膜技术在生物技术的应用2

1姓名：钟美兰班级：09食品3班学号：097051232摘要目的：膜技术的在生物行业中应用于分离、浓缩、分级与纯化生物产品。方法：对不同组成的有机物，根据有机物的分子量，选择不同的膜，选择合适的膜工艺。结果：达到最好的膜通量和截留率，进而提高生产收率、减少投资规模和运行成本。前言膜是一种起分子级分离过滤作用的介质，当溶液或混和气体与膜接触时，在压力下，或电场作用下，或温差作用下，某些物质可以透过膜，而另些物质则被选择性的拦截，从而使溶液中不同组分，或混和气体的不同组分被分离，它与传统过滤的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。膜的孔径一般为微米级，依据其孔径的不同（或称为截留分子量），可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，根据材料的不同，可分为无机膜和有机膜，无机膜主要是陶瓷膜和金属膜，其过滤精度较低，选择性较小。有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。错流膜工艺中各种膜的分离与截留性能以膜的孔径和截留分子量来加以区别，下图简单示意了四种不同的膜分离过程：（箭头反射表示该物质无法透过膜而被截留）：31.1膜技术的发展1.1．1低污染膜：膜污染是反渗透膜技术应用中的最大危害。目前已有几种抗污染性能强、使用寿命长、清洗频度低且易清洗的低污染膜在膜技术领域问世。1.1．2超低压膜：由于节省电耗和降低相关机械部件的压力等级引起材料费下降等优点，自1999年以来超低压膜在膜技术领域应用比重日益增大，这在以使用4英寸膜为主的小型装置中应用最为突出，大型装置中应用超低压膜也呈上升趋势。1.1．3带正电荷的反渗透膜：现在广泛应用的低压、超低压复合膜的材质均为芳香族聚酸胺，其膜表面均带有负电荷，膜技术的发展带来了表面带正电荷的低压复合膜，这种膜目前主要应用于制备高电阻率的高纯水系统中。1.1．4耐高温、食品级、卫生级反渗透膜：普通水处理膜技术采用反渗透膜的使用温度均为0-45℃，但在需要耐90℃高温杀菌的特殊场合，可使用耐高温、耐化学药品的反渗透膜。此外，各种有特殊膜元件结构的食品级或卫生级的反渗透膜技术也开始在国内应用。1.2膜分离的基本工艺原理膜分离的基本工艺原理是较为简单的（参见下图）。在过滤过程中料液通过泵的加压，料液以一定流速沿着滤膜的表面流过，大于膜截留分子量的物质分子不透过膜流回料罐，小于膜截留分子量的物质或分子透过膜，形成透析液。故膜系统都有两个出口，一是回流液（浓缩液）出口，另一是透析液出口。在单位时间（Hr）单位膜面积（m2）透析液流出的量（L）称为膜通量（LMH），即过滤速度。影响膜通量的因素有：温度、压力、固含量（TDS）、离子浓度、黏度等。1.3膜设备膜分离工艺中主要设备包括膜、泵、管道、阀门和仪表。其中膜组件和泵是核心设备。1.3.1膜组件膜组件是指将膜、固定膜的支撑材料和外壳（容器）等通过一定的黏合或组装构成的一个单元。工业上应用的膜组件有平板式、卷式、管式、中空纤维等四种形式。平板式和卷式用的是平板膜制成，管式、和中空纤维式用的是管式膜制成，管式膜分为内压式和外压式。1.3.2泵膜分离工艺中，泵用来对流体提供压力与流量。目前，工业规模膜分析所用的泵多为离心泵，混流泵和往复泵，对具有生理活性的物质，为防止告诉剪切带来物质的失活，也可选用蠕动泵。1.4膜分离过程的分类41.4.1微滤微滤（MF）又称微孔过滤，它属于精密过滤，其基本原理是筛孔分离过程。微滤膜的材质分为有机和无机两大类，有机聚合物有醋酸纤维素、聚丙稀、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。无机膜材料有陶瓷和金属等。鉴于微孔滤膜的分离特征，微孔滤膜的应用范围主要是从气相和液相中截留微粒、细菌以及其他污染物，以达到净化、分离、浓缩的目的。对于微滤而言，膜的截留特性是以膜的孔径来表征，通常孔径范围在0.1～1微米，故微滤膜能对大直径的菌体、悬浮固体等进行分离。