膜分離技術在生物科技中的應用與進展

馬呈鑫

（華中農業大學 生命科學技術學院 生工1103班，武漢 430070）

膜分離技術在生物科技中的應用與進展

馬呈鑫

（華中農業大學 生命科學技術學院 生工1103班，武漢 430070）

膜分離技術作為現代分離技術中的核心技術之一與現代科技已經緊密的聯系在了一起。而它與生命科技的結合更是使它“英雄有用武之地”，推動了生命科學的一系列進展：小分子有機物的分離純化，人工器官尤其是人工腎臟的制造和完善，用于污水處理的膜生物反應器等等都離不開膜分離技術的發展。本文將就膜分離技術與現代生命科學的結合為切入點，粗淺的介紹一下膜技術的一些基本特點與基本方法和我個人對于這項潛力巨大的技術的展望。

膜分離； 生物科技； 小分子有機物分離； 蛋白質分離； 膜生物反應器

1 膜分離技術的發展現狀以及其在分離技術中的地位

1.1 膜分離技術的簡介

膜分離技術是指借助膜的選擇滲透作用，在外界能量或化學位差的推動作用下對混合物中溶質和溶劑進行分離，分級，提純和富集。根據膜材質和孔徑大小的不同，我們可以將膜分離技術分為一般微濾（MF），超濾（UF），反滲透（RO），納濾（NF）等等。

膜分離技術自從20世紀60年代被用于工業生產以來，經歷了膜材質從大孔徑到小孔徑，推動力從重力場到多種電化學作用共同作用的發展模式。自從上世紀90年到之后TFC膜（低壓聚酰胺復合膜）的成功研制之后，膜分離技術在現代化工和生物工程的各個方面都得到了廣泛的應用。

1.2 膜分離技術的獨特優勢

而在這些現代分離技術中，膜分離技術的基本原理是利用高分子薄膜的選擇透過性為分離的基本原理，以壓力差，電勢差，電滲差等為動力，以達到物質在薄膜間的傳質而達到分離的目的。因此在經歷了：微孔過濾，滲析，電滲析，反滲透，超濾，氣體分離，滲透氣化等發展過程后［1］，現代膜分離技術具有反應條件要求低（常溫下即可發生）；是一個物理過程，不發生化學變化所以損耗較小；膜分離過程中多以壓力差為動力（滲透壓也包括在內）；膜的性質穩定的情況下膜分離系統可以有極大的分離范圍；膜分離過程的研究比較透徹，分離的流程控制比較容易控制從而得到更高純度的分離產物［2］。這些優點都使得它在實際運用中都具有很高的價值，而被廣泛使用在工業和科研中。

1.3 膜分離技術與生命科學的結合

近些年來生物領域飛速發展，一系列系統理論的建立使得生物科學向更精細更嚴謹的方向發展，人們對于生物制品需求擴大的同時對其的安全性可靠性的要求也越來越高。尤其是分子生物學的建立使得生命科學的范疇更加靠近生命的本質。而隨著分子生物學的發展，它對與物質的分離與鑒定的要求也越來越高，傳統的分離手段已經無法滿足，但膜分離技術等為代表的現代分離技術（其特點前文已述）卻很好的迎合了他的需求，因此被廣泛的運用于科研與實際生產過程中。

2 現代膜分離技術的基本過程與原理詳細

2.1 膜分離技術的基本原理以及其分類

以壓力差為推動力的液體膜分離過程通常可根據分離對象的大小和膜的不同分為微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）和反滲透（RO）。根據待分離樣品的性質以及分離所選用薄膜的性質尤其是薄膜的孔徑的大小還有分離純度，分離時間，分離速率等方面的要求可以有針對性的選取合適的分離方法，以達到分離預期結果［3］。

2.2 膜分離技術的不同操作模式

膜分離技術原理簡單，因此它的工藝流程也便于標準化。由于待分離物質中我們想要的目的產物的分子量各有不同，我們的目標產物最終出現的位置也不同：小分子物質一般會通過薄膜最終在濾過液中富集。而大分子物質會在膜的另一側由于無法濾過被截留在濃縮液中。為了使膜分離過程中的損耗盡可能的小，時間盡可能的短，我們會在料液中添加滲濾溶劑，它可以和小分子組分互相作用和小分子物質一同穿過薄膜從而加速小分子物質過膜速率，使大分子與小分子物質的分離加速，從而解決了高濃度的溶液過膜速率過慢的問題。收集濃縮液得到其中被截留的大分子稱為濃縮。與此不同，利用滲濾溶劑進行的膜分離過程稱為滲濾。

