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膜分离技术研究现状与应用前景.doc

膜分离技术研究现状与应用前景

巴黎靠左岸
2017-09-26 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《膜分离技术研究现状与应用前景doc》,可适用于战略管理领域

膜分离技术研究现状与应用前景膜分离技术研究与应用前景膜分离技术被认为是世纪末至世纪中期最有发展前途甚至会导致一次工业革命的高新技术之一成为当今世界各国研究热点。膜分离作为一种新发展的高新分离技术其应用领域不断扩大广泛应用于化工、食品、水加工业、医药、环境保护、生物技术、能源工程等领域并发挥了巨大的作用。我国对膜分离技术的研究是从世纪年代对离子交换膜的研究开始的。从年代的反渗透技术到年代的渗透汽化技术我国的膜分离技术得到了迅速的发展。经过几十年的努力目前我国在膜分离技术研究开发方面已成功地研制出一批具有实用价值、接近或达到国际先进水平的成果如无机膜反应分离技术等。膜分离技术的原理及优点膜分离是指用半透膜作为障碍层借助于膜的选择渗透作用在能量、浓度或化学位差的作用下对混合物中的不同组分进行分离提纯。由于半透膜中滤膜孔径大小不同可以允许某些组分透过膜层而其它组分被保留在混合物中以达到一定的分离效果。利用膜分离技术来进行分离具有如下优点a膜分离过程装置比较简单同时操作方便、结构紧凑、维修费用低且方便、易于自动控制b膜分离过程一般不涉及相变无二次污染且能耗较低膜分离过程可以在室温或低温下操作c适宜热敏感物质酶、药物的浓缩分离d膜分离过程具有相当大的选择性适用对象广泛可以分离肉眼看得见的颗粒也可以分离离子和气体该过程可以在室温下连续操作设备易于放大可以专一配膜选择合适的膜从而得到较高的回收率e膜分离处理系统可以在密闭系统中循环进行因而可以防止外界的污染f在过程中不用添加任何外来的化学物质透过液可以循环使用从而降低了成本并可以减少环境污染。正是由于膜分离技术具有上述优点是现代生物化工分离技术中一种效率较高的分离手段完全可以取代传统的过滤、吸附、蒸发、冷凝等分离技术所以膜分离技术在生物化工分离工程中起着很大的作用。膜分离技术在生物化工应用中存在的问题在操作过程中膜面易受污染形成附着层使膜的性能降低降低膜的透水率形成浓差极化现象。为了减少浓差极化常采用错流流程即过滤液主体水平流过膜面而过滤液是垂直通过膜面。此外在膜分离技术中容易遇到膜污染问题即膜的透水量随运行时间延长而下降。因此需采用一定的方法对膜面或膜内的污染物进行清洗以使透水量得到提高。常用的清洗方法是高流速水清洗和用化学清洗剂对膜进行清洗。膜分离虽然原理简单在生物化工领域广泛应用但由于生物化工产品种类繁多、性质各异对膜分离会产生不同的影响如吸附会使膜孔堵塞等所以要想很好地利用膜分离技术必须针对具体过程研究开发各种防止膜性能降低的装置并探讨有效的操作方法。用膜分离技术处理炼油污水的过程中在长时间的运行后污水中被截留的颗粒、胶粒、乳浊液、悬浊液、大分子和盐等会在膜表面或膜孔内吸附、沉积从而造成膜孔径变小甚至堵塞即产生了膜污染。