药物分离-膜分离技术

国内膜分离技术与研究趋势制药工程张世平2111107010一、我国行业发展现状膜分离技术作为一种新型、高效的流体分离单元操作技术，近年来取得了令人瞩目的飞速发展，已广泛应用于国民经济各个部门。2009年包括膜制品、装置和相关工程的世界分离膜市场规模在450亿美元左右，其中膜制品约80亿美元。国内，2009年分离膜制品市场约为60亿元人民币，加上相关工程，市场规模达250亿元人民币。目前，全国从事分离膜研究的院所、大学超过100家，膜制品生产企业300余家，工程公司近1,000家，在分离膜几乎所有的领域都开展了工作，产品生产规模化，涉及反渗透、纳滤、超滤、微滤、电渗析等单元操作或集成的膜法水处理系统，气体混合物的膜法分离，液体混合物分离的渗透汽化膜过程，以及医用血液透析膜等。水处理方面的应用约占国内分离膜市场的85％份额，单项处理能力已达到5万～10万立方米/日，单项工程合同金额越过亿元人民币大关。就分离膜研究、生产和应用的总体规模而言，我国现已与北美、欧洲并驾齐驱，并很快将跃居世界首位。从事分离膜制作和工程应用的研究机构数量、研究人员总数而言，已位居世界第一位。二、膜分离技术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。从分离科学的角度看,超滤、渗析、反渗析、电渗析等位垒分离过程是靠在外力的推动下各种物质穿过一个有限制作用的界面时在速度上的差别来进的[3]。目前己经深入研究和开发的膜分离技术有微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、渗透汽化和气体分离等。正在开发研究中新的膜过程有:膜蒸馏、支撑液膜、膜萃取、膜生物反应器、控制释放膜、仿生膜以及生物膜等过程。表1列出了工业应用膜过程的分类及其基本特性。表1工业应用膜过程的分类及其基本特性三、各种膜分离技术特点[1]膜分离技术由于具有常温下操作、无相态变化、高效节能、在生产过程中不产生污染等特点，因此在饮用水净化、工业用水处理，食品、饮料用水净化、除菌，生物活性物质回收、精制等方面得到广泛应用，并迅速推广到纺织、化工、电力、食品、冶金、石油、机械、生物、制药、发酵等各个领域。分离膜因其独特的结构和性能，在环境保护和水资源再生方面异军突起，在环境工程，特别是废水处理和中水回用方面有着广泛的应用前景。●微滤（MF）——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。微滤是发展最早、制备技术最成熟的膜形式之一，孔径在0.05～10µm之间，可以将细菌、微粒、亚微粒、胶团等不溶物除去，滤液纯净，国际上通称为绝对过滤。微滤分离的实质是利用膜的“筛分”作用来进行的。即:比膜孔大的颗粒的机械截留、颗粒间相互作用及颗粒与膜表面的吸附、颗粒间的桥架作用这三种方式来实现的。●超滤（UF）——超滤的截留相对分子质量在1000～100000之间，超滤过程的分离机理一般认为是压力驱动的筛孔分离过程，是膜表面上的机械截留(筛分)、在膜孔中的停留(阻塞)在膜表面及膜孔内的吸附三种形式。●纳滤（NF）——纳滤膜具有纳米级孔径，截留相对分子质量为200～1000，能使溶剂有机小分子和无机盐通过。纳滤膜的分离机理模型目前的看法主要是空间位阻－孔道模型与超滤膜相比，纳滤膜有一定的荷电容量;与反渗膜相比，纳滤膜又不是完全无孔的。