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膜分离技术的应用及研究进展

 

摘要:综述膜分离技术的分离机理、特点、种类,介绍国内外膜分离技术的研究进展及其在各个领域的应用现状,同时指出该技术存在的问题,提出选用更佳的膜材料以及多种膜分离技术联用是其今后的发展方向。   

关键词:膜分离技术;微滤;超滤;纳滤;生化产品;微生物制药  

膜分离技术是一种新型高效、精密分离技术,它是材料科学与介质分离技术的交叉结合,具有高效分离、设备简单、节能、常温操作、无污染等优点,广泛应用于工业领域,尤其在食品、医药、生化领域发展迅猛。据统计,膜销售每年以14%~30%的速度增长,而最大的市场为生物医药市场。笔者在此综述了膜分离技术的原理及其应用现状,并展望其发展趋势。  

1 膜分离技术

1.1 原理  膜分离技术是一种使用半透膜的分离方法,在常温下以膜两侧压力差或电位差为动力,对溶质和溶剂进行分离、浓缩、纯化。膜分离技术主要是采用天然或人工合成高分子薄膜,以外界能量或化学位差为推动力,对双组分或多组分流质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集操作。 现已应用的有反渗透、纳滤、超过滤、微孔过滤、透析电渗析、气体分离、渗透蒸发、控制释放、液膜、膜蒸馏膜反应器等技术,其中在食品、药学工业中常用的有微滤、超滤和反渗透3 种。  

1.2 特点  膜分离技术具有如下特点:1)膜分离过程不发生相变化,因此膜分离技术是一种节能技术;2)膜分离过程是在压力驱动下,在常温下进行分离,特别适合于对热敏感物质,如酶、果汁、某些药品的分离、浓缩、精制等。3)膜分离技术适用分离的范围极广,从微粒级到微生物菌体,甚至离子级都有其用武之地,关键在于选择不同的膜类型;4)膜分离技术以压力差作为驱动力,因此采用装置简单,操作方便。  

1.3分类  超滤的截留相对分子质量在1000-100000之间,选择某一截留相对分子质量的膜可以将杂质与目标产物分离。超滤技术在生化产品分离中应用最早、最为成熟,已广泛应用于各种生物制品的分离、浓缩。  纳滤膜具有纳米级孔径,截留相对分子质量为200--1000 能使溶剂、有机小分子和无机盐通过。纳滤可以采用两种方式提取抗生素,一是用溶剂萃取抗生素后,萃取液用纳滤浓缩,可改善操作环境;二是对未经萃取的抗生素发酵液进行纳滤浓缩,除去水和无机盐,再用萃取剂萃取,可减少萃取剂用量。微滤是发展最早、制备技术最成熟的膜形式之一,孔径在0.05-10цm 之间,可以将细菌、微粒、亚微粒、胶团等 不溶物除去,滤液纯净,国际上通称为绝对过滤。由于微滤孔径相对较大,单位膜面积透水率高,而且制备成本最低,使用范围非常广,其销售额居于各类膜的首位。   

在蛋白质损失率只有10% 的情况下可将悬浮固体全部除去,脂肪去除率达到90%  以上几种膜材料在早期主要是醋酸纤维素,后来主要用聚砜。聚砜具有优良的化学稳定性、较宽的PH值使用范围和良好的耐热性能。目前还发展了多种性能优良的高分子聚合膜。20世纪80年代,无机膜开始应用于生物分离,优点是可以在苛刻条件下进行精密过滤,机械强度高,化学性能稳定,耐热性好。目前开发的商品化无机膜主要有氧化铝、氧化钛和氧化锆陶瓷膜,陶瓷膜在生物化工领域中的应用研究是膜材料研究的热点之一。今后膜材料的研究方向是发展抗污染性能好的共混改性膜、无机膜以及复合膜,开发新型专用的医用膜。   

