容凡?。ǖ蹏?guó)理工學(xué)院，倫敦 SW7 2AZ）

0 引言

生物技術(shù)、化學(xué)工程技術(shù)的融合發(fā)展，逐漸形成生物化工技術(shù)。當(dāng)前，國(guó)家對(duì)生物化工技術(shù)的關(guān)注度提升，并且將其應(yīng)用到多行業(yè)領(lǐng)域。分析生物分離經(jīng)驗(yàn)可知，產(chǎn)業(yè)制備重點(diǎn)在于下游分離技術(shù)，直接決定產(chǎn)品純度、性狀、回收率，且技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的成本占比大，成為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展重點(diǎn)。常規(guī)生物分離技術(shù)涉及到離心沉淀、萃取、離子交換、過(guò)濾工序，整體工藝過(guò)程復(fù)雜，分離周期長(zhǎng)，原材料消耗大，物質(zhì)回收率較低。產(chǎn)品分離純化處理后，可能會(huì)影響物質(zhì)活性，因此要注重工藝改進(jìn)。膜分離設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，具備高效性、節(jié)能性優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)低溫操作。膜分離操作不僅可以實(shí)時(shí)分離產(chǎn)物，還可以減少產(chǎn)物抑制，縮短反應(yīng)時(shí)間。在生物化工領(lǐng)域，雖然膜分離技術(shù)應(yīng)用效果顯著，但是技術(shù)應(yīng)用局限比較多，影響應(yīng)用效果[1]。

1 膜分離技術(shù)類型與特點(diǎn)

膜分離技術(shù)以選擇性透過(guò)膜作為分離介質(zhì)，操作時(shí)需要在膜兩側(cè)增加作用力，化學(xué)位差、濃度、壓力均屬于反應(yīng)條件。按照膜分離過(guò)程與分離對(duì)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(zhì)。利用微孔徑作用，不僅可以去除蛋白、酶類、發(fā)酵液、粗提液雜質(zhì)，還可以澄清和收集細(xì)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(zhì)、濃縮蛋白質(zhì)、多糖、酶，實(shí)現(xiàn)純化處理效果，同時(shí)減少病毒與熱源。納濾膜孔徑為1 nm，可以截留高價(jià)離子、小分子物質(zhì)，借助篩分、電荷作用，分離特種物質(zhì)。反滲透膜是一種致密無(wú)孔膜，可以截留離子，使水分子通過(guò)。利用分壓差、濃度差可以淡化海水、制備純水、濃縮小分子產(chǎn)品。如圖1所示，為膜分離技術(shù)種類與應(yīng)用[2]。

圖1 膜分離技術(shù)種類與應(yīng)用

有機(jī)物脫水、回收貴金屬、分離有機(jī)體系中，均可以應(yīng)用膜分離技術(shù)。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，膜分離技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：第一，膜分離不會(huì)產(chǎn)生相變，能源消耗少；第二，在常溫、低溫狀態(tài)下，膜分離技術(shù)可以應(yīng)用到熱敏性物質(zhì)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(biāo)產(chǎn)品，做好分級(jí)、富集處理；第四，適用對(duì)象廣，分離可見(jiàn)顆粒物，溶解性離子與氣體；第五，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化操作難度，同時(shí)降低檢修難度；第六，降低二次污染，設(shè)備操作方便；第七，技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作，設(shè)備利用率高，能夠在密閉系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)使用，減少外部污染影響。分離操作時(shí)，無(wú)需添加化學(xué)物質(zhì)，可循環(huán)使用透過(guò)液，降低運(yùn)行成本，控制環(huán)境污染；第八，耦合生化反應(yīng)，減少產(chǎn)物抑制，提升反應(yīng)速率，增加產(chǎn)能。

2 膜分離技術(shù)在生物化工中的應(yīng)用現(xiàn)狀

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

蛋白質(zhì)為大分子生物，存在形式比較復(fù)雜。傳統(tǒng)蛋白質(zhì)分離法包括沉淀法、萃取法，技術(shù)操作難度大，時(shí)間耗費(fèi)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)變質(zhì)，降低產(chǎn)品回收率，加劇二次污染。膜分離技術(shù)可以改善產(chǎn)品性能質(zhì)量，分離和純化蛋白質(zhì)，提升蛋白質(zhì)回收率。應(yīng)用膜技術(shù)精制纖維素、蛋白質(zhì)，實(shí)施分離操作后，可以作為動(dòng)物飼料、調(diào)節(jié)劑，經(jīng)濟(jì)效益高。在低分子量生物分離純化中，膜分離技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)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(fā)酵工藝，確保物質(zhì)分子質(zhì)量小于2 000。膜分離技術(shù)可以分離、精制物質(zhì)，通過(guò)微濾、超濾能夠去除發(fā)酵菌體、膠體與殘?jiān)?，透過(guò)液使用納濾、反滲透濃縮法處理，保證產(chǎn)品純度，加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)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(zhì)、少量懸浮物。

