探討生物化工及膜分離技術研究進展

張寶堂

摘 要：生物化工包含了集合了生物學、化學、工程學等多個學科，其中，膜分離技術作為一種選擇性分離的技術，在我國生物化工領域的應用十分廣泛?；诖?，本文首先提出生物化工以及膜分離技術研究進展，分析現(xiàn)行主流的膜分離技術，最后探究膜分離技術現(xiàn)行應用情況。

關鍵詞：生物化工 膜分離技術 研究進展

引 言

膜分離技術是在能夠保持分子水平前提下，不同粒徑分子混合物通過半透明膜實現(xiàn)選擇性分離的一項技術，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，這些過濾技術在生物化工領域中的應用十分廣泛，也占據(jù)著主流地位。膜分離技術具有效率高、設備簡單、節(jié)約資源等優(yōu)勢，是當下生物化工領域重點發(fā)展的項目之一。

1.生物化工以及膜分離技術的研究進展

當代生物技術作為新興高技術領域中的主要內(nèi)容，也是21世紀高新技術核心。是在細胞生物學、分子生物學、生物化學以及基礎的生物學發(fā)展起來的新技術。該項技術的核心是DNA技術、細胞融合技術，并融合細胞工程、基因工程、酶工程、發(fā)酵工程等構成的新型生物化工技術。全面發(fā)展生物化工已經(jīng)成為了全球各國重要的發(fā)展戰(zhàn)略，目前應用較為廣泛的領域是生物醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化工等。生物化工技術為生物技術提供了多種高效的反應器、新型分離介質(zhì)、工藝控制技術、后處理技術，實現(xiàn)了生物技術的不斷更新和提升。這樣讓生物化工技術成為全球技術競爭的重要領域。在生物化工不斷發(fā)展背景下，還衍生出了生物膜技術，通過半透明過濾屏障層，通過膜不同過濾滲透性對混合液中不同組分進行提純和分離。生物膜孔洞大小決定了過濾等級，如今主流的膜分離技術包括：微濾、超濾、反滲透、納濾、液膜等分離技術。

2.常見的膜分離技術

2.1微濾膜分離技術。微濾膜分離技術所采用的濾膜通常具有孔隙多、孔隙小的特點，膜作為過濾的主要介質(zhì)，可以通過篩分方案進行過濾。主要推動力是介質(zhì)壓力，可以讓大分子、溶劑、鹽類等都通過薄膜，讓一些超大分子、細小顆粒被攔截在外，實現(xiàn)溶液凈化作用，達到物理分離作用。微濾膜作為膜分離技術的基礎，具有經(jīng)濟價值高、應用范圍廣的優(yōu)勢，也是后續(xù)集中膜分離技術發(fā)展的核心。該項技術在得生物制藥領域中的應用十分廣泛。

2.2超濾膜分離技術。超濾膜分離技術應用了篩分原理，也就是在膜分離當中通過壓力差讓溶劑從溶液中分離。和微濾膜分離相比，超濾膜分離過程中膜孔化學影響性更強。通過施加壓力，部分小分子物質(zhì)、溶劑可以通過膜孔，大分子、細小顆粒會被膜過濾掉，實現(xiàn)過濾功能。超濾膜分離通常都是采用不對稱膜，膜表面性質(zhì)、孔徑大小的差異會產(chǎn)生不同攔截作用。超濾膜主要是為了過濾大分子溶液。因此該項技術主要是應用在生物化工領域。

2.3反滲透膜分離技術。反滲透膜采用了擴散、溶解等原理，利用壓差作用實現(xiàn)膜分離。反滲透膜分離技術與其他的滲透過程恰好相反。無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過濾反向滲透，從而實現(xiàn)分離目的。反滲透膜分離技術主要是應用在低分子量濃縮溶液當中，如氨基酸濃縮等領域。溶液性質(zhì)決定了反滲透的壓力，與膜種類并無太大關系。

2.4納濾膜分離技術。納濾膜分離技術主要是應用了擴散、吸附等功能，通常是采用壓力差實現(xiàn)膜分離。除了這兩種原理，還涉及到了超濾、反滲透原理，是當今比較先進的膜分離技術之一。從本質(zhì)上來說，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，可截斷分子量達到了200-2000。納米膜作為一種人工合成膜，只有部分無機鹽、溶劑可以通過膜。納濾過程中的壓力施加要比反滲透技術低很多，可以降低拉動力投入量。同時，超濾膜無法截斷溶質(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。所以納濾膜分離技術更強。納濾膜在實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)藥等領域應用非常廣泛。

2.5液膜分離技術。液膜分離技術在形態(tài)上和之前所提的幾種技術有很大差異，由表面活性劑、溶劑構成，主要是乳液微粒構成的液態(tài)形式。結合溶解、擴散原理，液相膜可以將不同性質(zhì)溶液有效分離，結合滲透原理實現(xiàn)提純。該膜分離技術彌補了固態(tài)膜通量小、選擇性低等問題。整體上可以劃分為乳化液膜和支撐液膜兩種結構。

3.膜分離技術在生物化工中的應用進展

膜分離技術在實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，因此在生物化工領域中的應用十分廣泛。對于醫(yī)藥水中的熱源可以通過超濾、反滲透膜分離方法去除。在生產(chǎn)氨基酸過程中，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，實現(xiàn)酶濃縮和精制，使用聚醚砜作為膜材超濾設備，對溶菌酶進行提純，超濾分離15min之后再進行清洗。采用該技術，酶得率可以達到63%，純度達到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，膜分離技術還可以應用到低分子量發(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器。

膜分離技術具有分離效率高、設備簡單、節(jié)能效益高、適用于生物產(chǎn)品處理等特點，各國對該項技術都十分關注，在分離、過濾方面發(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。隨著生物膜技術研究不斷深入，其應用范圍也會愈加廣泛。當今膜分離技術主要的技術瓶頸就是膜分離性能降低。如果能夠解決該問題，則膜分離技術將在生物化工領域中發(fā)揮更大的作用。

結束語

綜上所述，膜分離技術作為生物化工技術的重要組成部分，隨著科學技術不斷發(fā)展，膜分離技術也更加完善，分離、過濾、提純的作用更強。針對不同化工產(chǎn)品要選擇針對性的膜分離技術，從而更好的為各個行業(yè)提供服務，為提升生物化工技術水平、應用范圍奠定基礎。雖然我國膜分離技術在研發(fā)已經(jīng)較為成熟，但是在分離、提純方面依然存在著問題，未來還需要重點展開這方面的研究工作。

參考文獻

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