生物工程下游技术膜分离技术

生物工程下游技术小综述姓名：宋 媛 媛班级：B110709班学号：B11070902生物工程下游技术小综述 膜分离技术的研究现状与应用一、概述膜分离技术是利用具有一定选择性透过特性的过滤介质对物质进行分离纯化的技术。近代工业膜分离技术的应用始于20世纪30年代利用半透性纤维素膜分离回收苛性碱，60年代以后，不对称性膜制造技术取得了长足的进步，各种膜分离技术也迅速发展，在包括生物物质在内的分离过程中得到越来越广泛的应用，成为最重要的分离技术之一。膜分离技术已被国际上公认为20世纪末至21世纪中期最有发展前途的重大生产技术。西方发达国家都已将膜分离技术列入21世纪优先发展的高新技术，甚至可以说，凡是物料以流体状态运行的生产过程，膜技术都有用武之地。所以，1987年，在日本东京召开的国际膜与膜过程会议指出：“在21世纪的多数工业中，膜过程扮演着战略角色。”二、膜分离技术原理及特点1. 原理膜分离是指用半透膜作为障碍层,借助于膜的选择渗透作用,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。分离膜具有选择透过特性，它可以使混合物质有的透过、有的被截留，但是不同的膜分离过程，它们使物质透过、截留的原理则不尽相同，总的来说，分离膜之所以能使混在一起的物质分开，不外乎两种手段，即根据混合物物理性质的不同或者化学性质的不同。2. 特点2.1 膜分离过程的分离效率比较高，并且大多数可以在较温和的条件下进行，操作的温度和压强比较低，适合生物活性物质的分离，可以最大限度的保存产品的生物活性。2.2 膜分离过程的耗能一般较低。这是由于其分离过程条件温和，加热或者冷却的耗能较小，另外，膜分离过程一般不涉及相变，而相变潜热很大。2.3 膜分离过程在密闭空间内进行，污染小。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。2.4 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。2.5 膜分离设备简单，处理规模和能力易调节、设备操作和维修方便、易实现自动化。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。三、膜分离技术的类型目前己经研究和开发的膜分离技术有微滤、超滤、纳滤、反渗透等。1. 微滤微滤是世界上开发应用最早、制备方便、价格便宜和应用范围较广的膜技术。微滤是以静压差为推动力，利用膜的“筛分”作用进行分离的压力驱动型膜过程。基于微孔滤膜发展起来的微滤技术是一种精密过滤技术，主要用来从气相和液相物质中截留微米及亚微米级的细小悬浮物、微生物、微粒、细菌、酵母、红细胞、污染物等以达到净化、分离和浓缩为目的，与常规过滤技术相比，微滤具有以下特点。(1) 微滤被截留的粒子很小，已不再是不可压缩的刚性离子。(2) 微滤更多见的是采用切向过滤，这样膜表面上的粒子层很薄，大大减小了过滤阻力，此时的微滤更确切地说属于增侬过程。(3) 作为微滤推动力的压强差较大，常采用0.10.3MPa，故微滤一般不用真空过滤。(4) 在微滤过程中，随着过滤的进行，膜孔逐渐被堵塞，到一定程度时必须停下来清洗，因此，严格来讲微滤不能算是真正意义上的连续过滤，而只是间歇过滤。(5) 微滤操作的温度上限原则上取决于膜和物料的耐热程度，有机膜主要是膜的耐热性起制约作用，无机膜主要由物料的耐热性决定操作温度。2. 超滤超滤是在压差推动力作用下进行的筛孔分离过程，最早使用的超滤膜是天然动物的脏器滤膜。超滤是利用膜的透过性能，在静压差的推动力作用下，达到分离离子、分子及某种微粒目的的膜分离技术。超滤膜的孔径为1nm0.05m，其所分离的组分直径为510nm，可分离相对分子质量大于500的大分子和胶体。