多組分氣體膜分離性能評價裝置膜分離技術(shù)
1.生物化工過程中常用的分離方法如蒸餾、萃取、過濾、結(jié)晶、吸附和干燥等屬于傳統(tǒng)的單元操作過程，而另一些則為新近發(fā)展的分離技術(shù)，如細(xì)胞膜破碎技術(shù)(包括球磨破碎和化學(xué)破碎等)、膜分離、色層分離等。
作者在此著重介紹膜分離技術(shù)。
2膜分離技術(shù)概述
膜分離技術(shù)被認(rèn)為是2O世紀(jì)末至21世紀(jì)中期有發(fā)展前途，甚至?xí)?dǎo)致一次工業(yè)革命的高新技術(shù)之一，成為當(dāng)今世界各國研究熱點(diǎn)。膜分離作為一種新發(fā)展的高新分離技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，廣泛應(yīng)用于化工、食品、水加下工業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)、生物技術(shù)、能源工程等領(lǐng)域，并發(fā)揮了巨大的作用‘。
我國對膜分離技術(shù)的研究是從2O世紀(jì)6O年代對離子交換膜的研究開始的。從6O年代的反滲透技術(shù)到90年代的滲透汽化技術(shù)，我國的膜分離技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。經(jīng)過幾十年的努力，目前我國的膜分離技術(shù)研究開發(fā)方面已成功地研制出一批具有實(shí)用價值、接近或達(dá)到先進(jìn)水平的成果，如無機(jī)膜反應(yīng)分離技術(shù)等。
3膜分離技術(shù)的原理及優(yōu)點(diǎn)
膜分離是指用半透膜作為障礙層，借助于膜的選擇滲透作用，在能量、濃度或化學(xué)位差的作用下對混合物中的不同組分進(jìn)行分離提純。由于半透膜中濾膜孔徑大小不同，可以允許某些組分透過膜層，而其它組分被保留在混合物中，以達(dá)到一定的分離效果。利用膜分離技術(shù)來進(jìn)行分離具有如下優(yōu)點(diǎn)：膜分離過程裝置比較簡單，同時操作方便、結(jié)構(gòu)緊湊、維修費(fèi)用低且方便、易于自動控制；膜分離過程一般不涉及相變，無二次污染且能耗較低；膜分離過程可以在室溫或低溫下操作，適宜熱敏感物質(zhì)(酶、藥物)的濃縮分離；膜分離過程具有相當(dāng)大的選擇性，適用對象廣泛，可以分離肉眼看得見的顆粒，也可以分離離子和氣體；該過程可以在室溫下連續(xù)操作，設(shè)備易于放大，可以專一配膜，選擇合適的膜，從而得到較高的回收率；膜分離處理系統(tǒng)可以在密閉系統(tǒng)中循環(huán)進(jìn)行，因而可以防止外界的污染；在過程中不用添加任何外來的化學(xué)物質(zhì)，透過液可以循環(huán)使用，從而降低了成本，并可以減少環(huán)境污染。
正由于膜分離技術(shù)具有上述優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代生物化工分離技術(shù)中一種效率較高的分離手段，*可以取代傳統(tǒng)的過濾、吸附、蒸發(fā)、冷凝等分離技術(shù)，所以膜分離技術(shù)在生物化工分離工程中起著很大的作用。
4幾種主要的膜分離技術(shù)
在生物化工過程中常用的膜分離技術(shù)有微濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)、納濾(NF)、電滲析(ED)、液膜(LM)等。
4．1微濾
微濾是以多孔細(xì)小的薄膜作為過濾的介質(zhì)，以篩分原理為根據(jù)的薄膜過濾。在壓力作為推動力的作用下，溶劑、水、鹽類及大分子物質(zhì)均能透過薄膜，而微細(xì)顆粒和超大分子等顆粒直徑大于膜孔徑的物質(zhì)均被滯留下來，以達(dá)到分離的目的，進(jìn)一步使溶液凈化。微濾是目前膜分離技術(shù)中應(yīng)用廣且經(jīng)濟(jì)價值大的技術(shù)，主要應(yīng)用于生物化工中的制藥行業(yè)。
4．2超濾
超濾是根據(jù)篩分原理，以一定的壓力差為推動力，從溶液中分離出溶劑的操作。同微濾過程相比，超濾過程受膜表面孔的化學(xué)性質(zhì)影響較大，在一定的壓力差下溶劑或小分子量的物質(zhì)可以透過膜孔，而大分子物質(zhì)及微細(xì)顆粒卻被截留，以達(dá)到分離目的。超濾膜通常為不對稱膜，膜孔徑的大小和膜表面的性質(zhì)分別起著不同的截留作用。超濾主要應(yīng)用于濃縮大分子溶液的凈化等．在生物化工過程中應(yīng)用廣。反滲透過程主要是根據(jù)溶液的溶解、擴(kuò)散原理，以壓力差為推動力的膜分離過程。它與自然的滲透過程剛好相反。滲透和反滲透均是通過半透膜來完成的。在濃溶液一側(cè)，當(dāng)施加壓力高于自然滲透壓力時，就會迫使溶液中溶劑反向透過膜層，流向稀溶液一側(cè)，從而達(dá)到分離提純的目的。反滲透過程主要應(yīng)用于低分子量組分的濃縮，如氨基酸濃縮(甘氨酸HGB 3075—79)、乙醇濃縮(GB 679-65)等。其滲透壓的大小與膜的種類無關(guān)，而與溶液的性質(zhì)有關(guān)。
