膜分离技术：分类、原理和应用

3.2.1　膜分离技术

1.定义

膜分离技术是用膜作为选择障碍层，以外界能量或化学位差为推动力，在分子水平上，不同粒径、不同性质的混合物在通过膜时允许某些组分透过而保留混合物中其他组分，从而达到分离的技术。

2.膜的分类

（1）按分离机理分类：①具有所需孔径的膜：膜的孔径大小虽有差别，但分离原理与筛网、滤纸的分离相同；②无孔膜：分离原理类似于萃取，由于被分离物与高分子膜的亲和性强，进入膜分子间隙的粒子经溶解-扩散后，可从膜的另一侧被分离出来；③具有反应性官能团作用的膜：例如离子交换膜，当电荷相同时就互相排除。

（2）按分离的推动力分类：①压力差：其膜过程包括反渗透、超过滤、微滤等；②电压差：其膜过程为电渗析；③浓度差：其膜过程包括渗析、控制释放、渗透蒸发、膜蒸馏等。

（3）按膜的孔径大小分类：依据其孔径（或称为截留相对分子质量）的不同，可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜等，如图3-4所示。

图3-4　不同孔径大小的膜及分类

（4）根据膜的材料分类：膜分为无机膜和有机膜。无机膜主要是微滤级别的膜，有陶瓷膜和金属膜；有机膜是由高分子材料制成的，如纤维素类、聚酰胺类、芳香杂环类、聚砜类、聚烯烃类、硅橡胶类、含氟高分子类等。其中无机膜因其具有高热稳定性、耐化学腐蚀、无老化问题、使用寿命长、可反向冲洗等特性，受到越来越多的重视，已在工业生产中应用。膜的分类及分离作用见表3-2所示。

表3-2　膜的分类及分离作用

续　表

3.膜分离原理

膜分离技术是用筛分原理或溶解扩散对匀相或非匀相体系进行选择性分离的一种先进的分离技术。根据所分离物质的相对分子质量大小或被分离物质的颗粒大小分为微滤、超滤、纳滤和反渗透等不同的技术。可选择性分离从微米级、亚微米级直到大分子、小分子、离子和原子级的不同物质，根据不同需要达到灭菌、分离、净化或浓缩等目的，即根据目标产物的不同，让某些物质通过，同时让另一些物质留下。膜可以在分子范围内进行分离，并且膜滤过程是一种物理过程，与常规过滤不同的错流过滤（又称切向流方式过滤）被公认为是一种有效的流体处理技术。

（1）主要的膜分离过程：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相对分子质量来加以区别。图3-5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留。

图3-5　膜分离示意图

（2）常规过滤与错流过滤的比较：在一般的常规过滤中，不能通过的物质沉积后留在了滤材上，随着过滤的继续进行，压差会逐渐增大，通量明显降低，即大家俗称的“死端过滤”。具体方式是：料液在压力驱动下进入系统，并在膜管内高速流动，方向不是直接压向膜的表面，而是切向流过膜面形成所谓的切向流。小分子物质透过膜，大分子物质（或固体颗粒）被膜截留，从而达到分离、浓缩、纯化的目的。这时过滤系统中存在着两股流出的液体：一股是渗透液（或称滤液），图3-6中为V₁；另一股是用于提供膜表面冲刷作用的循环流体（即上文所提到的切向流），图3-6中为V₂。它们之间的关系是：渗透液是切向流中通过了膜过滤后的部分；而切向流在流出膜后，由于一次通过只有部分小分子等清液透出，所以要求剩下的料液再经过循环系统，再次进入膜进行过滤。

（3）错流过滤的特点：错流过滤如图3-6、图3-7所示：①流与滤膜表面平行，流动速度增加，沉积层厚度变薄，渗透通量高；②料液中固体浓度没有很严格的限制，滤液清纯（无固体）；③可以连续分离（反冲洗或清洗膜时例外）；④无需加助滤剂或絮凝剂；⑤可以进行液-液过滤；⑥分离不受分散相细度的影响。