膜污染会使膜通量下降影响分离效果。目前膜污染被认为是膜分离技术处理炼油污水过程中最重要的限制因素。大量研究表明膜污染主要与膜材料和分离体系的性质有关。具体如下一般来说膜面光滑膜孔分布窄的膜不易被污染。膜的表面性能如亲水性、疏水性和荷电性也会影响膜的污染程度通常认为亲水膜更耐污染。分离体系的性质包括溶液的温度和pH等。温度升高溶液的粘度降低膜通量一般会增大膜不易污染溶液的pH则会影响待滤颗粒物的荷电性质从而影响膜污染程度。在实际应用中解决膜污染的途径主要有优化操作条件如选择最适合的膜、操作温度、溶液性质等都可以在一定程度上消除膜污染。清洗则是处理膜污染的常规方法清洗方法主要有空气反吹冲洗、水反冲洗、空曝气清洗、化学清洗及近年来研究较多的超声波清洗清洗需定期进行清洗频率可根据污染物浓度和处理的效果有所不同。膜分离技术在工业中的应用在植物油精炼中的应用植物毛油主要组份为甘油三酯此外还含有少量磷脂、色素、游离脂肪酸、蜡质、甾醇、生育酚、烃类、蛋白质及其降解物等物质。为使植物油达到食用标准要求一般通过化学或物理精炼方法去除这些物质。传统化学精炼需经脱胶、脱酸、脱色、脱蜡和脱臭等几道工序存在能量消耗高中性油损耗大需大量水和化学试剂排放物污染严重及营养成分损失较多等缺点。物理精炼优于化学精炼主要是提高产量省略皂脚酸化分解工序减少排放物量但仍存在原料油脂预处理要求严格对一些油脂仍不适用精炼时需要高温、高真空同时易产生聚合物和反式异构物反式异构酸等缺点。而膜分离技术在油脂精炼中应用能克服上述这些缺点其优点是操作温度温和避免油脂氧化同时简化工艺、减低消耗和减少废水产生。膜分离技术在乳品工业中的应用除菌应用微滤去除乳制品中细菌是近几年发展起来的技术。l年Piot等人首次将无机膜用于全脂牛奶的过滤除菌。现在将巴氏杀菌和无机膜过滤相结合生产浓缩的巴氏杀菌牛奶的过程已实现工业化。此过程是通过半透膜的微孔对细菌及孢子的截留来实现乳品除菌具有冷杀菌优势。但由于脂肪球与乳中一般所含细菌大小相似故脂肪球与细菌会一同被截留于保留液中为此在整个工艺过程中于微滤之前应先分离脂肪其目的是为了减少微孔过滤时的膜堵塞以提高蛋白质的过滤速度又可以获得良好的浓缩比且不会因阻孔而形成严重的流速下降。目前Alfalaval公司已将离心和MFHTT工艺结合开发出一种称为“Bactocatch”的设备北京三元食品股份有限公司依托国家“十五”重大科技成果与国内唯一的ESL乳生产示范线首次将微滤技术用于牛乳的除菌生产出ESL极致低温杀菌乳使产品在比通常巴氏杀菌更低的温度下杀菌就能使保质期延长至天以上。浓缩牛乳的浓缩对牛乳进行浓缩去除一部分水分不仅可以减少包装、储藏和运输费用提高其保藏性也是作为干燥或更完全脱水所必需的预处理过程。在牛乳浓缩中应用的膜过程主要是超滤和反渗透。例如用超滤法可除去牛乳中的水在脱脂乳的浓缩上用反渗透法可去除以上的水分而用超滤法则可得到蛋白质质量分数高达的脱脂浓缩乳。同样用反渗透法可将原料乳浓缩到固形物质量分数达再经真空蒸发可进一步提高固形物的含量。乳蛋白浓缩乳蛋白浓缩物MPC具有优良的营养功能特性其传统分离方法是利用蛋白质的等电点凝结、酸沉淀、热沉淀或其它方法沉淀但都会打乱乳蛋白的天然状态因而影响其产品的功能特性和营养价值。