生物化工及膜分离技术研究进展

动态与信息

专题报道

生物化工及膜分离技术研究进展

现代生物技术是新兴高技术领域中的重要技术之一,是21世纪高新技术的核心。它在生物学、分子生物学、细胞生物学和生物化学等基础上发展起来,是以重组DNA技术和细胞融合技术为基础,基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程四大先进技术所组成的新技术群。大力发展生物技术及其产业已成为世界各国经济发展的战略重点,目前最具代表性的应用领域是生物医药和农业。生物技术与化学工程相结合而形成的生物化工技术已成为生物技术的重要组成部分。生物化工技术为生物技术提供了多种高效率的反应器、新型分离介质、工艺控制技术和后处理技术,从而可以促进生物技术不断更新和提高;因而新兴的生物化工技术已经成为当今世界高技术竞争的重要焦点之一。生物化工产品的分离技术也被称为生物技术的下游加工术,是整个生物技术的重要组成部分,它的成功与否,是决定生物技术成果能否转变为具有实用价值和竞争力的产品的重要因素。生物化工产品的分离与化学物质的分离相比具有一定的特殊性,产品大多要求高纯度并具有一定的生物活性,因其易受化学、物理和生物等外界环境因素的破坏而发生变性,因而生化分离过程一般要求在快速、低温、洁净的条件下进行。总之,生物化工产品的分离技术具有一定特殊性。

1　生物化工分离过程的重要性及一般步骤生物化工分离过程是生物化学工程的重要组成部分,一般指的是从发酵液或酶反应液中分离生物产品,它是生物技术转化为生产力过程中不可或缺的重要环节。生物产品一般是从杂质含量远远高于产物的悬浮液中进行分离的,而且产品要求纯度较高,只有经过分离加工过程,才可以制得符合规定要求的产品,因此分离是生物化工工业化的必需手段。与此同时,进行生化分离过程十分困难,这是由于产物原料液的含量极低与产物的高纯度要求之间的差异造成的,而且分离的方法复杂,因此,开发新的分离工艺手段也是提高经济效益的手段。由于生物化工产品不同(如酶或代谢产物),所采用的分离方法也不同。但大多数生物化工分离过程常采用4个分离步骤:1)对发酵液或酶反应液预处理,进行固液分离。在这个步骤中过滤和离心是常用的基本单元操作。在过滤操作中有时为了减少过滤介质的阻力,采用了膜分离技术。但该过程对产物的含量改善作用很小。2)进一步分离。此步骤使产物的含量增加。常用的分离方法有吸附、萃取等,如合成ATP 时用颗粒活性炭作吸附剂。3)高度分离。在这个步骤中分离技术对产物具有一定的选择性,典型方法有层析、电泳等。4)精制,先进行结晶析出再干燥即可。合成ATP时,用离子交换树脂进行浓缩,最后用五氧化二磷干燥器进行减压干燥,可得ATP成品。生物化工过程中常用的分离方法如蒸馏、萃取、过滤、结晶、

元操作过程,而另一些则为新近发展的分离技术,如细胞膜破碎技术(包括球磨破碎和化学破碎等)、膜分离、色层分离等。在此着重介绍膜分离技术。

2　膜分离技术概述

膜分离技术被认为是20世纪末至21世纪中期最有发展前途,甚至会导致一次工业革命的高新技术之一,成为当今世界各国研究热点。膜分离作为一种新发展的高新分离技术,其应用领域不断扩大,广泛应用于化工、食品、水加工业、医药、环境保护、生物技术、能源工程等领域,并发挥了巨大的作用。我国对膜分离技术的研究是从20世纪60年代对离子交换膜的研究开始的。从60年代的反渗透技术到90年代的渗透汽化技术,我国的膜分离技术得到了迅速的发展。经过几十年的努力,目前我国在膜分离技术研究开发方面已成功地研制出一批具有实用价值、接近或达到国际先进水平的成果,如无机膜反应分离技术等。