膜分離技術(shù)可以分離和純化粗酶液，在分離操作時(shí)，如果使用微濾膜去除法，濾膜會(huì)污染膠體、顆粒物。因此需要使用納濾膜濃縮透過(guò)液，不僅可以確保濃縮純化效果，還可以降低污染。通過(guò)物理反應(yīng)技術(shù)，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(shù)多應(yīng)用于生物醫(yī)藥制劑處理中，可以實(shí)現(xiàn)去熱原效果。在近幾年發(fā)展中，膜分離生化反應(yīng)逐漸融合為膜反應(yīng)器，為生物工程研究提供新內(nèi)容[3]。

3 膜分離技術(shù)應(yīng)用問(wèn)題與對(duì)策

膜分離技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著，但是其作為新興技術(shù)，應(yīng)用問(wèn)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(chǎn)品吸附量，當(dāng)膜選擇不合理時(shí)，則會(huì)影響產(chǎn)品回收率。因此，注重膜材料與膜組件開(kāi)發(fā)，可以規(guī)避上述問(wèn)題；第二，料液固含量高。在操作過(guò)程中，由于膜面濃差極化明顯，對(duì)膜通量影響大，所以需要應(yīng)用錯(cuò)流處理模式，加快膜面流速，優(yōu)化膜過(guò)濾性能，減少濃差極化現(xiàn)象；第三，對(duì)于生化分離料液，由于物質(zhì)組分復(fù)雜，黏度大，因此會(huì)影響膜分離技術(shù)應(yīng)用效果，還會(huì)加劇膜污染。為了處理以上問(wèn)題，必須選擇適宜的膜材料，優(yōu)化膜組件設(shè)計(jì)與操作；第四，膜清洗難度大，生物化工組分復(fù)雜，黏性高，如果使用常規(guī)藥劑、清洗方式，無(wú)法恢復(fù)膜通量。所以，注重研發(fā)高效清洗藥劑，確保膜使用效果，同時(shí)延長(zhǎng)膜壽命；第五，在生物化工領(lǐng)域中，超濾技術(shù)的應(yīng)用比較少，主要是由于產(chǎn)品分離經(jīng)驗(yàn)不足，要開(kāi)發(fā)低成本、耐污染膜材料與組件，增設(shè)預(yù)處理單元，優(yōu)化料液特性，同時(shí)要完善膜分離技術(shù)流程、清洗方法，以此保證生物化工產(chǎn)品分離效益[4]。

3.1 降低黏附層阻力

膜過(guò)濾工藝遵循錯(cuò)流流程，過(guò)濾液主體垂直經(jīng)過(guò)膜面。膜過(guò)濾流速公式如下：

式中：Jv為膜過(guò)濾流速。

為了加快膜過(guò)濾流速，應(yīng)當(dāng)減少阻力，將膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍?duì)稱性結(jié)構(gòu)。同時(shí)調(diào)節(jié)膜空隙率，超濾膜選用非對(duì)稱膜。當(dāng)毛孔堵塞時(shí)，利用膜孔分布變化，減少不良影響。

3.2 提升膜基質(zhì)

溶質(zhì)作用力，會(huì)受到溶質(zhì)吸附作用影響，所以必須關(guān)注膜面黏附層。為了避免溶質(zhì)大量吸附在膜面上，改變膜材質(zhì)，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(qiáng)分析膜與溶液附著層關(guān)系，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)親水性質(zhì)。

3.3 改善被分離溶液性質(zhì)

掌握附著層實(shí)際結(jié)構(gòu)，可以減少吸附量。然而，生物參與物質(zhì)種類不同，所以會(huì)增加物質(zhì)調(diào)整難度。附著層結(jié)構(gòu)，會(huì)受到溶液鹽濃度、溫度影響，從而出現(xiàn)性質(zhì)變化現(xiàn)象。

3.4 優(yōu)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(huán)境影響。同時(shí)，針對(duì)附著層、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)問(wèn)題，當(dāng)流速壓力越高，則附著層剝離影響越大。當(dāng)壓力降低時(shí)，則附著層剝離難度降低。