超滤有一下操作特点。(1) 超滤常采用切向过滤，以减少过滤阻力，因此它也属于增侬过程。(2) 超滤常用的压强差为0.10.5MPa，最大可达1MPa。(3) 一般认为微滤和超滤间的分离界限大致在0.1m，但实际上两者的分离范围往往是有所重叠的，并无严格的界限。(4) 在超滤过程中，随着过滤的进行，同样会有膜孔逐渐被堵塞，导致滤液流量下降的现象，到一定程度时必须停下来进行清洗，因此，严格而言超滤也是间歇过程。(5) 超滤常用于分子间的分离，一般的准则是如果要达到良好的分离，被分离分子间的相对分子质量要相差一个数量级。3. 纳滤纳滤是20世纪80年代后期发展起来的一种介于反渗透和超滤之间的新型膜分离技术。纳滤属于以压力差为推动力的膜分离过程，纳滤膜大部分为荷电膜，其对无机盐的分离行为不仅由化学势梯度控制，同时也受电势梯度的影响，即纳滤膜的行为与电荷性能，以及溶质电荷状态相互作用都有关系。纳滤膜的截留相对分子质量为2002000，膜孔径约为1nm，适宜分离大小约为1nm的溶解组分。在分离性能方面有一下特点。(1) 操作压力低，相比反渗透，若达到同样的渗透铜梁，纳滤工艺所需压差要低0.53MPa。(2) 具有纳米级孔径，纳滤膜的孔径在纳米级内，介于反渗透和超滤之间，且大多数纳滤膜为具有三维交联结构的复合膜。(3) 具有离子选择性，纳滤膜对不同价态的离子截留能力不同。4. 反渗透反渗透过程是利用半透膜的选择透过性，即允许溶剂透过而截留溶质的性质，以膜两侧压差为推动力，克服溶剂的渗透压使溶剂透过膜而实现混合物分离的过程。反渗透膜分离技术的特点如下。(1) 在常温不发生相变化的条件下，可以对溶质和水进行分离，适用于对热敏感物质的分离、浓缩。并且与有相变化的分离方法相比，能耗较低。(2) 杂质去除范围广，既可以去除溶解的无机盐类，也可以去除各类有机物杂质。(3) 较高的除盐率和水的回用率，可截留粒径几个纳米以上的溶质。(4) 由于利用压力作为膜分离的推动力，因此分离装置简单，容易操作、自控和维修。(5) 由于反渗透装置要在高压下运转，因此必须配置高压泵和耐高压的管路。(6) 反渗透装置要求进水要达到一定的指标才能正常运行，因此源水在进反渗透膜器之前要采用一定的预处理措施，为了延长膜的使用寿命，还要定期清洁，以清除污垢。四、膜分离技术的应用1.膜分离技术在食品工业中的应用膜分离技术用于食品工业开始于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：（1) 利用膜分离技术对植物蛋白进行浓缩、提纯和分离。(2) 利用膜分离技术加工乳制品。 (3) 利用膜分离技术对卵蛋白惊醒浓缩。(4) 利用膜分离技术对动物血浆进行浓缩。(5) 利用膜分离技术对明胶进行提纯。(6)在含酒精饮料加工中的应用。 (7) 在非酒精饮料加工中的应用。 (8) 膜分离技术在处理淀粉废水中的应用。 (9) 膜分离技术在制糖工业中的应用。(10)膜分离技术在食用油加工中的应用。(11) 膜分离技术在食品添加剂生产中的应用。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、香、营养成分等质量指标的恶化；节省能源、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。在啤酒无菌过滤中的应用啤酒的无菌过滤是啤酒生产过程中提高产品质量的重要环节，它直接关系着啤酒品质的稳定性、外观及口感。褚良银等采用无机陶瓷膜对啤酒进行除菌过滤，对膜孔径的选择、膜器结构优化、膜滤运行过程强化等方面进行了系统的试验研究，提出了一套新型高效的膜器结构与工艺设计的依据；翁佩芳等还采用膜错流过滤和新型的无菌灌装系统的消毒灭菌方法对无菌生啤酒的生产工艺进行设计， 使整个生产工艺系统高效、优化运行， 同时加强生产操作及卫生的管理， 生产出色泽、品质优良、保质期长的无菌鲜啤酒。