●反渗透（RO）——反渗透又称逆渗透，一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。因为它和自然渗透的方向相反，故称反渗透。学界对于反渗透分离机理的解释主要流行以下理论:溶解－扩散模型、优先吸附－毛细孔流理论、氢键理论。反渗透膜分离技术是利用反渗透膜原理进行分离的，具体特点[2]如下：①在常温不发生相变的条件下．可以对溶质和水进行分离，适用于对热敏感物质的分离、浓缩，并且与有相变化的分离方法相比，能耗较低。②反渗透膜分离技术杂质去除范围广。③较高的脱盐率和水回用率，可截留粒径几个纳米以上的溶质。④利用低压作为膜分离动力，因此分离装置简单，操作、维护和自控简便，现场安全卫生。●电动驱膜——电驱动膜也称离子交换树脂，其是对不同性质的离子具有选择透过性。关于离子交换膜的选择透过性，通常用双电层理论或Noonan膜平衡理论来加以解释。电驱动膜包括一般的离子交换膜、双极性膜及用于新能源电池的隔膜和氯碱工业用全氟磺酸（羧酸）膜。我国的离子交换膜以异相膜为主，也有均相膜批量生产，合计年产70万平方米，居世界第一位，生产主要集中在3～4家企业。国产异相离子交换膜价格低廉，在中、低端市场极具竞争力。近年来又成功推出了低渗透异相离子交换膜、电去离子（EDI）专用膜，并在研发耐酸、耐碱、抗氧化、抗污染膜，一价离子与多价离子分离膜，以及高浊度下使用、浓缩分离用、电泳涂装用等专用膜，应用目标现在已从传统的苦咸水脱盐转向化工分离，采油、天然气回注水处理，糖类、蛋白、氨基酸的浓缩提纯，酸、碱回收等方面。●渗透汽化（PV）——渗透汽化是以混合物中组分蒸汽压差为推动力，依靠各组分在膜中的溶解与扩散速率不同的性质来实现混合物分离的过程。料液进入渗透汽化膜分离器后，在膜两侧蒸汽压差的驱动下，扩散快的组分较多透过膜进入膜后侧，经冷凝后达到分离目的。膜材料是PV过程能否实现节能、高效的关键。渗透汽化膜分离技术特别适用于精馏难以实现的近沸点和恒沸点混合物的分离，用于从工业酒精生产无水乙醇节能75％，用于从85％的异丙醇生产无水异丙醇节能65％，用于酯化反应生产乙酸乙酯节能58％。目前，全世界约有近400套PV工业装置在运行，其应用主要集中在有机液脱水，少量用于水中脱除或回收有机物。有机液/有机液混合物分离，如醇/苯、醇/环己烷、苯（甲苯）/环己烷、二甲苯同分异构体、丙醇同分异构体、己烷同分异构体、汽油脱有机硫等，尚处于实验室研究或中试阶段。●蒸汽渗透（VP）——蒸汽渗透是由日本学者Uragami等提出的一种新的气相脱水膜分离过程，它是以蒸汽进料，在混合物中各组分蒸汽分压差的推动下，利用各组分在膜内溶解和扩散性能的差异以实现混合物分离。蒸汽渗透技术应用于近沸点、恒沸点以及同分异构体的分离有其独特的优势，还可以同生物及化学反应耦合，将反应生成物不断脱除，使反应转化率明显提高，其技术性和经济性优势明显，在石油化工、医药、食品、环保等工业领域中有广阔的应用前景。蒸汽渗透，国际上约有420套工业装置在运行，主要用于聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯生产中的单体回收，天然气生产中的C3及以上气体和酸性气体脱除，液化气的回收，炼油厂装车站台和加油站的油气回收等，国内市场规模在5000万元/年左右，年增长率30％～40％。●气体膜分离——用反渗透横流薄膜进行的气体分离过程，气体在与薄膜接触时溶解于薄膜，并在膜中向另一侧扩散，到膜的另一侧时的负压使得气体从膜中解吸出来，实现了气体从膜一侧向另一侧的传质。