3　膜分离技术的原理及优点

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。利用膜分离技术来进行分离具有如下优点:膜分离过程装置比较简单,同时操作方

032化　学　试　剂2008年3月

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。正是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。

4　几种主要的膜分离技术

在生物化工过程中常用的膜分离技术有微滤(MF)、超滤(UF)、反渗透(RO)、纳滤(NF)、电渗析(E D)、液膜(LM)等。

411　微滤

微滤是以多孔细小的薄膜作为过滤的介质,以筛分原理为根据的薄膜过滤。在压力作为推动力的作用下,溶剂、水、盐类及大分子物质均能透过薄膜,而微细颗粒和超大分子等颗粒直径大于膜孔径的物质均被滞留下来,以达到分离的目的,进一步使溶液净化。微滤是目前膜分离技术中应用最广且经济价值最大的技术,主要应用于生物化工中的制药行业。

412　超滤

超滤是根据筛分原理,以一定的压力差为推动力,从溶液中分离出溶剂的操作。同微滤过程相比,超滤过程受膜表面孔的化学性质影响较大,在一定的压力差下溶剂或小分子量的物质可以透过膜孔,而大分子物质及微细颗粒却被截留,以达到分离目的。超滤膜通常为不对称膜,膜孔径的大小和膜表面的性质分别起着不同的截留作用。超滤主要应用于浓缩大分子溶液的净化等,在生物化工过程中应用最广。

413　反渗透

反渗透过程主要是根据溶液的溶解、扩散原理,以压力差为推动力的膜分离过程。它与自然的渗透过程刚好相反。渗透和反渗透均是通过半透膜来完成的。在浓溶液一侧,当施加压力高于自然渗透压力时,就会迫使溶液中的溶剂反向透过膜层,流向稀溶液一侧,从而达到分离提纯的目的。反渗透过程主要应用于低分子量组分的浓缩,如氨基酸浓缩(甘氨酸HG B3075—79)、乙醇浓缩(G B679—65)等。其渗透压的大小与膜的种类无关,而与溶液的性质有关。

414　纳滤

纳滤也是根据吸附、扩散原理,以压力差为推动力的膜分离过程。它除了有本身的工作原理外,还具有反渗透和超滤的工作原理。纳滤又可以称为低压反渗透,是一种新型的膜分离技术,这种膜过程,拓宽了液相膜分离的应用,分离性能介于超滤和反渗透之间,其截断分子量约为200～2000。纳米膜属于复合膜,允许一些无机盐和某些溶剂透过膜。纳滤过程所需压力比反渗透低得多,具有节约动力的优点。它能截断易透过超滤膜的那部分溶质,同时又可能被反渗透膜所截断的溶质透过,其特有功能是反渗透和超滤无法取代的。纳滤膜具有良好的热稳定性、pH稳定性和对有机溶剂的稳定性,因此现已广泛应用于各个工业领域,尤其是医药、生物化工行业的分离提纯过程。纳滤膜是现今最先进的膜分离技术。微滤、超滤、反渗透、纳滤4种分离技术没有太明显的分界线,均是以压力作为推动力,被截断的溶质的直径大小在某些范围内相互重叠。

415　电渗析

电渗析是以电位差为推动力,在直流电作用下利用离子交换膜的选择透过性,把电解质从溶液中分离出来,从而实现溶液的淡化、精制或纯化目的。

416　液膜

液膜是悬浮在液体中的一层乳液微粒,形成液相膜。依据溶解、扩散原理,通过这层液相膜可以将两个组成不同而又互溶的溶液分开,并通过渗透的现象起到分离、提纯的效果,它克服了固体膜存在的选择性低和通量小的特点。液膜一般由溶剂、表面活性剂和添加剂构成。按其构型和操作方式分为乳化液膜和支撑液膜。

5　膜分离技术在生物化工应用中存在的问题膜分离技术具有许多优点,是一种较理想的分离手段,但在应用中还存在一定的问题。在操作过程中,膜面易受污染,形成附着层,使膜的性

132

第30卷第3期动态与信息