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1、膜过滤技术及其应用膜过滤技术及其应用摘要：摘要：陶瓷膜过程作为一门新型的高效分离、浓缩、提纯及净化技术, 近 30 年来发展迅速, 已经在石油化工、轻工纺织、食品、医药、环保等多个领域得到广泛应用1 。膜分离技术具有操作简单、占地面积小, 处理过程中无相变及不会产生新的污染物质、分离效果好等优点, 近年来在水处理领域中得到广泛应用。本文就膜过滤的研究进展，膜材料以及它的应用作简要叙述。关键词关键词：滤膜滤膜; ; 分离技术；应用分离技术；应用引言随着科技和工业化生产的发展，能源、资源、三废治理等问题更加受到重视。尤其是生物化工、精细化工、能源材料等高技术领域的迅速发展，对液、固分离技术的研究和
2、开发提出更高的要求，高分离精度、高运行效率的微孔过滤技术及微孔过滤材料愈来愈引起人们的重视。微孔陶瓷材料由于具有孔隙率高、透气阻力小、可控孔径、清洗再生方便以及耐高温、高压、耐化学介质腐蚀等特点，在许多领域具有较大的应用市场1。以微孔陶瓷材料做过滤介质的陶瓷微过滤技术及陶瓷过滤装置由于其不仅解决了高温、高压、强酸碱和化学溶剂介质等难过滤问题，而且由于本身具有过滤精度高、洁净状态好以及容易清洗、使用寿命长等特点，目前已在石油、化工、制药、食品、环保和水处理等领域得到广泛应用。20 世纪70 年代以来,利用生物亲和相互作用，分离蛋白质等生物大分子的亲和纯化技术迅速发展。其中亲和层析技术已得到广泛应
3、用，但是亲和层析法亦存在许多难以克服的缺点: （1) 亲和载体价格昂贵,使用寿命短;（2) 色谱柱易堵塞和污染，需对原料进行预处理以除去颗粒性杂质；（3) 难以实现连续操作和规模放大2。 目前亲和层析法仅局限于价值极高的生物活性物质的小批量纯化. 为克服膜过滤和亲和层析的缺点,发展了亲和膜过滤技术，不仅利用了生物分子的识别性能，分离低浓度的生物制品，而且膜的渗透性及通量大,能在纯化的同时实现浓缩，此外还有操作方便、设备简单、便于大规模生产的特点，展前景引人瞩目。一 膜过滤的分类11 微孔过滤膜 微孔过滤膜的孔径O1l0微米，多为对称性多孔膜，可分离大的胶体粒子和悬浮微粒，适用在低压(03Mpa
4、)条件下过滤，如应用于制备无菌水、药品、饮料和酒类过滤。我国湖北阳新药械制造厂、温州市东瓯水处理器材厂为主要厂商3。1.2 超滤膜 孔径为000101微米，一般为非对称性膜。可分离淀粉、果胶及悬浮固形物等大的合成分子。截留分子量范围一般为500到50万。纯水工作压力为03Mpa，一般在常温下进行操作。特别适用于热敏性物质的浓缩与分离。如应用超滤装置对乳制品、生物制品、果酒、果汁的分离和提纯、蛋白质浓缩、饮用纯净水等。随着生物技术的飞速发展。超滤膜分离技术在生物技术中的应用越来越广泛。目前已在酶制剂、疫苗、药物、基因生物制品、农用抗菌素、钩端螺旋体菌苗和马血清生物制剂的分离、浓缩和提纯中应用。近
5、年来在酶膜 应器中大规模细胞培养方面也有新的进展。国内的主要厂商有中国科学院上海原子核研究所和上海生生饮用水有限公司。1.3 反渗透膜 其孔径0000 l00ol微米工作压力比超滤膜的高。通常反渗透膜运行的切割分子量小于500。能截留盐或小分子量有机物，使水选择性通过或气体通过。如应用在海水脱盐、天然气提纯、回收有机物蒸气、气体分离技术、制备富氧空气、干燥氮气、氧氮分离、氢氮分离、果汁和蔬菜汁加工等。从合成氨气中回收氢，亦适用于石化行业中的尾气提纯属2O世纪9O年代的世界高新技术。国外为满足各种不同用途的需要，增加薄膜强度及使用寿命，已开发薄膜与金属网的复合物，薄膜与优选织物的复合物。双层、3