在膜分离的传质过程中主要有以下三个过程如图1所示。气体溶解进入膜的过程即溶解过程，气体在膜中的扩散过程即扩散过程，气体从膜中挥发进入膜的另一侧的过程即解吸过程。　国内已成功用于富氮、富氧、氢回收、天然气中酸性气体（H2S、CO2等）脱除、空气和天然气脱湿等方面。气体膜分离装置和工程近年来呈现大型化趋势。膜法氢回收装置主要用于合成氨生产中的氢回收，甲醇装置氢回收和炼厂气氢回收，市场需求相当大，仅合成氨中的氢回收一项，就有400多家企业应用了膜技术。预期CO2膜分离技术将随着减少温室气体排放等政策的深入实施，以及CO2气源的解决而实现快速发展，在今后几年内随着四川气田和海上气田的开发，气体分离膜还将大量应用于天然气的净化。图1膜分离的传质过程示意图●膜反应器——膜的反应功能是以膜作为反应介质与化学反应过程相结合而实现的，这样构成的反应设备或系统也称为膜化学反应器，旨在利用膜的特殊功能，如分离、分隔、高比表面积、微孔等，实现产物的原位分离、反应物的控制、反应与反应的耦合、相间传递的强化、反应分离过程集成等，从而达到提高反应转化率、改善反应选择性、提高反应速率、延长催化剂使用寿命、降低设备投资等目的。●医用膜——医用膜包括人工器官用膜（如：血液透析膜、膜肺氧合器、人工肝、人工胰、人工皮肤等），及膜生物医学分离器用膜（如：胸腹水浓缩回输器、血液浓缩器、血液成分分离器、血脂过滤及人工神经导管电器等），目前，国内应用的最主要领域是治疗慢性肾衰竭的血液透析器，它的核心部件是血液透析膜。血液透析及血液过滤、血液灌流、血浆分离等医学用途都基于渗析过程。全世界年消耗血液透析器约1.3亿支，我国约在1000万支左右，市值15亿元人民币。国内目前有4～5家规模企业生产血液透析膜和组器，仅占国内市场份额的10％左右。在制药[4]工业中膜技术主要用于:(1)利用微滤技术进行药物澄清;(2)利用超滤和反渗透技术进行药液精制和浓缩;(3)利用分渗透技术制备灭菌水,除热原水和注射水等;(4)渗析技术在医药科学中的典型应用是人工模拟肾脏进行血液的透析分离;(5)利用亲合膜技术,通过在膜上固载特定的功能配位键。在医疗设备方面除了用于药物控制释放的膜技术外,膜式人工肺、人工肾也都应用了膜分离技术。随着新的膜材料的出现以及膜成本的降低,膜技术将会在医药和医院中起到更重要的作用。●新膜和新膜过程——目前国内都在开展研究，虽然尚未实现产业化，但具有很好的潜在应用前景，如：膜接触器（膜吸收、膜吸附、膜蒸馏、膜蒸发、膜结晶、膜脱气）；膜色谱；选择性响应功能膜（又称智能型开关膜，闸膜）；膜传感器等。目前备受关注和研究较多的是膜蒸馏过程，涉及海水淡化及反渗透浓水的利用技术，为此，作为膜蒸馏的关键材质-超高疏水性膜的制备受到关注。三、分离膜的类别和结构膜分离的效能，取决于膜本身的属性。膜可分液膜和固体膜。固体膜又可分：①无机多孔膜，由无机质的多孔材料构成。将胶体和不溶性微粒强制沉积于无机多孔膜上便制成动力形成膜。②合成膜，通常采用醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚砜、聚乙烯、聚丙烯等高分子材料制成。合成膜又分为离子交换膜、均质膜和多孔膜。离子交换膜由带有可电离的阳离子或阴离子的高分子材料所构成；均质膜是均匀的高分子薄膜；多孔膜是在铸膜液中加发孔剂，经过蒸发和凝胶分离而成的。