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多组分气体膜分离性能评价装置膜分离技术

2018.10.29

　　多组分气体膜分离性能评价装置膜分离技术

　　1.生物化工过程中常用的分离方法如蒸馏、萃取、过滤、结晶、吸附和干燥等属于传统的单元操作过程，而另一些则为新近发展的分离技术，如细胞膜破碎技术(包括球磨破碎和化学破碎等)、膜分离、色层分离等。

　　作者在此着重介绍膜分离技术。

　　2膜分离技术概述

　　膜分离技术被认为是2O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、水加下工业、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2O世纪6O年代对离子交换膜的研究开始的。从6O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，目前我国的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。

　　3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：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；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。

　　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。

　　4几种主要的膜分离技术

　　在生物化工过程中常用的膜分离技术有微滤(MF)、超滤(UF)、反渗透(RO)、纳滤(NF)、电渗析(ED)、液膜(LM)等。

　　4．1微滤

　　微滤是以多孔细小的薄膜作为过滤的介质，以筛分原理为根据的薄膜过滤。在压力作为推动力的作用下，溶剂、水、盐类及大分子物质均能透过薄膜，而微细颗粒和超大分子等颗粒直径大于膜孔径的物质均被滞留下来，以达到分离的目的，进一步使溶液净化。微滤是目前膜分离技术中应用最广且经济价值最大的技术，主要应用于生物化工中的制药行业。

　　4．2超滤

　　超滤是根据筛分原理，以一定的压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的操作。同微滤过程相比，超滤过程受膜表面孔的化学性质影响较大，在一定的压力差下溶剂或小分子量的物质可以透过膜孔，而大分子物质及微细颗粒却被截留，以达到分离目的。超滤膜通常为不对称膜，膜孔径的大小和膜表面的性质分别起着不同的截留作用。超滤主要应用于浓缩大分子溶液的净化等．在生物化工过程中应用最广。反渗透过程主要是根据溶液的溶解、扩散原理，以压力差为推动力的膜分离过程。它与自然的渗透过程刚好相反。渗透和反渗透均是通过半透膜来完成的。在浓溶液一侧，当施加压力高于自然渗透压力时，就会迫使溶液中溶剂反向透过膜层，流向稀溶液一侧，从而达到分离提纯的目的。反渗透过程主要应用于低分子量组分的浓缩，如氨基酸浓缩(甘氨酸HGB 3075—79)、乙醇浓缩(GB 679-65)等。其渗透压的大小与膜的种类无关，而与溶液的性质有关。

　　4．4纳滤

　　纳滤也是根据吸附、扩散原理，以压力差为推动力的膜分离过程。它除了有本身的工作原理外，还具有反渗透和超滤的工作原理。纳滤又可以称为低压反渗透，是一种新型的膜分离技术，这种膜过程，拓宽了液相膜分离的应用，分离性能介于超滤和反渗透之间，其截断分子量约为200～2000。纳米膜属于复合膜，允许一些无机盐和某些溶剂透过膜。纳滤过程所需压力比反渗透低得多，具有节约动力的优点。它能截断易透过超滤膜的那部分溶质，同时又可能被反渗透膜所截断的溶质透过，其特有功能是反渗透和超滤无法取代的。纳滤膜具有良好的热稳定性、pH稳定性和对有机溶剂的稳定性，因此现已广泛应用于各个工业领域，尤其是医药、生物化工行业的分离提纯过程。纳滤膜是现今最先进的膜分离技术。微滤、超滤、反渗透、纳滤4种分离技术没有太明显的分界线，均是以压力作为推动力，被截断的溶质的直径大小在某些范围内相互重叠。

　　4．5电渗析

　　电渗析是以电位差为推动力，在直流电作用下利用离子交换膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的淡化、精制或纯化目的。

　　4．6液膜

　　液膜是悬浮在液体中的一层乳液微粒，形成液相膜。依据溶解、扩散原理，通过这层液相膜可以将两个组成不同而又互溶的溶液分开，并通过渗透的现象起到分离、提纯的效果，它克服了固体膜存在的选择性低和通量小的特点。液膜一般由溶剂、表面活性剂和添加剂构成。按其构型和操作方式分为乳化液膜(Liq—uid surfactant membranes)和支撑液膜(Supportediquid m embranes)。

　　5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。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。常甩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。

　　6膜分离技术在生物化工中的应用进展

　　由于膜分离技术具有防止热敏性物质失活、效率高等优点，所以在生物化工中应用极为广泛。可以采用超滤或反渗透除去医药用水中的热源。在氨基酸生产工艺中，使用超滤法可以除菌或去热源。也可以采用超滤技术将粗酶液进行处理，使低分子和盐类与水一起从膜孔渗除，从而浓缩和精制酶。另外膜分离技术还可以应用于低分子量发酵产品的分离与浓缩，还可以利用膜制作不同类型的膜反应器等。膜分离技术具有分离效率高、节能、设备简单、适合生物产品处理等优点，受到了广泛关注，在分离方面提供了许多可行之处，带来了方便。随着研究的不断深入，其应用范围将会越来越广泛。在膜分离技术应用方面最主要的障碍就是膜分离性能的降低。如果能将该问题解决，则膜分离技术将在生物化工领域中起到更大的作用，在国民经济中发挥更大的作用，在人类社会的发展史上起到不可代替的作用。

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周锦帆