环进行, 因而可以防止外界 的污染; 在过程中不用添加任何外来的化学物质, 透过液可以循 环使用, 从而降低了成本, 并可以减少环境污染. 当然, 膜分离过 程也有自身的缺点, 如易浓差极化和膜污染, 膜寿命有限等, 而 这些也正是需要我们克服或者需要解决的问题所在.正由于膜分离技术具
6、有上述优点, 是现代生物化工分离技 术中一种效率较高的分离手段, 完全可以取代传统的过滤, 吸 附, 蒸发, 冷凝等分离技术, 所以膜分离技术在生物化工分离工 程中起着很大的作用. 2, 膜分离技术在生物化工中的应用 2. 1 在生物化工产品分离提纯中的应用 传统的生物化工产品如氨基酸, 抗生素, 乳酸及低聚糖等的 提取与精制, 通常采用离心, 沉淀, 吸附, 萃取, 离子交换和色谱 等方法, 因此存在工艺过程复杂, 操作时间长, 原料消耗大, 能量 消耗高, 产品回收率低, 废水污染严重等问题, 且产品在漫长的 提取过程中可能会发生变形失活; 而这些生物化工产品生产过 程中的浓缩工序主要采用
7、多效蒸发法, 因此造成投资大, 能耗 高, 以及由于蒸发相变所造成的产品损失. 膜分离技术具有设备 简单, 常温操作, 无相变及化学变化, 选择性高及能耗低等优点, 特别适用于热敏性生物化工产品的分离纯化. 膜分离技术在生 物化工产品分离提纯中的应用主要用于以下几个方面: 2. 1. 1 氨基酸的分离和精制 膜分离技术用于发酵液中氨基酸的分离和精制, 可以先用 微滤或超滤将发酵液中的菌体截留并回收利用, 透过液经纳滤 或反渗透浓缩后, 再通过等电点结晶获得高纯氨基酸产品, 这样 不仅可提高氨基酸的质量和回收率, 而且可节约菌种培养费和 分离能耗. 2. 1. 2 抗生素的浓缩与纯化 抗生素的相
8、对分子质量大都在 300 1200, 多采用发酵法生 产. 通常是从发酵液中通过澄清和溶剂萃取分离, 再对萃取液减 压蒸馏得到抗生素. 但是溶剂用量大, 能量消耗高, 产品收率低, 还需进行溶剂回收和废水, 母液的排放处理. 膜分离技术可以克 服上述缺点, 获得较大的经济效益. 纳滤可以从两个方面改进抗生素发酵滤液的浓缩与纯化工 艺: 一是用亲水性纳滤膜浓缩未经溶媒抽提的抗生素发酵滤液, 水和无机盐透过膜被除去, 然后用萃取剂抽提出抗生素, 大幅度 提高了生产能力, 并大大减少萃取剂的用量. 二是仍先用溶媒从 发酵液中萃取出抗生素, 然后用耐溶剂疏水性纳滤膜浓缩萃取 液, 透过膜的溶媒可循环给
9、下一步萃取过程. 这样, 可节省溶媒 蒸发设备的投资与蒸发所需的热能, 同时也改善了操作环境, 避 免溶媒蒸汽对工人的危害. 反渗透从发酵液中分离乙醇, 丁醇和 丙酮溶剂及浓缩抗生素, 氨基酸等. 除了纳滤浓缩外, 也可用反 渗透浓缩抗生素. 2. 1. 3 果胶的生产 利用膜的优良选择性可将溶液中的欲提取组分在与其他组 分分离的同时有效地得到浓缩和纯化. 果胶是一种由半乳糖醛 酸组成的高分子物质, 在食品工业上用作胶凝剂, 增稠剂等, 市 场需求量很大. 目前果胶的生产工艺主要以柑橘皮等为原料, 利用稀酸进 行提取, 提取液中含大量对胶凝度无贡献的有机酸, 皮油及 酚, 色素. 其后续处理任
