膜分离技术在发酵液分离中的应用

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  经固液分离后,目的产物存在于发酵滤液中，滤液体积大、浓度低,需要进行浓缩和初步纯化的过程称为提 取过程。从发酵液中提取产品的传统方法主要有吸附法、溶媒萃取法、离子交换法和沉淀法, 但这些工艺往往十分繁杂,所需时间长, 提取过程中需要消耗大量 的原料, 能耗高, 产品在漫长的提取过程中易变性失活, 产品回收率低, 废水污染严重且处理难度大, 得到的溶液中产品浓度往往很低。因此研发人员需要探索一种新的方法或方法的组合，本文结合已经发表的文章，向大家系统的介绍膜分离技术，希望对您有所帮助。

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分离膜是一种特殊的, 具有选择性透过功能的薄层物质, 能使流体内的一种或几种物质透过的膜分离过程作为一门新型的高效分离、浓缩、提纯技术, 近年来发展迅速, 已成为解决当代能源、资源和环境污染问题的重要高新技术及可持续发展技术的基础。各种膜过程具有不同的分离机理, 分别适合不同的对象和要求, 但有其共同特点, 如操作过程较简单, 经济性好, 往往没有相变, 分离系数大, 能耗低, 可连续操作, 效率高, 可在常温下工作,可直接放大, 可专一配膜等。由于膜过程特别适用于热敏性物质( 如药物、饮料、酶制剂等) 的处理, 在再生植物资源利用中有其独特的适用性。其中由于某些膜分离技术( 如超滤、纳滤、反渗透等)可用于一些含有各种小分子质量可溶性溶质, 以及高分子物质等溶液的分离、浓缩、提纯和净化, 越来越引起人们的重视。因此膜分离技术将逐渐取代一些传统的分离技术, 成为一种重要的发酵液提取浓缩的方法。

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膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术，半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等，膜分离都采用错流过滤方式。

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微滤（MF）又称微孔过滤，它属于精密过滤，其基本原理是筛孔分离过程。微滤膜的材质分为有机和无机两大类，有机聚合物有醋酸纤维素、聚丙烯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。无机膜材料有陶瓷和金属等。鉴于微孔滤膜的分离特征，微孔滤膜的应用范围主要是从气相和液相中截留微粒、细菌以及其他污染物，以达到净化、分离、浓缩的目的。
对于微滤而言，膜的截留特性是以膜的孔径来表征，通常孔径范围在0.1～1微米，故微滤膜能对大直径的菌体、悬浮固体等进行分离。可作为一般料液的澄清、保安过滤、空气除菌。

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超滤（UF）
是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜孔径在0.05um至1nm之间。超滤是一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术，超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过程。以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当水流过膜表面时，只允许水及比膜孔径小的小分子物质通过，达到溶液的净化、分离、浓缩的目的。
对于超滤而言，膜的截留特性是以对标准有机物的截留分子量来表征，通常截留分子量范围在1000～300000，故超滤膜能对大分子有机物（如蛋白质、细菌）、胶体、悬浮固体等进行分离，广泛应用于料液的澄清、大分子有机物的分离纯化、除热源。

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纳滤（NF）

是介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术， 其截留分子量在80～1000的范围内，孔径为几纳米，因此称纳滤。基于纳滤分离技术的优越特性，其在制药、生物化工、 食品工业等诸多领域显示出广阔的应用前景。
对于纳滤而言，膜的截留特性是以对标准NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的截留率来表征，通常截留率范围在60～90%，相应截留分子量范围在100～1000，故纳滤膜能对小分子有机物等与水、无机盐进行分离，实现脱盐与浓缩的同时进行。

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反渗透（RO）
       是利用反渗透膜只能透过溶剂（通常是水）而截留离子物质或小分子物质的选择透过性，以膜两侧静压为推动力，而实现的对液体混合物分离的膜过程。反渗透是膜分离技术的一个重要组成部分，因具有产水水质高、运行成本低、无污染、操作方便运行可靠等诸多优点 ，而成为海水和苦咸水淡化，以及纯水制备的最节能、最简便的技术.已广泛应用于医药、电子、化工、食品、海水淡化等诸多行业。反渗透技术已成为现代工业中首选的水处理技术。
        反渗透的截留对象是所有的离子，仅让水透过膜，对NaCl的截留率在98%以上，出水为无离子水。反渗透法能够去除可溶性的金属盐、有机物、细菌、胶体粒子、发热物质，也即能截留所有的离子，在生产纯净水、软化水、无离子水、产品浓缩、废水处理方面反渗透膜已经应用广泛，如垃圾渗滤液的处理。

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膜分离技术的优势
（1）在常温下进行
有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质，如抗生素等医药、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩
（2）无相态变化
保持原有的风味，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8
（3）无化学变化
典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染
（4）选择性好
可在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能
（5）适应性强
处理规模可大可小，可以连续也可以间隙进行，工艺简单，操作方便，易于自动化
（6）能耗低
只需电能驱动，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8

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在多糖提取浓缩中的应用
        从发酵液中提取浓缩多糖是一重要的工序。采用截留分子量为50 000 的内压式中空纤维超滤膜对微生物胞外多糖PS- 9415发酵液进行浓缩分离, 膜的透过通量受温度、料液浓度、操作压力等操作参数的影响。0.05 MPa 下对3%的料液3L 超滤浓缩, 可得到5.8%的浓缩液, 多糖回收率为82.7%,0.1 MPa 下0.5%的料液可浓缩至2.95%, 浓度提高了4.9 倍。采用内压式中空纤维超滤器可以将发酵液适当地浓缩, 培养基中残余的蔗糖、少量氮源和无机离子其分子量均小于膜的截留量, 可在超滤过程中分离, 可应用于该多糖的进一步扩大再生产。

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在抗生素提取浓缩中的应用
        采用超滤/萃取新方法直接结晶苄青霉素钠, 选用聚偏氟乙烯(PVDF)超滤膜, 操作压力0.1 MPa ,温度14 ℃。工艺流程如图1。与传统工艺相比, 采用超滤单元操作的直接结晶苄青霉素钠的方法所得产品完全符合药典要求, 且收率比间接法高6.76%。青霉素在提炼过程中使用膜分离技术, 可以去除蛋白质及其他大分子杂质, 消除萃取时的乳化现象,提高萃取过程的收率和产品质量。