膜分離技術(shù)應(yīng)用綜述

1、 JINGCHU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY食品科學(xué)概論課程論文論文題目：膜分離技術(shù)應(yīng)用綜述 學(xué) 院 ：生物工程學(xué)院 專 業(yè) ：食品科學(xué)與工程 年級(jí)班別 ：09級(jí)一班學(xué) 號(hào) ：22 學(xué)生 ：齊瑩 學(xué)生 ：963894228qq. 指導(dǎo)教師 ：清禪 2011年 5 月 24 日膜分離技術(shù)應(yīng)用綜述齊瑩 22摘要綜述膜分離技術(shù)的特點(diǎn)、種類及分離機(jī)理，介紹國(guó)外膜分離技術(shù)的研究進(jìn)展及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，同時(shí)指出該技術(shù)存在的問(wèn)題，提出選用更佳的膜材料以及多種膜分離技術(shù)聯(lián)用是其今后的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞 膜分離技術(shù) 微濾 超濾 食品工業(yè)膜分離是在20世紀(jì)初出現(xiàn)，上世紀(jì)60年代后迅速崛起

2、的一門分離新技術(shù)。膜分離技術(shù)由于兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節(jié)能、環(huán)保、分子級(jí)過(guò)濾及過(guò)濾過(guò)程簡(jiǎn)單、易于控制等特征，因此，目前已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、生物、環(huán)保、化工、冶金、能源、石油、水處理、電子、仿生等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，已成為當(dāng)今分離科學(xué)中最重要的手段之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，膜銷售每年以14%30%的速度增長(zhǎng)，而最大的市場(chǎng)為生物醫(yī)藥市場(chǎng)1 。1膜分離的簡(jiǎn)介1. 1 膜的定義膜是一種起分子級(jí)分離過(guò)濾作用的介質(zhì),當(dāng)溶液或混和氣體與膜接觸時(shí),在壓力下,或電場(chǎng)作用下,或溫差作用下,某些物質(zhì)可以透過(guò)膜,而另些物質(zhì)則被選擇性的攔截,從而使溶液中不同組分,或混和氣體的不同組分被分

3、離,這種分離是分子級(jí)的分離。1. 2 膜的種類分離膜包括:反滲透膜(0. 00010. 005m) ,納濾膜(0. 001 0. 005m) 超濾膜(0. 001 0. 1m) 微濾膜(0. 11m) 、電滲析膜、滲透氣化膜、液體膜、氣體分離膜、電極膜等。他們對(duì)應(yīng)不同的分離機(jī)理,不同的設(shè)備,有不同的應(yīng)用對(duì)象。膜本身可以由聚合物,或無(wú)機(jī)材料,或液體制成,其結(jié)構(gòu)可以是均質(zhì)或非均質(zhì)的,多孔或無(wú)孔的,固體的或液體的,荷電的或中性的。膜的厚度可以薄至100m ,厚至幾毫米。不同的膜具有不同的微觀結(jié)構(gòu)和功能,需要用不同的方法制備。制膜方法一直是膜領(lǐng)域的核心研究課題,也是各公司嚴(yán)格的核心技術(shù)。1. 3 膜分

4、離技術(shù)的定義把上述的膜制成適合工業(yè)使用的構(gòu)型,與驅(qū)動(dòng)設(shè)備(壓力泵、或電場(chǎng)、或加熱器、或真空泵) 、閥門、儀表和管道聯(lián)成設(shè)備。在一定的工藝條件下操作,就可以來(lái)分離水溶液或混和氣體。透過(guò)膜的組分被稱為透過(guò)流分。這種分離技術(shù)被稱為膜分離技術(shù)。1.4 原理膜分離技術(shù)是一種使用半透膜的分離方法，在常溫下以膜兩側(cè)壓力差或電位差為動(dòng)力，對(duì)溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離、濃縮、純化。膜分離技術(shù)主要是采用天然或人工合成高分子薄膜，以外界能量或化學(xué)位差為推動(dòng)力，對(duì)雙組分或多組分流質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離、分級(jí)、提純和富集操作?，F(xiàn)已應(yīng)用的有反滲透、納濾、超過(guò)濾、微孔過(guò)濾、透析電滲析、氣體分離、滲透蒸發(fā)、控制釋放、液膜、膜蒸餾膜反應(yīng)器等

