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  • 膜分离过程及原理

    膜是一种具有选择性分离功能的材料

    膜分离技术
    利用膜的选择性分离特征达到浓缩、分级、纯化等目的的化工单元技术;以选择透过性材料为分离介质,以外界能量为推动力,凭借多组分流体中各组分在膜内传质速度的差异,对物质进行分离、分级、提纯和富集的方法。

    膜分离过滤原理
    膜是两个或多个浓度相之间具有选择性的分离屏障,采用错流过滤分离方式,利用膜材料选择性分离功能对给组分进行分离、纯化;错流方式可有效降低膜污染及防止浓差极化现象,系统连续操作。

  • 膜技术分类

    膜分离技术
    膜是一种起分子级分离过滤作用的介质,当溶液或混和气体与膜接触时,在压力下,或电场作用下,或温差作用下,某些物质可以透过膜,而另些物质则被选择性的拦截,从而使溶液中不同组分,或混和气体的不同组分被分离,它与传统过滤的不同在于,膜可以在分子范围内进行分离,并且这过程是一种物理过程,不需发生相的变化和添加助剂。膜的孔径一般为微米级,依据其孔径的不同(或称为截留分子量),可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜,根据材料的不同,可分为无机膜和有机膜,无机膜主要是陶瓷膜和金属膜,其过滤精度较低,选择性较小。有机膜是由高分子材料做成的,如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。错流膜工艺中各种膜的分离与截留性能以膜的孔径和截留分子量来加以区别,下图简单示意了四种不同的膜分离过程(箭头反射表示该物质无法透过膜而被截。


    微滤
    微滤(MF) 又称微孔过滤,它属于精密过滤,其基本原理是筛孔分离过程。微滤膜的材质分为有机和无机两大类,有机聚合物有醋酸纤维素、聚丙稀、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。无机膜材料有陶瓷和金属等。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。


    对于微滤而言,膜的截留特性是以膜的孔径来表征,通常孔径范围在0.1~1微米,故微滤膜能对大直径的菌体、悬浮固体等进行分离。可作为一般料液的澄清、保安过滤、空气除菌。

    超滤技术
    用于分离分子量在1000~500000之间的可溶性物质,超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过程,可以对溶液中的各组分进行分级、分离、浓缩的膜分离技术。
    ※ 发酵液菌丝体分离,除杂——无机陶瓷膜、有机板式膜;
    ※ 酶制剂的过滤、分离;
    ※ 乳清蛋白分离纯化、大豆蛋白分级;
    ※ 下游产品脱色、除蛋白、除热源、内毒素;
    ※ 果汁、乳品、饮料等澄清、浓缩;
    ※ 电泳漆回收;
    ※ 钢铁乳化废水处理、印钞废水处理;
    ※ 植物提取物的澄清与纯化、口服液的过滤与除杂。

    纳滤技术
    滤膜多为薄层复合膜,膜层一般是多层疏松结构,耐污染,其截留分子量在80-1000的范围内,孔径约为1纳米,因此称纳滤。纳滤膜经改性后基本带有电荷,很容易从溶液中脱除单价无机盐和水,因为无机盐能通过纳滤膜而透析,因此操作压力低,节约能耗;基于纳滤分离技术的优越特性,其在制药、生物化工、食品工业等诸多领域显示出广阔的应用前景;
    特点
    ☆ 纳滤膜可以同时进行脱盐和浓缩并且处理速度快;
    ☆ 纳滤膜的性能使得它在抗生素(预)浓缩、化工合成产品的脱盐、浓缩具有常温无破坏、低成本、高收率、高品质的特点。
    应用领域
    ※ 树脂解吸产品的脱盐、浓缩;
    ※ 抗生素产品的浓缩(氨基糖苷类、多肽类,半合抗等);
    ※ 结晶母液回收;
    ※ 植物提取液浓缩;
    ※ 低聚糖提纯(脱单糖);
    ※ 酸性、活性、直接等染料的脱盐、浓缩;
    ※ 荧光增白剂的脱盐、浓缩;
    ※ 电镀行业重金属循环利用;
    ※ 矿山及湿法冶金废水处理、贵重金属回收;
    ※ 单价盐与多价盐的分离、纯化;
    ※ 纺织、染整、印染废水处理及循环利用;
    ※ 从废酸、碱液中,回收酸碱。

    反渗透技术
    反渗透膜只能透过溶剂(通常是水)而截留其它离子或小分子物质,因具有产水水质高、运行成本低、无污染、操作方便运行可靠等诸多优点,而成为海水和苦咸水淡化,以及纯水制备的最节能、最简便的技术。目前已广泛应用于医药、电子、化工、食品、海水淡化等诸多行业。
    ※ 电子工业超纯水;
    ※ 饮料、食品行业工业纯水;
    ※ 锅炉补给水;
    ※ 废水循环利用;
    ※ 海水淡化;
    ※ 浓缩、回收有价值的物质;
    ※ 市政污水的处理及中水回用。

