生物膜分离

生物膜分离技术

摘要：膜分离技术已逐渐成为现代分离工程中具有巨大应用潜力的技术。本文介绍了膜分离技术应用在食品工业、印染废水、油脂工业和中药等，及简单介绍了渗透汽化膜分离技术、气体分离膜技术、膜蒸馏技术在生产中的应用。同时，论述了膜分离技术应用的一些限制以及发展方向。

关键词：膜分离 渗透汽化膜分离技术 气体分离膜技术 膜蒸馏技术

现代生物技术是新兴高科技领域最重要的三大技术之一，是由基因工程、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[1]。生物技术产业将成为21世纪的主导产业之一。随着基因工程技术的不断发展，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。膜分离过程[2]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。

成功的生物制品的商业化生产需要经济而又高选择性的分离方法。处理过程视产品价格、生产规模而变化，而各种药物生产过程中所处理的对象很不相同，例如微粒大小、不纯洁度、所需终产品浓度也并不一样。为避免价格昂贵的色谱分离和热分离方法，选择新的分离固液混合物的分离系统的研究就显得十分重要

膜产业将是21世纪新型的高科技产业之一，其应用必将极大地推动相关行业的技术进步。在国际上明确指出“在21世纪的多数工业中，膜过程将扮演着战略的角色”。

在生物工程中，发酵液是含有生物体、可溶性大分子和电解质等的复杂混合物。膜分离技术由于具有设备易于放大、操作方便、常温无相变、无化学变化、处理效率高、省能、三废少等优点，从而使其能在生物产品分离、提纯和纯化过程中发挥重大作用。以下介绍了几种膜分离技术在生物分离中的应用和前景。一膜分离技术的特点[3]

传统抗生素提炼工艺；发酵液→过滤或离心或大孔树脂吸附、萃取→浓缩→脱色→干燥→产品。

采用膜分离技术工艺可简化为：发酵液→超滤→纳滤(或反渗透)→脱色→干燥→产品。

相对于传统工艺，膜分离具有以下优点：大大简化了工艺，一次性投资少，维护、操作简单，运行费用低，节省资源；运行无相变不破坏产品的结构，分离效率高，提高了产品的收率和质量；不需要溶剂或溶剂用量大大减少，因此废水也更易处理。

二分离原理[4]：

根据截留组分的不同，可以将膜过程分为微滤、超滤、纳滤、反渗透、渗透蒸发、渗析、电渗析、气体分离等。用于发酵液后处理的膜技术主要是超滤，其次是纳滤、微滤、反渗透以及液膜分离等。

（1）微滤膜是利用筛分原理，分离截留直径0.01-10um以上的粒子，如发酵液中的菌体、细胞、不溶物等。微溶主要应用于细胞收集。液固分离等方面，常作超滤的预处理过程；

（2）超滤膜属于非对称多孔膜，孔径在2-50nm，利用高分子薄膜选择渗透性，在常温下依靠一定的压差和流速，使小于膜孔径的低分子量物质透过膜而使高分子物质被截留。已开发具有不同分子截留的各种超滤膜(1000～100万分子

量 )，它可按分子大小选择膜孔径，处理发酵液可以截留病毒、蛋白质、酶、多糖等大分子物质，对目的产物进行纯化；

（3）反渗透的分离基本原理是溶解扩散学说，主要应用于小分子有机物的浓缩，只允许溶剂分子通过，盐、氨基酸等小分子被截留；

（4）纳滤膜平均孔径 2nm 左右，处理发酵液时截留组分可小到抗生素，合成药、染料、双糖等，允许水、无机盐、有机物等小分子物质通过，截留性能介于超滤和反渗透之间，对目的产物起浓缩作用，由于其操作压力低，对一、二价离子有不同选择性，对小分子有机物有较高的截留性等特点，加之膜表面具负电性，抗水垢污染，发展较快；

（5）液膜萃取是将膜展开成膜相，隔开另两个液相，利用液膜的选择透过性，实现物质分离。实质上是萃取与反萃取的结合。液膜法具有操作简便，分离和浓缩能同时进行等优点。但原料复杂、膜流动载体单一、膜溶胀、稳定性、破裂、堵塞等也是该技术尚未广泛应用的关键问题。液膜是一种均质膜，其中一种形式为乳状液膜，以表面活性剂稳定薄膜，传质速率快、分离效率高、选择性好、节能，近几年来在生物活性物质的分离提取方面受到广泛的重视。液膜萃取技术在抗生素提炼中的应用报道有青霉素、红霉素的提取。

三、膜分离技术

3.1 渗透汽化膜分离技术

渗透汽化技术是指被分离物通过膜时，在膜两侧组分的蒸汽分压差作用下，液体混合物部分汽化，从而达到分离目的的膜分离技术，是膜技术研究开发的重点[5]。在国外已工业应用于生物发酵制取无水乙醇中。由于醇水存在共沸，传统工艺需发酵后两级精馏分离，周期长，能耗大。渗透汽化法分离效率高，能耗小。国内近期也已有中试突破。

乳酸酯可从玉米发酵制造，是极好的溶剂，无毒，沸点高，不易挥发，特别是可以生物降解，被称为“绿色溶剂”。它可以取代世界上80％以上的卤代烃等有毒溶剂，市场极大。美国每年单卤代烃溶剂就有8万吨排放到空气中。乳酸酯还大量用于食品工业等。该工艺技术近期可达到部分产业化，将能够成功地代替目前世界上数以亿磅计的有毒石油基化学品。

3.2 气体分离膜技术

气体分离膜技术产业化应用是近十年的事。已工业应用于富氧、浓氮、脱酸性气等[6]。用膜法富氧，与深冷法或PSA法相比具有设备简单，操作方便、安全，不污染环境，成本低，投资少等优点。对生化反应来讲，用膜法富氧代替空气，气体处理费用低，环境污染少，反应速度快，处理量或产量高。如用28％的富氧空气代替空气用于生化反应，产量和收率均提高10％左右。虽然我国果蔬保鲜和运输技术已有所进步，但每年大量的果蔬在从田间进入市场的过程中仍有30％左右出现腐烂变质。而膜分离制氮的气调保鲜运输车的推广将有利于提高我国上市果蔬的新鲜度及新鲜水果的出口创汇，并可大大减少果蔬在储运过程中的损失与浪费。采用膜分离制氮技术制造气调冷藏保鲜车，解决了燃烧丙烷制氮和利用分子筛吸附的变压吸附制氮机体积庞大的难题，改变了常规的果蔬采收后进入冷库储存的繁琐方法，使果蔬在采摘后经预冷、灭菌防腐等预处理立即进入气调保鲜车直接送往市场。其车内恒温、恒湿的特定环境可使果蔬在运输过程中减缓新陈