膜分離技術在生物化工中的應用

容凡丁（帝國理工學院，倫敦 SW7 2AZ）

0 引言

生物技術、化學工程技術的融合發展，逐漸形成生物化工技術。當前，國家對生物化工技術的關注度提升，并且將其應用到多行業領域。分析生物分離經驗可知，產業制備重點在于下游分離技術，直接決定產品純度、性狀、回收率，且技術研發與應用的成本占比大，成為生物技術產業化發展重點。常規生物分離技術涉及到離心沉淀、萃取、離子交換、過濾工序，整體工藝過程復雜，分離周期長，原材料消耗大，物質回收率較低。產品分離純化處理后，可能會影響物質活性，因此要注重工藝改進。膜分離設備結構簡單、操作方便，具備高效性、節能性優勢，可以實現低溫操作。膜分離操作不僅可以實時分離產物，還可以減少產物抑制，縮短反應時間。在生物化工領域，雖然膜分離技術應用效果顯著，但是技術應用局限比較多，影響應用效果[1]。

1 膜分離技術類型與特點

膜分離技術以選擇性透過膜作為分離介質，操作時需要在膜兩側增加作用力，化學位差、濃度、壓力均屬于反應條件。按照膜分離過程與分離對象劃分，可以分為微濾、超濾、納濾、反滲透。其中，微濾孔徑為0.01～10.00 μm，可以去除小顆粒物、膠體物質。利用微孔徑作用，不僅可以去除蛋白、酶類、發酵液、粗提液雜質，還可以澄清和收集細胞。超濾膜孔徑為0.002～0.020 μm，可以分離處理膠體、大分子物質、濃縮蛋白質、多糖、酶，實現純化處理效果，同時減少病毒與熱源。納濾膜孔徑為1 nm，可以截留高價離子、小分子物質，借助篩分、電荷作用，分離特種物質。反滲透膜是一種致密無孔膜，可以截留離子，使水分子通過。利用分壓差、濃度差可以淡化海水、制備純水、濃縮小分子產品。如圖1所示，為膜分離技術種類與應用[2]。

圖1 膜分離技術種類與應用

有機物脫水、回收貴金屬、分離有機體系中，均可以應用膜分離技術。與傳統技術相比，膜分離技術優勢如下：第一，膜分離不會產生相變，能源消耗少；第二，在常溫、低溫狀態下，膜分離技術可以應用到熱敏性物質分離與濃縮中，比如生化制劑、酵母、蛋白酶等；第三，膜分離具有高選擇性，能夠精確分離目標產品，做好分級、富集處理；第四，適用對象廣，分離可見顆粒物，溶解性離子與氣體；第五，設備結構簡單，簡化操作難度，同時降低檢修難度；第六，降低二次污染，設備操作方便；第七，技術可以實現連續操作，設備利用率高，能夠在密閉系統內循環使用，減少外部污染影響。分離操作時，無需添加化學物質，可循環使用透過液，降低運行成本，控制環境污染；第八，耦合生化反應，減少產物抑制，提升反應速率，增加產能。

2 膜分離技術在生物化工中的應用現狀

膜分離技術可以防止熱敏物質失活，整體回收率高，能夠推廣應用到生物化工領域如蛋白質濃縮與精制，低分子量物質分離與濃縮，酶純化濃縮處理。

蛋白質為大分子生物，存在形式比較復雜。傳統蛋白質分離法包括沉淀法、萃取法，技術操作難度大，時間耗費長，會導致蛋白質變質，降低產品回收率，加劇二次污染。膜分離技術可以改善產品性能質量，分離和純化蛋白質，提升蛋白質回收率。應用膜技術精制纖維素、蛋白質，實施分離操作后，可以作為動物飼料、調節劑，經濟效益高。在低分子量生物分離純化中，膜分離技術的應用優勢顯著，比如在多肽、氨基酸、乳酸、抗生素、低聚糖分離處理，使用生物發酵工藝，確保物質分子質量小于2 000。膜分離技術可以分離、精制物質，通過微濾、超濾能夠去除發酵菌體、膠體與殘渣，透過液使用納濾、反滲透濃縮法處理，保證產品純度，加強產品質量，產品獲得率高。使用微濾、超濾工藝，分離濃縮大豆多肽酶解液，利用微濾法去除大分子雜質、少量懸浮物。

膜分離技術可以分離和純化粗酶液，在分離操作時，如果使用微濾膜去除法，濾膜會污染膠體、顆粒物。因此需要使用納濾膜濃縮透過液，不僅可以確保濃縮純化效果，還可以降低污染。通過物理反應技術，可以消除酶活性影響，溶劑消耗低，操作便捷，可以獲得高純度酶，回收率高。超濾、反滲透技術多應用于生物醫藥制劑處理中，可以實現去熱原效果。在近幾年發展中，膜分離生化反應逐漸融合為膜反應器，為生物工程研究提供新內容[3]。

3 膜分離技術應用問題與對策

膜分離技術的應用優勢顯著，但是其作為新興技術，應用問題較多：第一，膜材料種類少，膜孔徑分布寬，分離效果不佳。不同膜材料具備不同的產品吸附量，當膜選擇不合理時，則會影響產品回收率。因此，注重膜材料與膜組件開發，可以規避上述問題；第二，料液固含量高。在操作過程中，由于膜面濃差極化明顯，對膜通量影響大，所以需要應用錯流處理模式，加快膜面流速，優化膜過濾性能，減少濃差極化現象；第三，對于生化分離料液，由于物質組分復雜，黏度大，因此會影響膜分離技術應用效果，還會加劇膜污染。為了處理以上問題，必須選擇適宜的膜材料，優化膜組件設計與操作；第四，膜清洗難度大，生物化工組分復雜，黏性高，如果使用常規藥劑、清洗方式，無法恢復膜通量。所以，注重研發高效清洗藥劑，確保膜使用效果，同時延長膜壽命；第五，在生物化工領域中，超濾技術的應用比較少，主要是由于產品分離經驗不足，要開發低成本、耐污染膜材料與組件，增設預處理單元，優化料液特性，同時要完善膜分離技術流程、清洗方法，以此保證生物化工產品分離效益[4]。

