膜分离技术的应用及发展趋势.doc

膜分离技术的应用及发展趋势 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[1] 。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[2] ：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。 2 膜分离技术的应用现状及研究进展 2.1生化产品制备 我国维生素C、酶制剂已经实现工业化生产。维生素C 发酵液中的蛋白质相对分子质量一般为10000-100000，可以选择一定截留相对分子质量的超滤膜除去蛋白质等大分子杂质。李春艳等[3] 选用超滤膜系统及截留相对分子质量为30000 的膜处理维生素C的原始发酵液，滤液质量好，通量高，并且简化了工艺，提高了收率。酶制剂相对分子质量在10000-100000间，是高度催化活性的特殊蛋白质，正好落在超滤的切割范围内。丁凤平[4 ]用截留相对分子质量5000和10000的超滤平面膜组件，直接从去除菌体的发酵液中浓缩回收，在浓缩率20倍以下，取得98.3% 的高回收率，具有应用价值。超滤在血浆蛋白的分离、浓缩、脱醇以及除内毒素[5] 等方面也有应用。刘霆等[6] 用聚醚砜中空纤维超滤膜血浆器进行血浆分离的动物实验，结果表明，膜式血浆分离器适用面宽，装置简单，能耗小，可常温分离。目前现有膜材料的生物相容性均达不到临床要求，若要在医学上应用，首先应发展研究分离好、相容性优良的膜材料。 在生化领域中，微滤主要作为预处理方法并与其他技术联用刘国庆等[7] 采用微滤和絮凝、离心技术联用，回收大豆乳清中的生物活性物质，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