    膜分离优点
    1、选择性能好:应用分子切割理论,可实现分子级别的物质分离、分级,具有普遍滤材无法取代的卓越性能;
    2、常温操作、无相变化:膜分离过程可在常温下进行、无相态变化,特别适用于热敏性产品的纯化,保持产品原有的品质,能耗低,其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8;
    3、应用领域广:既可用于取代传统过滤,又能用于物质的分离、纯化、浓缩、脱盐,资源循环利用等,涉及化工、石油、食品、纺织、印染、冶金、环保、生物制药等领域;
    4、无化学变化:膜分离过程为物理过程,无需添加助剂及化学试剂,产品损失少,对产品无污染;
    5、匹配性强:膜分离系统规模可按需求设计,膜软件可根据实际开发,处理规模可大可小,可以连续也可以间隙进行,工艺简单,操作方便,易于自动化。

  • 膜分离应用—植物提取

    植物提取常规处理工艺
    从中药提取有效成分的主要方法有溶剂提取法(如浸渍法、煎煮法、回流提取法、连续回流提取法等)和水蒸汽蒸馏法。由于提取液中除了小分子有效成分(如甙类、黄酮类、生物碱、有机酸、挥发油)之外,还存在大量杂质(鞣质、蛋白、淀粉、树脂等),这些物质无药效,需要去除。传统的分离与纯化方法有两相溶剂萃取法、结晶法、沉淀法、透析法、分馏法、盐析法和色谱法等。由于提取物成分太复杂,至使采用传统工艺需要将药液反复转溶浓缩,生产周期长,增加了染菌的机会,有效成分受热破坏、收率低,而且经常杂质含量超标、有效成分含量偏低,若成品是口服液或注射液,则还会影响到成品的澄明度和稳定性。

    超滤纯化除杂、分离工艺
    利用膜按分子级别分级的分离特性,选用合适的超滤膜处理提取液,让小分子的有效成分通过,而将大分子杂质和热原、细菌等除去,可以提高有效成分含量、减少杂质,简化工艺流程、提高收率。
    如果有效成分是较大的分子,而需要去的是无机盐等小分子杂质,则可以选用合适的纳滤膜或超滤膜将有效成分截留下来,而让小分子杂质透过分离。

    纳滤浓缩工艺
    用纳滤技术进行中药提取液的浓缩,其性能可靠,对提高中药提取液的澄明度和稳定性的作用显著,并可有效地节约溶剂和工时。浓缩过程在常温进行,可以保证热敏性物质不会损失,不出现受热沉淀;过程中无相变,能耗远低于真空浓缩、冻干等方法。纳滤浓缩可以脱除部分小分子杂质,比如无机盐等
    但是膜浓缩有其局限之处,只能对液体进行预浓缩,限于渗透压或经济性等原因,无法浓缩到高粘度液态。所以,可以考虑膜浓缩与传统工艺(蒸发、冻干)的集成使用。集成使用往往可以取得非常好的效果。

    在重要生产上有水浸提和醇提两种方式
    1、对于水提醇沉的工艺,可以利用合适的膜分离组合技术替代原工艺中沉淀和预浓缩过程:水浸提工艺中,利用超滤澄清、除热源,纳滤浓缩代替预浓缩,节省能耗。对热敏性物质蒸发浓缩过程中,由于有效成分在高温情况下降解,降低了产品收率,采用膜分离技术对产品在常温下预浓缩,缩短蒸发浓缩时间,提高了产品的收率。
    2、对于醇提工艺,利用膜分离技术后基本路线如下:醇提工艺中,超滤可以替代醇沉除杂,缩短生产时间。纳滤浓缩实现乙醇回收,缩短蒸发能耗的同时,也提高了乙醇的回收率。

    膜分离技术优点
    膜分离法有其明显的特点。例如,不需加热、能量消耗少、可低温操作、分离效率高、不必添加化学试剂、不破坏热敏物质等。对分离高热敏性、易挥发和对化学试剂有反应的体系非常合适。
    膜法分离与传统分离法相比,其优点是显而易见的。
    a)少工序,缩短生产周期,节省原料(尤其是乙醇),降低成本,并有利于工厂的安全生产。节约乙醇是非常典型的例子。中药煮提液常用水煎醇沉法纯化,即将煎煮液浓缩至0.5~1.0g(生药)/mL左右,加乙醇使醇浓度达到60%~70%,沉淀去杂质。若煮提100kg药材,需要进行醇沉的药液是100~200L,若使其中乙醇浓度达到60%,则需加1.7倍体积的乙醇(95%),即加170~340L的乙醇。
    b)保持原配方的成分,且提高了有效成分的含量,不论在制备中药注射液或提取有效成分的试验中,均如此。
    c)去杂质效果好,能提高注射剂和口服液的澄明度。中药提取液中的鞣质、淀粉、树脂和蛋白等,传统的水醇法不易除尽,选用一定截留值的超滤膜,可除去这些杂质,达到提高澄明度的目的。长期储存,甚至长达一年半,澄明度不变。
    d)去热原效果好。热原是微生物的代谢产物,选用适当的超滤膜除热原效果可达到药典要求。
    e)避免热敏性的物质的破坏。