1、1生物工程中的膜技术简介高从堦国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心 杭州，310012生物工程是上世纪末迅速崛起的新兴高科技领域，也是本世纪重大科技工程之一。膜科学与技术是上世纪中期起步的高新技术之一，研发的多种膜过程广泛地用于电子、电力、医药、食品、化工、石化、冶金和环境等领域，改造传统工艺或创立新的集成工艺，发挥越来越注目的作用。由于膜技术可在原生物体系环境下进行分离，一般无相变、高效、节能、工艺简便、无二次污染等优点，其在生物工程中的应用也在不断的深入和扩大。下面是膜技术和在生物工程中的应用简介。1、膜技术简介1.1 压力驱动膜过程，包括微滤、超滤、纳滤和反渗透等；1.2 离子交换膜过程
2、，包括渗析、电渗析、膜电解、双极膜和 EDI 等；1.3 气体分离膜过程，包括 H2/N2、O 2/N2、H 2/烃、CO 2/烃、水/烃分离等；1.4 医用膜过程，包括血滤、人工肾、人工肺、人工肝、人工皮肤等；1.5 膜反应器，包括催化膜反应器和膜生物反应器两大类等；1.6 其他膜过程，如膜亲合、膜接触、膜蒸馏、渗透汽化、控制释放生物工程中常接触的膜技术，简介于表 1 中。表 1 生物工程常用膜技术简介过程 类型 膜特征 驱动力 应用举例压力驱动膜微滤超滤纳滤反渗透孔径：0.05-10m孔径：2nm-0.05m孔径：1-3nm非对称膜/复合膜压力：0.01-0.5MPa压力：0.2-1.0M
3、Pa压力：0.5-4.0MPa压力：1.0-10.0MPa空气过滤除菌，细胞收集，培养基除菌酶、蛋白纯化和浓缩多糖、多肽、抗生素、纯化和浓缩醇、氨基酸、糖等浓缩，纯水制备离子交换膜电渗析渗析EDI离子交换膜 电位 0.5-1.5v/膜对电位 3.0-6.0v/膜对料液除盐，纯水制备纯化纯水制备亲和膜 膜亲和 亲和膜 亲和力 干扰素、抗原等纯化、浓缩膜反应器膜反应 微滤/超滤膜 抗生素、醇、酸、酯等制备气体分离CO2O2/N2复合膜 发酵气处理供氧或供氮渗透汽化醇/水 复合膜 温度（沸点以下）压力（负压）发酵浓缩乙醇2、膜技术在生物工程中应用膜技术在生物工程的环境保障、原料精制、自身过程和下游过
4、程中都有广泛的、有时是关键性的应用，分述如下：22.1 膜技术在生物工程的环境保障中的应用膜技术在这方面应用主要是空气净化（含呼吸器）和 CO2 的回收。空气净化系统由初效过滤器、中效过滤器、高效过滤器、蒸汽过滤器组成，工艺流程如图 1 所示。初效过滤是压缩空气的第一级净化过滤，可将压缩空气中大量污染物除掉，以保证后两级气体净化器的稳定、可靠动转；第二级中效过滤将第一级过滤后的气体再进一步净化从而有效减少最后一级高效过滤器的污染物过滤负荷，保证高效过滤器的使用寿命；高效过滤是最后一级净化，保证净化后的气体中不带杂菌和噬菌体，从而保证发酵系统不因气体原因“染菌” 。呼吸器是由孔径为 0.2m 的
5、微孔膜制成，材料可以是聚砜、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、尼龙类和纤维素类等，作用是防止细菌进入发酵罐造成不良影响。2.2 膜技术在生物工程的原料保障中的应用膜技术在这方面的应用主要有净化水（溶剂） 、无菌水、无热原水和医用纯水等。净化水是据应用要求，采用一定孔径的微滤膜，将原料水或溶剂中的悬浮微粒去掉，获取所需的净化或净化溶剂等；通常采用孔径为 0.22m 的微滤膜可截流水中的细菌，获取无菌水，若采用荷正电的微滤膜，则可用孔径为 0.45m 的滤膜，以获取更大的水通量；采用截留分子量 10000 的超滤膜，可除去水中的热原，得到无热原水；医用纯水多采用集成膜过程制备，包括凝聚、过滤、反渗透、离子交
6、换、蒸馏、紫外、超滤或微滤等，达到无菌、无热原可供注射等用途的水。图 2 为美国从饮用水制备无菌水、无热原水和纯水的工艺。图 2 药用水生产工艺2.3 膜技术在生物工程过程本身的应用由于膜技术的分离特性和组器的多样化，使膜技术在生物工程过程本身中也得到广泛应用，还有一些很有潜力的试验应用。1）膜循环生物反应器膜技术（如超滤）与发酵（或酶反应器）联用实现细胞循环发酵（或酶解反应） ，如图 3 为细胞循环发酵，这一集成技术，可使发酵液经膜组件后再循环回发酵罐，继续发酵，注射用水其他处理饮用水 软化、脱氯、去离子、微滤、反渗透、超滤、蒸馏特定药用水纯化水 蒸馏或反渗透注射用水包装、灭菌配料水非肠道药
