一、膜分离技术简介
1、膜分离技术
膜是具有选择性分离功能的材料， 利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。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。 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， 下面简单介绍四种不同的膜分离过程：
（1）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。 微滤膜的材质分为和无机两大类， 聚合物有醋酸纤维素、 聚丙烯、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。
（2）超滤（ UF）
是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程， 膜孔径在 0.05um 至 1nm分子量之间。超滤是一种能够将溶液进行净化、 分离、浓缩的膜分离技术， 超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过程。 以膜两侧的压力差为驱动力， 以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下， 当水流过膜表面时， 只允许水及比膜孔径小的小分子物质通过，达到溶液的净化、分离、浓缩的目的。
对于超滤而言， 膜的截留特性是以对标准物的截留分子量来表征， 通常截留分子量范围在 1000--300000，故超滤膜能对大分子物（如蛋白质、细菌） 、胶体、悬浮固体等进行分离， 广泛应用于料液的澄清、 大分子物的分离纯化、除热源。
（3）纳滤（ NF）
是介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术， 其截留分子量在 80～1000的范围内，孔径为几纳米，因此称纳滤。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。
对于纳滤而言，膜的截留特性是以对标准 NaCl、MgSO4、CaCl2 溶液的截留率来表征，通常截留率范围在 60～90%，相应截留分子量范围在 100～1000，故纳滤膜能对小分子物等与水、无机盐进行分离，实现脱盐与浓缩的同时进行。
（4）反渗透（ RO）
是利用反渗透膜只能透过溶剂 （通常是水）而截留离子物质或小分子物质的选择透过性， 以膜两侧静压为推动力， 而实现的对液体混合物分离的膜过程。 反渗透是膜分离技术的一个重要组成部分， 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，以及纯水制备的节能、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。反渗透技术已成为现代工业中的水处理技术。
反渗透的截留对象是所有的离子，仅让水透过膜，对 NaCl 的截留率在 98%以上，出水为无离子水。 反渗透法能够去除可溶性的金属盐、 物、细菌、胶体粒子、发热物质，也即能截留所有的离子，在生产纯净水、软化水、无离子水、产品浓缩、废水处理方面反渗透膜已经应用广泛。