5、技術(shù)，其中在食品、藥學(xué)工業(yè)中常用的有微濾、超濾和反滲透3 種。1.5膜分離技術(shù)的特點(diǎn)：膜分離技術(shù)具有如下特點(diǎn)2 ：1）膜分離過(guò)程不發(fā)生相變化，因此膜分離技術(shù)是一種節(jié)能技術(shù)；2）膜分離過(guò)程是在壓力驅(qū)動(dòng)下，在常溫下進(jìn)行分離，特別適合于對(duì)熱敏感物質(zhì)，如酶、果汁、某些藥品的分離、濃縮、精制等。3)膜分離技術(shù)適用分離的圍極廣，從微粒級(jí)到微生物菌體，甚至離子級(jí)都有其用武之地，關(guān)鍵在于選擇不同的膜類型；4）膜分離技術(shù)以壓力差作為驅(qū)動(dòng)力，因此采用裝置簡(jiǎn)單，操作方便。1.6 分類超濾的截留相對(duì)分子質(zhì)量在1000-100000之間，選擇某一截留相對(duì)分子質(zhì)量的膜可以將雜質(zhì)與目標(biāo)產(chǎn)物分離。超濾技術(shù)在生化產(chǎn)品分離中應(yīng)用

6、最早、最為成熟，已廣泛應(yīng)用于各種生物制品的分離、濃縮。納濾膜具有納米級(jí)孔徑，截留相對(duì)分子質(zhì)量為200-1000， 能使溶劑、有機(jī)小分子和無(wú)機(jī)鹽通過(guò)。納濾可以采用兩種方式提取抗生素，一是用溶劑萃取抗生素后，萃取液用納濾濃縮，可改善操作環(huán)境；二是對(duì)未經(jīng)萃取的抗生素發(fā)酵液進(jìn)行納濾濃縮，除去水和無(wú)機(jī)鹽，再用萃取劑萃取，可減少萃取劑用量。微濾是發(fā)展最早、制備技術(shù)最成熟的膜形式之一，孔徑在0.05-10m 之間，可以將細(xì)菌、微粒、亞微粒、膠團(tuán)等不溶物除去，濾液純凈，國(guó)際上通稱為絕對(duì)過(guò)濾。由于微濾孔徑相對(duì)較大，單位膜面積透水率高，而且制備成本最低，使用圍非常廣，其銷售額居于各類膜的首位。2 膜分離技術(shù)的應(yīng)用

7、現(xiàn)狀及研究進(jìn)展膜是一種具有特殊選擇性分離功能的無(wú)機(jī)或高分子材料，它能把流體分隔成不相通的兩個(gè)部分，使其中的一種或幾種物質(zhì)能透過(guò)，面將其它物質(zhì)分離出來(lái)。膜技術(shù)是環(huán)境保護(hù)和環(huán)境治理的首選產(chǎn)業(yè)技術(shù)。在食品工業(yè)中也正在發(fā)揮著重要的作用。目前，德國(guó)、英國(guó)已用膜技術(shù)治理了萊茵河和泰晤士河，我國(guó)市也提出了一批應(yīng)用膜技術(shù)的環(huán)保示工程，并取得了良好的效果，為我國(guó)運(yùn)用膜技術(shù)進(jìn)行污染治理作了有益的嘗試。同時(shí)，膜技術(shù)在日常生活中也日益顯示出它的重要作用和光明前景。2.1生化產(chǎn)品制備我國(guó)維生素C、酶制劑已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。維生素C 發(fā)酵液中的蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量一般為10000-100000，可以選擇一定截留相對(duì)分子質(zhì)量

