膜分离技术及其在生物化工中的应用

摘 要：随著社会经济的不断发展和进步，各行各业对于高新技术的依赖程度与日俱增。在生物化工领域，膜分离技术是一种新兴的高科技产业而被广泛使用，其目的是有效提升生物产品的纯度和质量。因此，对生物化工和膜分离技术进行概述，分析膜分离技术在生物化工中的应用，并探究膜分离技术的发展方向和应用前景，为相关人士提供一定参考。

关键词：生物化工;膜分离技术;研究进展

0 前言

作为一种交叉学科，生物化工包含了生物学、工程学、化学等多个学科，主要研究生物体、生物活性物质等相关的理论和技术。生物技术融合了分子学、生物学、细胞学等内容，涉及细胞技术、重组DNA技术等，对于基因工程、细胞工程等创新技术有极大地推动作用。生物化工技术作为生物技术中非常重要的内容，其本身存在较大的特殊性。其中，膜分离技术对于产品纯度有较高要求，同时需要较强的生物活性，实际操作时容易受到外界因素的影响。因此，在生物化工及膜分离技术应用过程中，要对技术特点有明确的了解，结合实际情况选择恰当的膜分离技术，提升技术使用的针对性和实效性，为生物化工及膜分离技术的发展奠定基础。

1 生物化工及膜分离技术概述

1.1 生物化工技术

生物化工技术涉及的内容相对广泛，如遗传工程、细胞工程和酶工程等都与生物化工存在一定关联。生物化工开展阶段，技术人员要做好实验环节以及操作流程的控制，以保证后期生物产量达到实际要求。从当前发展情况来看，生物化工在我国生物科技领域具有较高的地位，自身具有成本低、价格高等优势，对于生物科技的发展起到推动作用。此外，生物化工技术能够有效减少污染物的排放，具有环保性、安全性，符合可持续发展的要求。

1.2 膜分离技术

膜分离技术主要根据混合物的粒径不同，使其在透过半透膜时可以自动分离。从当前发展情况来看，膜分离技术在生物化工行业应用十分广泛。因此，要加大膜分离技术研究力度，明确相关技术特点，充分考虑其特性，从而保障膜分离技术使用更加灵活，以达到快速分离的效果。膜分离技术应用过程中对于半透膜有一定要求，依靠半透膜将混合物进行分离和提纯。半透膜上的孔洞大小不一致，可以对不同组分的混合物进行分离。

2 膜分离技术在生物化工中的应用

2.1 微滤膜分离

从滤膜自身的特点来看，由于空隙较多，同时膜孔偏小，滤膜能够起到过滤作用，通过筛分的方法，过滤效果更为显著。微滤膜在压力的作用下，一些分子较小的溶剂、盐类化合物可以通过，但是分子较大的混合物和颗粒会被拦截，这样能够达到对溶液净化的效果，起到膜分离。在膜分离技术中，微滤膜分离是非常重要的内容，具有较强的经济价值和较大的应用范围，广泛应用于制药领域，得到了人们肯定和认可。

2.2 超滤膜分离

在超滤膜分离技术应用时，主要基于筛分原理，在膜分离阶段利用压力差的方式，将溶剂从溶液中快速分离出来。与微滤膜分离相比，超滤膜分离时膜孔收化学影响较大，在压力施加过程中，一些小分子物质和溶剂可以快速通过膜孔，微细颗粒和大分子混合物被阻挡，从而达到快速分离的目的。通常情况下，超滤膜分离时主要采用不对称膜，由于膜的表面性质和孔径大小存在差异，都能起到较强的拦截效果，从过滤对象来看，超滤膜主要针对大分子溶液，因此在生物化工行业应用较为广泛。