2.2 微生物制药  随着基因工程技术的不断发展,由发酵法生产的微生物药物的分离和纯化正面临着一系列新的问题,如含量低、活性高、易失活、提取收率低等。膜分离技术作为一种新型的分离技术,在现代生物制药分离工程中具有巨大的应用潜力,得到了广泛的发展,已经用于酶、活性蛋白、氨基酸、维生素、甾体、疫苗等物质的分离纯化, 而膜分离技术在抗生素提炼中的应用也是重点推广的领域之一。  多数抗生素的相对分子质量在300-1200范围内,存在于细胞外,需从发酵液中提取。传统提取方法主要有吸附法、溶剂萃取法、离子交换法和沉淀法,这些方法各有特点# 但工艺往往都十分繁杂, 所需时间长、易变性失活、需消耗大量的原料、能耗高、回收率低、废水污染严重且 处理难度大。膜分离技术作为一门新型的分离、浓缩、提纯及净化技术具有节能、不破坏产品结构、少污染和操作简单,可在常温下连续操作、可直接放大、可专一配膜等特点,且各种膜过程具有不同的分离机制,适于用不同对象和要求。  由于其特别适用于热敏性物质的分离# 在食品加工、医药等领域有其实用性。用于微生物药物分离和纯化中的膜分离技术主要涉及微滤、超滤、纳滤、液膜分离和反渗透等。  李十中等[8] 先用截留相对分子量为50000的超滤膜处理土霉素结晶母液,除去母液中的悬浮物和大分子物质。然后反渗透膜处理,这一步脱盐率可达99% 。所得浓缩液,再经截留相对分子质量为10000的超滤膜,体积浓缩10 倍,最后调节PH值,从土霉素结晶母液回收土霉素,得到的土霉素纯度为82.19% ,回收率为62%    

2.3  现代中药提取制剂工艺  用孔径为0.2цm的无机陶瓷膜对多种根及根茎类中药提取液进行微滤,证明无机陶瓷膜对中药水提液具有较好的澄清除杂作用。用陶瓷微滤膜与醇沉法对照处理两种水提液,除杂率及有效成分得率与醇沉法接近。用陶瓷微滤膜与大孔吸附树脂联用精制苦参水提液,其总黄酮吸附率与除杂率均优于醇沉大孔树脂法。  中药注射剂应用膜分离技术除杂、除菌、除热原,无需高温或其他化学方法,在常温下进行,可以除去杂质,保留有效成分,提高澄明度,达到药典要求。   

2.4 饮用水处理在饮用水处理中,膜分离是一种在某种推动力作用下,利用特定膜的透过性能分离水中的离子、分子和杂质的技术。膜分离性能按截留相对分子质量大小评价。截留相对分子质量是反映膜孔径大小的替代参数,具有较小的截留相对分子质量的膜可除去水中较小分子量的物质。膜分离技术可解决传统工艺难以解决的诸多问题,如去除水中的微污染物、运行管理简单、基建费用低等优点,已被大规模用于处理饮用水。   

2.5 石化领域的应用  在氢气的分离和回收,与传统技术比较,气体膜分离技术用于从炼厂气中回收氢气,能耗低,经济环保等特点。  膜法天然气脱湿有几个特点:  1)它利用于然气本身的压力作为推动力,几乎没有压力损失, 因此,脱湿后的天然气仍保持原来的压力进行输送。(2)属于“干法”脱湿,不需要额外加入溶剂或分子筛,不需再生,没有二次污染。(3)工艺简单,组装方便,操作容易,占地面积小。(4)操作弹性大,可通过调节膜面积和工艺参数来适应处理量的波动。

2.6 其他方面  在食品机械方面,用牛奶制干酪,分离后得到乳清,其中含不少可 溶蛋白质、矿物质等营养物质,但也含大量的难消化的乳糖。用超滤法回收其中的蛋白质,可使蛋白质含量从3% 增加到50% 以上,甚至高达80%。此外,膜分离技术在无水乙醇生产中也有应用。  

3、结语  膜分离技术应用广泛,为提高产品质量,降低成本,缩短处理时间,今后的研究趋势将是分离技术的高效集成化。目前膜分离技术在各个方面的应用研究很活跃,但膜的污染、堵塞,原料液的粘度高,使膜通量衰减严重,无法继续分离,影响了膜分离在实际操作中迅速应用发展。要实现生物制品提纯的规模性应用,还要取决于相关方面的发展,如膜污染机制研究,对性能优良、抗污染膜材料的研究。将来多种类型的膜分离技术在生化产品应用中协同发展,取长补短,超滤、纳滤、微滤技术联用,实行多级分离是其发展趋势。


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