微生物发酵工程中发酵液过滤技术综述

发酵已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产醋酸和发酵面包发展到今天成为 生物 工程的一个极其重要的分支，成为一个包括了微 生物 学、化学工程、基因工程、细胞工程、机械工程和计算机软硬件工程的一个多学科工程。从广义上讲，发酵工程由三部分组成：是游工程，发酵工程和下游工程。其中，下游工程指从发酵液中分离和纯化产品的技术：包括固液分离技术（离心分离，过滤分离，沉淀分离等工艺），细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等），蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等），最后还有产品的包装处理技术（真空干燥和冰冻干事燥等）。本文对其中的膜分离技术的原理及研究进展做一综述。

一、概述
膜分离技术是近三十多年来发展起来的高新技术，是多学科交叉的产物，亦是化学工程学科发展新的增长点。它与传统的分离方法比较，具有如下明显的优点：
1.高效：由于膜具有选择性，它能有选择性地透过某些物质，而阻挡另一些物质的透过。选择合适的膜，可以有效地进行物质的分离，提纯和浓缩；
2.节能：多数膜分离过程在常温下操作，被分离物质不发生相变, 是一种低能耗，低成本的单元操作；
3.过程简单、容易操作和控制；
4.不污染环境。
由于这些优点、使膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，已广泛有效地应用于石油化工、生化制药、医疗卫生、冶金、电子、能源、轻工、纺织、食品、环保、航天、海运、人民生活等领域，形成了独立的新兴技术产业。目前，世界膜市场以每年递增14～30％速度发展，它不仅自身形成了每年约百亿美元的产值，而且有力地促进了社会、经济及科技的发展。特别是，它的应用与节能、环境保护以及水资源的再生有密切的关系，因此在当今世界上能源短缺、水荒和环境污染日益严重的情况下，膜分离技术得到世界各国的普遍重视，欧、美、日等发达国家投巨资立专项进行开发研究，已取得在此领域的领先地位。我国在“六五”、“七五”、“八五”、“九五”以及863、973计划中均列为重点项目，给予支持。

二.膜分离技术简介
1.分离膜的种类：膜是膜技术的核心，膜材料的性质和化学结构对膜分离性能起着决定性的影响。膜的种类很多，其中按材料分有高分子膜、金属膜、无机膜。高分子膜用途最广。
按结构分有七类：
(1)均质膜或致密膜，为结构均匀的致密薄膜。
(2)对称微孔膜，平均孔径为0.02～10。按成膜方法不同，有三种类型的微孔膜，即核孔膜、控制拉伸膜和海绵状结构膜。
(3)非对称膜。膜断面为不对称结构，是工业上应用最多的膜。
(4)复合膜。在多孔膜表面加涂另一种材料的致密复合层。
(5)离子交换膜
(6)荷电膜
(7)液膜、包括支撑液膜和乳状液膜
按形状分有平板膜、管式膜和中空纤维膜。
2.膜分离设备(组件)
板框式，结构类似板框式压滤机。
卷式，结构类似出螺旋板换热器。
管式，结构类似列管式换热器。
中空纤维式，结构类似列管式换热器，由几千根甚至几百万根中空纤维组成。
3.膜分离过程
膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差、温度差等)时，原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离，提纯的目的。不同的膜过程使用不同的膜，推动力也不同。目前已经工业化应用的膜分离过程有微滤(MF)、超滤(UF)、反渗透(RO)、渗析(D)、电渗析(ED)、气体分离(GS)、渗透汽化(PV)、乳化液膜(ELM)等八种。
反渗透、超滤、微滤、电渗析这四大过程在技术上已经相当成熟，已有大规模的工业应用，形成了相当规模的产业，有许多商品化的产品可供不同用途使用。
气体分离和渗透汽化是正在发展中的技术。其中气体分离相对较为成熟一些。目前已有工业规模的气体分离体系是, 空气中氧和氮的分离；合成氨厂中氨、氮、甲烷混合气中氢的分离；天然气中二氧化碳与甲烷的分离。渗透汽化是这些膜过程中唯一有相变的过程，在组件和过程设计中均有特殊的地方。它主要用于有机物／水，水／有机物，有机物／有机物分离，是最有希望取代某些高能耗的精馏技术的膜过程。80年代中期进入工业化应用阶段。
除了以上八种已工业应用的膜分离过程外，还有许多正在开发研究中的新膜过程，它们是膜萃取、膜 蒸馏 、双极性膜电渗析、膜分相、膜吸收、膜反应、膜控制释放、膜生物传感器等。这些膜过程目前尚处在小型试验和中试阶段。

三.膜分离技术的发展简史及研究现状
人类对于膜现象的研究源于1748年，然而认识到膜的功能并用于为人类服务，却经历了200多年的漫长过程。人们对膜进行科学研究则是近几十年来的事。1950年W.Juda试制出选择透过性能的离子交换膜，奠定了电渗析的实用化基础。1960年 Loeb和Souriringan首次研制成世界上具有历史意义的非对称反渗透膜，这在膜分离技术发展中是一个重要的突破，使膜分离技术进入了大规模工业化应用的时代。其发展的历史大致为：30年代微孔过滤，40年代透析；50年代电渗析；60年代反渗透；70年代超滤和液膜；80年代气体分离；90年代渗透汽化。此外以膜为基础的其它新型分离过程，以及膜分离与其它分离过程结合的集成过程(Integrated Membrane Process)也日益得到重视和发展。