6、层、强化薄膜及带电荷薄膜等新品种。1.4 纳滤膜 过滤精度孔径0000 5-00o5微米，切割分子量为200l 000；持留通过纳滤膜的溶质介于传统分离范围的超滤和反渗透之间，如盐类。适用范围为海水淡化、超纯水、多糖、乳酸、酪素和抗菌素浓缩等。2 膜过滤的应用2. 1 医药行业中的应用4早在一百多年前,国外就有微孔滤膜的生产,但只是在近 30 年才在制药行业得到应用,用于医院大输液的过滤仅有十几年的历史。一般过滤除菌处理流程是由粗过滤、预过滤和除菌过滤 3 个过滤单元组成,各过滤单元选用的基本准则是粗过滤价格要便宜,预过滤精度要合适,除菌过滤必须可靠。除菌方式包括:筛分拦截、嵌入拦截、扩散拦截
7、和吸附拦截。在我国制药业已经使用微滤(滤膜孔径 0. 22m)技术对澄清的药液再次除菌、除热原。亦有使用超滤方法去除抗生素中热原物质,此法是一种通过美国食品与药品管理局( FDA)认证的除热原方法,其原理是使用孔径小于热原分子量的超滤膜截断热原,让料液通过,具有设备操作简便、材质不污染料液、获得率高、质量好、劳动强度小的优点,可广泛应用于针剂、原料、注射用水等产品的生产。我国上海生物制品研究所,采用 MilliPore 293 型滤器对重组干扰素 lb 及 进行过滤除菌,过滤后对干扰素活性无影响,热原物质均能达到肌肉注射标准,无菌检测合格。山东泰安生物制品研究所,应用微滤(滤膜孔径 0. 22
8、m)技术对胸腺素注射液进行除菌过滤,并试用于蛋白制品、转移因子的除菌,其除菌过滤效果稳定可靠,损失率少;但不同制品其过滤速度有较大差别,胸腺素、转移因子等制剂可直接用微孔滤膜代替石棉板除菌,对于未澄清、粘度大的制品可在除菌前采用 0. 8m 以上的滤膜预滤,再行除菌,可达到满意效果。2. 2 食品工业上的应用传统的食品消毒方法,多采用加热杀菌法,但会给食品的品质带来不利的影响,如变色、变味、营养损失等。随着人们生活和消费水平的提高以及科学技术的发展,一些非加热的消毒技术应运而生,并逐渐在实践中得到推广应用,过滤即是常用的手段之一。在糖厂、酒厂及清凉饮料厂,过滤除菌技术常用于去除粗糖液、酒及水质
9、中可能污染的细菌。日本早已把过滤技术应用于鲜啤酒生产。其目的是除去混浊悬浮物(主要是酒花树脂、单宁、蛋白质等)及酵母、乳酸菌等微生物,改善口味和提高透明度。美国、德国、日本等发达国家在二十世纪 80 年代初已在生鲜啤酒生产中采用了滤膜过滤技术,而且应用相当普遍。国内使用微孔膜错流过滤技术,应用于葡萄酒澄清工艺中,减少了产品的氧化,避免了芳香物、营养素和功能成分(如白黎芦醇等)的损失。亦有使用中空纤维超滤膜分离技术对成品醋进行过滤,可在保留食醋原有盐分、氨基酸、总酸度、pH 值、还原糖等有效成分的同时,有效去除细菌、大分子有机物、悬浮颗粒杂质及部分有毒有害物质,其感官指标和微生物指标远低于 GB
10、l 8187 - 2000 固态发酵标准。52. 3 检验领域的应用2.3.1 在临床检验中的应用国内医疗单位,在生化检验中使用不同孔径的微孔滤膜分离蛋白质,可以选择性地截留血清或体液中各种不同分子量大小的蛋白质。该方法简便、经济、用量少,是临床检验和科研工作中一种方便的分离蛋白质方法;在微生物检验中能提高结核菌及痢疾杆菌的检出率;在免疫学检验中利用硝酸纤维素膜- EL ISA 法可以检测 HBcAg,方法是将待测血清中乙肝病毒颗粒先与抗 HBc 作用,形成较大的免疫复合物颗粒,经过滤浓集于 NC 膜上,然后在 3mol/L NaCNS 作用下裂解,暴露出 HBcAg,与 HRP - 抗 HB
11、c 反应后显色,在此微孔滤膜起浓缩作用。2.3.2 微生物限度检查在检测 75%乙醇溶液的微生物限度时,取一定量的 75%乙醇溶液用孔径 0. 45m 薄膜过滤,再用无菌生理盐水反复冲洗,在无菌状态下移至营养琼脂平板,同时以无菌生理盐水滤膜作阴性对照,在 30条件下培养,观测结果。在检测含抑菌成分的药品微生物限度(细菌、霉菌酵母菌数)时,使用滤膜过滤法与洗脱法比较,结果洗脱法不能正确反映被检品染菌量,平均回收率仅为 13% ,而滤膜过滤法能定量反映被检品的染菌量,平均回收率达 97% ,且操作方便、步骤少。该法采用了陶瓦盖,所得菌落饱满、凸现,便于观察、计数和分类定性。在检测使用中消毒剂的微生
