張寶堂
摘 要:生物化工包含了集合了生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)等多個(gè)學(xué)科,其中,膜分離技術(shù)作為一種選擇性分離的技術(shù),在我國(guó)生物化工領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛?;诖耍疚氖紫忍岢錾锘ひ约澳し蛛x技術(shù)研究進(jìn)展,分析現(xiàn)行主流的膜分離技術(shù),最后探究膜分離技術(shù)現(xiàn)行應(yīng)用情況。
關(guān)鍵詞:生物化工 膜分離技術(shù) 研究進(jìn)展
引 言
膜分離技術(shù)是在能夠保持分子水平前提下,不同粒徑分子混合物通過(guò)半透明膜實(shí)現(xiàn)選擇性分離的一項(xiàng)技術(shù),半透膜也被稱之為分離膜、濾膜,膜壁上分布著非常多的小孔,結(jié)合不同小孔尺寸可以分為微濾膜、超濾膜、納濾膜、反滲透膜等,這些過(guò)濾技術(shù)在生物化工領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛,也占據(jù)著主流地位。膜分離技術(shù)具有效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單、節(jié)約資源等優(yōu)勢(shì),是當(dāng)下生物化工領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的項(xiàng)目之一。
1.生物化工以及膜分離技術(shù)的研究進(jìn)展
當(dāng)代生物技術(shù)作為新興高技術(shù)領(lǐng)域中的主要內(nèi)容,也是21世紀(jì)高新技術(shù)核心。是在細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)以及基礎(chǔ)的生物學(xué)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)的核心是DNA技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù),并融合細(xì)胞工程、基因工程、酶工程、發(fā)酵工程等構(gòu)成的新型生物化工技術(shù)。全面發(fā)展生物化工已經(jīng)成為了全球各國(guó)重要的發(fā)展戰(zhàn)略,目前應(yīng)用較為廣泛的領(lǐng)域是生物醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化工等。生物化工技術(shù)為生物技術(shù)提供了多種高效的反應(yīng)器、新型分離介質(zhì)、工藝控制技術(shù)、后處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)了生物技術(shù)的不斷更新和提升。這樣讓生物化工技術(shù)成為全球技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的重要領(lǐng)域。在生物化工不斷發(fā)展背景下,還衍生出了生物膜技術(shù),通過(guò)半透明過(guò)濾屏障層,通過(guò)膜不同過(guò)濾滲透性對(duì)混合液中不同組分進(jìn)行提純和分離。生物膜孔洞大小決定了過(guò)濾等級(jí),如今主流的膜分離技術(shù)包括:微濾、超濾、反滲透、納濾、液膜等分離技術(shù)。
2.常見(jiàn)的膜分離技術(shù)
2.1微濾膜分離技術(shù)。微濾膜分離技術(shù)所采用的濾膜通常具有孔隙多、孔隙小的特點(diǎn),膜作為過(guò)濾的主要介質(zhì),可以通過(guò)篩分方案進(jìn)行過(guò)濾。主要推動(dòng)力是介質(zhì)壓力,可以讓大分子、溶劑、鹽類等都通過(guò)薄膜,讓一些超大分子、細(xì)小顆粒被攔截在外,實(shí)現(xiàn)溶液凈化作用,達(dá)到物理分離作用。微濾膜作為膜分離技術(shù)的基礎(chǔ),具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值高、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)勢(shì),也是后續(xù)集中膜分離技術(shù)發(fā)展的核心。該項(xiàng)技術(shù)在得生物制藥領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。
2.2超濾膜分離技術(shù)。超濾膜分離技術(shù)應(yīng)用了篩分原理,也就是在膜分離當(dāng)中通過(guò)壓力差讓溶劑從溶液中分離。和微濾膜分離相比,超濾膜分離過(guò)程中膜孔化學(xué)影響性更強(qiáng)。通過(guò)施加壓力,部分小分子物質(zhì)、溶劑可以通過(guò)膜孔,大分子、細(xì)小顆粒會(huì)被膜過(guò)濾掉,實(shí)現(xiàn)過(guò)濾功能。超濾膜分離通常都是采用不對(duì)稱膜,膜表面性質(zhì)、孔徑大小的差異會(huì)產(chǎn)生不同攔截作用。超濾膜主要是為了過(guò)濾大分子溶液。因此該項(xiàng)技術(shù)主要是應(yīng)用在生物化工領(lǐng)域。
