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1、膜分别技术争辩与应用前景膜分别技术被认为是 20 世纪末至 21 世纪中期最有进展前途,甚至会导致一次工业革命的高技术之一,成为当今世界各国争辩热点。膜分别作为一种进展的高分别技术 ,其应用领域不断扩大,广泛应用于化工、食品、水加工业、医药、环境保护、生物技术、能源工程等领域,并发挥了巨大的作用。我国对膜分别技术的争辩是从 20 世纪 60 年月对离子交换膜的争辩开头的。从 60 年月的反渗透技术到 90 年月的渗透汽化技术,我国的膜分别技术得到了快速的进展。经过几十年的努力,目前我国在膜分别技术争辩开发方面已成功地研制出一批具有有用价值、接近或到达国际先进水平的成果,如无机膜反响分别技术等。
2、1 膜分别技术的原理及优点膜分别是指用半透膜作为障碍层,借助于膜的选择渗透作用,在能量、浓度或化学位差的作用下对混合物中的不同组分进展分别提纯。由于半透膜中滤膜孔径大小不同,可以允许某些组分透过膜层,而其它组分被保存在混合物中,以到达肯定的分别效果。利用膜分别技术来进展分别具有如下 优点： a.膜分别过程装置比较简洁 ,同时操作便利、构造紧凑、修理费用低且便利、易于自动把握；b.膜分别过程一般不涉及相变,无二次污染且能耗较低;膜分别过程可以在室温或低温下操作； c.适宜热敏感物质(酶、药物)的浓缩分别；d.膜分别过程具有相当大的选择性,适用对象广泛,可以分别肉眼看得见的颗粒,也可以分别离子和气
3、体；该过程可以在室温下连续操作,设备易于放大,可以专一配膜,选择适宜的膜,从而得到较高的回收率；e.膜分别处理系统可以在密闭系统中循环进展,因而可以防止外界的污染；f.在过程中不用添加任何外来的化学物质,透过液可以循环使用,从而降低了本钱,并可以削减环境污染。正是由于膜分别技术具有上述优点 ,是现代生物化工分别技术中一种效率较高的分别手段,完全可以取代传统的过滤、吸附、蒸发、冷凝等分别技术 ,所以膜分别技术在生物化工分别工程中起着很大的作用。2 膜分别技术在生物化工应用中存在的问题在操作过程中,膜面易受污染,形成附着层,使膜的性能降低,降低膜的透水率,形成浓差极化现象。为了削减浓差极化,常承受
4、错流流程,即过滤液主体水平流过膜面,而过滤液是垂直通过膜面。此外,在膜分别技术中简洁遇到膜污染问题,即膜的透水量随运行时间延长而下降。因此需承受肯定的方法对膜面或膜内的污染物进展清洗,以使透水量得到提高。常用的清洗方法是高流速水清洗和用化学清洗剂对膜进展清洗。膜分别虽然原理简洁,在生物化工领域广泛应用,但由于生物化工产品种类繁多、性质各异,对膜分别会产生不同的影响,如吸附会使膜孔堵塞等,所以要想很好地利用膜分别技术,必需针对具体过程争辩开发各种防止膜性能降低的装置并探讨有效的操作方法。用膜分别技术处理炼油污水的过程中，在长时间的运行后，污水中被截留的颗粒、胶粒、乳浊液、悬浊液、大分子和盐等会在
5、膜外表或膜孔内吸附、沉积，从而造成膜孔径变小甚至堵塞，即产生了膜污染。膜污染会使膜通量下降，影响分别效果。目前，膜污染被认为是膜分别技术处理炼油污水过程中最重要的限制因素。大量争辩说明，膜污染主要与膜材料和分别体系的性质有关。具体如下：(1) 一般来说，膜面光滑，膜孔分布窄的膜不易被污染。膜的外表性能，如亲水性、疏水性和荷电性也会影响膜的污染程度，通常认为亲水膜更耐污染。(2) 分别体系的性质，包括溶液的温度和 pH 等。温度上升，溶液的粘度降低，膜通量一般会增大，膜不易污染；溶液的pH 则会影响待滤颗粒物的荷电性质，从而影响膜污染程度。在实际应用中解决膜污染的途径主要有：(1) 优化操作条件