膜分离的基本工艺原理是较为简单的。 在过滤过程中料液通过泵的加压， 料液以一定流速沿着滤膜的表面流过， 大于膜截留分子量的物质分子不透过膜流回料罐，小于膜截留分子量的物质或分子透过膜， 形成透析液。 故膜系统都有两个出口，一是回流液（浓缩液）出口，另一是透析液出口。在单位时间（ Hr）单位膜面积（ m2）透析液流出的量（ L）称为膜通量（ LMH），即过滤速度。影响膜通量的因素有：温度、压力、固含量（ TDS）、离子浓度、黏度等。
2、膜分离操作基本工艺流程：
由于膜分离过程是一种纯物理过程，具有无相变化，节能、体积小、可拆分等特点，使膜广泛应用在发酵、制药、植物提取、化工、水处理工艺过程及环保行业中。对不同组成的物，根据物的分子量，选择不同的膜，选择合适的膜工艺，从而达到的膜通量和截留率， 进而提高生产收率、 减少投资规模和运行成本。
二、膜分离系统应用
1、澄清纯化技术——超 / 微滤膜系统
澄清纯化分离所采用的膜主要是超 / 微滤膜，由于其所能截留的物质直径大小分布范围广，被广泛应用于固液分离、大小分子物质的分离、脱除色素、产品提纯、油水分离等工艺过程中。
* / 微滤膜分离可取代传统工艺中的自然沉降、板框过滤、真空转鼓、离心机分离、溶媒萃取、树脂提纯、活性炭脱色等工艺过程。
澄清纯化技术可采用的膜分离组件主要有：陶瓷膜、平板膜、不锈钢膜、中空纤维膜、卷式膜、管式膜。
下面为采用膜分离澄清纯化的优点：
（1）可得到的真溶液，产品稳定性好；
（2）过滤分离收率高；
（3）分离效果好，产品质量高，运行成本低；
（4）缩短生产周期，降低生产成本；
（5）过程无需添加化学药品、溶媒溶剂，不带入二次污染物质；
（6）操作简便，占地面积小，劳动力成本低；
（7）可拓展性好，容易实现工业化扩产需求；
（8）设备可自动运行，稳定性好，维护方便。
2、浓缩提纯技术 --- 纳滤膜系统
膜分离技术在浓缩提纯工艺上主要采用截留分子量在 100～1000Dal 的纳滤膜。纳滤膜的主要特点是对二价离子、功能性糖类、小分子色素、多肽等物质的
截留性能高于 98%，而对一些单价离子、小分子酸碱、醇等有 30～50%的透过性能，常被应用于溶质的分级、 溶液中低分子物质的洗脱和离子组分的调整、 溶液体系的浓缩等物质的分离、精制、浓缩工艺过程中。
纳滤膜分离技术常被用于取代传统工艺中的冷冻干燥、薄膜蒸发、离子交换除盐、树脂工艺浓缩、中和等工艺过程。
3、浓缩提纯技术可采用的膜组件主要有：卷式膜、管式膜。
下面为采用纳滤膜分离技术浓缩提纯的优点：
（1）能耗极低，节省浓缩过程成本；
（2）过程无化学反应、无相变化，不带入其他杂质及造成产品
的分解变性；（3）在常温下达到浓缩提纯目的，不造成有效成分的破坏，工艺过程收率高；（4）可完全脱除产品的盐分，减少产品灰分，提高产品纯度；（5）可回收溶液中的酸、碱、醇等物质；
（6）设备结构简洁紧凑，占地面积小；
（7）操作简便，可实现自动化作业，稳定性好，维护方便。
三、膜分离技术行业应用
1、制药行业
生物发酵液过滤除菌及下游分离纯化；精制树脂解析液的浓缩及解析剂回收； 农药水剂、粉剂的生产应用；中药浸提液过滤除杂及浓缩；中药浸膏生产应用；合成药、原料药、中间体等的脱盐浓缩；结晶母液回收。
2、食品行业
乳清废水处理； 乳制品生产加工应用； 果汁澄清脱色； 食品添加剂纯化浓缩；茶饮料澄清浓缩；啤酒、葡萄酒、黄酒的精制加工；天然色素提取液的除杂及浓缩；氨基酸发酵液过滤澄清及精制。
3、染料化工和助剂
水溶性染料反应液的脱盐浓缩，染料盐析母液废水回收。
4、淀粉糖品
糖液分离纯化及浓缩；果葡糖浆色普分离纯化；糖醇色普分离纯化；单糖、低聚糖及多糖的分离纯化及浓缩。
5、环保及水处理领域
纺织、染整、印染废水处理及回用；电镀工业废水零排放及资源回收；