图3-6　错流过滤

图3-7　传统过滤与错流过滤

4.膜分离技术特点

膜分离过程是一个高效、环保的分离过程，是多学科交叉的高新技术，在物理、化学和生物性质上呈现出各种各样的特性，具有较多的优势。与传统的分离技术如蒸馏、吸附、吸收、萃取、深冷分离等相比，膜分离技术具有：①可常温操作，适于热敏物质的分离、浓缩和纯化；②分离过程不发生相变化（除渗透汽化外）；③能耗低；④分离系数较大等优点。所以，膜分离技术是现代分离技术中一种效率较高的分离手段，可以部分取代传统的过滤、吸附、冷凝、重结晶、蒸馏和萃取等分离技术，在分离工程中具有重要作用。

（1）微滤（microfiltration，M F）：又称微孔过滤，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：①有机聚合物有乙酸纤维素、聚丙烯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等；②无机膜材料有陶瓷和金属等。微滤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0.1～1μm，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、过滤、空气除菌。

（2）超滤（ultrafiltration，UF）：是介于微滤和纳滤之间的一种膜分离过程，膜孔径在0.05～1000μm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，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有机物的截留相对分子质量来表征，通常截留相对分子质量范围在1000～300000之间，故超滤膜能对大分子有机物（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、大分子有机物的分离纯化、除热原。

（3）纳滤（nanofiltration，NF）：是介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术，孔径为几纳米，因此称纳滤。基于纳滤分离技术的优越性，其在制药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%，相应截留相对分子质量范围在100～1000之间，故纳滤膜能对小分子有机物等与水、无机盐进行分离，实现脱盐与浓缩的同时进行。

（4）反渗透（reverse osmosis，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，已成为现代工业中首选的水处理技术。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、有机物、细菌、胶体粒子、发热物质，也能截留所有的离子，已经广泛应用在生产纯净水、软化水、无离子水、产品浓缩、废水处理方面。(www.xing528.com)

5.膜的选择、分离装置及工艺设计方案

（1）膜的选择：膜是过滤系统装置的核心部分，选择适宜的膜是影响过滤质量的关键。首先，要看生产的剂型，一般说来，固体制剂、口服液、针剂等膜的选择是不同的，同一剂型的不同工艺环节，膜的选择也不相同；其次，要看料液的性质，即料液温度、黏度、固含量、pH值、主要成分等等；再次，要达到的目的是除杂、除菌、除热原，还是要分离提取相对分子质量在某一范围内的目标产物；最后，综合各方面情况决定选择什么材质的膜，是陶瓷膜还是高分子有机膜，然后再选择膜的孔径。一般情况下陶瓷膜远优于有机膜，但陶瓷膜造价高。

（2）膜分离技术的核心——“分离膜”：当膜分离技术在工业上应用时要使单位体积内装下最大的膜面积，装得愈多，它的处理量就愈大，设备费用就越小，占地、生产成本均减小了，经济效益就可得到提高。其次要尽量减少浓差极化。此外，原料液（或气）的预处理和膜的清洗也是膜分离技术在应用中需要注意的问题。

各种膜分离装置主要包括膜分离器、泵、过滤器、阀、仪表及管路等。膜分离器是将膜以某种形式组装在一个基本单元设备内，然后在外界驱动力作用下能实现对混合物中各组分分离的器件，它又被称为膜组件或简称组件（module）。在膜分离的工业装置中，根据生产需要，一般可设置数个至数千个膜组件。

工业上常用的膜组件形式主要有：①板框式；②圆管式；③螺旋卷式；④中空纤维式等4种类型（表3-3）。

表3-3　各种膜组件的优缺点比较

一种性能良好的膜组件应具备以下条件：①对膜能提供足够的机械支撑并可使高压原料液（气）和低压透过液（气）严格分开；②在能耗最小的条件下，使原料液（气）在膜面上的流动状态均匀合理，以减少浓差极化；③具有尽可能高的装填密度（即单位体积的膜组件中填充较多的有效膜面积），并使膜的安装和更换方便；④装置牢固、安全可靠、价格低廉和容易维护。