由于超滤能截留原乳中几乎全部的蛋白质且允许糖和灰分通过所以超滤可以应用在乳蛋白的浓缩方面由于超滤利用蛋白质与乳中其它成分不同的物理特性分子量分离因此乳蛋白的原始状态不会被打乱和破坏而且工艺参数可以有选择性地进行尽量使其对蛋白质浓缩物所造成的损伤降至最小程度。乳蛋白质的标准化标准化乳脂肪可以用离心机来进行但蛋白质标准化在过去的技术条件下较为困难目前可采用超滤和微滤来实现。牛乳中蛋白质含量通常为由于膜技术具备选择性分离特点牛乳经过一定的浓缩后各组分的质量比例决定了牛乳的浓缩程度可通过控制合适的浓缩比实现牛乳的标准化操作。通过对乳蛋白质的标准化可使乳制品生产合理化提高成品产出率产生可观的经济效益。如要求蛋白质含量为可以用超滤中的截流液添加到原乳中以提高蛋白质含量。相反对蛋白质含量高于的原乳则可以用超滤中的透析液降低蛋白质含量多余的蛋白质用以生产其它产品节约补充蛋白质的成本。目前采用超滤和微滤技术来对干酪用乳进行蛋白质标准化已很普遍它可以在脂肪含量标准化的同一条生产线上利用超滤来进行蛋白质的标准化以实现脂肪、蛋白质的同时标准化使整个加工过程更易于控制。由于超滤可以截留几乎全部的乳清蛋白因而提高了干酪的产率而且蛋白质含量恒定凝乳酶的添加量以及凝固和搅拌时间也都是一个恒定的参数使得干酪产品质量稳定并减少一部分凝乳酶用量。乳清产品乳清蛋白的回收乳清作为干酪生产的副产物含有原乳几乎全部的乳糖乳蛋白及大多数的维生素与矿物质。传统将乳清加热干燥制成全干乳清WPC或乳清蛋白粉回收蛋白质的方法只能除去水分而使这种乳清粉中的乳糖含量高达矿物质达而蛋白质只有左右造成乳清粉中营养搭配比例极不协调限制了它在食品中的应用。采用超滤和反渗透技术可以在浓缩乳清蛋白的同时从膜的透过液中除掉乳糖和灰分等这样就大大扩大了乳清的应用范围。乳清脱盐生产Cheddar干酪和其它硬干酪所产生的咸乳清盐含量极高必须先脱盐然后才能回收、蒸发、干燥。应用纳滤处理这种乳清时其中单价金属离子和氯离子可以透过而二价离子及大多数其它组分都有一定程度的截留蛋白质全部被截留。可将被截留的乳清进行循环纳滤直到乳清中含盐量降到要求。用纳滤能有效地除去杂味和盐味并且不破坏牛奶的风味和营养价值。在美国和欧洲已经有效地使用纳滤对乳清除盐以取代电渗析。该方法可减少设备投资节省能耗和运行费用。乳蛋白质分离分级乳蛋白质的分离分级包括乳清蛋白的分级分离和酪蛋白的分级分离。目前国外正在研究将各种膜分离技术和色谱方法及化学处理、酶处理结合起来将乳蛋白中各种组分分开。在低pH值、适度热处理min条件下β乳白蛋白会可逆地聚合并与除β乳球蛋白之外的大部分其它乳清蛋白结合从而可以用微滤微孔μm或离心分离的方法分离出β乳球蛋白。此β乳球蛋白可以用超滤结合电渗析进一步提纯。微滤膜同样可将乳清中α乳清蛋白和β乳球蛋白分开。在乳清蛋白分级分离时应注意的是残存脂肪的不利影响因而残留脂肪的预先分离就成为乳清蛋白分级分离过程的第一步。在酪蛋白分离分级过程中利用微滤膜孔μm处理脱脂乳可以在保留液中获得酪蛋白胶束再经超滤、微滤、色谱分离或电泳即可得κ酪蛋白。同样利用微滤膜膜孔μm可以分离β酪蛋白。