多組分氣體膜分離性能評價裝置膜分離技術
更新時間：2018-06-19 點擊次數：3029次
多組分氣體膜分離性能評價裝置膜分離技術
1.生物化工過程中常用的分離方法如蒸餾、萃取、過濾、結晶、吸附和干燥等屬于傳統的單元操作過程，而另一些則為新近發展的分離技術，如細胞膜破碎技術(包括球磨破碎和化學破碎等)、膜分離、色層分離等。
作者在此著重介紹膜分離技術。
2膜分離技術概述
膜分離技術被認為是2O世紀末至21世紀中期有發展前途，甚至會導致一次工業革命的高新技術之一，成為當今世界各國研究熱點。膜分離作為一種新發展的高新分離技術，其應用領域不斷擴大，廣泛應用于化工、食品、水加下工業、醫藥、環境保護、生物技術、能源工程等領域，并發揮了巨大的作用‘。
我國對膜分離技術的研究是從2O世紀6O年代對離子交換膜的研究開始的。從6O年代的反滲透技術到90年代的滲透汽化技術，我國的膜分離技術得到了迅速的發展。經過幾十年的努力，目前我國的膜分離技術研究開發方面已成功地研制出一批具有實用價值、接近或達到先進水平的成果，如無機膜反應分離技術等。
3膜分離技術的原理及優點
膜分離是指用半透膜作為障礙層，借助于膜的選擇滲透作用，在能量、濃度或化學位差的作用下對混合物中的不同組分進行分離提純。由于半透膜中濾膜孔徑大小不同，可以允許某些組分透過膜層，而其它組分被保留在混合物中，以達到一定的分離效果。利用膜分離技術來進行分離具有如下優點：膜分離過程裝置比較簡單，同時操作方便、結構緊湊、維修費用低且方便、易于自動控制；膜分離過程一般不涉及相變，無二次污染且能耗較低；膜分離過程可以在室溫或低溫下操作，適宜熱敏感物質(酶、藥物)的濃縮分離；膜分離過程具有相當大的選擇性，適用對象廣泛，可以分離肉眼看得見的顆粒，也可以分離離子和氣體；該過程可以在室溫下連續操作，設備易于放大，可以專一配膜，選擇合適的膜，從而得到較高的回收率；膜分離處理系統可以在密閉系統中循環進行，因而可以防止外界的污染；在過程中不用添加任何外來的化學物質，透過液可以循環使用，從而降低了成本，并可以減少環境污染。
正由于膜分離技術具有上述優點，是現代生物化工分離技術中一種效率較高的分離手段，*可以取代傳統的過濾、吸附、蒸發、冷凝等分離技術，所以膜分離技術在生物化工分離工程中起著很大的作用。
4幾種主要的膜分離技術
在生物化工過程中常用的膜分離技術有微濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)、納濾(NF)、電滲析(ED)、液膜(LM)等。
4．1微濾
微濾是以多孔細小的薄膜作為過濾的介質，以篩分原理為根據的薄膜過濾。在壓力作為推動力的作用下，溶劑、水、鹽類及大分子物質均能透過薄膜，而微細顆粒和超大分子等顆粒直徑大于膜孔徑的物質均被滯留下來，以達到分離的目的，進一步使溶液凈化。微濾是目前膜分離技術中應用廣且經濟價值大的技術，主要應用于生物化工中的制藥行業。
4．2超濾
超濾是根據篩分原理，以一定的壓力差為推動力，從溶液中分離出溶劑的操作。同微濾過程相比，超濾過程受膜表面孔的化學性質影響較大，在一定的壓力差下溶劑或小分子量的物質可以透過膜孔，而大分子物質及微細顆粒卻被截留，以達到分離目的。超濾膜通常為不對稱膜，膜孔徑的大小和膜表面的性質分別起著不同的截留作用。超濾主要應用于濃縮大分子溶液的凈化等．在生物化工過程中應用廣。反滲透過程主要是根據溶液的溶解、擴散原理，以壓力差為推動力的膜分離過程。它與自然的滲透過程剛好相反。滲透和反滲透均是通過半透膜來完成的。在濃溶液一側，當施加壓力高于自然滲透壓力時，就會迫使溶液中溶劑反向透過膜層，流向稀溶液一側，從而達到分離提純的目的。反滲透過程主要應用于低分子量組分的濃縮，如氨基酸濃縮(甘氨酸HGB 3075—79)、乙醇濃縮(GB 679-65)等。其滲透壓的大小與膜的種類無關，而與溶液的性質有關。