8、的超濾膜除去蛋白質(zhì)等大分子雜質(zhì)。春艷等3 選用超濾膜系統(tǒng)及截留相對(duì)分子質(zhì)量為30000 的膜處理維生素C的原始發(fā)酵液，濾液質(zhì)量好，通量高，并且簡(jiǎn)化了工藝，提高了收率。酶制劑相對(duì)分子質(zhì)量在10000-100000間，是高度催化活性的特殊蛋白質(zhì)，正好落在超濾的切割圍。丁鳳平4 用截留相對(duì)分子質(zhì)量5000和10000的超濾平面膜組件，直接從去除菌體的發(fā)酵液中濃縮回收，在濃縮率20倍以下，取得98.3% 的高回收率，具有應(yīng)用價(jià)值。超濾在血漿蛋白的分離、濃縮、脫醇以及除毒素5 等方面也有應(yīng)用。霆等6 用聚醚砜中空纖維超濾膜血漿器進(jìn)行血漿分離的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，膜式血漿分離器適用面寬，裝置簡(jiǎn)單，能耗小，

9、可常溫分離。目前現(xiàn)有膜材料的生物相容性均達(dá)不到臨床要求，若要在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用，首先應(yīng)發(fā)展研究分離好、相容性優(yōu)良的膜材料。在生化領(lǐng)域中，微濾主要作為預(yù)處理方法并與其他技術(shù)聯(lián)用國(guó)慶等7 采用微濾和絮凝、離心技術(shù)聯(lián)用，回收大豆乳清中的生物活性物質(zhì)，在蛋白質(zhì)損失率只有10% 的情況下可將懸浮固體全部除去，脂肪去除率達(dá)到90%。以上幾種膜材料在早期主要是醋酸纖維素，后來(lái)主要用聚砜。聚砜具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、較寬的PH值使用圍和良好的耐熱性能。目前還發(fā)展了多種性能優(yōu)良的高分子聚合膜。20世紀(jì)80年代，無(wú)機(jī)膜開(kāi)始應(yīng)用于生物分離，優(yōu)點(diǎn)是可以在苛刻條件下進(jìn)行精密過(guò)濾，機(jī)械強(qiáng)度高，化學(xué)性能穩(wěn)定，耐熱性好。目前開(kāi)發(fā)的商

10、品化無(wú)機(jī)膜主要有氧化鋁、氧化鈦和氧化鋯瓷膜，瓷膜在生物化工領(lǐng)域中的應(yīng)用研究是膜材料研究的熱點(diǎn)之一。今后膜材料的研究方向是發(fā)展抗污染性能好的共混改性膜、無(wú)機(jī)膜以及復(fù)合膜，開(kāi)發(fā)新型專用的醫(yī)用膜。2.2 微生物制藥隨著基因工程技術(shù)的不斷發(fā)展，由發(fā)酵法生產(chǎn)的微生物藥物的分離和純化正面臨著一系列新的問(wèn)題，如含量低、活性高、易失活、提取收率低等。膜分離技術(shù)作為一種新型的分離技術(shù)，在現(xiàn)代生物制藥分離工程中具有巨大的應(yīng)用潛力，得到了廣泛的發(fā)展，已經(jīng)用于酶、活性蛋白、氨基酸、維生素、甾體、疫苗等物質(zhì)的分離純化， 而膜分離技術(shù)在抗生素提煉中的應(yīng)用也是重點(diǎn)推廣的領(lǐng)域之一。多數(shù)抗生素的相對(duì)分子質(zhì)量在300-1200圍

11、，存在于細(xì)胞外，需從發(fā)酵液中提取。傳統(tǒng)提取方法主要有吸附法、溶劑萃取法、離子交換法和沉淀法，這些方法各有特點(diǎn)# 但工藝往往都十分繁雜， 所需時(shí)間長(zhǎng)、易變性失活、需消耗大量的原料、能耗高、回收率低、廢水污染嚴(yán)重且處理難度大。膜分離技術(shù)作為一門新型的分離、濃縮、提純及凈化技術(shù)具有節(jié)能、不破壞產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、少污染和操作簡(jiǎn)單，可在常溫下連續(xù)操作、可直接放大、可專一配膜等特點(diǎn)，且各種膜過(guò)程具有不同的分離機(jī)制，適于用不同對(duì)象和要求。由于其特別適用于熱敏性物質(zhì)的分離在食品加工、醫(yī)藥等領(lǐng)域有其實(shí)用性。用于微生物藥物分離和純化中的膜分離技術(shù)主要涉及微濾、超濾、納濾、液膜分離和反滲透等。十中等8 先用截留相對(duì)分子量為