此外脱脂的乳清采用超滤手段还可以制备纯的免疫球蛋白但从经济上考虑不如以初乳为原料更有利。其它方面的应用应用超滤技术制备乳铁蛋白由于超滤法提供了不加热或不发生相变进行大分子质量组分的浓缩、分离的方法所以它非常适合热敏性的功能性组分的分离。超滤法分离牛初乳中免疫球蛋白IgG免疫球蛋白Ig是机体免疫系统的一个重要组成部分是人类及高等动物受抗原刺激后体内产生的能与抗原特异性相互作用的一类蛋白质又称为抗体。Ig一般分为IgG、IgA、IgD、IgE、IgM五大类牛初乳中IgG含量占Ig总量的以上又因其特定的生理功能而受到广泛关注。研究表明通过超滤可将乳清中IgG含量提高倍左右超滤压力增加IgG含量相应增加IgG活性基本不变。当压力为MPa时IgG含量为mgmL活性未变超滤温度增加初乳中的IgG含量先有较小增加然后减少IgG活性则下降。在超滤温度为时IgG含量最高达到mgmL活性未变。膜分离技术在酿酒产业中的应用膜分离技术在蒸馏酒上的应用目前白酒降度生产低度酒是大势所趋但随之会带来由于酒体中醇溶性高分子物质因酒度降低析出而造成的酒体浑浊问题。去除这些高分子物质目前常用的方法有:冷冻过滤法、吸附剂吸附法、添加助滤剂等这些方法在应用上存在各种问题。应用国内新研制的活性炭复合微滤膜有效滤除了白酒因降度而产生的白色浑浊物还能有效去除或减少酒的苦味、辛辣味及杂味使口感醇和不同孔径膜过滤比较试验结果发现低度白酒采用孔径为μm的膜过滤高度白酒采用孔径为μm的膜过滤可以增强酒样的抗冷冻性和自然稳定性并且微量成分损失较少。膜分离技术在黄酒上的应用黄酒是一种多成分的复杂的胶体体系其稳定性具有一定的相对性。引起黄酒不稳定性的因素一般可分为生物因素微生物污染引起和非生物因素蛋白质、多酚、戊聚糖、铁离子等引起两个方面。传统黄酒生产中对于由生物因素引起的黄酒不稳定性一般采用巴氏杀菌法对黄酒进行杀菌但此法存在能耗高、风味损失严重等缺点随着微滤和超滤等膜分离技术被引入酿酒行业利用外压管式超滤装置对生黄酒进行除浊除菌试验用切割分子量为万的有机膜在MPa、条件下超滤黄酒平均透液量可达到kgm左右杂菌去除以上不仅保持了黄酒的自然风味还明显延长了黄酒的贮存期。对于由非生物因素引起的黄酒不稳定性通常采用煎酒来去除其中的酶和蛋白质等以达到提高稳定性的目的但同时酒液会产生较重的老酒味新鲜感较差。而纯生黄酒则是在发酵成酒后不经过任何加热根据这一特点引入超滤技术后酒液中淀粉酶、糖化酶和蛋白酶都能达到去除的要求蛋白质、多酚、铁离子、戊聚糖等物质的含量均呈减少的趋势对纯生黄酒的非生物稳定性起到了一定的提高或改善作用。膜分离技术在啤酒上的应用膜分离高科技以其高效率、无相变、低消耗、无三废、投资少、易自动化等特点可应用于啤酒工业中的无菌过滤、无醇啤酒生产、啤酒酿造用水以及废水处理等方面。膜分离技术在啤酒无菌过滤中的应用啤酒的无菌过滤是啤酒生产过程中提高产品质量的重要环节它直接关系着啤酒品质的稳定性、外观及口感。采用膜错流过滤和新型的无菌灌装系统的消毒灭菌方法对无菌生啤酒的生产工艺进行设计使整个生产工艺系统高效、优化运行同时加强生产操作及卫生的管理生产出色泽、品质优良、保质期长的无菌鲜啤酒。膜分离技术在无醇啤酒中的应用无醇啤酒是指酒精含量低于体积的啤酒。