2.3反滲透膜分離技術(shù)。反滲透膜采用了擴(kuò)散、溶解等原理,利用壓差作用實(shí)現(xiàn)膜分離。反滲透膜分離技術(shù)與其他的滲透過(guò)程恰好相反。無(wú)論是滲透還是反滲透都是采用半透膜分離。溶液濃度較高的一側(cè)施加壓力,可以確保反面壓力大于自然滲透壓力,讓濃度較高溶液中的溶劑通過(guò)過(guò)濾反向滲透,從而實(shí)現(xiàn)分離目的。反滲透膜分離技術(shù)主要是應(yīng)用在低分子量濃縮溶液當(dāng)中,如氨基酸濃縮等領(lǐng)域。溶液性質(zhì)決定了反滲透的壓力,與膜種類并無(wú)太大關(guān)系。
2.4納濾膜分離技術(shù)。納濾膜分離技術(shù)主要是應(yīng)用了擴(kuò)散、吸附等功能,通常是采用壓力差實(shí)現(xiàn)膜分離。除了這兩種原理,還涉及到了超濾、反滲透原理,是當(dāng)今比較先進(jìn)的膜分離技術(shù)之一。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō),納濾是一種低壓反滲透方式,在分離性能上要高于上述幾種技術(shù),可截?cái)喾肿恿窟_(dá)到了200-2000。納米膜作為一種人工合成膜,只有部分無(wú)機(jī)鹽、溶劑可以通過(guò)膜。納濾過(guò)程中的壓力施加要比反滲透技術(shù)低很多,可以降低拉動(dòng)力投入量。同時(shí),超濾膜無(wú)法截?cái)嗳苜|(zhì),而納濾膜可以有效攔截,反滲透容易被攔截的有用物質(zhì),在納濾中可以通過(guò)。所以納濾膜分離技術(shù)更強(qiáng)。納濾膜在實(shí)際使用中具有非常高的穩(wěn)定性,所以在生物化工、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。
2.5液膜分離技術(shù)。液膜分離技術(shù)在形態(tài)上和之前所提的幾種技術(shù)有很大差異,由表面活性劑、溶劑構(gòu)成,主要是乳液微粒構(gòu)成的液態(tài)形式。結(jié)合溶解、擴(kuò)散原理,液相膜可以將不同性質(zhì)溶液有效分離,結(jié)合滲透原理實(shí)現(xiàn)提純。該膜分離技術(shù)彌補(bǔ)了固態(tài)膜通量小、選擇性低等問(wèn)題。整體上可以劃分為乳化液膜和支撐液膜兩種結(jié)構(gòu)。
3.膜分離技術(shù)在生物化工中的應(yīng)用進(jìn)展
膜分離技術(shù)在實(shí)際使用中具有防止熱敏性物質(zhì)失活、使用效率高等優(yōu)勢(shì),因此在生物化工領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。對(duì)于醫(yī)藥水中的熱源可以通過(guò)超濾、反滲透膜分離方法去除。在生產(chǎn)氨基酸過(guò)程中,超濾膜可以去除有害菌、熱源。超濾膜還可以處理粗酶液,讓低分子、鹽類等和水一起從膜孔中滲除,實(shí)現(xiàn)酶濃縮和精制,使用聚醚砜作為膜材超濾設(shè)備,對(duì)溶菌酶進(jìn)行提純,超濾分離15min之后再進(jìn)行清洗。采用該技術(shù),酶得率可以達(dá)到63%,純度達(dá)到98.5%以上,酶活表現(xiàn)非常好,在提純侯可以直接冷凍、干燥、濃縮。再者,膜分離技術(shù)還可以應(yīng)用到低分子量發(fā)酵產(chǎn)品分離與濃縮工藝中,也可以利用膜制作不同類型的膜反應(yīng)器。
膜分離技術(shù)具有分離效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單、節(jié)能效益高、適用于生物產(chǎn)品處理等特點(diǎn),各國(guó)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)都十分關(guān)注,在分離、過(guò)濾方面發(fā)揮著極大的效益,為生物化工生產(chǎn)提供了極大的便捷性。隨著生物膜技術(shù)研究不斷深入,其應(yīng)用范圍也會(huì)愈加廣泛。當(dāng)今膜分離技術(shù)主要的技術(shù)瓶頸就是膜分離性能降低。如果能夠解決該問(wèn)題,則膜分離技術(shù)將在生物化工領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用。
結(jié)束語(yǔ)
綜上所述,膜分離技術(shù)作為生物化工技術(shù)的重要組成部分,隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展,膜分離技術(shù)也更加完善,分離、過(guò)濾、提純的作用更強(qiáng)。針對(duì)不同化工產(chǎn)品要選擇針對(duì)性的膜分離技術(shù),從而更好的為各個(gè)行業(yè)提供服務(wù),為提升生物化工技術(shù)水平、應(yīng)用范圍奠定基礎(chǔ)。雖然我國(guó)膜分離技術(shù)在研發(fā)已經(jīng)較為成熟,但是在分離、提純方面依然存在著問(wèn)題,未來(lái)還需要重點(diǎn)展開(kāi)這方面的研究工作。
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