3.5 改進(jìn)分離裝置

揣流裝置會(huì)受到附件、動(dòng)脈、電場(chǎng)影響，因此在流道內(nèi)部放置海綿球，能夠優(yōu)化改造分離裝置。逆洗操作時(shí)，可以應(yīng)用壓縮空氣、濾液反吹方式；使用濾液反吹時(shí)，注重控制濾液；使用壓縮空氣反吹處理法，需要設(shè)置輔助設(shè)備，應(yīng)用全新轉(zhuǎn)膜附件，確保濾液流動(dòng)圓盤與方向相互垂直，加強(qiáng)整體過(guò)濾效果。

3.6 提高分離度

為了提升分離精度，必須簡(jiǎn)化操作工藝與流程。為了減小附著層厚度，應(yīng)當(dāng)全面發(fā)揮出膜分離作用，提升膜分離精度。但是，當(dāng)物質(zhì)差異比較小時(shí)，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(shù)時(shí)，需要遵循分子篩原理，考慮分離物質(zhì)大小問(wèn)題，避免影響吸附作用。同時(shí)，轉(zhuǎn)變常規(guī)制膜工藝，確保細(xì)孔徑膜分離合理性。

3.7 分離提純中的應(yīng)用

第一，氨基酸分離與精制：發(fā)酵液氨基酸分離與精制，注重應(yīng)用膜分離技術(shù)，使用微濾菌體進(jìn)行截留與回收處理。使用納濾法處理后，利用等電位結(jié)晶法，可以獲取高純氨基酸產(chǎn)品，既可以加強(qiáng)氨基酸質(zhì)量，提升回收率，還可以減少菌種培養(yǎng)費(fèi)用，能源消耗低。

第二，抗生素濃縮、純化：抗生素分子質(zhì)量為300～1 200，多采用發(fā)酵生產(chǎn)法。在發(fā)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(huì)降低產(chǎn)品生產(chǎn)效率，所以要注重溶劑回收，廢水與母液排放問(wèn)題。膜分離技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著，應(yīng)用納濾處理法，能夠改進(jìn)抗生素發(fā)酵濾液濃縮與純化工藝；使用親水性納濾膜濃縮發(fā)酵濾液，可以加強(qiáng)生產(chǎn)能力，減少萃取劑使用量。在發(fā)酵液中，使用溶媒萃取抗生素，應(yīng)用耐溶劑、疏水性納濾膜，注重萃取液濃縮處理，且透過(guò)膜溶媒能夠循環(huán)到下一萃取步驟。反滲透發(fā)酵液內(nèi)，注重乙醇、丁醇、丙酮分離，除過(guò)納濾濃縮法處理，也可以應(yīng)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(shù)，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(shù)發(fā)展方向與應(yīng)用前景

膜分離技術(shù)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)相變問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)低溫操作，因此在蛋白質(zhì)、酶生化產(chǎn)品分離中應(yīng)用較多。第一，開(kāi)發(fā)多樣化、低成本、耐污染膜材料、膜組件；第二，對(duì)于特殊物料體系，注重研發(fā)膜材料、膜組件、膜系統(tǒng)；第三，優(yōu)化膜分離系統(tǒng)、技術(shù)工藝、操作參數(shù)；第四，開(kāi)發(fā)全新的膜清洗法、清洗藥劑；第五，聯(lián)合傳統(tǒng)技術(shù)、膜分離技術(shù)，開(kāi)發(fā)集成設(shè)備與工藝；第六，膜分離、生物反應(yīng)，可以形成耦合技術(shù)，研發(fā)耦合設(shè)備，推廣應(yīng)用膜分離技術(shù)。應(yīng)用膜分離技術(shù)，可以去除有機(jī)物質(zhì)，采用生物方式實(shí)現(xiàn)。通過(guò)細(xì)菌、蛋白酶，可以分解、過(guò)濾污水中的膠體有機(jī)物。所以，膜分離技術(shù)在生物化工產(chǎn)品分離處理中應(yīng)用效果顯著，能夠擴(kuò)展膜分離技術(shù)的應(yīng)用前景[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，膜分離技術(shù)能夠作用于物質(zhì)提純、物質(zhì)分離中，尤其是生物化工領(lǐng)域，技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著。應(yīng)用膜分離技術(shù)時(shí)，注重分析技術(shù)優(yōu)勢(shì)與操作要點(diǎn)，討論膜分離技術(shù)在生物化工領(lǐng)域的應(yīng)用不足與問(wèn)題，從而提出科學(xué)的技術(shù)應(yīng)用措施，比如降低黏附層阻力、提升膜基質(zhì)、改善被分離溶液性質(zhì)，改進(jìn)分離裝置，提高分離度等，同時(shí)可以阻止吸附層吸附雜質(zhì)，減少污垢阻力?？傊?，膜分離技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)非常多，所以要不斷探究和討論新技術(shù)與新內(nèi)容，才可以提升生物化工領(lǐng)域的物質(zhì)分離處理效果。