2.膜分离技术在水处理中的应用2.1在饮用水制取中的应用近年来，膜分离技术在饮用水制取方面得到了广泛应用，而且处理规模也越来越大。仅应用超滤工艺的水厂中净化规模每天在 20104m3以上的已有数座，超滤水厂的总处理量已超过每天 800104m3 。还有许多厂家利用微滤工艺进行处理，可见，膜处理法已经成为饮用水制取最常见的方法。微滤可以有效去除小颗粒有机物和悬浮固体，但天然和人工合成的有机物仅用微滤的方法是不能去除的，需要与其他方法相结合，微滤结合混凝、吸附预饮用水越来越引起人们的关注，赵鹏等人用两个 PAC结合微滤技术处理河水，在两个反应器中维持很高的出水通量达到 167L/m2h，实验证明不同粒径的 PAC，在高通量下都对有机物有很好的去除率。韩国的 Jeong-ikOh等人研究微滤结合在线快速搅拌器加混凝剂生产饮用水，当加入混凝剂为1.1 mg/L时，膜阻力最小，电势接近于零，此时具有很好的处理效果。2.2 在废水处理中的应用随着工业化的发展，大量的工业废水和生活废水排入水体中，严重影响了水质。为了保护环境不受污染，并能回收一些有用物质，需对工业和生活污水进行处理，以达到排放标准要求。废水处理中常采用超滤和纳滤技术。据研究采用纳滤技术处理城市污水，可有限地降低水的浊度、色度及有机物；经超滤处理后的出水可用于循环冷却水、造纸用水等对水质要求不高的工业用水水源，这大大地提高了水的利用率。3.膜分离技术在生物技术中的应用11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。但膜技术用于生物技术也有一些问题，其中最主要的是：与色谱法比较，分离精度不高。同时多组分分离做不到；膜上容易形成附着层, 使膜的通量显著下降；操作结束后，膜清洗困难；膜的耐用性差。这几点是影响膜技术在生物工程领域应用的最主要的原因。因此，如何改进和解决上述问题就成为膜分离技术在该领域应用的主要研究方向。4.在医药工业和医疗设备中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。膜分离技术在中草药中的应用分离纯化中的应用中草药所含化学成分极其复杂，通常含有苷类、黄酮、生物碱等有效成分，同时还含有蛋白质、胶体、淀粉、无机盐等无效成分，这些无效成分的存在，会降低有效分的浓度,影响其中药的品质和功效，同时也给中药的分离带来复杂性， 因此有必要对中草药的有效部位和有效成分进行分离纯化。研究表明，不同组分间的性能和分子量相差很大，一般有效成分的分子量大多数在 200- 1000，无效成分的分子量在 50000 以上,一些无机盐类的分子量则不足 100。膜分离技术是利用膜孔径大小特征在常温下对溶质和溶剂进行分离达到纯化目的,研究表明膜分离技术在中草药分离纯化中的应用主要有三大功能，即截留大分子杂质、滤除小分子物质和脱水浓缩。五、膜分离技术的前景目前膜分离技术在许多方面得到广泛应用，而且在某些方面应用得还比较成熟。在对产品质量要求不断提高、生产成本要求不断降低的今天，膜技术的优势越来越明显， 其必将取代传统的低效分离技术。但我们也应该清醒的认识到， 膜分离技术的大量应用毕竟是近几十年开始的，许多方面还不成熟，还有待进一步深入的研究，而我认为主要面临三个方面的主要问题，即选择性问题、通量稳定性问题和产值问题。选择性问题应集中于膜材料的研究，继续开发功能高分子膜材料和无机膜材料。对仿生膜、高效电解质膜、分子识别型膜的研究需要达到智能化、高效化和专一化目标。膜通量的稳定性和产值比问题应集中于渗透时的防污染和膜过程强化的研究上。无论采用那种类型的膜，都存在膜孔被堵塞、膜表面形成黏性附层等膜污染问题，这极大的影响了通量的稳定性和产值比。