矿山及冶金废水处理回收； 淀粉废水处理； 造纸废水木质素回收及废水处理； 电泳漆废水涂料回收；酸、碱废水处理回收；市政污水的处理及回用；
洗车水、桑拿水、游泳池水、洗浴废水等循环处理； 工业生产所用的各类软化水、纯水、超纯水制备。
6、生物技术
生物蛋白、多肽、酶制剂等酵液过滤澄清及精制。
四、三大膜分离系统
1、陶瓷膜系统（生物发酵液过滤除菌、中药植提浸提液过滤除杂） 。
2、卷式膜系统（流体的过滤除杂精制及浓缩） 。
3、中空膜系统（水处理行业预处理） 。
五、膜分离技术在多肽制备中的应用研究
1、酶解 - 膜分离耦合技术制备米糠蛋白活性多肽的研究
为了探索米糠蛋白活性多肽的酶法制备方法，进行了三种酶解 - 膜分离耦合反应模式制备活性多肽的研究。结果表明，间歇反应条件下蛋白转化率为47.50 ％，生产效率为 1.98g 肽/U 酶，均为传统方法的 1.27 倍；连续补水反应模式蛋白转化率，即 68.54 ％，分别是传统方法的 1.84 倍、间歇反应模式的 1.47 倍、连续补料反应模式的 1.19 倍：连续补料反应模式的蛋白转化率为57.61 ％，是传统制取方法的 1.54 倍，其生产效率，即 l1.46g 肽/Au 酶，分别是传统方法的 7.37 倍、间歇反应模式的 5.79 倍、连续补水反应模式的 2.81倍。上述结果显示， 三种酶膜耦合反应模式都能强化反应过程、 提高蛋白转化效率和生产效率。 就来源广泛的米糠蛋白而言， 连续补料酶膜耦合反应模式是一种比较好的多肽制备方法，蛋白转化率和酶利用率均显著提高。
通过研究得出以下结论：
(1) 在间歇酶膜耦合系统中，蛋白转化率随反应时间和底物浓度的增加而增加；随加酶量和出肽速率的增加先明显上升再变平缓； 对温度和 pH值而言，蛋白转化率的值都出现在蛋白酶的适值附近，反应条件：温度45℃、 pH9.0、加酶量 O.24AU.g-1、底物浓度 1％、出肽速率 11mL/min、反应时间 90min，该条件下蛋白转化率 47.50 ％，生产效率 1.98 g 肽(AU酶)-1 ，均是传统制取方法的 1.27倍。
(2) 连续补水反应模式蛋白转化率，即 68.54 ％，分别是传统方法的 1.84 倍、间歇反应模式的 1.47 倍、连续补料反应模式的 1.19 倍；但其生产效率稍低， 仅为连续补料反应模式的 35．6％，该方法适宜于昂贵原料的处理。
(3) 连续补料反应模式生产效率， 即l1.46g 肽.(AU 酶)-1 ，分别是传统方法的7.37 倍、间歇反应模式的 5.79 倍、连续补水反应模式的 2.81 倍；蛋白转化率为57.61 ％，是传统制取方法的 1.54 倍。
(4) 就来源广泛、价格低廉的米糠蛋白而言，连续补料酶膜耦合反应模式是一种比较好的多肽制备方法，蛋白转化率和酶利用率均显著提高。
2、鸡胚多肽的分级膜分离
本试验采用超滤法分级分离鸡胚多肽， 探索工作周期、 操作压力、 料液温度、pH等主要因素对 5种不同膜 (50K、13K、10K、6K、3K)膜通量的影响，并将鸡胚多肽按照分子量分成 >50K、13～50K、10～13K、6～10K、3～6K、<3K等6个分子段，对不同分子段鸡胚液的多肽含量和性进行了研究。
本实验对各级超滤过程中各因素对膜通量的影响及经超滤得到的不同分子段的鸡胚多肽液的含量及性进行了研究，结果表明：
(1) 对5种不同膜，其工作周期匀应控制在 30min内，应对膜进行清洗处理。
(2) 进口转速在 90～120r ／min，转速越大，提供压力越大，膜通量越大；在转速超过 130r ／min之后，随着转速的增大，膜通量变化不大。
(3) 在膜的耐受温度内，随着温度的升高，物料流变性增强，膜通量增大，为了防止蛋白质、多肽的变性，温度应控制在 15℃。