无醇啤酒越来越受到消费者的欢迎。目前已有的低度啤酒大多是通过控制发酵过程或通过从“正常”啤酒产品中以热处理法去除酒精等方法得到的总的来说这种产品的风味不尽如意。应用膜分离方法能使啤酒达到除醇的目的还能明显提高啤酒质量主要有反渗透脱醇法和渗析脱醇法。膜分离技术在啤酒酿造用水中的应用啤酒品质的好坏与酿造用水的质量有直接的关系。啤酒酿造水的性质主要取决于水中溶解盐类的种类和含量、水的生物学纯净度及气味。应用微滤、反渗透或电渗析等对酿造用水进行预处理可以除去水中的细菌、病毒、残留农药、有害金属离子以及其他有机污染物获得高质量的酿造用水。用硅藻土梯度陶瓷微滤膜对自来水进行净化处理。平均孔径为m的梯度陶瓷膜可完全滤除水中的大肠杆菌、沙门氏菌、金葡萄球菌和霉菌等致病病菌以及铁锈和各种悬浮微粒。膜分离技术在啤酒废水处理中的应用目前国内大多采用普通活性污泥法处理啤酒废水存在占地面积大、基建费用高、固液分离效果较差、易出现污泥膨胀、剩余污泥产量大等弊端无机膜生物反应器IMBR组合工艺由于用膜分离技术代替了传统的二沉池而受到关注具有污染物去除效率高、出水水质稳定、装置容积负荷大、设备占地面积小、传氧效率高、污泥产量低、操作运行简便等优点。膜出水水质好且稳定明显优于建设部用水水质标准CJ可回用于城市园林绿化、洒水车用水等。陶瓷膜分离技术研究现状与应用前景陶瓷膜分离技术是一种“错流过滤”形式的液体分离过程原料液在膜管内高速流动在压力驱动下含小分子组分的澄清渗透液沿与之垂直方向向外透过膜含大分子组分的混浊浓缩液被膜截留从而使流体达到分离、浓缩、纯化的目的。陶瓷膜具有化学稳定性好耐酸、耐碱、耐有机溶剂机械强度大等特点其不足表现在价格昂贵、制造过程复杂等方面。目前已商品化的多孔陶瓷膜的构形主要有平板、管式和多通道种。在水处理中的应用微孔陶瓷膜分离技术在给水处理中的应用始于世纪年代初期其优点是能够保证更好和更可靠的水质不用化学物质特别适合于高附加值产品。无机陶瓷膜在废水处理中的应用主要包括处理含油废水、纺织废水、化工废水、对放射性废水、含重金属废水、城市生活污水和造纸废水等。食品的除菌过滤陶瓷膜用于牛奶、果酒、果汁、饮料、白酒、啤酒、饮用水等的除菌过滤效果十分显著其特别之处在于可以采用蒸汽对整个设备进行消毒使产品质量得到保证。陶瓷微滤膜和陶瓷超滤膜处理地表水制备饮用水己在欧洲应用多年陶瓷膜与吸附集成净水技术在我国己应用年以陶瓷膜为核心的集团式净水器和家用净水器可以采用加热的方法进行消毒处理具有广阔的发展前景。其他方面的应用陶瓷膜的应用领域还包括:气体分离、渗透气化、催化反应、生物化工等。陶瓷膜渗透气化工艺具有高通量、高稳定性等优点有着极强的竞争力和巨大的市场需求陶瓷膜在生物化工领域的应用研究是近期的热点之一涉及领域包括细胞脱除、无菌水生产以及低分子有机物的澄清和生物膜反应器等。陶瓷膜技术研究进展目前陶瓷膜技术的发展方向主要有以下几个方面:新型陶瓷膜制备工艺的开发。从发展趋势来看目前陶瓷膜制备技术的主要发展方向为:在多孔膜研究方面需进一步完善已商品化的无机超滤膜和微滤膜发展具有分子筛功能的纳滤膜、气体分离膜和渗透气化膜在致密膜研究中超薄金属及其合金膜和具有离子电子混合传导能力的固体电解质膜是研究的热点。