12、物污染状况时,使用滤膜过滤法可去除抑菌物质,较真实的反映实际情况。在检测液体食品和饮料中细菌总数和大肠菌群数、酵母菌、霉菌时,采用滤膜过滤的方法,灵敏性、准确性较高,检出率高,可以代替平皿倾注法、多管发酵法。用滤膜过滤法在细菌培养过程中其代谢产物和拮抗物质不易横向扩散,有利于菌落的独立生长,避免菌落的迁延现象,排除了优势菌群的干扰,菌落易于分辨,提高了实验的准确性。2.3.3 水质检测5滤膜过滤技术在水质微生物检验方面应用很广,现行的国际标准 ISO386 - 2 - 1988 就是用滤膜法对铜绿假单胞菌进行测定和计数。ISO7899 - 1984 也是用滤膜法对粪链球菌进行测定和计数。美国学
13、者 ThomasM 等人曾用这些技术调查了哈得孙河口粪链球菌的情况。滤膜可以滤过大量水样,通过加大取样量,对样品进行浓缩,这对于纯净水等采用直接取样法不易检出阳性的样品,可以提高检出率,具有实际应用价值。滤膜过滤与荧光技术相结合,可用来检测大肠菌群,即采用能被 - GAD 酶水解产生强荧光物 4 - 甲基伞形酮(4- Mu)的 4 - 甲基伞形基- - 半乳糖苷(简称 MUGAL)为底物,与滤膜技术相结合,使大肠菌群在微孔膜上形成特殊的荧光斑点,以此来定量检测饮用水及公共用品中的大肠菌群。以下是陶瓷膜过滤在水质检测中工艺流程。图一 不同类型的陶瓷膜11、原料泵 2、反冲泵原料罐滤液罐2集成陶瓷
14、膜过滤器图二 陶瓷膜工艺流程2.3.4 消毒剂鉴定中的应用在臭氧水对微生物的杀灭效果鉴定中,因臭氧水机连续不断的产生臭氧水,且臭氧在水中的溶解度低、极易降解挥发,故将新发生的臭氧水直接流到染菌滤膜(孔径= 0.45m)上,同时开启抽气泵抽滤,使臭氧水连续不断的作用至预定时间,来测定臭氧水机的杀菌效果。因滤膜孔径小于细菌直径,阻碍了细菌随水流失,避免了样机出水冲洗掉的细菌数被误算为已杀灭的细菌数,使实验结果更准确。在对植物消毒剂杀菌试验的过程中,分别采用过滤法及稀释法去除残留药物,过滤法以贴膜的方式培养细菌,测得对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的杀灭率较稀释法为高,表明过滤法有较好的去除残留药物作用。
15、在对中草药消毒剂杀菌试验的过程中,分别采用 3%吐温 80、1%卵磷脂与滤膜过滤法来去除残留的消毒剂,发现对金黄色葡萄球菌的杀灭率,滤膜法为低,表明前者所致细菌的复苏率较滤膜法为低。采用微孔滤膜过滤和比浊法测试不同浓度的氧氟沙星喷雾剂稀释液的体外杀菌效果,同时用菌落计数法进行比较,并在扫描电镜下观察受作用后的菌态的变化。发现微孔滤膜可拦截供试菌,再用灭菌蒸馏水冲洗氧氟沙星作用后的带菌滤膜可视为药物已无残余。与比浊法、菌落计数法相比,可得到等同的实验结果,并且更简便、快捷。2.3.5 微菌落技术中的应用细菌微菌落技术由于具有快速、经济、实用的特点,国外学者已将其用于水、乳等食品的细菌数快速定量测
16、定,将滤膜过滤法与其相结合,以抽滤方式将待测水样 lml 接种于混合纤维素膜上,然后贴在琼脂平板上 37培养 12 h,取下膜透明处理、沙黄染色后显微镜计数。该方法能在 13 h 内报告结果,比常规平板计数法快近 l 倍,且结果可长期保存,膜上的微菌落放置半年后,仍可清楚计数。在我国滤膜过滤技术已得到广泛应用,但在滤膜的品种、规格及膜质量与产业化方面与国际先进水平比较还有相当的差距;可开发的领域、技术还十分广泛,应用中有许多问题有待去研究、解决、完善、提高。三 发展方向（1）通过优化工艺配方和工艺过程，制备高孔隙率高强多孔陶瓷材料，提高材料气孔均匀性：气孔率和孔径是多孔陶瓷材料的主要微孔性能指标，在满足其它强度的情况下，适当提高材料的气孔率，可以大幅度提高材料的透气性能，降低单位面积材料的流体透过阻力，提高过滤效率。为此，可以通过在多孔陶瓷基体中引入陶瓷纤维，或通过采用编制陶瓷纤维利用化学气相沉积技术来制备高强、高空隙率的陶瓷纤维复合多孔陶瓷材料。（2）降低材料成本，制备大尺寸多孔