12、50000的超濾膜處理土霉素結(jié)晶母液，除去母液中的懸浮物和大分子物質(zhì)。然后反滲透膜處理，這一步脫鹽率可達(dá)99% 。所得濃縮液，再經(jīng)截留相對(duì)分子質(zhì)量為10000的超濾膜，體積濃縮10 倍，最后調(diào)節(jié)PH值，從土霉素結(jié)晶母液回收土霉素，得到的土霉素純度為82.19% ，回收率為62% 。2.3 現(xiàn)代中藥提取制劑工藝用孔徑為0.2m的無(wú)機(jī)瓷膜對(duì)多種根及根莖類中藥提取液進(jìn)行微濾，證明無(wú)機(jī)瓷膜對(duì)中藥水提液具有較好的澄清除雜作用9 。用瓷微濾膜與醇沉法對(duì)照處理兩種水提液，除雜率及有效成分得率與醇沉法接近。用瓷微濾膜與大孔吸附樹(shù)脂聯(lián)用精制苦參水提液，其總黃酮吸附率與除雜率均優(yōu)于醇沉大孔樹(shù)脂法10。中藥注射劑應(yīng)

13、用膜分離技術(shù)除雜、除菌、除熱原，無(wú)需高溫或其他化學(xué)方法，在常溫下進(jìn)行，可以除去雜質(zhì)，保留有效成分，提高澄明度，達(dá)到藥典要求。2.4 飲用水處理11在飲用水處理中，膜分離是一種在某種推動(dòng)力作用下，利用特定膜的透過(guò)性能分離水中的離子、分子和雜質(zhì)的技術(shù)。膜分離性能按截留相對(duì)分子質(zhì)量大小評(píng)價(jià)。截留相對(duì)分子質(zhì)量是反映膜孔徑大小的替代參數(shù)，具有較小的截留相對(duì)分子質(zhì)量的膜可除去水中較小分子量的物質(zhì)。膜分離技術(shù)可解決傳統(tǒng)工藝難以解決的諸多問(wèn)題，如去除水中的微污染物、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單、基建費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，已被大規(guī)模用于處理飲用水。2.5 石化領(lǐng)域的應(yīng)用在氫氣的分離和回收，與傳統(tǒng)技術(shù)比較，氣體膜分離技術(shù)用于從煉廠氣中回

14、收氫氣，能耗低，經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特點(diǎn)。膜法天然氣脫濕有幾個(gè)特點(diǎn)：（1）它利用于然氣本身的壓力作為推動(dòng)力，幾乎沒(méi)有壓力損失， 因此，脫濕后的天然氣仍保持原來(lái)的壓力進(jìn)行輸送。（2）屬于“干法”脫濕，不需要額外加入溶劑或分子篩，不需再生，沒(méi)有二次污染。（3）工藝簡(jiǎn)單，組裝方便，操作容易，占地面積小。（4）操作彈性大，可通過(guò)調(diào)節(jié)膜面積和工藝參數(shù)來(lái)適應(yīng)處理量的波動(dòng)。2.6 其他方面在食品機(jī)械方面，用牛奶制干酪，分離后得到乳清，其中含不少可溶蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但也含大量的難消化的乳糖。用超濾法回收其中的蛋白質(zhì)，可使蛋白質(zhì)含量從3% 增加到50% 以上，甚至高達(dá)80%12 。此外，膜分離技術(shù)在無(wú)水乙醇生產(chǎn)