(4) 物料超滤过程，保持 pH在物料的自然 pH条件下，即 pH7左右。
(5) 对膜的清洗进行摸索，通量恢复达到 90％。
(6) 膜分级分离后不同分子段的多肽含量和性不同。
3、大豆多肽酶解液膜分离浓缩工艺研究
采用膜分离设备对大豆多肽酶解液的分离浓缩进行了系统研究．确定了分离浓缩的工艺流程、 操作步骤和各项工艺参数。 试验工艺可使酶解液中分子量 lOkD 以上的蛋白质、大分子杂质以及悬浮物基本脱除。蛋白质、干物质、总糖、还原糖等主要指标经检测均可达到大豆多肽产品的质量要求。 大豆多肽的收率在 60％左右，浓缩倍数达 4倍以上。
通过研究得出以下的结论：
（1）在超滤膜分离过程中，膜的表面特性是膜的重要性质。料液的通量随时间
而减小的趋势并不严重， 操作 20min后膜通量基本不下降， 50min后方下降 26.5 ％。
透过液中蛋白质的浓度随时间变化增大。
(2) 膜的截留率是产品得率的关键，本试验选用的超滤膜系统经过重复试验，为了获得较高的截留率， pH值宜控制在 5.5 ～6.0 之间。
(3) 为保持较高的产品得率，超滤浓缩倍数应控制在 4.5 ～5.0 倍之间为宜。
(4) 上述工艺具有简单、产品得率高、质量好、运行费用低、投资不高等特点，
可显著提高企业的经济效益和产品的市场竞争力。
4、大豆多肽分离提纯方法研究进展
由于大豆多肽原始液组成复杂， 目标产物浓度较低． 还含有大量其他杂质． 其中有些杂质的物理化学性质和目标产物接近， 这就给大豆肽的分离纯化带来很大困难。传统多肽的分离方法有吸附沉淀、溶媒、萃取、离子交换法等。这些工艺往往繁杂，提取时间长，消耗大量原料，能耗高，产品回收率低。随着生物技术的发展和对大豆肽结构和功能研究的深入。 对大豆肽分离检测研究也有了迅速发展，越来越多的新型提取方法也随之产生， 出现了许多高效的分离纯化技术和手段，主要包括高效液相色谱、 毛细管电泳、膜分离等。其中膜分离法有以下三种：（1）超滤法
超滤应用在大豆多肽物质浓缩上越来越引人关注，研究工作主要集中在膜材料选取方面。超滤是利用膜的选择性， 在膜的两侧存在一定量的能量差作为推动力，通过溶液中各组分透过膜的迁移速率的不同而实现非均相物系的分离。 陈山等采用超滤技术处理大豆肽发酵产物发现。 超滤处理可以在不添加任何化学试剂的情况下直接从发酵产物中分离提纯出大豆肽纯化物。 张新会等采用不同截留分子量的超滤膜对大豆肽溶液进行分级分离， 结果显示采用 VIVAFLOW50分级膜分离 f 截留分子量分别为 30kDa、10kDa和5kDa)系统可以对大豆肽进行有效的分离。 袁其明等用分离技术处理大豆乳清废水， 截流分子量为 8000Da的超滤膜，几乎可以回收所有多肽和蛋白质，再用纳滤膜进行浓缩，回收了蛋白质、低聚糖，又大大降低了废水排放量。
（2）纳滤法
大豆多肽物质具有热敏性，受热易被破环，采用传统的提纯方法不易除去低分子量的盐分，从而影响产品的纯度。采用纳滤浓缩，既可降低能耗，还能将污染物和盐分除去。 达到提高产品质量的目的。 Timmer等使用各种聚合物超滤、纳滤膜测试了分离氨基酸的效果，并应用于混合氨基酸的分离。
（3）微滤法
微滤在大豆多肽分离纯化中。 微滤与其它技术联用，以达到分离提纯的目的 - 。刘国庆等采用微滤和絮凝离心技术联用． 回收大豆蛋白中的生物活性大豆肽， 分离效果好，将悬浮固体完全除去，脂肪去除率高达 99％。目前，多种类型膜分离技术在生化产品应用中协同发展，超滤、纳滤、微滤技术联用，取长补短，实行多级分离是大豆多肽分离纯化的发展趋势。