微孔膜过滤技术和应用
时间：2013-04-18 阅读：4100
摘要：微孔滤膜过滤技术作为一门新型的分离、浓缩、提纯及净化技术,近30年来发展迅速,已经在石油化工、轻工纺织、食品、医药、环保等多个领域得到广泛应用。膜分离技术具有操作简单、占地面积小,处理过程中无相变及不会产生新的污染物质、分离效果好等优点,近年来在水处理领域中得到广泛应用。本文就膜过滤的研究进展，膜材料以及它的应用作简要综述。
关键词：微孔滤膜;、过滤器、过滤技术;除菌；微孔膜应用
正文：
20世纪80年代以来,生命科学和生物工程技术的发展日新月异,生物产品（如酶、抗体、抗原、受体）的种类越来越多.这些制品通常是从发酵液中或天然产品中提取,再经纯化而得到的产品.由于目标产物产量小,通常又与底物、细胞等混杂在一起,浓度很低,且生物产品与传统的化工产品不一样,它们一般都具有生物活性,对分离操作条件要求比较苛刻.传统的化工分离方法如精馏、沉降、结晶等都难以达到要求.膜分离是20世纪60年代以来发展较快的一项分离技术,它具有操作条件温和、无污染、无相变等特点,在许多方面都得到了应用,象微滤、超滤已应用于生物化工和医药行业中.膜分离是根据分子大小不同来实现分离的,一般相对分子质量相差10倍以上的物系才具有分离作用,因此它还远远不能满足生化分离的需要.而生物亲和作用是生物分子之间的可逆专一性识别作用,具有*的选性.
20世纪70年代以来,利用生物亲和相互作用,分离蛋白质等生物大分子的亲和纯化技术迅速发展.其中亲和层析技术已得到广泛应用,但是亲和层析法亦存在许多难以克服的缺点:1）亲和载体价格昂贵,使用寿命短;2）色谱柱易堵塞和污染,需对原料进行预处理以除去颗粒性杂质;3）难以实现连续操作和规模放大.目前亲和层析法仅局限于价值*的生物活性物质的小批量纯化.为克服膜过滤和亲和层析的缺点,发展了亲和2膜过滤技术,不仅利用了生物分子的识别性能,分离低浓度的生物制品,而且微孔滤膜的渗透性及通量大,能在纯化的同时实现浓缩,此外还有操作方便、设备简单、便于大规模生产的特点,发展前景引人瞩目。
1膜过滤的分类
1．1微孔过滤膜微孔过滤膜的孔径O．1～l0微米，多为对称性多孔膜，可分离大的胶体粒子和悬浮微粒，适用在低压（<0．3Mpa）条件下过滤，如应用于制备无菌水、药品、饮料和酒类过滤。
1．2超滤膜孔径为0．001～0．1微米，一般为非对称性膜。可分离淀粉、果胶及悬浮固形物等大的合成分子。截留分子量范围一般为500到50万。纯水工作压力为0．3Mpa，一般在常温下进行操作。特别适用于热敏性物质的浓缩与分离。如应用超滤装置对乳制品、生物制品、果酒、果汁的分离和提纯、蛋白质浓缩、饮用纯净水等。随着生物技术的飞速发展。超滤膜分离技术在生物技术中的应用越来越广泛。目前已在酶制剂、疫苗、药物、基因生物制品、农用抗菌素、钩端螺旋体菌苗和马血清生物制剂的分离、浓缩和提纯中应用。近年来在酶膜应器中．大规模细胞培养方面也有新的进展。
1．3反渗透膜其孔径0．000l～0．0ol微米．工作压力比超滤膜的高。通常反渗透膜运行的切割分子量小于500。能截留盐或小分子量有机物，使水选择性通过或气体通过。如应用在海水脱盐、天然气提纯、回收有机物蒸汽、气体分离技术、制备富氧空气、干燥氮气、氧氮分离、氢氮分离、果汁和蔬菜汁加工等。从合成氨气中回收氢，亦适用于石化行业中的尾气提纯．属2O世纪9O年代的世界*。国外为满足各种不同用途的需要，增加薄膜强度及使用寿命，已开发薄膜与金属网的复合物，薄膜与优选织物的复合物。双层、3层、强化薄膜及带电荷薄膜等新品种。
1．4纳滤膜过滤精度孔径0．0005-0．0o5微米，切割分子量为200～l000；通过滤膜的溶质介于传统分离范围的超滤和反渗透之间，如盐类。适用范围为海水淡化、超纯水、多糖、乳酸、酪素和抗菌素浓缩等。
2微孔滤膜过滤的应用
2.1医药行业中的应用
