膜分离技术在生物化工中的应用

魏涛

摘要：本文简要地阐述了膜分离技术的原理、类型和特点,阐述了膜分离技术在生物技术中的重要作用,并对其在生物化学领域的应用进行了简单的阐述。

关键词：膜分离技术、生物化工

膜分离技术是21世纪最具发展潜力和发展潜力的重要高新技术,对我国的产业技术革新具有重要的战略意义。世界上很多国家都将膜分离技术和它的应用作为重点发展的领域。膜分离技术在很多传统工业中扮演着重要角色。甚至有人预测,"谁能掌握薄膜技术,谁就能掌控化工的未来。"现在,全球膜制品年销售量已突破100亿美元,年均增长约20%。膜分离技术是一种新兴的分离技术，它广泛应用于化学、环境、电子、轻工、纺织、石油、食品、制药、生物科技、能源等行业。有些外国学者甚至将其称为“第三次工业革命”。本文简要地阐述了膜分离技术的原理、特点及在生物化学中的应用。

关键词:膜分离技术、生物化工

一、膜分离技术

1.1膜分离原则

膜分离法是以零点五透膜为媒介,利用薄膜的高选择性渗透性,并借助电压、高温以及化学位差等环境因子的影响,完成对各种成份的分离与提纯。因为在零点五透膜上的滤层的孔径大小不一,这样,就能够使部分成份在膜层内透过空气,而另一部分组份滞留膜层上,因而获得了一定的提纯作用。薄膜可能是固相、液相或气相,但抹子的组成是均匀的或不平衡的,膜则是中性的或带电的,且二者都可以有选择性的透过物质。其工作机理分二大类:一是根据混合物的性质、结构、等因素进行过滤；二是按其化学性质进行分解。

1.2膜分离技术

膜分离方法主要包括:微滤法、超滤法、纳滤法、反渗透法、热渗析法、电透析法、气相法等。目前,我们的主要研发范围涉及膜蒸馏机,支持液膜,膜萃取,膜生物反应器,控释薄膜,仿生学薄膜,生物膜,无机薄膜,双电极反应过程,膜分离,膜控释,双极膜,LB薄膜等。

1.3膜分离技术的特性

膜分离技术是一种高效分离、浓缩、提纯和纯化的新技术,它具有多学科的特性,可以在许多分离工艺中得到广泛的应用。不同的膜处理机制因其应用对象和需要而异。但也有其共同的优势:膜分离工艺设备相对简单,操作简便,结构紧凑,维护费用低,操作方便,易于自动控制;膜分离工艺通常不会发生相变,没有二次污染,而且能量消耗小;膜分离工艺可在常温和低温条件下进行,适合于对热敏性物质(酶和药物)进行集中和分离;膜分离工艺选择性强,应用范围广,能将肉眼可见的微粒和离子与气体分离;此工艺可在常温下进行,设备容易放大,并可对膜进行特定配膜,选用适当的膜,获得高回收率;膜分离处理系统能够在封闭的体系内进行循环,从而避免了外部环境的污染;该工艺无需加入任何化学成分,可循环利用,既节约了生产成本,又能减少对环境的污染。膜分离工艺存在着易浓差、膜污染、膜寿命短等问题,这也是亟待解决的问题。膜分离技术作为一种高效的分离技术,可以替代传统的过滤、吸附、蒸发、冷凝等分离技术,成为了生物化学分离工艺的重要组成部分。

1.4生物化学中膜分离技术的研究

用于分离和纯传统的生物产物,如氨基酸、抗生素的使用、生产乳酸、寡糖等,一般使用离心、沉降、吸收、提取、离子交换和色谱分析法等方法,但由于技术较复杂,运行周期长,原材料损耗大,能量多,生产回收率低,废物污染较重,经长时间应用后易变质、失活;但在生物化工制品的制备中,一般使用高效蒸馏技术,这样将增加大量的设备投入、能耗和蒸馏损失等。膜分离工艺的技术设备结构简单,操作简便,无物相影响,无物理化学突变,选择性较好,能耗低，尤其适合于分离和提纯高温化学品。膜分离技术是对生化产品进行分离、纯化的一种新工艺。