10、务繁重, 成本较高, 且产品颜色偏深. 采用超 84 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/科技信息高校理科研究滤膜装置对提取液进行处理, 初步浓缩除去大部分对胶凝度无 贡献的杂质后, 再经电渗析 ( ED ) 脱去大部分盐酸和无机离子, 所得提取液可直接干燥获得高品质的果胶, 并且能够大幅降低 生产成本. 2. 1. 4 酶制剂的提纯和浓缩 利用超滤技木还可以实现酶制剂的提纯和浓缩, 利用聚醚 砜 ( PES ) 为 膜 材 科 的 超 滤 装 置 提
11、纯 溶 菌 酶 ( 截 留 分 子 量 为 30000, 操作压力为 0. 35M Pa, 温度为 15 ) 超滤进行 15m in 后进 行清洗. 酶得率 63% , 纯度 98. 5% , 酶活 14610 U m g 或 16831 U m g, 而后将浓缩液直接进行冷冻干燥即可.以 D 52 弱酸性离子 交换树脂的 N a+ 型和 H 十型树脂混合用于吸附过程, 然后用硫 酸铵溶液洗脱, 即可得到较纯净的溶菌酶.每 100 克蛋清可得酶 0. 4 克, 酶活 10000 U m g 左右. 2. 1. 5 酱油的加工 传统的酱油澄清技术是采用巴氏消毒法, 板框过滤澄清产 品. 产品有沉
12、淀, 细菌数偏高, 生产强度大, 废弃物多, 易造成环 境污染. 利用超滤膜技术对酱油澄清, 除菌, 脱色处理, 可大幅降 低能耗, 提高产品品质. 2. 2 在除菌方面的应用 传统的食品饮料杀菌方法为巴氏杀菌和高温瞬时杀菌, 操 作繁琐, 残留细菌多, 高温易造成热敏物质失活和产品口味营养 的破坏. 利用微滤技术, 孔径为纳米级的微滤膜足以阻止微生物 通过, 并在分离的同时达到 “冷杀菌“ 的效果. 在谷氨酸发酵液的除菌过程中, 王焕章等人采用微孔陶瓷 膜过滤器过滤, 实现除菌, 洗菌, 浓缩连续操作, 除菌率高于 98 99% , 浓缩倍数达 25 倍, 膜平均通量为 80L m 2h,
13、当加水量达 到发酵液的 0. 1 倍时, 谷氨酸收率达 99. 7% .在牛奶的除菌过滤 中, 采用膜孔径为 1- 15 的微孔陶瓷膜脱除低脂牛奶中细 m 菌, 效率可达 99. 6% , 滤速达 500 L - 700 L m 2h, 产品在低温 下的保存期由未处理前的 6 8 天延长至 16 21 天. 在鲜啤酒生 产过程中采用微滤膜常温下处理用水及发酵液, 可有效去除水 中的大肠杆菌和谷类杂菌, 有效去除发酵浓中的污染微生物和 残留的酵母菌. 诸良银等人采用孔径为 0. 5 陶瓷膜处理, 除 m 菌率达 100% , 色截留率仅为 3% . 2. 3 在食品工业中的应用 膜分离技术用于食
14、品工业开始于 20 世纪 60 年代末, 首先是 从乳品加工和啤酒的无菌过滤开始的, 随后逐渐用于果汁, 饮料 加工, 酒精类精制等方面. 至今, 膜分离技术在食品加工中已得 到广泛应用. 主要用于以下几个方面: 利用膜分离技术对植物 蛋白进行浓缩, 提纯和分离.利用膜分离技术加工乳制品. 利用膜分离技术对卵蛋白惊醒浓缩. 利用膜分离技术对动物 血浆进行浓缩. 利用膜分离技术对明胶进行提纯. 在含酒精 饮料加工中的应用. 在非酒精饮料加工中的应用. 膜分离技 术在处理淀粉废水中的应用. 膜分离技术在制糖工业中的应 用. 膜分离技术在食用油加工中的应用. 膜分离技术在食品 添加剂生产中的应用.
