多組分氣體膜分離性能評(píng)價(jià)裝置膜分離技術(shù)
1.生物化工過(guò)程中常用的分離方法如蒸餾、萃取、過(guò)濾、結(jié)晶、吸附和干燥等屬于傳統(tǒng)的單元操作過(guò)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(guó)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(guó)對(duì)膜分離技術(shù)的研究是從2O世紀(jì)6O年代對(duì)離子交換膜的研究開(kāi)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(guó)的膜分離技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。經(jīng)過(guò)幾十年的努力，目前我國(guó)的膜分離技術(shù)研究開(kāi)發(fā)方面已成功地研制出一批具有實(shí)用價(jià)值、接近或達(dá)到先進(jìn)水平的成果，如無(wú)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(duì)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(guò)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(lái)進(jìn)行分離具有如下優(yōu)點(diǎn)：膜分離過(guò)程裝置比較簡(jiǎn)單，同時(shí)操作方便、結(jié)構(gòu)緊湊、維修費(fèi)用低且方便、易于自動(dòng)控制；膜分離過(guò)程一般不涉及相變，無(wú)二次污染且能耗較低；膜分離過(guò)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(guò)程具有相當(dāng)大的選擇性，適用對(duì)象廣泛，可以分離肉眼看得見(jiàn)的顆粒，也可以分離離子和氣體；該過(guò)程可以在室溫下連續(xù)操作，設(shè)備易于放大，可以專(zhuān)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(guò)程中不用添加任何外來(lái)的化學(xué)物質(zhì)，透過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)濾的介質(zhì)，以篩分原理為根據(jù)的薄膜過(guò)濾。在壓力作為推動(dòng)力的作用下，溶劑、水、鹽類(lèi)及大分子物質(zhì)均能透過(guò)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(lái)，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(jià)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(dòng)力，從溶液中分離出溶劑的操作。同微濾過(guò)程相比，超濾過(guò)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(guò)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(duì)稱(chēng)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(guò)程中應(yīng)用廣。反滲透過(guò)程主要是根據(jù)溶液的溶解、擴(kuò)散原理，以壓力差為推動(dòng)力的膜分離過(guò)程。它與自然的滲透過(guò)程剛好相反。滲透和反滲透均是通過(guò)半透膜來(lái)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(shí)，就會(huì)迫使溶液中溶劑反向透過(guò)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(guò)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(lèi)無(wú)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(dòng)力的膜分離過(guò)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(chēng)為低壓反滲透，是一種新型的膜分離技術(shù)，這種膜過(guò)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?cái)喾肿恿考s為200～2000。納米膜屬于復(fù)合膜，允許一些無(wú)機(jī)鹽和某些溶劑透過(guò)膜。納濾過(guò)程所需壓力比反滲透低得多，具有節(jié)約動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn)。它能截?cái)嘁淄高^(guò)超濾膜的那部分溶質(zhì)，同時(shí)又可能被反滲透膜所截?cái)嗟娜苜|(zhì)透過(guò)，其*功能是反滲透和超濾無(wú)法取代的。納濾膜具有良好的熱穩(wěn)定性、pH穩(wěn)定性和對(duì)有機(jī)溶劑的穩(wěn)定性，因此現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)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(guò)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(méi)有太明顯的分界線，均是以壓力作為推動(dòng)力，被截?cái)嗟娜苜|(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(dòng)力，在直流電作用下利用離子交換膜的選擇透過(guò)性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來(lái)，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(guò)這層液相膜可以將兩個(gè)組成不同而又互溶的溶液分開(kāi)，并通過(guò)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(wèn)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(wèn)題。在操作過(guò)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(cuò)流流程，即過(guò)濾液主體水平流過(guò)膜面，而過(guò)濾液是垂直通過(guò)膜面。此外，在膜分離技術(shù)中容易遇到膜污染問(wèn)題，即膜的透水量隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)而下降。因此需采用一定的方法對(duì)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(duì)膜進(jìn)行清洗。膜分離雖然原理簡(jiǎn)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(lèi)繁多、性質(zhì)各異，對(duì)膜分離會(huì)產(chǎn)生不同的影響，如吸附會(huì)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(duì)具體過(guò)程研究開(kāi)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?？梢圆捎贸瑸V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(lèi)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(lèi)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(jiǎn)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(lái)了方便。隨著研究的不斷深入，其應(yīng)用范圍將會(huì)越來(lái)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(wèn)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(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮更大的作用，在人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展*起到不可代替的作用。
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