6、，如选择最适合的膜、操作温度、溶液性质等都可以在肯定程度上消退膜污染。(2) 清洗则是处理膜污染的常规方法，清洗方法主要有空气反吹冲洗、水反冲洗、空曝气清洗、化学清洗及近年来争辩较多的超声波清洗，清洗需定期进展，清洗频率可依据污染物浓度和处理的效果有所不同。3 膜分别技术在工业中的应用3.1 在植物油精炼中的应用植物毛油主要组份为甘油三酯，此外，还含有少量磷脂、色素、游离脂肪酸、蜡质、甾醇、生育酚、烃类、蛋白质及其降解物等物质。为使植物油到达食用标准要求，一般通过化学或物理精炼方法去除这些物质。传统化学精炼需经脱胶、脱酸、脱色、脱蜡和脱臭等几道工序，存在能量消耗高，中性油损耗大，需大量水和化学
7、试剂，排放物污染严峻及养分成分损失较多等缺点。物理精炼优于化学精炼主要是提高产量，省略皂脚酸化分解工序，削减排放物量;但仍存在原料油脂预处理要求严格，对一些油脂仍不适用，精炼时需要高温、高真空，同时易产生聚合物和反式异构物(反式异构酸)等缺点。而膜分别技术在油脂精炼中应用能抑制上述这些缺点，其优点是操作温度温存，避开油脂氧化，同时简化工艺、减低消耗和削减废水产生。3.2 膜分别技术在乳品工业中的应用3.2.1 除菌应用微滤去除乳制品中细菌是近几年进展起来的技术。l987 年，Piot 等人首次将无机膜用于全脂牛奶的过滤除菌。现在，将巴氏杀菌和无机膜过滤相结合生产浓缩的巴氏杀菌牛奶的过程已实现工
8、业化。此过程是通过半透膜的微孔对细菌及孢子的截留，来实现乳品除菌，具有冷杀菌优势。但由于脂肪球与乳中一般所含细菌大小相像，故脂肪球与细菌会一同被截留于保存液中，为此在整个工艺过程中于微滤之前应先分别脂肪，其目的是为了削减微孔过滤时的膜堵塞，以提高蛋白质的过滤速度，又可以获得良好的浓缩比，且不会因阻孔而形成严峻的流速下降。目前，Alfalaval 公司已将离心和 MF/HTT 工艺结合开发出一种称为“Bactocatch” 的设备；北京三元食品股份依托国家“十五”重大科技成果与国内唯一的ESL 乳生产示范线，首次将微滤技术用于牛乳的除菌，生产出ESL 极致低温杀菌乳，使产品在比通常巴氏杀菌更低的
9、温度下杀菌，就能使保质期延长至 8 天以上。3.2.2 浓缩牛乳的浓缩对牛乳进展浓缩，去除一局部水分，不仅可以削减包装、贮存和运输费用，提高其保藏性，也是作为枯燥或更完全脱水所必需的预处理过程。在牛乳浓缩中应用的膜过程主要是超滤和反渗透。例如，用超滤法可除去牛乳中7080的水；在脱脂乳的浓缩上，用反渗透法可去除 60以上的水分，而用超滤法则可得到蛋白质质量分数高达 80的脱脂浓缩乳。同样，用反渗透法可将原料乳浓缩到固形物质量分数达25，再经真空蒸发，可进一步提高固形物的含量。乳蛋白浓缩乳蛋白浓缩物MPC具有优良的养分功能特性，其传统分别方法是利用蛋白质的等电点分散、酸沉淀、热沉淀，或其它方法沉
10、淀，但都会打乱乳蛋白的自然状态，因而影响其产品的功能特性和养分价值。由于超滤能截留原乳中几乎全部的蛋白质，且允许糖和灰分通过，所以超滤可以应用在乳蛋白的浓缩方面；由于超滤利用蛋白质与乳中其它成分不同的物理特性分子量分别，因此乳蛋白的原始状态不会被打乱和破坏，而且工艺参数可以有选择性地进展，尽量使其对蛋白质浓缩物所造成的损伤降至最小程度。3.2.3 乳蛋白质的标准化标准化乳脂肪可以用离心机来进展，但蛋白质标准化在过去的技术条件下较为困难， 目前可承受超滤和微滤来实现。牛乳中蛋白质含量通常为 2.93.6，由于膜技术具备选择性分别特点，牛乳经过肯定的浓缩后各组分的质量比例打算了牛乳的浓缩程度，可通
11、过把握适宜的浓缩比实现牛乳的标准化操作。通过对乳蛋白质的标准化，可使乳制品生产合理化，提高成品产出率，产生可观的经济效益9。如要求蛋白质含量为 2.8%，可以用超滤中的截流液添加到原乳中以提高蛋白质含量。相反，对蛋白质含量高于 2.8%的原乳， 则可以用超滤中的透析液降低蛋白质含量，多余的蛋白质用以生产其它产品，节约补充蛋白质的本钱。目前承受超滤和微滤技术来对干酪用乳进展蛋白质标准化已很普遍，它可以在脂肪含量标准化的同一条生产线上利用超滤来进展蛋白质的标准化，以实现脂肪、蛋白质的同时标准化，使整个加工过程更易于把握。由于超滤可以截留几乎全部的乳清蛋白，因而提高了干酪的产率；而且蛋白质含量恒定，