多孔膜又分为非对称膜和复合膜。非对称膜的膜体可分为表皮层和支撑层，表皮层质地致密，厚度很小（0.1～0.2μm），但它决定了膜的选择性和渗透性能；支撑层具有多孔结构，它提供必要的机械强度。膜的结构可通过调节铸膜液组成和凝胶形成条件予以控制。复合膜是以多孔膜作支撑层,覆以极薄的表皮层。用于工业分离的合成膜,可制成片状、管状和中空纤维状等，因此膜分离设备也随之具有多种结构形式。膜的结构形态，通常借助于电子显微镜技术、电子透射或扫描来观察。四、膜应用的技术发展趋势膜技术在污水处理、工业废水处理、和资源化综合利用的应用范围今后将得到进一步扩展，成为废水回用和难降解有机污染物分离回收，以及实现废水零排放的基本手段。除了去除固体粒子和盐类物质以外，污染物去除技术的主要发展方向是：（1）采用微滤膜除盐并去除各类重金属污染物；（2）采用超滤膜分离大分子有机物和高分子有机物；（3）采用纳滤膜，以液液分离形式，进行油水分离、去除石油类污染物；（4）采用耐高温（90℃以上）膜材料，开展热水的除固体粒子、除盐和热能回收；（5）开发反渗透以外的除盐新技术，发展电解膜、电极膜、电离子交换膜等新材料；（6）发展耐受高浓度（浓度在25%以上）酸碱的有机膜，进行废酸液和废碱液的回收、处理；（7）发展无需梯度过滤预处理的适宜去除高浓度悬浮固体、胶体废水的膜材料；（8）发展适宜处理高浓度含盐废水的膜材料。五、膜技术最新进展近年来，国内外的环保企业都加大了技术开发的步伐，围绕膜材料性能的不足，进行了一些具有国际先进水平的科技创新，也取得了一批高技术水平的科技成果，并直接进入了产业化和批量生产阶段。其中部分科技成果如下[5]：（1）杭州某公司采用聚苯乙烯（PE）纤维和聚偏氟乙烯（PVDF）纤维制成的复合膜，具有较强的抗拉强度，制成的膜丝用力拉扯可以保持不断。此种膜材料既有良好的抗污染性能，又弥补了聚偏氟乙烯强度较低的缺陷。（2）采用聚砜和聚酰胺制成的复合膜，可以耐受高浓度（浓度≥25%）的碱溶液，为我国开展废碱液的回收和再利用提供了先进技术，这对于许多工业行业的废碱液处理是一种好方法，较蒸发浓缩法可节约大量能源。（3）中科院某研究所和北京某公司合作，研究开发了纳米级石英砂烧结膜。（4）中科院生态研究中心和江苏金山环保公司合作生产的疏水特种膜，可望为含油污水的油水分离处理提供一种先进技术和可行手段。（5）清华大学与江苏蓝天沛尔环保公司合作生产的平板膜膜组件，填补了我国膜工业的一项空白。（6）美国Duraflou公司开发的高通量聚偏氟乙烯微滤膜，可以无需多级过滤预处理，直接处理高浓度悬浮物废水和重金属废水。（7）美国某公司生产的不锈钢、二氧化钛复合烧结纳米膜膜组件，具有优良的理化性能，耐高压、耐腐蚀、耐高温，抗污染、抗堵塞，性能卓越，可广泛应用于难生物降解有机工业废水的污染物分离处理和有机物资源化综合利用。（8）美国Sping公司开发、生产的SPING2000有机物烧结固体超滤膜，具有良好的污染物去除和超级技术性能。（9）美国Weishi膜技术公司生产的有机振动膜，可用于废油的回收。以上事例表明，当今世界的膜技术创新主要致力于膜性能的提高和改善。我国膜研发和膜制造产业的科技创新能力目前已经居于世界膜技术科技发展的前沿。五、膜分离技术的发展趋势●膜材料——众所周知,生物膜具有惊人的分离效率。因此,仿生是分离膜的发展方向。生物膜是建立在分子有规则排列的基础上,而目前使用的分离膜多是功能高分子膜,是不规则链排列的聚合物。