膜分離技術(shù)及其在生物化工中的應(yīng)用

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，各行各業(yè)對(duì)于高新技術(shù)的依賴(lài)程度與日俱增。在生物化工領(lǐng)域，膜分離技術(shù)是一種新興的高科技產(chǎn)業(yè)而被廣泛使用，其目的是有效提升生物產(chǎn)品的純度和質(zhì)量。因此，對(duì)生物化工和膜分離技術(shù)進(jìn)行概述，分析膜分離技術(shù)在生物化工中的應(yīng)用，并探究膜分離技術(shù)的發(fā)展方向和應(yīng)用前景，為相關(guān)人士提供一定參考。

關(guān)鍵詞：生物化工;膜分離技術(shù);研究進(jìn)展

0 前言

作為一種交叉學(xué)科，生物化工包含了生物學(xué)、工程學(xué)、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科，主要研究生物體、生物活性物質(zhì)等相關(guān)的理論和技術(shù)。生物技術(shù)融合了分子學(xué)、生物學(xué)、細(xì)胞學(xué)等內(nèi)容，涉及細(xì)胞技術(shù)、重組DNA技術(shù)等，對(duì)于基因工程、細(xì)胞工程等創(chuàng)新技術(shù)有極大地推動(dòng)作用。生物化工技術(shù)作為生物技術(shù)中非常重要的內(nèi)容，其本身存在較大的特殊性。其中，膜分離技術(shù)對(duì)于產(chǎn)品純度有較高要求，同時(shí)需要較強(qiáng)的生物活性，實(shí)際操作時(shí)容易受到外界因素的影響。因此，在生物化工及膜分離技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，要對(duì)技術(shù)特點(diǎn)有明確的了解，結(jié)合實(shí)際情況選擇恰當(dāng)?shù)哪し蛛x技術(shù)，提升技術(shù)使用的針對(duì)性和實(shí)效性，為生物化工及膜分離技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 生物化工及膜分離技術(shù)概述

1.1 生物化工技術(shù)

生物化工技術(shù)涉及的內(nèi)容相對(duì)廣泛，如遺傳工程、細(xì)胞工程和酶工程等都與生物化工存在一定關(guān)聯(lián)。生物化工開(kāi)展階段，技術(shù)人員要做好實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)以及操作流程的控制，以保證后期生物產(chǎn)量達(dá)到實(shí)際要求。從當(dāng)前發(fā)展情況來(lái)看，生物化工在我國(guó)生物科技領(lǐng)域具有較高的地位，自身具有成本低、價(jià)格高等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于生物科技的發(fā)展起到推動(dòng)作用。此外，生物化工技術(shù)能夠有效減少污染物的排放，具有環(huán)保性、安全性，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

1.2 膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)主要根據(jù)混合物的粒徑不同，使其在透過(guò)半透膜時(shí)可以自動(dòng)分離。從當(dāng)前發(fā)展情況來(lái)看，膜分離技術(shù)在生物化工行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。因此，要加大膜分離技術(shù)研究力度，明確相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)，充分考慮其特性，從而保障膜分離技術(shù)使用更加靈活，以達(dá)到快速分離的效果。膜分離技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中對(duì)于半透膜有一定要求，依靠半透膜將混合物進(jìn)行分離和提純。半透膜上的孔洞大小不一致，可以對(duì)不同組分的混合物進(jìn)行分離。

2 膜分離技術(shù)在生物化工中的應(yīng)用

2.1 微濾膜分離

從濾膜自身的特點(diǎn)來(lái)看，由于空隙較多，同時(shí)膜孔偏小，濾膜能夠起到過(guò)濾作用，通過(guò)篩分的方法，過(guò)濾效果更為顯著。微濾膜在壓力的作用下，一些分子較小的溶劑、鹽類(lèi)化合物可以通過(guò)，但是分子較大的混合物和顆粒會(huì)被攔截，這樣能夠達(dá)到對(duì)溶液凈化的效果，起到膜分離。在膜分離技術(shù)中，微濾膜分離是非常重要的內(nèi)容，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和較大的應(yīng)用范圍，廣泛應(yīng)用于制藥領(lǐng)域，得到了人們肯定和認(rèn)可。

2.2 超濾膜分離

在超濾膜分離技術(shù)應(yīng)用時(shí)，主要基于篩分原理，在膜分離階段利用壓力差的方式，將溶劑從溶液中快速分離出來(lái)。與微濾膜分離相比，超濾膜分離時(shí)膜孔收化學(xué)影響較大，在壓力施加過(guò)程中，一些小分子物質(zhì)和溶劑可以快速通過(guò)膜孔，微細(xì)顆粒和大分子混合物被阻擋，從而達(dá)到快速分離的目的。通常情況下，超濾膜分離時(shí)主要采用不對(duì)稱(chēng)膜，由于膜的表面性質(zhì)和孔徑大小存在差異，都能起到較強(qiáng)的攔截效果，從過(guò)濾對(duì)象來(lái)看，超濾膜主要針對(duì)大分子溶液，因此在生物化工行業(yè)應(yīng)用較為廣泛。