4．4納濾
納濾也是根據(jù)吸附、擴(kuò)散原理，以壓力差為推動力的膜分離過程。它除了有本身的工作原理外，還具有反滲透和超濾的工作原理。納濾又可以稱為低壓反滲透，是一種新型的膜分離技術(shù)，這種膜過程，拓寬了液相膜分離的應(yīng)用，分離性能介于超濾和反滲透之間，其截斷分子量約為200～2000。納米膜屬于復(fù)合膜，允許一些無機(jī)鹽和某些溶劑透過膜。納濾過程所需壓力比反滲透低得多，具有節(jié)約動力的優(yōu)點(diǎn)。它能截斷易透過超濾膜的那部分溶質(zhì)，同時又可能被反滲透膜所截斷的溶質(zhì)透過，其*功能是反滲透和超濾無法取代的。納濾膜具有良好的熱穩(wěn)定性、pH穩(wěn)定性和對有機(jī)溶劑的穩(wěn)定性，因此現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域，尤其是醫(yī)藥、生物化工行業(yè)的分離提純過程。納濾膜是現(xiàn)今先進(jìn)的膜分離技術(shù)。微濾、超濾、反滲透、納濾4種分離技術(shù)沒有太明顯的分界線，均是以壓力作為推動力，被截斷的溶質(zhì)的直徑大小在某些范圍內(nèi)相互重疊。
4．5電滲析
電滲析是以電位差為推動力，在直流電作用下利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來，從而實(shí)現(xiàn)溶液的淡化、精制或純化目的。
4．6液膜
液膜是懸浮在液體中的一層乳液微粒，形成液相膜。依據(jù)溶解、擴(kuò)散原理，通過這層液相膜可以將兩個組成不同而又互溶的溶液分開，并通過滲透的現(xiàn)象起到分離、提純的效果，它克服了固體膜存在的選擇性低和通量小的特點(diǎn)。液膜一般由溶劑、表面活性劑和添加劑構(gòu)成。按其構(gòu)型和操作方式分為乳化液膜(Liq—uid surfactant membranes)和支撐液膜(Supportediquid m embranes)。
5膜分離技術(shù)在生物化工應(yīng)用中存在的問題
膜分離技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，是一種較理想的分離手段，但在應(yīng)用中還存在一定的問題。在操作過程中，膜面易受污染，形成附著層，使膜的性能降低，降低膜的透水率，形成濃差極化現(xiàn)象。為了減少濃差極化，常采用錯流流程，即過濾液主體水平流過膜面，而過濾液是垂直通過膜面。此外，在膜分離技術(shù)中容易遇到膜污染問題，即膜的透水量隨運(yùn)行時間延長而下降。因此需采用一定的方法對膜面或膜內(nèi)的污染物進(jìn)行清洗，以使透水量得到提高。常甩清洗方法是高流速水清洗和用化學(xué)清洗劑對膜進(jìn)行清洗。膜分離雖然原理簡單，在生物化工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但由于生物化工產(chǎn)品種類繁多、性質(zhì)各異，對膜分離會產(chǎn)生不同的影響，如吸附會使膜孔堵塞等，所以要想很好地利用膜分離技術(shù)，必須針對具體過程研究開發(fā)各種防止膜性能降低的裝置并探討有效的操作方法。
6膜分離技術(shù)在生物化工中的應(yīng)用進(jìn)展
由于膜分離技術(shù)具有防止熱敏性物質(zhì)失活、效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以在生物化工中應(yīng)用極為廣泛。可以采用超濾或反滲透除去醫(yī)藥用水中的熱源。在氨基酸生產(chǎn)工藝中，使用超濾法可以除菌或去熱源。也可以采用超濾技術(shù)將粗酶液進(jìn)行處理，使低分子和鹽類與水一起從膜孔滲除，從而濃縮和精制酶。另外膜分離技術(shù)還可以應(yīng)用于低分子量發(fā)酵產(chǎn)品的分離與濃縮，還可以利用膜制作不同類型的膜反應(yīng)器等。膜分離技術(shù)具有分離效率高、節(jié)能、設(shè)備簡單、適合生物產(chǎn)品處理等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注，在分離方面提供了許多可行之處，帶來了方便。隨著研究的不斷深入，其應(yīng)用范圍將會越來越廣泛。在膜分離技術(shù)應(yīng)用方面主要的障礙就是膜分離性能的降低。如果能將該問題解決，則膜分離技術(shù)將在生物化工領(lǐng)域中起到更大的作用，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮更大的作用，在人類社會的發(fā)展*起到不可代替的作用。