可作为一般料液的澄清、保安过滤、空气除菌。1.4.2超滤超滤（UF）是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜孔径在0.05um至1000um分子量之间。超滤是一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术，超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过程。以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当水流过膜表面时，只允许水及比膜孔径小的小分子物质通过，达到溶液的净化、分离、浓缩的目的。对于超滤而言，膜的截留特性是以对标准有机物的截留分子量来表征，通常截留分子量范围在1000～300000，故超滤膜能对大分子有机物（如蛋白质、细菌）、胶体、悬浮固体等进行分离，广泛应用于料液的澄清、大分子有机物的分离纯化、除热源。1.4.3纳滤纳滤（NF）是介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术，其截留分子量在80～1000的范围内，孔径为几纳米，因此称纳滤。基于纳滤分离技术的优越特性，其在制药、生物化工、食品工业等诸多领域显示出广阔的应用前景。对于纳滤而言，膜的截留特性是以对标准NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的截留率来表征，通常截留率范围在60～90%，相应截留分子量范围在100～1000，故纳滤膜能对小分子有机物等与水、无机盐进行分离，实现脱盐与浓缩的同时进行。1.4.4反渗透反渗透（RO）是利用反渗透膜只能透过溶剂（通常是水）而截留离子物质或小分子物质的选择透过性，以膜两侧静压为推动力，而实现的对液体混合物分离的膜过程。反渗透是膜分离技术的一个重要组成部分，因具有产水水质高、运行成本低、无污染、操作方便运行可靠等诸多优点，而成为海水和苦咸水淡化，以及纯水制备的最节能、最简便的技术.目前已广泛应用于医药、电子、化工、食品、海水淡化等诸多行业。反渗透技术已成为现代工业中首选的水处理技术。5反渗透的截留对象是所有的离子，仅让水透过膜，对NaCl的截留率在98%以上，出水为无离子水。反渗透法能够去除可溶性的金属盐、有机物、细菌、胶体粒子、发热物质，也即能截留所有的离子，在生产纯净水、软化水、无离子水、产品浓缩、废水处理方面反渗透膜已经应用广泛。1.5膜分离典型工艺流程1.5.1浓缩模式料液经过膜后，大分子物质被截留并随截留液回流至贮料槽，小分子物质和溶剂透过膜随透过液排出，经过反复循环，直接截留大分子溶质浓度达到较高浓度。此工艺主要用于除去料液中小分子和溶剂（水），浓缩其中的大分子溶质。浓缩模式中，随着浓缩时间的延长，通量逐渐降低，要注意控制截留液的浓度，终浓度太高引起严重浓差极化现象，导致浓缩时间过长甚至无法继续。1.5.2透析模式截留液不回流，向贮液槽中连续加入溶剂（水）或缓冲溶液，加入速度与透过液通量相等，以减轻浓差极化。透析模式主要用于从大分子料液中较完全的分离出小分子溶质。透析模式需要较多的溶剂（水）或缓冲液，在实际操作过程中，常与浓缩模式结合使用，即使开始采用浓缩模式，当达到一定浓度后，转变为透析模式。1.5.3多段模式多段模式是将第一段的截留液经过第二段的膜进行进一步的分离，第二段的截留液再经过第三段的膜进一步分离，而各段透过液分别排出（或统一收集，）依次类推。多段模式由于流向下一段的截留液浓度越来越高，截留液体积越来越小，因此，为保证膜表面的料液流速和减轻浓差极化，后续段的膜面积应小于前段的膜面积。该模式比较适合对截留液有较高浓度要求的分类过程，与单段式比较，可有效减轻浓差极化现象，但投资也随之有较大增加。1.5.4多级模式多级模式是将第一级的透过液经过第二级的膜进行进一步的分离，第二级的6透过液再经过第三级的膜进一步分离，而各级截留液分别排出（或统一收集），依次类推。