膜分离技术在生物化工中的应用

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膜分离技术在生物化工中的应用

中南大学湖南化工职业技术学院刘军

[ 摘要 ] 通过对分离技术中的膜分离技术的原理, 类型及特点作简要的介绍, 说明了膜分离技术在生物化工技术实现产业化中的重要性, 并简要叙述了膜分离技术在生物化工中的应用. [ 关键词 ] 生物化工膜分离技术应用

膜分离技术被认为是 21 世纪最有前途, " 最有发展前景的重大高新技术之一, 它在工业技术改造中起着战略性作用" 世 . 界上许多国家包括我国在内, 都把膜分离技术及其应用列为国家重点发展项目. 膜分离技术对许多传统产业的发展起着关键作用. 甚至有人预言 "谁掌握了膜技术, 谁就掌握了化学工业的未来" . 目前, 膜产品的世界年销售额已经超过 100 亿美元, 而且年增长率在 20 % 左右. 膜分离技术作为一种新兴的高效分离技术, 现在已被广泛应用于化工, 环保, 电子, 轻工, 纺织, 石油, 食品, 医药, 生物技术, 能源工程等. 国外有关专家甚至把膜分离技术的发展称为 "第三次工业革命"下面就膜分离技术的原理, . 特点及在生物化工中的应用作简要的叙述. 1, 膜分离技术 1. 1 膜分离原理膜分离是指用半透膜作为分离介质, 借助于膜的选择渗透性作用, 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. 膜可以是固相, 液相或气相, 膜的结构可以是均质或非均质的, 膜可以是中性的或带电的, 但必须都具有选择性通过物质的特性. 具体的工作原理可分为两类: 一是根据混合物物质的质量, 体积, 大小和几何形态的不同, 用过筛的方法将其分离; 二是根据混合物的不同化学性质分离开物质. 1. 2 膜分离技术的类型目前己经深入研究和开发的膜分离技术有微滤, 超滤, 纳滤, 反渗透, 渗析, 电渗析, 渗透汽化和气体分离等. 正在开发研究中新的膜过程有: 膜蒸馏, 支撑液膜, 膜萃取, 膜生物反应器, 控制释放膜, 仿生膜, 生物膜, 无机膜, 膜电极, 膜分相, 膜控制释放, 双极膜以及LB 膜等过程. 1. 3 膜分离技术的特点膜分离技术作为一门新型的高效分离, 浓缩, 提纯及净化技术, 由于其多学科性特点, 膜技术可应用于大量的分离过程. 各种膜过程具有不同的机理, 适用于不同的对象和要求. 但有其共同的优点: 膜分离过程装置比较简单, 同时操作方便, 结构紧凑, 维修费用低且方便, 易于自动控制; 膜分离过程一般不涉及相变, 无二次污染且能耗较低; 膜分离过程可以在室温或低温下操作, 适宜热敏感物质 ( 酶, 药物) 的浓缩分离; 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; 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; 膜分离处理系统可以在密闭系统中循环进行, 因而可以防止外界的污染; 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. 当然, 膜分离过程也有自身的缺点, 如易浓差极化和膜污染, 膜寿命有限等, 而这些也正是需要我们克服或者需要解决的问题所在.

正由于膜分离技术具有上述优点, 是现代生物化工分离技术中一种效率较高的分离手段, 完全可以取代传统的过滤, 吸附, 蒸发, 冷凝等分离技术, 所以膜分离技术在生物化工分离工程中起着很大的作用. 2, 膜分离技术在生物化工中的应用 2. 1 在生物化工产品分离提纯中的应用传统的生物化工产品如氨基酸, 抗生素, 乳酸及低聚糖等的提取与精制, 通常采用离心, 沉淀, 吸附, 萃取, 离子交换和色谱等方法, 因此存在工艺过程复杂, 操作时间长, 原料消耗大, 能量消耗高, 产品回收率低, 废水污染严重等问题, 且产品在漫