4．4納濾
納濾也是根據吸附、擴散原理，以壓力差為推動力的膜分離過程。它除了有本身的工作原理外，還具有反滲透和超濾的工作原理。納濾又可以稱為低壓反滲透，是一種新型的膜分離技術，這種膜過程，拓寬了液相膜分離的應用，分離性能介于超濾和反滲透之間，其截斷分子量約為200～2000。納米膜屬于復合膜，允許一些無機鹽和某些溶劑透過膜。納濾過程所需壓力比反滲透低得多，具有節約動力的優點。它能截斷易透過超濾膜的那部分溶質，同時又可能被反滲透膜所截斷的溶質透過，其*功能是反滲透和超濾無法取代的。納濾膜具有良好的熱穩定性、pH穩定性和對有機溶劑的穩定性，因此現已廣泛應用于各個工業領域，尤其是醫藥、生物化工行業的分離提純過程。納濾膜是現今先進的膜分離技術。微濾、超濾、反滲透、納濾4種分離技術沒有太明顯的分界線，均是以壓力作為推動力，被截斷的溶質的直徑大小在某些范圍內相互重疊。
4．5電滲析
電滲析是以電位差為推動力，在直流電作用下利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質從溶液中分離出來，從而實現溶液的淡化、精制或純化目的。
4．6液膜
液膜是懸浮在液體中的一層乳液微粒，形成液相膜。依據溶解、擴散原理，通過這層液相膜可以將兩個組成不同而又互溶的溶液分開，并通過滲透的現象起到分離、提純的效果，它克服了固體膜存在的選擇性低和通量小的特點。液膜一般由溶劑、表面活性劑和添加劑構成。按其構型和操作方式分為乳化液膜(Liq—uid surfactant membranes)和支撐液膜(Supportediquid m embranes)。
5膜分離技術在生物化工應用中存在的問題
膜分離技術具有許多優點，是一種較理想的分離手段，但在應用中還存在一定的問題。在操作過程中，膜面易受污染，形成附著層，使膜的性能降低，降低膜的透水率，形成濃差極化現象。為了減少濃差極化，常采用錯流流程，即過濾液主體水平流過膜面，而過濾液是垂直通過膜面。此外，在膜分離技術中容易遇到膜污染問題，即膜的透水量隨運行時間延長而下降。因此需采用一定的方法對膜面或膜內的污染物進行清洗，以使透水量得到提高。常甩清洗方法是高流速水清洗和用化學清洗劑對膜進行清洗。膜分離雖然原理簡單，在生物化工領域廣泛應用，但由于生物化工產品種類繁多、性質各異，對膜分離會產生不同的影響，如吸附會使膜孔堵塞等，所以要想很好地利用膜分離技術，必須針對具體過程研究開發各種防止膜性能降低的裝置并探討有效的操作方法。
6膜分離技術在生物化工中的應用進展
由于膜分離技術具有防止熱敏性物質失活、效率高等優點，所以在生物化工中應用極為廣泛。可以采用超濾或反滲透除去醫藥用水中的熱源。在氨基酸生產工藝中，使用超濾法可以除菌或去熱源。也可以采用超濾技術將粗酶液進行處理，使低分子和鹽類與水一起從膜孔滲除，從而濃縮和精制酶。另外膜分離技術還可以應用于低分子量發酵產品的分離與濃縮，還可以利用膜制作不同類型的膜反應器等。膜分離技術具有分離效率高、節能、設備簡單、適合生物產品處理等優點，受到了廣泛關注，在分離方面提供了許多可行之處，帶來了方便。隨著研究的不斷深入，其應用范圍將會越來越廣泛。在膜分離技術應用方面主要的障礙就是膜分離性能的降低。如果能將該問題解決，則膜分離技術將在生物化工領域中起到更大的作用，在國民經濟中發揮更大的作用，在人類社會的發展*起到不可代替的作用。