二、化生物化学制品

2.1氨基酸的提取与提纯

膜分离技术是一种将微生物从发酵液中分离出来的方法,它可以首先采用微过滤或超过滤的方法将其回收,然后在液体中经过纳滤法或反渗透法浓缩,然后用等电点法结晶得到高纯度的氨基酸产物。

2.2抗生素的提取和提纯

大部分细菌的分子量为300~1200，主要采用发酵法。通常采用澄清法和溶剂萃取法将其与发酵液分离，再通过减压蒸馏得到抗生素。但是，由于使用的溶剂多、能耗大、产品收率低，所以必须对溶剂进行回收，并对废水及母液进行处理。膜分离技术可以有效地解决上述问题，并可获得良好的经济效益。采用纳米过滤技术，改进了微生物发酵滤料的浓缩与提纯：第一，采用亲水性纳米滤膜对未经溶解的微生物进行过滤，并将其与无机盐进行膜分离，然后用萃取剂对其进行萃取，这样既能极大地提高产品的生产效率，又能大幅度减少萃取用量。二是利用溶媒将微生物从发酵液中分离，然后用耐溶剂疏水性的纳滤膜浓缩，然后利用溶媒回收。该方法不仅节省了溶媒蒸发器的投资，还能改善工作环境，防止了溶媒蒸汽对操作人员的危害。以乙醇、丁醇、丙酮、抗生素、氨基酸为主要原料，对其进行了分离。除纳滤浓缩外，还可用反渗透技术进行浓缩。

2.3果胶的研制

由于膜具有优良的选择性，能有效地将所提取的成分与其他成分进行浓缩、纯化。果胶是一种主要的高分子材料，主要应用在胶凝剂、增稠剂等领域。当前的果胶生产工艺主要是以橙皮等为原料，通过稀酸工艺精制，其中有机酸、酚类、皮油、色素等对胶凝性能无明显影响。后期加工工序繁重，生产成本高，成品颜色深。采用超滤装置对提取液进行预浓缩，将不会影响胶凝效果的杂质进行预浓缩，再通过 ED技术除去大部分的盐酸、无机离子，使提取液直接烘干，获得高质量的果胶，大大降低了生产成本。

2.4采用超滤技术

对酶进行提纯和浓缩，采用聚醚砜（PES）作为膜原料，在15℃下保持分子量30000，操作压力0.35 MPa,15℃）。酶活性为63%，纯度98.5%，酶活性为14610 U· m g,16831 U· m g。采用D52弱酸离子交换树脂吸附 N+、 H十型树脂，再以硫酸铵溶液进行洗脱，获得了高纯度的溶菌酶。每100克蛋白可得到0.4克的酶，10000 U m g的酶活性。

2.5在生物技术中的应用

膜分离技术在生物工程技术中也具有广泛的使用,尤其是通过超滤净化设备。如:从野生动植物组织中获得的一种酵素;把中国近代史的产物和红曲霉发酵液或反应用水分开。膜分离技术能够进行蛋白质的热水解以及转化糖浆的生产,从而能够保持产物的品质,增加生产的回收率,从而降低了生产成本。由于使用热隔墙板能够进行常温下的物理与生化分离,从而非常有利于分离对热敏感的生物物质。因此可以看出,膜分离法技术将更加多地作为生态技术手段。

三、结束语

膜分离技术因其诸多优势而成为一种较为理想的分离方法,但其实际应用仍存在一些问题。与色谱方法相比,该方法的分离准确度不高,而且不能实现多组分的分离;在使用中,由于薄膜表面容易受到污染,从而产生粘结层,从而导致薄膜的性能下降,从而导致薄膜的渗透率下降,从而产生浓差极化。为了减小浓差的偏振态,通常使用的是横向流过膜面的滤液,而滤液是纵向穿过膜面的。另外,在膜分离技术中,由于膜的渗透率随着操作时间的增加而降低,因此很容易出现膜污染问题。因此,为了改善膜表面或膜中的渗透率,需要采取一些措施来清除膜表面或膜中的污染物。常用的清洁方式有高流量的水和用化学清洁剂清洗薄膜。膜分离技术的原理很简单,在生物化学中得到了广泛的应用,但是由于其种类繁多、性质各异,对膜的分离效果也不尽相同,例如:吸附会造成膜孔堵塞等。

参考文献

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