3.1 降低黏附層阻力

膜過濾工藝遵循錯流流程，過濾液主體垂直經過膜面。膜過濾流速公式如下：

式中：Jv為膜過濾流速。

為了加快膜過濾流速，應當減少阻力，將膜結構轉變為非對稱性結構。同時調節膜空隙率，超濾膜選用非對稱膜。當毛孔堵塞時，利用膜孔分布變化，減少不良影響。

3.2 提升膜基質

溶質作用力，會受到溶質吸附作用影響，所以必須關注膜面黏附層。為了避免溶質大量吸附在膜面上，改變膜材質，則要做好膜前處理。吸附層形成難度大，需要增加膜親水性。注重加強分析膜與溶液附著層關系，準確評價親水性質。

3.3 改善被分離溶液性質

掌握附著層實際結構，可以減少吸附量。然而，生物參與物質種類不同，所以會增加物質調整難度。附著層結構，會受到溶液鹽濃度、溫度影響，從而出現性質變化現象。

3.4 優化膜分離操作條件

附著層垂直影響，膜面水平作用、壓力變化明顯，極易受到操作環境影響。同時，針對附著層、結構、性質問題，當流速壓力越高，則附著層剝離影響越大。當壓力降低時，則附著層剝離難度降低。

3.5 改進分離裝置

揣流裝置會受到附件、動脈、電場影響，因此在流道內部放置海綿球，能夠優化改造分離裝置。逆洗操作時，可以應用壓縮空氣、濾液反吹方式；使用濾液反吹時，注重控制濾液；使用壓縮空氣反吹處理法，需要設置輔助設備，應用全新轉膜附件，確保濾液流動圓盤與方向相互垂直，加強整體過濾效果。

3.6 提高分離度

為了提升分離精度，必須簡化操作工藝與流程。為了減小附著層厚度，應當全面發揮出膜分離作用，提升膜分離精度。但是，當物質差異比較小時，則分離難度比較大。膜分離原理為“截留”原理，膜洗滌處理中，注重去除膜面黏附層。使用膜分離技術時，需要遵循分子篩原理，考慮分離物質大小問題，避免影響吸附作用。同時，轉變常規制膜工藝，確保細孔徑膜分離合理性。

3.7 分離提純中的應用

第一，氨基酸分離與精制：發酵液氨基酸分離與精制，注重應用膜分離技術，使用微濾菌體進行截留與回收處理。使用納濾法處理后，利用等電位結晶法，可以獲取高純氨基酸產品，既可以加強氨基酸質量，提升回收率，還可以減少菌種培養費用，能源消耗低。

第二，抗生素濃縮、純化：抗生素分子質量為300～1 200，多采用發酵生產法。在發酵液體中，利用澄清方式可以分離溶劑；利用減壓蒸餾萃取法，可以獲取抗生素。由于溶劑使用量大，能源消耗高，會降低產品生產效率，所以要注重溶劑回收，廢水與母液排放問題。膜分離技術經濟效益顯著，應用納濾處理法，能夠改進抗生素發酵濾液濃縮與純化工藝；使用親水性納濾膜濃縮發酵濾液，可以加強生產能力，減少萃取劑使用量。在發酵液中，使用溶媒萃取抗生素，應用耐溶劑、疏水性納濾膜，注重萃取液濃縮處理，且透過膜溶媒能夠循環到下一萃取步驟。反滲透發酵液內，注重乙醇、丁醇、丙酮分離，除過納濾濃縮法處理，也可以應用反滲透濃縮抗生素。

第三，酶制劑提純與濃縮：使用超濾技術，可以提純和濃縮酶制劑。以聚醚砜為膜材料，可以確保溶菌酶提純效果。超濾處理后，做好清洗處理，酶得率為63%，純度為98.8%，酶活性為14 610 U/mg。

4 膜分離技術發展方向與應用前景

膜分離技術設備結構簡單，無相變問題，可以實現低溫操作，因此在蛋白質、酶生化產品分離中應用較多。第一，開發多樣化、低成本、耐污染膜材料、膜組件；第二，對于特殊物料體系，注重研發膜材料、膜組件、膜系統；第三，優化膜分離系統、技術工藝、操作參數；第四，開發全新的膜清洗法、清洗藥劑；第五，聯合傳統技術、膜分離技術，開發集成設備與工藝；第六，膜分離、生物反應，可以形成耦合技術，研發耦合設備，推廣應用膜分離技術。應用膜分離技術，可以去除有機物質，采用生物方式實現。通過細菌、蛋白酶，可以分解、過濾污水中的膠體有機物。所以，膜分離技術在生物化工產品分離處理中應用效果顯著，能夠擴展膜分離技術的應用前景[5]。

5 結語

綜上所述，膜分離技術能夠作用于物質提純、物質分離中，尤其是生物化工領域，技術優勢顯著。應用膜分離技術時，注重分析技術優勢與操作要點，討論膜分離技術在生物化工領域的應用不足與問題，從而提出科學的技術應用措施，比如降低黏附層阻力、提升膜基質、改善被分離溶液性質，改進分離裝置，提高分離度等，同時可以阻止吸附層吸附雜質，減少污垢阻力。總之，膜分離技術的應用優勢非常多，所以要不斷探究和討論新技術與新內容，才可以提升生物化工領域的物質分離處理效果。