多级模式由于流向下一级的透过液体积越来越小，因此，为保证膜表面的料液流速和通量，后级的膜面积应小于前级的膜面积。该模式比较适合对透过液有较高纯度要求的分离过程。1.6膜技术在生物行业的应用1.6．1生物发酵行业：生物发酵液（包括生物制药、调味品、发酵饮品等）的除菌、提纯、浓缩；氨基酸：赖氨酸、谷氨酸、异亮氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、胱氨酸、L-色氨酸；有机酸：乳酸、柠檬酸、衣康酸；酶制剂：糖化酶、淀粉酶、纤维素酶；其它：阿斯巴甜、多肽,D-核糖,氨基酸分离提纯的一般工艺流程发酵液预处理（加热、调pH、絮凝）菌体分离（离心分离、过滤、压滤）初步纯化（沉淀、吸附、离子交换、萃取、电渗析）高度纯化（超滤、吸附、结晶、重结晶）成品加工（干燥、分装）1.6.2生物医药行业：维生素：维生素C、维生素B2、维生素B12；抗生素：赤霉素、土霉素、链霉素、卡那霉素链霉素、青霉素、红霉素、四环类抗菌药；核酸类：肌苷、肌苷酸、鸟苷酸、核苷酸；蛋氨酸中药：柴胡、板兰根、黄芪、刺五加、皂甙、黄酮等其他各类中药制剂的提纯与浓缩。1）去热源水中热源对注射用水及细胞培养用水是个很大的问题。大多数热源是来源于细胞壁的脂多糖，其相对分子质量范围从20000到0.1um聚集体。它不能通过高温消毒或微滤来去除。但用合适的超滤膜或反渗透膜可有效去除之。一般认为，截留相对分子质量10000的膜在透水率与截留性上最佳。2）中草药提取液的精制中草药经浸提后，传统方法多采用蒸发浓缩、酒精或冷冻去沉淀等方法制成中药提取液，其缺点是能耗大、产品质量差、成本高。采用超滤技术去除大分子蛋白7质、果胶、及淀粉沉淀后，再经过反渗透浓缩，可制的高品质纯净的中药提取液。因此，膜分离技术替代传统的蒸发浓缩技术和沉淀澄清技术在生产高质量的中草药制剂产业大有前景。2）抗生素的浓缩与纯化抗生素生产工艺大体包括发酵、过滤、浓缩、和干燥四个过程。膜分离技术主要用于抗生素发酵液的澄清、产品浓缩和脱盐，以及废液中抗生素的浓缩。采用的膜以超滤膜、纳滤膜和反渗透膜为主，而且反渗透有日益被纳滤取代的趋势，使用的膜组件以平板式、管式和卷式为主。4）生物制品生产膜分离技术由于分离过程无化学变化、能在常温（甚至低温）下操作和过程可全封闭进行等特点，而特别适合于生物制品的生产。例如，对基因工程产物（蛋白质或多肽等）利用膜分离技术进行初分离、浓缩或脱盐等处理，再经过层析技术进行精制，最后经膜浓缩，结晶、冻干等工序，即可得到高品质的生物制品1.7发酵液的提取及精制发酵液中目的产物浓度低，还含有大量的其他杂质，而目的产物的耐热、耐pH和耐有机溶剂性差，易变性失活。传统工艺是溶剂萃取或加热浓缩，反复使用有机溶剂和酸碱溶液，耗量大，流程长，废水处理任务重。特别是许多药物热敏性强，使传统工艺受限制。国际先进的制药生产线，大量采用膜分离技术代替传统的分离、浓缩和纯化工艺。通常直接采用微滤或一级超滤去除大分子物质(菌丝、蛋白质、病毒、热原)，而小分子代谢产物(包括目的产物)、盐和水则透过微滤或超滤膜，然后再进一步进行超滤、纳滤或反渗透进行纯化和浓缩。1.8纯化、浓缩与脱盐大分子的纯化与浓缩根据大分子如酶的相对分子质量，选择适当的超滤膜，可进行酶的浓缩和除去小分子物质。由于超滤膜的孔径有一定的分布范围，用超滤进行蛋白质的分级分离时，蛋白质之间的分子量需相差10倍以上，否则难以分离。利用超滤法纯化蛋白质，其分子量、浓度、带电性质等与通量有很大关系，必要时须对料液进行预处理，同时减少膜对蛋白的吸附。小分子产物的纯化与脱盐氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵产品的相对分子质量在2000以下，发酵液进行固液分离后，用超滤法使蛋白、多糖等大分子被截留，然后利用反渗透或纳滤法进行浓缩、脱盐和除去更小的杂质。结论：膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。参考文献：《生物分离技术》