2.3 反滲透膜分離

在反滲透膜分離技術(shù)應(yīng)用時(shí)，主要在擴(kuò)散和溶液原理的基礎(chǔ)上，在壓力差的作用下實(shí)現(xiàn)膜分離。與自然滲透方式完全相反，反滲透主要在半透膜的作用實(shí)現(xiàn)分離。通過(guò)在溶液濃度較高的一側(cè)施加壓力，確保壓力超過(guò)自然滲透，使?jié)舛雀呷芤褐械牟糠秩軇┠軌蚍聪驖B透，達(dá)到物質(zhì)分離的效果。從應(yīng)用范圍來(lái)看，反滲透膜主要應(yīng)用在低分子濃縮溶液中，比如氨基酸濃縮。在滲透壓力方面，與溶液的性質(zhì)關(guān)系密切，和膜的種類(lèi)關(guān)系不大，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要注意這一點(diǎn)。

2.4 納濾膜分離

在納濾膜分離時(shí)，主要依托吸附和擴(kuò)散的原理開(kāi)展，對(duì)于壓力差也需要相關(guān)的應(yīng)用。此外，納濾膜還涉及反滲透、超濾等工作原理。可以說(shuō)，納濾是一種低壓反滲透的方法，在膜分離技術(shù)中最為先進(jìn)，其分離性能和效果也較好，主要用于截?cái)喾肿恿吭?00-2000的物質(zhì)。納米膜在人工合成原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)該膜的物質(zhì)主要有溶劑和無(wú)機(jī)鹽，和反滲透方式相比，納濾膜壓力相對(duì)較小，在一定程度上達(dá)到節(jié)約動(dòng)力的效果。和超濾膜相比，納濾膜的作用更加明顯，可以截?cái)喔嗳苜|(zhì)，同時(shí)在反滲透階段容易被截?cái)嗟奈镔|(zhì)，納濾膜能夠通過(guò)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，納濾膜的優(yōu)勢(shì)更加明顯。整體來(lái)說(shuō)，納濾膜穩(wěn)定性良好，應(yīng)用范圍也較大，在醫(yī)藥、生物化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，是未來(lái)重要的發(fā)展趨勢(shì)。

2.5 液膜分離技術(shù)

與其他膜分離方式相比，液膜形態(tài)變化較大，這種膜主要由乳液微粒組成，是一種液態(tài)形式結(jié)構(gòu)。根據(jù)擴(kuò)散和溶解的原理，通過(guò)液相膜將不同性質(zhì)的溶液進(jìn)行分離，同時(shí)根據(jù)滲透的原理進(jìn)行提純。而液膜分離過(guò)程的萃取與反萃取分別發(fā)生在液膜界面的兩側(cè)，萃取和反萃取同時(shí)進(jìn)行，溶質(zhì)從料液相萃入膜相，并擴(kuò)散到膜相另一側(cè)，再被反萃入接收相，萃取和反萃取在一級(jí)內(nèi)完成，由此實(shí)現(xiàn)萃取與反萃取的“內(nèi)耦合”。液膜分離方式在很大程度上彌補(bǔ)了其他膜分離方式的不足，比如選擇性低、膜通量小等，這是一種非平衡傳質(zhì)的方式，具有分離和濃縮雙重功能。

3 膜分離技術(shù)的發(fā)展方向和應(yīng)用前景

由于膜分離技術(shù)在生物化工行業(yè)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，比如設(shè)備簡(jiǎn)單可行，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，可低溫操作、無(wú)相變、回收率高等特點(diǎn)，在生物化工行業(yè)得到了普及，比如蛋白質(zhì)、酶等生產(chǎn)。為了提升膜分離技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，在后續(xù)研究中主要從以下幾點(diǎn)來(lái)進(jìn)行：①開(kāi)展多樣化的原材料，材料特點(diǎn)體現(xiàn)低成本、環(huán)保性能好，從經(jīng)濟(jì)效益方面，膜分離技術(shù)成本偏高，且種類(lèi)較少，需要在以后的研究中持續(xù)改進(jìn);②加大膜分離系統(tǒng)操作和工藝方面的優(yōu)化，從而不斷提升膜分離操作效果;③針對(duì)特定物料體系的膜材料、膜組件和膜系統(tǒng)的開(kāi)發(fā);④膜清洗方式和高效清洗藥劑，這樣能夠提升膜分離技術(shù)的回收效率，從而降低生產(chǎn)成本;⑤注重膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的融合，開(kāi)發(fā)出符合現(xiàn)代化生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，推動(dòng)膜分離行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化進(jìn)程;⑥開(kāi)發(fā)膜分離--生物反應(yīng)耦合技術(shù)，在膜分離技術(shù)不斷普及的過(guò)程中，其應(yīng)用深度進(jìn)一步擴(kuò)展，可以預(yù)見(jiàn)，膜分離技術(shù)的應(yīng)用會(huì)進(jìn)一步深化，在生物化工生產(chǎn)中占據(jù)的分量越來(lái)越高，在使用前景上更加廣闊，研究人員要對(duì)此有明確的認(rèn)識(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在生物化工行業(yè)，膜分離技術(shù)是不可或缺的一部分，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，膜分離技術(shù)在應(yīng)用范圍上會(huì)更大，同時(shí)分離、提純的質(zhì)量會(huì)更高。由于化工產(chǎn)品在膜分離技術(shù)需求上存在較大差異性，實(shí)際應(yīng)用時(shí)要考慮應(yīng)用范圍及行業(yè)特點(diǎn)，為生物化工技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造有利條件。我國(guó)在膜分離技術(shù)在取得了一定成績(jī)，但是也面臨不少問(wèn)題，比如分離效率、提純精度等方面仍有待提高，需要在以后得工作中加大研究力度，推動(dòng)生物化工行業(yè)健康、平穩(wěn)發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：

林棟材（1983- ），男，浙江松陽(yáng)人，本科，助理工程師，研究方向：化學(xué)工程與工藝。