（3）膜工艺设计方案（图3-8）

图3-8　膜工艺设计方案

6.无机陶瓷膜及其性能指标

（1）陶瓷膜性能指标：多通道陶瓷膜元件中的渗透液透过途径如图3-9所示。

图3-9　多通道陶瓷膜元件中的渗透液透过途径示意图

陶瓷膜性能指标见表3-4所示。

表3-4　陶瓷膜性能指标

（2）陶瓷膜过滤系统的优越性：①耐高温（300℃）、耐强酸强碱、耐有机溶剂；②仅需消耗水、空气、电和清洁剂；③无相变，可在低温下操作，保证产品活性；④可减少后续工艺中有机溶剂的使用量；⑤滤孔呈不对称分布，可实现反向冲洗，恢复性能好；⑥对菌体及固形物可100%截留，最大限度地减少离子交换等工艺中的污染；⑦与传统工艺相比，可提高产品收率（2%～10%）；⑧简化工艺，缩短工时1/2，降低劳动强度和维修费用，降低生产成本；⑨设备系统占地面积小，操作简单，易于清洗和消毒。

（3）影响无机陶瓷膜分离性能的主要因素：膜的结构参数、操作参数、料液性质等是影响无机陶瓷膜分离性能的主要因素。

1）膜结构参数对分离性能的影响：陶瓷膜的结构参数主要包括平均孔径、孔径分布、膜厚度、孔隙率、孔形状等；膜材料性质则包括膜的化学稳定性、热稳定性、表面性质及机械强度等。它们不但影响膜的渗透分离性能，更与膜的使用寿命密切相关：①膜孔径的影响：膜孔径是影响膜通量和截留率等分离性能的主要因素，一般来说孔径越小，对粒子或溶质的截留率越高，而相应的通量往往越低。但在实际料液分离过程中，由于吸附、堵塞等膜污染现象的影响，还会出现孔径大而通量小的情况。因而只有合适的孔径与料液粒子大小相匹配时，膜才会有较高的通量。②膜厚度的影响：膜的厚度越大，则液体透过的阻力越大，导致通量下降。③膜孔隙率的影响：膜孔隙率越高，膜通量就越大。

2）操作参数对分离性能的影响：①操作压差：对于压力推动的膜滤过程，操作压差将直接影响膜通量。无机膜滤过程中存在一个临界压力，在临界压力之下，操作压差与膜通量呈正比关系；而在临界压力之上，由于浓差极化等因素的影响，过滤压差与膜通量不再呈线性关系，而操作压差对通量的影响不大，此临界压力对应的膜通量称为极限通量。确定临界压力有助于选择合适的操作压力，这对降低能耗，获得较高的膜通量，避免过滤操作的条件恶化具有非常重要的意义。②错流速度：错流速度是影响膜渗透通量的重要因素之一。错流速度的大小主要取决于原料液的性质（黏度、颗粒含量等）和膜材料机械强度，在绝大多数的操作过程中，错流速度的范围一般在2～8m/s之间。因为较高的剪切速度有利于带走沉积于膜表面的颗粒、溶质等，减轻膜污染，提高膜通量，所以有利于减轻浓差极化的影响；但是错流速度过高也会带来一些弊端。总之，错流速度与膜通量的关系比较重要，对工业生产的能量消耗等也有着非常重要的影响。③温度：通常是温度升高，黏度下降，悬浮颗粒的溶解度增加，传质扩散系数增大，可以促进膜表面溶质向主体运动，使浓差极化层变薄，从而提高过滤速度，增加膜通量。

3）料液性质对分离性能的影响：影响膜分离性能的因素主要包括两方面：一是黏度、成分、pH值等溶液性质；二是所含溶质或颗粒的大小、含量、荷电性质、分散状态等。其中，溶质或颗粒的性质直接关系到其对膜的污染方式、程度等，从而影响膜的分离性能。由于陶瓷膜都带有电荷，易受溶液性质影响，因此溶液性质改变往往改变膜的表面荷电性质，使得膜与溶质或颗粒、膜与溶剂的相互作用发生变化，进而对膜分离性能产生影响。例如，溶液中的无机离子会对膜过滤（特别在蛋白质过滤中）产生重要影响：一方面，一些无机盐复合物会在膜表面或膜孔内直接吸附与沉积，或使膜对蛋白质的吸附增强而污染膜；另一方面，无机盐改变了溶液离子强度，影响到蛋白质溶解性、构型与悬浮状态，使形成的沉积层疏密程度改变，从而对膜过滤性能产生影响。目前，体系性质对膜过程的影响并没有统一的规律，亦说明了体系的复杂性。