仿生膜要克服这一根本差别,达到生物膜的分离水平,还是一个比较遥远的目标。当前,分离膜材料发展的趋向是:(1)继续开发功能高分子膜材料。一是根据现今对膜分离机理的认识,继续合成各种分子结构的功能高分子,制成均质膜,定量地研究分子结构与分离性能之间的关系。这类工作主要结合气体分离膜过程进行。二是在膜的表面进行改性。根据不同的分离对象,引入不同的活化基团,使其“活化”。(2)开发无机膜材料。无机膜的制备始于20世纪40年代,由于存在着不可塑、受冲击易破损、成型性差以及价格较昂贵等弱点,长期以来发展不快。但是,随着膜分离技术及其应用的发展,在膜使用条件上提出愈来愈高的要求,不少膜催化反应要求在几百度高温下进行;膜用于食品及生物产品分离,要求具有耐高温蒸汽多次清洗仍能保持分离性能不变。有些显然是高分子膜材料所无法满足的。●新的膜过程——膜分离技术与传统的分离技术或反应过程相结合,发展出一些崭新的膜过程。这些新的膜过程在不同程度上吸取了二者的优点而避免了某些原有的弱点。(1)膜蒸馏。将膜法与蒸馏法有机地结合起来的膜蒸馏,是最近几年发展起来的一种新型膜分离技术。在膜蒸馏过程中既有常规蒸馏中的蒸汽传质冷凝过程,又有分离物质扩散透过膜的膜分离过程。它避免了蒸馏法易结垢、怕腐蚀和反渗透法需要高压操作的缺点。(2)膜萃取。膜萃取的传质过程是在分隔料液相和萃取相的微孔膜表面进行的,因此它不存在通常萃取过程中液滴的分散与聚合现象。膜萃取的优点还在于:①没有相的分散和聚结过程,可减少萃取剂在料液相中夹带损失。②不形成直接接触的液液二相流动,使选择萃取剂范围可大大放宽。③两相在膜两侧分别流动,使过程免受“返混”的影响和“液泛”条件的限制。④可较好地发挥化工单元操作中的某些优势,提高传质效率。⑤料液相与萃取相在膜两侧的同时存在可避免膜内溶剂的流失。(3)膜反应。与传统的反应技术相比,膜反应具有3个特点:①反应转化率不受化学平衡转化率的限制;②能提高复杂反应的选择性;③反应、分离设施的同一化减少了设备投资和能耗。膜化学反应的研究目前主要集中在膜催化反应方面。(4)膜结晶技术[5]。目前世界上海水淡化脱盐的容量是6280x104m3/d,其中以RO和频繁倒极电渗析(EDR)为主体的膜处理技术具有能耗相对较低、产水量大等特点,占所有技术的80%左右。RO处理会产生50%~60%的浓水,为了增加产水量,必须对RO产生的浓水进行后处理,回收有用的盐类,提高淡水产量。膜结晶应用膜蒸馏的原理回收浓水中的溶质。通过浓缩溶液,使溶质浓度达到饱和或过饱和,然后在晶核存在或加入沉淀剂的条件下,使溶质结晶。膜结晶具有高单位传质面积、可控的过饱和条件、较短的结晶过程、能通过选择合适的膜材料影响结晶成核条件等优点。该技术使得盐在非均相条件下成核,不受浓差极化影响,同时能回收RO/NF膜产生的浓水中有价值的盐类和淡水。六、参考文献【1】王家廉，我国膜技术与应用的现状和发展趋势[J]，中国环保产业，2010,16-19.【2】路静，反渗透膜技术在纺织行业水处理中的应用[J],257-258【3】李武，周灿秀，彭筱峻等，膜技术在工业废水处理中的应用[J],江苏环境科技，2004,17（4）:48-51【4】樊君，代宏哲，高续春等，膜分离在中药制药中的应用进展[J]，膜科学与技术，2011.31(3):180-185【5】沈悦啸,王利政,莫颖慧等，微滤、超滤、纳滤和反渗透技术的最新进展[J],中国给水排水，2010.26(22):1-5