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生物化工中有哪些膜分离技术
浏览次数:50发布时间:2019-05-14 17:06:39 文章来源:
  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”。
  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。
  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、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。
  膜分离技术在生物化工中的应用
  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:
  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。
  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。
  纳滤膜分离技术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。
  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、酚、皮油及色素。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。
  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。与色谱法比较,分离精度不高,同时多组分分离做不到;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。膜分离技术虽然原理简单,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。