长的提取过程中可能会发生变形失活; 而这些生物化工产品生产过程中的浓缩工序主要采用多效蒸发法, 因此造成投资大, 能耗高, 以及由于蒸发相变所造成的产品损失. 膜分离技术具有设备简单, 常温操作, 无相变及化学变化, 选择性高及能耗低等优点, 特别适用于热敏性生物化工产品的分离纯化. 膜分离技术在生物化工产品分离提纯中的应用主要用于以下几个方面: 2. 1. 1 氨基酸的分离和精制膜分离技术用于发酵液中氨基酸的分离和精制, 可以先用微滤或超滤将发酵液中的菌体截留并回收利用, 透过液经纳滤或反渗透浓缩后, 再通过等电点结晶获得高纯氨基酸产品, 这样不仅可提高氨基酸的质量和回收率, 而且可节约菌种培养费和分离能耗. 2. 1. 2 抗生素的浓缩与纯化抗生素的相对分子质量大都在 300 1200, 多采用发酵法生～产. 通常是从发酵液中通过澄清和溶剂萃取分离, 再对萃取液减压蒸馏得到抗生素. 但是溶剂用量大, 能量消耗高, 产品收率低, 还需进行溶剂回收和废水, 母液的排放处理. 膜分离技术可以克服上述缺点, 获得较大的经济效益. 纳滤可以从两个方面改进抗生素发酵滤液的浓缩与纯化工艺: 一是用亲水性纳滤膜浓缩未经溶媒抽提的抗生素发酵滤液, 水和无机盐透过膜被除去, 然后用萃取剂抽提出抗生素, 大幅度提高了生产能力, 并大大减少萃取剂的用量. 二是仍先用溶媒从发酵液中萃取出抗生素, 然后用耐溶剂疏水性纳滤膜浓缩萃取液, 透过膜的溶媒可循环给下一步萃取过程. 这样, 可节省溶媒蒸发设备的投资与蒸发所需的热能, 同时也改善了操作环境, 避免溶媒蒸汽对工人的危害. 反渗透从发酵液中分离乙醇, 丁醇和丙酮溶剂及浓缩抗生素, 氨基酸等. 除了纳滤浓缩外, 也可用反渗透浓缩抗生素. 2. 1. 3 果胶的生产利用膜的优良选择性可将溶液中的欲提取组分在与其他组分分离的同时有效地得到浓缩和纯化. 果胶是一种由半乳糖醛酸组成的高分子物质, 在食品工业上用作胶凝剂, 增稠剂等, 市场需求量很大. 目前果胶的生产工艺主要以柑橘皮等为原料, 利用稀酸进行提取, 提取液中含大量对胶凝度无贡献的有机酸, 皮油及酚, 色素. 其后续处理任务繁重, 成本较高, 且产品颜色偏深. 采用超

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滤膜装置对提取液进行处理, 初步浓缩除去大部分对胶凝度无贡献的杂质后, 再经电渗析 ( ED ) 脱去大部分盐酸和无机离子, 所得提取液可直接干燥获得高品质的果胶, 并且能够大幅降低生产成本. 2. 1. 4 酶制剂的提纯和浓缩利用超滤技木还可以实现酶制剂的提纯和浓缩, 利用聚醚砜 ( PES ) 为膜材科的超滤装置提纯溶菌酶 ( 截留分子量为 30000, 操作压力为0. 35M Pa, 温度为15 ℃) 超滤进行15m in 后进行清洗. 酶得率63% , 纯度98. 5% , 酶活14610 U m g 或16831 U m g, 而后将浓缩液直接进行冷冻干燥即可.以D 52 弱酸性离子交换树脂的N a+ 型和 H 十型树脂混合用于吸附过程, 然后用硫酸铵溶液洗脱, 即可得到较纯净的溶菌酶.每 100 克蛋清可得酶 0. 4 克, 酶活10000 U m g 左右. 2. 1. 5 酱油的加工传统的酱油澄清技术是采用巴氏消毒法, 板框过滤澄清产品. 产品有沉淀, 细菌数偏高, 生产强度大, 废弃物多, 易造成环境污染. 利用超滤膜技术对酱油澄清, 除菌, 脱色处理, 可大幅降低能耗, 提高产品品质. 2. 2 在除菌方面的应用传统的食品饮料杀菌方法为巴氏杀菌和高温瞬时杀菌, 操作繁琐, 残留细菌多, 高温易造成热敏物质失活和产品口味营养的破坏. 利用微滤技术, 孔径为纳米级的微滤膜足以阻止微生物通过, 并在分离的同时达到 "冷杀菌" 的效果. 在谷氨酸发酵液的除菌过程中, 王焕章等人采用微孔陶瓷膜过滤器过滤, 实现除菌, 洗菌, 浓缩连续操作, 除菌率高于 98 ～ 99% , 浓缩倍数达 25 倍, 膜平均通量为 80L m 2·h, 当加水量达到发酵液的