12、凝乳酶的添加量以及凝固和搅拌时间也都是一个恒定的参数，使得干酪产品质量稳定，并削减一局部凝乳酶用量。3.2.4 乳清产品乳清蛋白的回收乳清作为干酪生产的副产物，含有原乳几乎全部的乳糖， 20%乳蛋白及大多数的维生素与矿物质。传统将乳清加热枯燥制成全干乳清W P C或乳清蛋白粉回收蛋白质的方法，只能除去水分而使这种乳清粉中的乳糖含量高达 7 3%，矿物质达 1 2%，而蛋白质只有 12%左右，造成乳清粉中养分搭配比例极不协调，限制了它在食品中的应用。承受超滤和反渗透技术，可以在浓缩乳清蛋白的同时，从膜的透过液中除掉乳糖和灰分等，这样就大大扩大了乳清的应用范围。乳清脱盐生产 Cheddar 干酪和
13、其它硬干酪所产生的咸乳清盐含量极高，必需先脱盐然后才能回收、蒸发、枯燥。应用纳滤处理这种乳清时，其中单价金属离子和氯离子可以透过，而二价离子及大多数其它组分都有肯定程度的截留，蛋白质全部被截留。可将被截留的乳清进展循环纳滤直到乳清中含盐量降到要求。用纳滤能有效地除去杂味和盐味，并且不破坏牛奶的风味和养分价值。在美国和欧洲已经有效地使用纳滤对乳去除盐，以取代电渗析。该方法可削减设备投资，节约能耗和运行费用。乳蛋白质分别分级乳蛋白质的分别分级包括乳清蛋白的分级分别和酪蛋白的分级分别。目前国外正在争辩将各种膜分别技术和色谱方法及化学处理、酶处理结合起来，将乳蛋白中各种组分分开。在低 pH 值、适度热
14、处理55，30min条件下， -乳白蛋白会可逆地聚合并与除 -乳球蛋白之外的大局部其它乳清蛋白结合，从而可以用微滤微孔0.2 m或离心分别的方法分别出 -乳球蛋白。此 -乳球蛋白可以用超滤结合电渗析进一步提纯。微滤膜同样可将乳清中 -乳清蛋白和 -乳球蛋白分开。在乳清蛋白分级分别时应留意的是残存脂肪的不利影响，因而残留脂肪的预先分别就成为乳清蛋白分级分别过程的第一步。在酪蛋白分别分级过程中，利用微滤膜孔0.2 m处理脱脂乳可以在保存液中获得酪蛋白胶束，再经超滤、微滤、色谱分别或电泳即可得 -酪蛋白。同样，利用微滤膜膜孔 0.2 m可以分别 -酪蛋白。此外，脱脂的乳清承受超滤手段还可以制备纯的免
15、疫球蛋白，但从经济上考虑不如以初乳为原料更有利。3.2.6 其它方面的应用应用超滤技术制备乳铁蛋白由于超滤法供给了不加热或不发生相变进展大分子质量组分的浓缩、分别的方法，所以它格外适合热敏性的功能性组分的分别。超滤法分别牛初乳中免疫球蛋白 IgG免疫球蛋白 Ig 是机体免疫系统的一个重要组成局部，是人类及高等动物受抗原刺激后体内产生的能与抗原特异性相互作用的一类蛋白质，又称为抗体。I g 一般分为 I g G、IgA、IgD、IgE、IgM 五大类，牛初乳中 IgG 含量占 Ig 总量的 80以上，又因其特定的生理功能而受到广泛关注。争辩说明，通过超滤可将乳清中IgG 含量提高 1 倍左右；超
16、滤压力增加，IgG 含量相应增加，IgG 活性根本不变。当压力为 0.08MPa 时，IgG 含量为 45.98mg/mL， 活性未变，超滤温度增加，初乳中的 IgG 含量先有较小增加然后削减，IgG 活性则下降。在超滤温度为 4 0时，IgG 含量最高，到达 46.85 mg/mL，活性未变。3.3 膜分别技术在酿酒产业中的应用3.3.1 膜分别技术在蒸馏酒上的应用目前,白酒降度生产低度酒是大势所趋,但随之会带来由于酒体中醇溶性高分子物质因酒度降低析出而造成的酒体浑浊问题。去除这些高分子物质目前常用的方法有 :冷冻过滤法、吸附剂吸附法、添加助滤剂等，这些方法在应用上存在各种问题。应用国内研制的活性炭复合微滤膜有效滤除了白酒因降度而产生的白色浑浊物 ,还能有效去除或削减酒的苦味、辛辣味及杂