陶瓷膜的改性研究。首先是提高膜的热稳定性其次是提高膜的抗污染性由于膜污染问题成本较高一直限制了它的应用因此应开发出抗污染的膜。复合陶瓷膜的制备。有机膜和无机膜具有各自的优点和缺点应该研究出一种复合材料的膜使其兼具两者的优点如在无机膜中掺加一些有机组分使其增加孔隙率提高渗透通量。这是今后发展的主要方向。开发新材料。目前已经商品化的陶瓷膜材质主要有AlO膜、TiO膜、SiO膜等。它们的不足之处主要是成本高有必要开发一种新型材料在保证一定的机械强度和膜通量的前提下能够大大减化制备陶瓷膜的工艺步骤和减少成本。集成处理技术的开发。在某些场合采用的单一的无机膜技术处理废水很难达到满意的结果而将无机膜与其他技术的集成则可以达到降低成本提高处理效率的目的。无机膜与其他技术的集成处理技术将是今后的重要发展方向。纳滤在制药及食品中的应用进展纳滤NanofiltrationNF是在反渗透基础上发展的一种以压力为驱动的液体膜分离过程是膜分离技术的一个新兴领域。纳滤膜Nanofiltrationmembrane是世纪年代末期问世的一种分离膜其截留的分子量约为推测该膜可能有nm左右的微孔结构故称之为“纳滤”。纳滤在制药及食品提取纯化中的应用纳滤分离过程无化学反应无相变不破坏生物活性适用于分子量以下的活性物质的浓缩纯化。如纳滤可代替传统的薄膜蒸发等方法缩短浓缩时间有较高的回收率且成本较低。因而纳滤在制药工业中应用正日益广泛如中药提取物、生物制品、化学药物等的浓缩和纯化在食品中主要是功能性低聚糖的分离其他还有乳品加工、果汁浓缩等。制药工业中的溶液大多成分复杂不易分离、浓缩和净化。近年来膜分离技术已广泛应用于生物制药领域如血透、肾析、药品浓缩、发酵液与培养液的澄清等领域。中药提取物的分离纯化中药中许多有效成分受热易发生氧化、水解等结构改变可能影响药效。传统的浓缩溶液易产生沉淀影响药物稳定性。纳滤在常温下操作有利于保留中药或复方中的有效成分提高药物的稳定性。此外纳滤还具有节能、环保等特点具有工业化应用的可行性。银杏叶提取物的浓缩银杏叶提取物是从银杏科植物银杏叶中提取得到的活性物质主要含有银杏黄酮苷类和萜烯酯类具有捕获自由基、抗脂质过氧化、拮抗血小板活化因子等多种药理活性。七叶参皂苷的提取超滤膜能有效去除色素等大分子物质选择适当的截留分子量的纳滤膜可制得纯度为以上的七叶参皂苷。制备麻黄碱麻黄是我国的传统中药可治疗风寒感冒、水肿及哮喘等疾病其中麻黄碱为活性成分。姚仕仲等采用超滤纳滤反渗透膜组合工艺改造了麻黄碱生产工艺。在该工艺中超滤作为二级预处理主要去除一级预处理尚未完全除去的色素、液体和杂质蛋白特别是麻黄油。纳滤主要去除无机盐特别是高价离子。反渗透主要是麻黄碱浓缩。采用该膜组合工艺麻黄碱的收率可达到而传统的苯提法只有。提取栀子黄色素以栀子黄色素萃取液为原料微滤和纳滤联用能够在常温下纯化和浓缩栀子黄色素液藏花素损失率较低避免了有机溶剂的使用是栀子黄色素工业化生产较为理想的工艺。类甜菜碱的分离类甜菜碱是从植物中提取的一种分

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