在實際工作中二者往往搭配使用，操作過程由預濃縮、恒容滲濾和后濃縮三個階段組成：利用濃縮模式使料液的濃度上升，在過膜速率出現了明顯下降的時候轉化為滲濾模式，從而達到克服高濃度料液透過速率低，減少濃差極化與膜污染的目的，加快分離速率以免影響物質活性的目的。有時為使純度達到要求還可以采用多級分離的方法從而使物質分離的更加徹底。

在選擇具體的膜分離方式時，我們要考慮的因素有：與上下操作間的銜接，對于膜使用壽命的影響，分離效果的好壞等等。

2.3 膜分離的計算模型以及效果衡量

膜分離的傳質原理有兩個主流理論：雙模理論和溶質穿透理論。

雙模理論認為，氣液界面間存在的氣膜和液膜集中了主要的傳質阻力，溶質分子在這兩個膜層內梯度擴散，按照Fick第一定律進行計算。

其中，J為擴散速率，D為擴散系數，dC/dX為濃度梯度。

溶質穿透理論認為，氣液兩相在接觸前都是均一的，接觸后開始互相擴散。靠近界面處溶質濃度大。在一定時間后，液體達到均一飽和狀態，此時兩相處于動態平衡狀態。可以按照Fick第二定率計算。

其中C為濃度，t為時間，D為傳質系數，x為離界面的間距。其中D與濃度無關，否則要修正為：

衡量膜的好壞時主要看膜的分離性能與透過性能，主要是指截留率，分離系數，濃差極化，壓密，膜污染速率等系數。但是在工藝上來說膜分離效果的衡量主要包括兩個主要參數：分離時間與分離效果（主要用小分子去除效果來衡量）。

2.3.1 分離效果，以小分子去除效果為例：

公式右端是大分子物質濃度除以小分子物質濃度，可以用來表示小分子物質的去除效果。

公式左端表示的過程是料液稀釋后，再濃縮至原體積，重復n次。S1與S2分別表示經過膜前后溶液中小分子物質的濃度。

其中：V0—物料初始體積，L

VP—總透過液或補加的滲濾溶劑量，L

R—膜對小分子物質的截留率

2.3.2分離時間：

其中：t過程時間、

A膜面積

VP滲濾溶劑量

3 膜分離技術在生物科技領域使用的具體實例

3.1 膜分離技術在小分子有機物分離過程中的應用

常常使用膜分離技術進行分離的小分子物質包括：多肽，氨基酸，抗生素，乳酸，低聚糖等。此處以氨基酸為例進行分析。

氨基酸的膜分離：由于氨基酸本身是兩性物質，有自己的等電點，因此我們在分離氨基酸時往往還會調節料液的PH值，而且大多采用納濾膜以利用納濾膜的帶電性質以達到最大分離截留效果［4］。對氨基酸分離用納濾膜分為高分子復合膜和無機陶瓷膜，其分離性能與氨基酸混合體系和操作條件有。關有人用ZrO2膜表面接枝交聯PEI的有機-無機復合納濾膜（膜的等電點為1018），進行了9種氨基酸（其中酸性2種，堿性3種，中性4種）混合物的膜分離實驗。在pH=2時，帶正電的堿性氨基酸被膜截留（透過率小于25%），而中性和酸性氨基酸的膜透過率大于85%；在pH=12時，帶負電的酸性氨基酸被膜截留（透過率小于30%），而中性和堿性氨基酸的膜透過率大于80%，由此可以看出通過改變膜電性與料液的PH值可以分離大多數的氨基酸［5］。

3.2 膜分離技術在蛋白質分離中的應用

蛋白質是一類以復雜的混合物形式存在的生物大分子，傳統的蛋白質分離方法主要有萃取法、沉淀法等，這些工藝往往操作繁雜、耗時長、蛋白質易變質，且產品的回收率低、二次污染嚴重。膜分離技術則可以很好地克服傳統蛋白質分離技術的缺點，有效改善產品質量，還可以大大提高蛋白質的回收率，實現蛋白質的分離和純化。一般蛋白質的膜分離會用兩張膜：一個膜孔較小，能使需要的蛋白質全部截住，而讓小的蛋白質透出，然后再將截留在第一張膜內的蛋白質轉移到孔徑較大的膜內，截住較大的蛋白質使所需的蛋白質流過微孔透出，這樣使蛋白質得到了提純，如果還有雜蛋白還可以再接著進行類似流程。比如說美國農業部利用膜技術分離精制了霍霍巴榨油后殘渣中的蛋白質、纖維素等成分，分離后各組分分別作為動物飼料及調節劑；還有Muller等采用ZrO2/Al2O3無機超濾膜從酸性酪蛋白乳清中分離α-乳清蛋白，顯著提高了α-乳清蛋白的純度和產量［6］。