15、中也有應(yīng)用13。膜分離技術(shù)應(yīng)用廣泛，為提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，縮短處理時(shí)間，今后的研究趨勢(shì)將是分離技術(shù)的高效集成化。目前膜分離技術(shù)在各個(gè)方面的應(yīng)用研究很活躍，但膜的污染、堵塞，原料液的粘度高，使膜通量衰減嚴(yán)重，無(wú)法繼續(xù)分離，影響了膜分離在實(shí)際操作中迅速應(yīng)用發(fā)展。要實(shí)現(xiàn)生物制品提純的規(guī)模性應(yīng)用，還要取決于相關(guān)方面的發(fā)展，如膜污染機(jī)制研究，對(duì)性能優(yōu)良、抗污染膜材料的研究。將來(lái)多種類型的膜分離技術(shù)在生化產(chǎn)品應(yīng)用中協(xié)同發(fā)展，取長(zhǎng)補(bǔ)短，超濾、納濾、微濾技術(shù)聯(lián)用，實(shí)行多級(jí)分離是其發(fā)展趨勢(shì)。3 膜技術(shù)發(fā)展前景3.1 應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域和方向(1)現(xiàn)有城市污水處理廠的更新升級(jí)，特別是出水水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)或處理流量劇增

16、而占地面積無(wú)法擴(kuò)大的水廠。(2)無(wú)排水管網(wǎng)系統(tǒng)的小區(qū)，如居民點(diǎn)、旅游度假區(qū)、風(fēng)景區(qū)等。(3)有污水回用需求的地區(qū)或場(chǎng)所，如賓館、洗車業(yè)、客機(jī)、流動(dòng)廁所等充分發(fā)揮 膜技術(shù)占地面積小、設(shè)備緊湊、自動(dòng)控制、靈活方便的特點(diǎn)。(4)高濃度、有毒、難降解工業(yè)廢水處理。如造紙、制糖、酒精、皮革、合成脂肪酸等行業(yè)，是一種普遍的點(diǎn)源污染。 膜技術(shù)可以對(duì)這些常規(guī)處理工藝無(wú)法達(dá)的廢水進(jìn)行有效的處理，并實(shí)現(xiàn)回用。(5)垃圾填埋廠滲濾液的處理及回用。(6)小規(guī)模污水廠（站）的應(yīng)用。膜技術(shù)的特點(diǎn)十分適合處理小規(guī)模污水。3.2未來(lái)的研究重點(diǎn)如下(1)膜污染的機(jī)理及防治。(2) 工藝流程形式及運(yùn)行條件的優(yōu)化。(3) 污泥產(chǎn)率

17、與運(yùn)行條件的關(guān)系，以合理減少污泥產(chǎn)量，降低污泥處理費(fèi)用。(4) 生物反應(yīng)器微生物的代特性及其對(duì)出水水質(zhì)、污泥活性等的影響從而確定適宜的微生物生長(zhǎng)及代條件。(5)工藝經(jīng)濟(jì)性研究。在目前國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、膜產(chǎn)品供應(yīng)狀況和規(guī)設(shè)計(jì)要求的條件下， 膜技術(shù)用于污水處理的最大經(jīng)濟(jì)流量的確定。(6)以節(jié)能、處理特殊水質(zhì)對(duì)象、兼具脫氮除磷、操作維護(hù)簡(jiǎn)便、可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行等為目標(biāo)，開(kāi)發(fā)新型的膜生物反應(yīng)器。參考文獻(xiàn)：1王從厚，勇，吳鳴-新世紀(jì)膜分離技術(shù)市場(chǎng)展望J-膜科學(xué)與技術(shù)，2003.23（4）：54-602羅麗萍，高蔭榆，柏云-膜分離技術(shù)在食品工業(yè)上的應(yīng)用J-科學(xué)，2004.2（2）：146-1503春艷，方富林-超濾膜分離技術(shù)在維生素C生產(chǎn)中的應(yīng)用J-膜科學(xué)與技術(shù)，2001.21（6）：49-514丁鳳平-超濾技術(shù)在堿性果膠酶濃縮工藝中的應(yīng)用J-膜科學(xué)與技術(shù)，2001，21（6）：55-595 霆，余喜訊-聚醚砜中空纖維膜血漿分離器血漿分離功能與血液相容性J-生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志。2000.12（3）：249-2536俞三傳，小良-多糖納濾濃縮初步研究J-水處理技術(shù)。2000.17(3)：2