膜分离技术应用综述

《食品科学概论》课程论文论文题目：膜分离技术应用综述学院：生物工程学院专业：食品科学与工程年级班别：09级一班学号：2009407010122学生姓名：齐莹学生邮箱：[e-mail]指导教师：陈清禅2011年5月24日JINGCHUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY膜分离技术应用综述齐莹2009407010122摘要综述膜分离技术的特点、种类及分离机理，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食品工业膜分离是在20世纪初出现，上世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。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]。1膜分离的简介1.1膜的定义膜是一种起分子级分离过滤作用的介质,当溶液或混和气体与膜接触时,在压力下,或电场作用下,或温差作用下,某些物质可以透过膜,而另些物质则被选择性的拦截,从而使溶液中不同组分,或混和气体的不同组分被分离,这种分离是分子级的分离。1.2膜的种类分离膜包括:反渗透膜(0.0001～0.005μm),纳滤膜(0.001～0.005μm)超滤膜(0.001～0.1μm)微滤膜(0.1～1μm)、电渗析膜、渗透气化膜、液体膜、气体分离膜、电极膜等。他们对应不同的分离机理,不同的设备,有不同的应用对象。膜本身可以由聚合物,或无机材料,或液体制成,其结构可以是均质或非均质的,多孔或无孔的,固体的或液体的,荷电的或中性的。膜的厚度可以薄至100μm,厚至几毫米。不同的膜具有不同的微观结构和功能,需要用不同的方法制备。制膜方法一直是膜领域的核心研究课题,也是各公司严格保密的核心技术。1.3膜分离技术的定义把上述的膜制成适合工业使用的构型,与驱动设备(压力泵、或电场、或加热器、或真空泵)、阀门、仪表和管道联成设备。在一定的工艺条件下操作,就可以来分离水溶液或混和气体。透过膜的组分被称为透过流分。这种分离技术被称为膜分离技术。1.4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。1.5膜分离技术的特点：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。1.6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膜是一种具有特殊选择性分离功能的无机或高分子材料，它能把流体分隔成不相通的两个部分，使其中的一种或几种物质能透过，面将其它物质分离出来。膜技术是环境保护和环境治理的首选产业技术。在食品工业中也正在发挥着重要的作用。目前，德国、英国已用膜技术治理了莱茵河和泰晤士河，我国厦门市也提出了一批应用膜技术的环保示范工程，并取得了良好的效果，为我国运用膜技术进行污染治理作了有益的尝试。同时，膜技术在日常生活中也日益显示出它的重要作用和光明前景。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[9]。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[10]。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[11]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%[12]。此外，膜分离技术在无水乙醇生产中也有应用[13]。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。3膜技术发展前景3.1应用的重点领域和方向(1)现有城市污水处理厂的更新升级，特别是出水水质难以达标或处理流量剧增而占地面积无法扩大的水厂。(2)无排水管网系统的小区，如居民点、旅游度假区、风景区等。(3)有污水回用需求的地区或场所，如宾馆、洗车业、客机、流动厕所等充分发挥膜技术占地面积小、设备紧凑、自动控制、灵活方便的特点。(4)高浓度、有毒、难降解工业废水处理。如造纸、制糖、酒精、皮革、合成脂肪酸等行业，是一种普遍的点源污染。膜技术可以对这些常规处理工艺无法达的废水进行有效的处理，并实现回用。(5)垃圾填埋厂渗滤液的处理及回用。(6)小规模污水厂（站）的应用。膜技术的特点十分适合处理小规模污水。3.2未来的研究重点如下(1)膜污染的机理及防治。(2)工艺流程形式及运行条件的优化。(3)污泥产率与运行条件的关系，以合理减少污泥产量，降低污泥处理费用。(4)生物反应器内微生物的代谢特性及其对出水水质、污泥活性等的影响从而确定适宜的微生物生长及代谢条件。(5)工艺经济性研究。在目前国内经济发展水平、膜产品供应状况和规范设计要求的条件下，膜技术用于污水处理的最大经济流量的确定。(6)以节能、处理特殊水质对象、兼具脱氮除磷、操作维护简便、可以长期稳定运行等为目标，开发新型的膜生物反应器。