早在一百多年前,国外就有微孔滤膜的生产,但只是在近30年才在制药行业得到应用,用于医院大输液的过滤仅有十几年的历史。一般过滤除菌处理流程是由粗过滤、预过滤和除菌过滤3个过滤单元组成,各过滤单元选用的基本准则是粗过滤价格要便宜,预过滤精度要合适,除菌过滤必须可靠。除菌方式包括:筛分拦截、嵌入拦截、扩散拦截和吸附拦截。在我国制药业已经使用微滤（滤膜孔径<0.22μm）技术对澄清的药液再次除菌、除热原。亦有使用超滤方法去除抗生素中热原物质,此法是一种通过美国食品与药品管理局（FDA）认证的除热原方法,其原理是使用孔径小于热原分子量的超滤膜截断热原,让料液通过,具有设备操作简便、材质不污染料液、获得率高、质量好、劳动强度小的优点,可广泛应用于针剂、原料、注射用水等产品的生产。我国上海生物制品研究所,采用293型滤器对重组干扰素αlb及γ进行过滤除菌,过滤后对干扰素活性无影响,热原物质均能达到肌肉注射标准,无菌检测合格。山东泰安生物制品研究所,应用微滤（滤膜孔径0.22μm）技术对胸腺素注射液进行除菌过滤,并试用于蛋白制品、转移因子的除菌,其除菌过滤效果稳定可靠,损失率少;但不同制品其过滤速度有较大差别,胸腺素、转移因子等制剂可直接用微孔滤膜代替石棉板除菌,对于未澄清、粘度大的制品可在除菌前运用0.8μm以上的滤膜预滤,再进行除菌,可达到满意效果。
2.2食品工业上的应用
传统的食品消毒方法,多采用加热杀菌法,但会给食品的品质带来不利的影响,如变色、变味、营养损失等。随着人们生活和消费水平的提高以及科学技术的发展,一些非加热的消毒技术应运而生,并逐渐在实践中得到推广应用,过滤即是常用的手段之一。在糖厂、酒厂及清凉饮料厂,过滤除菌技术常用于去除粗糖液、酒及水质中可能污染的细菌。日本早已把过滤技术应用于鲜啤酒生产。其目的是除去混浊悬浮物（主要是酒花树脂、单宁、蛋白质等）及酵母、乳酸菌等微生物,改善口味和提高透明度。美国、德国、日本等发达国家在二十世纪80年代初已在生鲜啤酒生产中采用了滤膜过滤技术,而且应用相当普遍。国内使用微孔膜错流过滤技术,应用于葡萄酒澄清工艺中,减少了产品的氧化,避免了芳香物、营养素和功能成分（如白黎芦醇等）的损失。亦有使用中空纤维超滤膜分离技术对成品醋进行过滤,可在保留食醋原有盐分、氨基酸、总酸度、pH值、还原糖等有效成分的同时,有效去除细菌、大分子有机物、悬浮颗粒杂质及部分有毒有害物质,其感官指标和微生物指标远低于GBl8187-2000固态发酵标准。
2.3检验领域的应用
2.3.1在临床检验中的应用
国内医疗单位,在生化检验中使用不同孔径的微孔滤膜分离蛋白质,可以选择性地截留血清或体液中各种不同分子量大小的蛋白质。该方法简便、经济、用量少,是临床检验和科研工作中一种方便的分离蛋白质方法;在微生物检验中能提高结核菌及痢疾杆菌的检出率;在免疫学检验中利用硝酸纤维素膜-ELISA法可以检测HBcAg,方法是将待测血清中乙肝病毒颗粒先与抗HBc作用,形成较大的免疫复合物颗粒,经过滤浓集于NC膜上,然后在3mol/LNaCNS作用下裂解,暴露出HBcAg,与HRP-抗HBc反应后显色,在此微孔滤膜起浓缩作用。
2.3.2微生物限度检查
在检测75%乙醇溶液的微生物限度时,取一定量的75%乙醇溶液用孔径0.45μm薄膜过滤,再用无菌生理盐水反复冲洗,在无菌状态下移至营养琼脂平板,同时以无菌生理盐水滤膜作阴性对照,在30℃条件下培养,观测结果。在检测含抑菌成分的药品微生物限度（细菌、霉菌酵母菌数）时,使用滤膜过滤法与洗脱法比较,结果洗脱法不能正确反映被检品染菌量,平均回收率仅为13%,而滤膜过滤法能定量反映被检品的染菌量,平均回收率达97%,且操作方便、步骤少。该法采用了陶瓦盖,所得菌落饱满、凸现,便于观察、计数和分类定性。
在检测使用中消毒剂的微生物污染状况时,使用滤膜过滤法可去除抑菌物质,较真实的反映实际情况。在检测液体食品和饮料中细菌总数和大肠菌群数、酵母菌、霉菌时,采用滤膜过滤的方法,灵敏性、准确性较高,检出率高,可以代替平皿倾注法、多管发酵法。用滤膜过滤法在细菌培养过程中其代谢产物和拮抗物质不易横向扩散,有利于菌落的独立生长,避免菌落的迁延现象,排除了优势菌群的干扰,菌落易于分辨,提高了实验的准确性。
2.3.3水质检测[5]