2.3 反渗透膜分离

在反渗透膜分离技术应用时，主要在扩散和溶液原理的基础上，在压力差的作用下实现膜分离。与自然渗透方式完全相反，反渗透主要在半透膜的作用实现分离。通过在溶液浓度较高的一侧施加压力，确保压力超过自然渗透，使浓度高溶液中的部分溶剂能够反向渗透，达到物质分离的效果。从应用范围来看，反渗透膜主要应用在低分子浓缩溶液中，比如氨基酸浓缩。在渗透压力方面，与溶液的性质关系密切，和膜的种类关系不大，在实际应用时需要注意这一点。

2.4 纳滤膜分离

在纳滤膜分离时，主要依托吸附和扩散的原理开展，对于压力差也需要相关的应用。此外，纳滤膜还涉及反渗透、超滤等工作原理。可以说，纳滤是一种低压反渗透的方法，在膜分离技术中最为先进，其分离性能和效果也较好，主要用于截断分子量在200-2000的物质。纳米膜在人工合成原理的基础上，通过该膜的物质主要有溶剂和无机盐，和反渗透方式相比，纳滤膜压力相对较小，在一定程度上达到节约动力的效果。和超滤膜相比，纳滤膜的作用更加明显，可以截断更多溶质，同时在反渗透阶段容易被截断的物质，纳滤膜能够通过。在实际应用时，纳滤膜的优势更加明显。整体来说，纳滤膜稳定性良好，应用范围也较大，在医药、生物化工等领域得到了广泛应用，是未来重要的发展趋势。

2.5 液膜分离技术

与其他膜分离方式相比，液膜形态变化较大，这种膜主要由乳液微粒组成，是一种液态形式结构。根据扩散和溶解的原理，通过液相膜将不同性质的溶液进行分离，同时根据渗透的原理进行提纯。而液膜分离过程的萃取与反萃取分别发生在液膜界面的两侧，萃取和反萃取同时进行，溶质从料液相萃入膜相，并扩散到膜相另一侧，再被反萃入接收相，萃取和反萃取在一级内完成，由此实现萃取与反萃取的“内耦合”。液膜分离方式在很大程度上弥补了其他膜分离方式的不足，比如选择性低、膜通量小等，这是一种非平衡传质的方式，具有分离和浓缩双重功能。

3 膜分离技术的发展方向和应用前景

由于膜分离技术在生物化工行业具有明显的优势，比如设备简单可行，不会产生二次污染，可低温操作、无相变、回收率高等特点，在生物化工行业得到了普及，比如蛋白质、酶等生产。为了提升膜分离技术的实际应用，在后续研究中主要从以下几点来进行：①开展多样化的原材料，材料特点体现低成本、环保性能好，从经济效益方面，膜分离技术成本偏高，且种类较少，需要在以后的研究中持续改进;②加大膜分离系统操作和工艺方面的优化，从而不断提升膜分离操作效果;③针对特定物料体系的膜材料、膜组件和膜系统的开发;④膜清洗方式和高效清洗药剂，这样能够提升膜分离技术的回收效率，从而降低生产成本;⑤注重膜分离技术与传统技术的融合，开发出符合现代化生产的标准技术，推动膜分离行业的产业化、市场化进程;⑥开发膜分离--生物反应耦合技术，在膜分离技术不断普及的过程中，其应用深度进一步扩展，可以预见，膜分离技术的应用会进一步深化，在生物化工生产中占据的分量越来越高，在使用前景上更加广阔，研究人员要对此有明确的认识。

4 结语

综上所述，在生物化工行业，膜分离技术是不可或缺的一部分，随着科学技术的不断发展和进步，膜分离技术在应用范围上会更大，同时分离、提纯的质量会更高。由于化工产品在膜分离技术需求上存在较大差异性，实际应用时要考虑应用范围及行业特点，为生物化工技术的发展创造有利条件。我国在膜分离技术在取得了一定成绩，但是也面临不少问题，比如分离效率、提纯精度等方面仍有待提高，需要在以后得工作中加大研究力度，推动生物化工行业健康、平稳发展。

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作者简介：

林栋材（1983- ），男，浙江松阳人，本科，助理工程师，研究方向：化学工程与工艺。