膜分离技术研究现状与应用前景

膜分离技术研究与应用前景

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。

1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：a.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；b.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；c.适宜热敏感物质(酶、药物)的浓缩分离；d.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；e.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；f.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。

2膜分离技术在生物化工应用中存在的问题

在操作过程中,膜面易受污染,形成附着层,使膜的性能降低,降低膜的透水率,形成浓差极化现象。为了减少浓差极化,常采用错流流程,即过滤液主体水平流过膜面,而过滤液是垂直通过膜面。此外,在膜分离技术中容易遇到膜污染问题,即膜的透水量随运行时间延长而下降。因此需采用一定的方法对膜面或膜内的污染物进行清洗,以使透水量得到提高。常用

的清洗方法是高流速水清洗和用化学清洗剂对膜进行清洗。膜分离虽然原理简单,在生物化工领域广泛应用,但由于生物化工产品种类繁多、性质各异,对膜分离会产生不同的影响,如吸附会使膜孔堵塞等,所以要想很好地利用膜分离技术,必须针对具体过程研究开发各种防止膜性能降低的装置并探讨有效的操作方法。

用膜分离技术处理炼油污水的过程中，在长时间的运行后，污水中被截留的颗粒、胶粒、乳浊液、悬浊液、大分子和盐等会在膜表面或膜孔内吸附、沉积，从而造成膜孔径变小甚至堵塞，即产生了膜污染。膜污染会使膜通量下降，影响分离效果。

目前，膜污染被认为是膜分离技术处理炼油污水过程中最重要的限制因素。大量研究表明，膜污染主要与膜材料和分离体系的性质有关。具体如下：

(1)一般来说，膜面光滑，膜孔分布窄的膜不易被污染。膜的表面性能，如亲水性、疏水性和荷电性也会影响膜的污染程度，通常认为亲水膜更耐污染。

(2)分离体系的性质，包括溶液的温度和pH等。温度升高，溶液的粘度降低，膜通量一般会增大，膜不易污染；溶液的pH则会影响待滤颗粒物的荷电性质，从而影响膜污染程度。在实际应用中解决膜污染的途径主要有：

(1)优化操作条件，如选择最适合的膜、操作温度、溶液性质等都可以在一定程度上消除膜污染。

(2)清洗则是处理膜污染的常规方法，清洗方法主要有空气反吹冲洗、水反冲洗、空曝气清洗、化学清洗及近年来研究较多的超声波清洗，清洗需定期进行，清洗频率可根据污染物浓度和处理的效果有所不同。

3膜分离技术在工业中的应用

3.1在植物油精炼中的应用

植物毛油主要组份为甘油三酯，此外，还含有少量磷脂、色素、游离脂肪酸、蜡质、甾醇、生育酚、烃类、蛋白质及其降解物等物质。为使植物油达到食用标准要求，一般通过化学或物理精炼方法去除这些物质。传统化学精炼需经脱胶、脱酸、脱色、脱蜡和脱臭等几道工序，存在能量消耗高，中性油损耗大，需大量水和化学试剂，排放物污染严重及营养成分损失较多等缺点。物理精炼优于化学精炼主要是提高产量，省略皂脚酸化分解工序，减少排放物量;但仍存在原料油脂预处理要求严格，对一些油脂仍不适用，精炼时需要高温、高真空，同时易产生聚合物和反式异构物(反式异构酸)等缺点。而膜分离技术在油脂精炼中应用能克服上述这些缺点，其优点是操作温度温和，避免油脂氧化，同时简化工艺、减低消耗和减少废水产生。

3.2膜分离技术在乳品工业中的应用

3.2.1除菌

应用微滤去除乳制品中细菌是近几年发展起来的技术。l987年，Piot等人首次将无机膜用于全脂牛奶的过滤除菌。现在，将巴氏杀菌和无机膜过滤相结合生产浓缩的巴氏杀菌牛奶的过程已实现工业化。此过程是通过半透膜的微孔对细菌及孢子的截留，来实现乳品除菌，具有冷杀菌优势。但由于脂肪球与乳中一般所含细菌大小相似，故脂肪球与细菌会一同被截留于保留液中，为此在整个工艺过程中于微滤之前应先分离脂肪，其目的是为了减少微孔过滤时的膜堵塞，以提高蛋白质的过滤速度，又可以获得良好的浓缩比，且不会因阻孔而形成严重的流速下降。

目前，Alfa—laval公司已将离心和MF/HTT工艺结合开发出一种称为“Bactocatch”的设备；北京三元食品股份有限公司依托国家“十五”重大科技成果与国内唯一的ESL乳生产示范线，首次将微滤技术用于牛乳的除菌，生产出ESL极致低温杀菌乳，使产品在比通常巴氏杀菌更低的温度下杀菌，就能使保质期延长至8天以上。

3.2.2浓缩

牛乳的浓缩

对牛乳进行浓缩，去除一部分水分，不仅可以减少包装、储藏和运输费用，提高其保藏性，也是作为干燥或更完全脱水所必需的预处理过程。在牛乳浓缩中应用的膜过程主要是超滤和反渗透。例如，用超滤法可除去牛乳中70％～80％的水；在脱脂乳的浓缩上，用反渗透法可去除60％以上的水分，而用超滤法则可得到蛋白质质量分数高达80％的脱脂浓缩乳。同样，用反渗透法可将原料乳浓缩到固形物质量分数达25％，再经真空蒸发，可进一步提高固形物的含量。

乳蛋白浓缩

乳蛋白浓缩物（MPC）具有优良的营养功能特性，其传统分离方法是利用蛋白质的等电点凝结、酸沉淀、热沉淀，或其它方法沉淀，但都会打乱乳蛋白的天然状态，因而影响其产品的功能特性和营养价值。由于超滤能截留原乳中几乎全部的蛋白质，且允许糖和灰分通过，所以超滤可以应用在乳蛋白的浓缩方面；由于超滤利用蛋白质与乳中其它成分不同的物理特性（分子量）分离，因此乳蛋白的原始状态不会被打乱和破坏，而且工艺参数可以有选择性地进行，尽量使其对蛋白质浓缩物所造成的损伤降至最小程度。

3.2.3乳蛋白质的标准化

标准化乳脂肪可以用离心机来进行，但蛋白质标准化在过去的技术条件下较为困难，目前可采用超滤和微滤来实现。牛乳中蛋白质含量通常为2.9％～3.6％，由于膜技术具备