（4）无机陶瓷膜与有机膜的比较：①无机陶瓷膜耐高温性能优于有机膜，在生产过程中可直接用蒸气或加热灭菌消毒；②无机陶瓷膜耐化学腐蚀性好，可使用各种不同的清洗剂进行彻底清洗，膜通量可完全恢复，使用寿命长，最长可达10年；③无机膜的膜孔分级精细，因而能准确有效地将原液中的某种成分分离，从而达到去除或提取的目的。

7.膜分离技术的应用

膜分离技术在天然药物提取分离工艺上的应用以超滤技术为主。超滤技术可将溶液中的化学成分按相对分子质量大小进行分离，天然药物的有效成分，如生物碱、黄酮类、苷类等相对分子质量均较小（多在1000左右），而无效成分（通常指蛋白质、鞣质、树脂、淀粉等可溶性大分子杂质）的结构复杂，相对分子质量较大，多在10000以上。通过选择适宜相对分子质量截留值的超滤膜，可达到选择性地去除无效成分、保留有效成分的目的，从而减少天然药物的服用量，也可增加中药制剂的稳定性。将水提醇沉改成超滤后避免了乙醇的消耗和大量稀乙醇的回收，在降低生产成本上也有着很大的优势。

（1）黄芩苷的分离纯化：采用超滤法提取黄芩中有效成分黄芩苷，其中最主要的是选择适宜孔径（截留相对分子质量为6000～10000）的超滤膜，其次是升高药液温度或降低浓度、严格控制pH值（酸化时pH1.5，碱溶时pH7），结果表明超滤法在黄芩苷收率和纯度方面均优于常法，且一次超滤即可达到注射剂要求，工艺简单，生产周期可缩短1～2倍。

（2）甜菊糖苷的分离纯化：采用超薄型板式超滤器和截留相对分子质量为10000的乙酸纤维素膜（CA膜）对甜菊糖苷进行净化实验。结果显示，膜的脱色性能和除杂质效果良好，超滤器性能稳定，可较好地解决甜菊糖苷生产中常常出现的沉淀和灌封时起泡问题，工艺流程合理可行。

（3）绿原酸的分离纯化：超滤法（截留相对分子质量为10000的膜）及醇沉法对金银花中绿原酸影响的研究表明，超滤体积为1.25倍时，绿原酸收率为95.37%，而70%醇沉法的绿原酸收率仅为67.82%，说明超滤法能更有效地保留有效成分。

（4）马钱苷的分离纯化：比较研究水醇法与超滤法对山茱萸制剂澄清度的影响，结果证明，截留相对分子质量为1000的膜使马钱苷（相对分子质量为384）损失50%左右，而截留相对分子质量为10000的超滤膜对马钱苷无明显影响，但能够有效地去除药液中糖类杂质，提高了山茱萸制剂澄清度。

（5）人参精口服液的分离纯化：将超滤工艺用于人参精口服液的生产中，进行中试研究（膜材料为聚丙烯腈、磺化聚砜、聚砜酰胺膜，截留相对分子质量分别为5000、20000、30000、70000），结果选用截留相对分子质量为70000左右的聚砜酰胺膜（PSA）或聚丙烯腈膜（PNA），浓缩倍数控制在20倍左右，超滤所得产品符合一等品的质量标准，生产成本相当于原工艺的1/2。

（6）小檗碱的分离纯化：分别应用超滤法（聚砜膜，截留相对分子质量20000）和醇沉法对黄连水提取液进行纯化，评价指标为有效成分小檗碱的含量以及残渣去除率。实验结果表明，当超滤液体积达到原体积的1.25倍时，小檗碱收率达95%，而醇沉法的收率为73%；超滤法去除残渣率为48%，而醇沉法为38%，因此超滤法比醇沉法能更多地去除料液中的杂质、保留有效成分，同时超滤法能节省乙醇、简化工序、缩短生产周期。