15、膜分离技术用于食品加工有很多优点: 与传统方法相比, 不 会因加热而产生色, 营养成分等质量指标的恶化; 节省能源, 香, 设备占地面积小; 更重要的是由于分离膜性能的提高, 能在很高 精度水平下分离各种成分. 2. 4 在生物技术中的应用 在生物技术方面, 膜技术也有各种应用, 其中应用最广泛的 是微滤和超滤技术. 例如: 从植物或动物组织萃取液中进行酶的精制; 从发酵液或反应液中进行产物的分离, 浓缩等. 膜技术应 用于蛋白质加水分解或糖液生产, 有助于稳定产品质量, 提高产 品的收率和降低成本. 由于应用分离膜可以在室温下进行物理 化学分离, 所以它特别适合于热敏性生物物质的分离. 可以
16、想象 膜分离技术在生物技术方面将会得到越来越广泛的应用. 2. 5 在医药工业和医疗设备方面的应用 膜分离技术在这方面的应用已经有 30 多年的历史, 现在微 滤, 超滤, 反渗透和渗透等膜技术已经在医药和医疗设备上得到 了广泛的应用. 在制药工业中膜技术主要用于: 利用微滤技术 进行药物澄清; 利用超滤和反渗透技术进行药液精制和浓缩; 利用分渗透技术制备灭菌水, 除热原水和注射水等; 渗析技 术在医药科学中的典型应用是人工模拟肾脏进行血液的透析分 离; 利用亲合膜技术, 通过在膜上固载特定的功能配位键. 在 医疗设备方面除了用于药物控制释放的膜技术外, 膜式人工肺, 人工肾也都应用了膜分离技
17、术. 随着新的膜材料的出现以及膜 成本的降低, 膜技术将会在医药和医院中起到更重要的作用. 2. 6 在环境工程中的应用 随着工业的进一步发展, 水源和大气被污染更加严重, 这就 要求人们提高对它们进行处理净化的能力, 因此膜分离技术在 环境工程中的地位越来越突出. 应用膜分离技术来处理工业废 水, 废气已经被证明是卓有成效的, 在不少废水处理中膜分离技 术能实现闭路循环, 在消除污染的同时变废为宝, 取得了较大的 经济效益和社会效益. 除了微滤, 超滤, 反渗透, 电渗析的过程 外, 渗透汽化的其他膜技术也将在 21 世纪的环境工程中发挥极 其重要的作用. 3, 膜分离技术在生物化工应用中存
18、在的问题 膜分离技术具有许多优点, 是一种较理想的分离手段, 但在 应用中还存在一定的问题. 与色谱法比较, 分离精度不高, 同时 多组分分离做不到; 在操作过程中, 膜面易受污染, 形成附着层, 使膜的性能降低, 降低膜的透水率, 形成浓差极化现象. 为了减 少浓差极化, 常采用错流流程, 即过滤液主体水平流过膜面, 而 过滤液是垂直通过膜面. 此外, 在膜分离技术中容易遇到膜污染 问题, 即膜的透水量随运行时间延长而下降. 因此需采用一定的 方法对膜面或膜内的污染物进行清洗, 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学清洗剂对膜进行清洗. 膜 分离虽然原理简单, 在生物化工
19、领域广泛应用, 但由于生物化工 产品种类繁多, 性质各异, 对膜分离会产生不同的影响, 如吸附 会使膜孔堵塞等, 所以要想很好地利用膜分离技术, 必须针对具 体过程研究开发各种防止膜性能降低的装置并探讨有效的操作 方法. 参考文献 1 何旭敏等. 膜分离技术的应用 J . 厦门大学学报 ( 自然 科学版) , 2001, 40 ( 2) 2 程淑英, 龚莉莉. 膜分离技术应用现状及展望 J . 化工 技术经济, 1999, 17 ( 2) 3 孙国超. 浅析膜分离技术及在化工生产中的应用 J . 硫 磷设计与粉体工程, 2000, 1 4 戎志梅. 生物化工新产品与新技术开发指南 M . 北京: 化学工业出版社, 2002: 123 5 孙德福, 刘永. 膜分离技术及其应用进展 J . 化工科技, 2002, 10 ( 4) 85 http:/1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.1