滤膜过滤技术在水质微生物检验方面应用很广,现行的标准ISO386-2-1988就是用滤膜法对铜绿假单胞菌进行测定和计数。ISO7899-1984也是用滤膜法对粪链球菌进行测定和计数。美国学者ThomasM等人曾用这些技术调查了哈得孙河口粪链球菌的情况〔21〕。滤膜可以滤过大量水样,通过加大取样量,对样品进行浓缩,这对于纯净水等采用直接取样法不易检出阳性的样品,可以提高检出率,具有实际应用价值。滤膜过滤与荧光技术相结合,可用来检测大肠菌群,即采用能被β-GAD酶水解产生强荧光物4-甲基伞形酮（4-Mu）的4-甲基伞形基-β-半乳糖苷（简称MUGAL）为底物,与滤膜技术相结合,使大肠菌群在微孔膜上形成特殊的荧光斑点,以此来定量检测饮用水及公共用品中的大肠菌群。此法亦能在定性鉴别上,与能产生荧光色素的假单胞菌__相区别。
2.3.4消毒剂鉴定中的应用
在臭氧水对微生物的杀灭效果鉴定中,因臭氧水机连续不断的产生臭氧水,且臭氧在水中的溶解度低、极易降解挥发,故将新发生的臭氧水直接流到染菌滤膜（孔径=0.45μm）上,同时开启抽气泵抽滤,使臭氧水连续不断的作用至预定时间,来测定臭氧水机的杀菌效果。因滤膜孔径小于细菌直径,阻碍了细菌随水流失,避免了样机出水冲洗掉的细菌数被误算为已杀灭的细菌数,使实验结果更准确。在对植物消毒剂杀菌试验的过程中,分别采用过滤法及稀释法去除残留药物,过滤法以贴膜的方式培养细菌,测得对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的杀灭率较稀释法为高,表明过滤法有较好的去除残留药物作用。在对中草药消毒剂杀菌试验的过程中,分别采用3%吐温80、1%卵磷脂与滤膜过滤法来去除残留的消毒剂,发现对金黄色葡萄球菌的杀灭率,滤膜法为低,表明前者所致细菌的复苏率较滤膜法为低。采用微孔滤膜过滤和比浊法测试不同浓度的氧氟沙星喷雾剂稀释液的体外杀菌效果,同时用菌落计数法进行比较,并在扫描电镜下观察受作用后的菌态的变化。发现微孔滤膜可拦截供试菌,再用灭菌蒸馏水冲洗氧氟沙星作用后的带菌滤膜可视为药物已无残余。与比浊法、菌落计数法相比,可得到等同的实验结果,并且更简便、快捷。
2.3.5微菌落技术中的应用
细菌微菌落技术由于具有快速、经济、实用的特点,国外学者已将其用于水、乳等食品的细菌数快速定量测定,将滤膜过滤法与其相结合,以抽滤方式将待测水样lml接种于混合纤维素膜上,然后贴在琼脂平板上37℃培养12h,取下膜透明处理、沙黄染色后显微镜计数。该方法能在13h内报告结果,比常规平板计数法快近l倍,且结果可长期保存,膜上的微菌落放置半年后,仍可清楚计数。在我国滤膜过滤技术已得到广泛应用,但在滤膜的品种、规格及膜质量与产业化方面与*水平比较还有相当的差距;可开发的领域、技术还十分广泛,应用中有许多问题有待去研究、解决、完善、提高。
3结束语
国外1748年就发现动物膜的渗透现象。我国的膜分离技术与国外相比起步较晚，近年来已有较大进展。如我国的无锡超滤设备厂自1985年以来。曾成功地承担过75—71—08—09专题两项国家重点科技攻关项目．还拥有“微滤膜的塑压工艺”和“双向超滤膜管”两项国家发明和“滤筒中间接头”1项国家实用发明。上海原子能研究所具有水平的板式超滤器。由于膜过滤技术具有低耗、、操作方便等优点。[5]因此在食品加工领域有很大的发展潜力。目前膜过滤技术在相关领域的应用研究主要集中在实验室。存在的主要问题是膜组件的昂贵和使用过程中膜的污染和通量下降。随着膜过滤技术在各个领域研究的逐步深入。新型膜材料和工艺将不断出现，性能优良、价格低廉的过滤膜及膜组件将随之产生。膜过滤技术也必将逐步在工业上得到广泛的应用。
参考文献：
[1]、刘庆昌.膜分离技术基本原理【M】.李琳,译.北京:清华大学出版社,1999
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[3]、陈同坡,张立华.选用微孔滤膜过滤的注意事项[J].山东医药工业,1992;11（2）:123.
[4]、宁培勇.滤膜过滤技术应用研究进展[J].中国消毒学杂志,2006;23（1）:63
[5]、祝水兰.膜过滤技术在现代食品加工的应用[J].江西农业科技,2004;23（1）:32