五、膜分离技术
五、膜分离技术
膜分离是利用具有一定选择性透过特性的过滤介质进行物质的分离纯化。用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩的方法，统称为膜分离法。
（一）膜分离技术的分类及简介
膜分离技术包含非常丰富的内容，在生物分离领域应用的膜分离技术主要包括透析、微滤、超滤、反渗透、电渗析、渗透汽化等方法。
1.透析（DS）
利用膜两侧的浓度差，使溶质从高浓度的一端通过膜孔扩散到浓度较低的一侧从而得到分离的过程。它是最早发现、研究和利用的一种膜分离技术，目前主要用于人工肾生物发酵过程，利用透析膜的渗透作用，选择适当孔径的膜可使发酵液中的产物和有害代谢产物透过截留菌体，从而解除发酵体系中产物和有害代谢产物对菌体或关键酶的抑制。
2.微滤（MF）
即微孔过滤，传质推动力是压力差，它是利用孔径为0.1～10μm的多孔膜来过滤含有微粒的溶液，将微粒从溶液中除去。一般情况下，微滤的纯水透过流速为1m3/（m2·min）。微滤在20世纪30年代醋酸纤维素膜商品化。近年来以四氟乙烯制成的微滤膜已商品化，具有耐高温、耐溶剂、化学性质好等优点，使用温度范围为-100℃～260℃。
3.超滤（UF）
主要用于过滤含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程。超滤的推动力是压差，一般操作压力0.1～1Mpa，在溶液侧加压，使溶剂透过膜，同时小分子的溶质也可透过。不同孔径的超滤膜可以分离不同相对分子质量和形状的大分子物质，能截留蛋白质、脂肪、葡萄糖、色素、果胶体、病毒等物质。纯水的透过速度一般为1m3/（m2·h）。
4.反渗透（RO）
反渗透是利用反渗透膜选择性的只能透过溶剂（通常是水）的性质，对溶液施加压力以克服溶液的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而从溶液中分离出来的过程。反渗透的最大特点是能截留绝大部分和溶剂分子大小同一数量级的溶质，而获得相当纯净的溶剂（如水）。
5.电渗析（ED）
在外电场的作用下，利用离子交换膜对离子具有不同的选择透过性而使溶液中的阴、阳离子与溶剂分离。当原水用电渗析器进行脱盐时，将电渗析器接电源，水溶液即导电，水中离子即在电场作用下发生迁移，阳离子向负极运动，阴离子向正极运动。由于电渗析器两极间交替排列多组的阳、阴离子交换膜，而阳膜只允许水中的阳离子透过而排斥阻挡阴离子；相反，阴膜只允许水中的阴离子透过而排斥阻挡阳离子。因而在外电场的作用下，阳离子透过阳膜向负极方向运动，阴离子透过阴膜向阳极方向运动。这样就形成了称为淡水室的去离子水室和称为浓水室的浓聚离子的区间，在靠近电极附近，则称为极水室。电渗析目前主要用于水处理，如海水淡化、水的软化等。
6.渗透汽化（PV）
又称为渗透蒸发，它是利用膜对液体混合物中的组分的溶解和扩散性能的不同，由液相通过均匀的膜向蒸汽相的物质传递过程。蒸汽态的透过物在真空条件下被吸走，并在膜装置以外冷凝。此过程中，膜起到改变蒸汽-液相平衡的作用，而这一平衡正是蒸馏分离的基本原理。可采用本法来分离工业酒精制取无水酒精。
表10-3 各种膜分离技术的原理和应用范围
（二）膜污染与清洗
1.膜污染
膜污染通常是指膜与溶质的相互作用而在膜表面和孔内吸附，或因为浓度差极化，在膜表面溶质浓度超过饱和浓度而在膜表面产生沉淀或结晶，形成凝胶层，引起膜性能变化的现象。它是一个不可逆过程，不仅使膜的透过率降低，而且使其截留分子量变小。甚至在含量很低基因工业产品分离中，由于膜的吸附而几乎得不到产品，通常受膜的化学特性、蛋白质种类与溶液pH值、盐、温度、料液浓度和流速与压力的影响。
2.膜清洗
膜的清洗一般选用水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、络合剂、氧化剂和酶溶液等为清洗剂。具体采用哪种清洗剂则要根据膜的性质来确定，即使用的清洗剂要有良好的去污能力，同时又不能损害膜的过滤性能。如对于蛋白质的严重吸附所引起的膜污染，用蛋白酶（如胃蛋白酶、胰蛋白酶等）溶液清洗，效果较好。
清洗操作是膜分离过程中不可缺少的步骤，但清洗操作是造成膜分离过程成本增高的重要原因。因此，在采用有效的清洗操作的同时，需要采取必要的措施防止或减轻膜污染。如对料液进行适当的预处理（如进行预过滤、调节pH值等），可相当程度地减轻污染程度。
（三）膜分离技术在食品工业中的应用
1.在乳品工业中的应用
反渗透、超滤技术在乳品工业中应用的最主要方面是乳清蛋白的回收、脱盐和牛乳的浓缩。乳清中含有高营养价值的蛋白质、乳糖、脂肪及矿物质。采用超滤处理通常可以使体积减少约20%，由于小分子的透过，故蛋白质含量被从超滤前的0.7%提高到14.0%，再喷雾干燥就可得到乳清粉，其蛋白质含量可达到65%～80%。
2.在饮料工业中的应用
（1）反渗透法用于果汁的预浓缩 由于高渗透压的限制，反渗透法通常只能把果汁浓缩到25～30°Bx，低于蒸发浓缩的浓度。
（2）超滤法用于果汁的澄清果汁的澄清 是除去果胶等会引起果汁浑浊的成分。传统的果汁澄清方法是用果胶酶长时间处理，使果胶质分解，然后再用硅藻土过滤除去悬浮物。用超滤法澄清果汁可减少酶制剂、硅藻土、过滤助剂的耗费，缩短生产周期、降低成本，具有条件温和、澄清效果好和营养成分损失少等特点。果蔬汁超滤后Vc的透过率平均在86%以上，总糖和总酸的透过率在90%以上，矿物质元素的透过率更高。
3.在豆制品工艺中的应用
豆制品生产上膜的应用主要是从废液中回收蛋白质。废液包括制取大豆蛋白质时的大豆乳清废液，生产豆腐及酱等时的大豆预煮液等。可通过超滤及反渗透处理从废液中提取大豆乳清蛋白。
4.在纯水制造工业中的应用
采用反渗透、超滤技术，可以有效地除去水中的胶体、有机物、颗粒及细菌等杂质，而采用电渗析则主要除去离子。
此外，膜分离技术还可以用于动物血液处理，如动物血清用超滤法预浓缩，然后再采用冷冻升华干燥处理。用反渗透法除去酒中的小分子沉淀物，从而改善酒的澄清度，如葡萄酒中酒石的去除。用超滤法能有效地去除酒中的酵母菌及胶体等。