3.3 膜分離技術與膜生物反應器

膜生物反應器是一種近些年來膜技術與生物技術結合研究應用于生產的熱門方向，主要是將微生物與膜結合控制料液在膜中的流動利用微生物的各類生化作用來起到去除料液中某些雜質而且可以得到并分離產物的目的。現階段主要運用于污水高效處理，已經有部分進入工廠使用。這里選擇性介紹無泡曝氣膜生物反應器與萃取膜生物反應器［7］。

3.3.1 無泡曝氣膜生物反應器。

生物反應器在作用中由于大量污泥（就是大量具有強分解作用的微生物的載體）的存在其過大的需氧量一直是限制其應用的主要原因。而無泡膜生物反應器能很好地解決這一問題。它一般采用的是中空纖維膜，膜的一端封住，空氣或O2在膜的內腔里流動，在濃差作用下向膜外側的活性污泥傳遞。氣體進入污水中不產生氣泡，而且氧的傳遞效率高達100%，可以滿足各種微生物生化反應的需氧要求。

3.3.2 萃取膜生物反應器。

當廢水中含有對微生物有毒害作用的成分（很高濃度的鹽、很大的酸堿度或者是生物難降解的有毒有機物等）時，直接用生化法是不適宜的。

而萃取膜生物反應器能很好處理這些廢水。萃取膜生物反應器中，污泥與廢水并不直接接觸，廢水在膜腔內流動，而活性污泥則在膜外流動。活性污泥中的微生物一般是針對廢水培養出來的專性細菌。采用的膜一般是疏水性的硅橡膠膜，且有選擇透過性，能允許揮發性有機物透過而水及無機成分則無法透過。首先污染物在膜中溶解擴散，再以氣態形式離開膜進入膜另側的混合液中，在混合液中由專性菌分解成CO2、H2O等無機小分子［8］。

3.4 膜分離技術在醫藥有效成分提取中的應用

3.5 膜分離技術在釀酒中的應用

白酒釀造過程中，如果使用傳統固態發酵方法，不可避免的會產生甲醇，油性脂肪酸，醇油等雜質，它們會影響產品口感，外觀，其中甲醇對人體有極大危害。因此這些物質的分離會對白酒品質產生極大影響。

有人研究發現，超濾和微濾是有效的分離此類雜質的手段。在低酒精度下進行膜分離，可以有效的延長產品的保質期，改善口感，卻對其其他理化指標并不產生太大的不良影響（總酸總酯會有所下降）。對于清香型白酒，一般稀釋到28到30度之間過非對稱的活性炭吸附膜，之后再于低溫下保存（18攝氏度），可以有效避免失光，渾濁等現象，同時降低苦味辛辣味，和蒸餾產生的蒸煮味。

除此之外，在啤酒的發酵過程中由于采用了代謝控制發酵的方法，往往會有較高的殘糖，而使用反滲透過濾之后，也將將有效降低殘糖，達到改良口感的效果。

3.6 其他

膜分離技術還廣泛的運用于其他產業：高品質飲用水的過濾，發酵廢液的再利用。

4 總結

膜分離技術從產生到現在已獲得巨大的成功，但仍屬于一門發展中的年輕綜合性學科。理論和應用上都有大量的問題有待解決。比如說：膜壽命過短，易污染；料液粘度大，往往流動性較差；料液固體含量高，膜通量衰減快；膜類型不足，工藝經驗不足等等［3］。

總的來說膜分離技術與生物技術的結合無疑是成功的而且還是潛力巨大的，可以想象在解決了這些問題后這項技術的前景將會多么誘人。

［1］呂璟慧，溫哲.膜分離技術的發展狀況及工業應用［J］.科技傳播，2010（15）：185+191.

［2］李繼香.膜分離技術在生物化工領域的應用［J］.上海化工，2012（3）：28-30.

［3］王華，劉艷飛，彭東明.膜分離技術研究進展及應用展望［J］.應用化工，2013，42（3）：532-534.

［4］姚紅娟，王曉琳.膜分離技術在低分子量生物產品分離純化中的應用［J］.化工進展，2003（2）：43-49.

［5］岳志新，馬東祝，趙麗娜，等.膜分離技術的應用及發展趨勢［J］.云南地理環境研究，2006（5）：54-59.

［6］王銀珍.膜分離技術在蛋白質類生物產品分離領域的應用展望［J］.山東化工，2006，35（2）：15-17.

［7］張再利，朱宛華，江榮.膜分離技術及膜生物反應器的發展和展望［J］.安徽化工，2001（2）：24-27.

［8］楊麗紅.膜生物反應器（MBR）在中水回用中比較研究［J］.環境研究與監測，2013（1）：40-43.