7、物制剂包装、灭菌无菌纯水压缩机初效过滤器 中效过滤器 高效过滤器气体进口蒸汽过滤器图 1 空气净化系统流程图3产物则透过膜流出（含部分副产物） ，这样可减少对微生物的抑制，促进微生物高密度生长，提高了产率。针对不同产物可选择不同的膜，现在已成功的是细胞循环发酵生产乙醇、乳酸、丙酮等。图 3 细胞循环发酵示意图 图 4 为酶膜循环反应器，酶将大分子底物分解为小分子产物后，透过膜而分离，剩余的酶和底物返回反应器继续分解，从而增加了酶解反应速度，提高了底物利用率。现在已在纤维素糖化、淀粉水解和蛋白水解中得以广泛应用。图 4 酶膜循环反应器2）固定化细胞（或酶）膜反应器该类反应器将细胞（或酶）固定在中
8、空纤维膜的内腔（管侧）或外壁（壳侧） ，底物可走管侧或壳侧，反应速度受扩散控制。该类反应器看来十分理想，但固定酶反应器仅适用低分子物场合，而固定细胞反应器有产率低，反应器寿命短，细胞易死亡或生长过快将膜破坏等缺点而未能产业化。至今国内仅有含青霉素酰化酶工程菌的膜反应器完成工试，可建立年产 60 吨的 6-APA 车间。另外有机相酶催化、酶法拆分和酶相再生反应器的试验，有望成功，应用潜力很大。图 5 为固定化酶膜反应器示意图。图 5 固定化酶膜反应器示意图3）膜基组织培养动植物细胞和组织的培养对研究工作，临床诊断和生物活性物质的工业生产有很大的价值，如：遗传病的研究；肿瘤快速检查；人工肝脏和人工
9、胰脏的培养和制备；干扰素、激素，单克隆抗体，肿瘤抗原等的制备。由于细胞中产生的量极少，只有通过离体细胞或组织的培养才能进行大规模生产。而大规模生产的困难在于动植物细胞要求严格的营养环境，稳定的生长环境（只有细胞膜保护，十分脆弱） 。许多要求附着到固体表面才可最佳增殖。另外应开发新的培养方法使细胞密度能达到 1010/ml（常规法为 106-108/ml） 。浓缩的酶和底物SM-100 膜无菌空气UM-05 膜无菌水PM-30 膜发酵液发酵罐 粗产品含产物滤液超滤器底物反应器酶，底物，产物产物酶进料4培养动植物细胞的常规方法静态法、摇瓶法、微珠法有许多缺点，需进一步改进。在动植物细胞培养中可获得
10、如天然组织那样的高密度，又能获得高产率的方法是用半透性的超滤毛细管膜，可用多种方法对其改性以成为细胞生长的支撑体，满足特种应用的需求，但到目前为止，在组器结构、传质等方面仍存在不少问题。2.4 膜技术在生物工程下游过程中的应用在这方面，随着膜技术的进步，应用越来越广，效益也越加显著。1）发酵液澄清经适当的预处理后，据发酵液要求，可用微滤或超滤对其澄清，可得不含杂菌和悬浮物的高质量的澄清液，这比离心法简便，能耗也低，特别是可去除高速离心难以沉降的微小粒子。2）细胞分离和收集用微滤可从发酵过程中收集活的微生物细胞、重组受体大肠杆菌、酵母等，回收率可达 93-95%。3）酶、蛋白和胰岛素等精制和浓缩
11、采用超滤技术可从料液中除去大部分小分子物质、盐和水（透过膜） ，而使酶、蛋白和胰岛素等得以浓缩，添加纯水，多次超滤（也可连续）可使之进一步精制。4）多肽、多糖、氨基酸和抗生素的纯化和浓缩氨基酸可调节 pH，在等电附近用电渗析法进行除盐纯化，再用反渗透浓缩；多肽和多糖可用合适的纳滤膜进行纯化和浓缩；抗生素可用纳滤与溶剂萃取的集成技术来纯化和浓缩。5）亲和膜提取干扰素、单克隆抗体和特种酶等 亲和膜借助于间隔壁相连的配基的作用可结合料液中目标产物，之后再洗去杂质，最后洗出目标产物。图 6 和图 7 分别为渗滤纯化和浓缩物料以及膜亲和过程示意图。图 6 渗滤纯化和浓缩示意图图 7 膜亲和过程示意图2.
12、5 膜技术在生物工程的废液处理中的应用2.5.1 废物中有价物回收UF V: 100L/hTS: 5%: 1:4%TS: 4%: 0:4%V: 10L/hTS: 14%: 10:4% V: 10L/hTS: 1%: 10:1% V: 140L/hTS: 10%: 0:2.1%140L/hUF缓冲液淋洗液产物杂质原液残液洗 涤 解亲和亲和膜 5链霉素生产过程中，需用活性炭进行脱色，在脱色工序中更换下来的活性炭废弃物，不仅含有被吸附的色素物质和杂质，还含有一定量的链霉素。这部分活性炭通常被丢弃，造成了很大的资源浪费和环境污染，现开发了一新工艺，从废弃物中提取链霉素，然后再回收活性炭，得到很好的经济
13、、社会、环境效益。在回收过程中，由洗脱液的浓度不高，喷雾干燥耗能很大，为此引进了纳滤膜技术，使得洗脱液进一步浓缩，从 10 万单位提高到26 万单位，进而提高喷雾干燥的效率，节省了大量的电力，取得了较好的实际效果，流程如下：加自来水 纱布过滤搅拌树脂吸附、用 H2SO4 洗脱 喷雾干燥图 8 废弃物中回收链霉素流程示意图2.5.2 废液处理以膜一生物反应器处理各种污水和部分工业废水已证明是很有竞争力的过程，某制药厂废水 COD 为 40007000mg/l ，B/C 比为 0.45 左右，经沉淀及兼氧处理后，COD 平均为 1600mg/l 左右，再经分体式膜一生物反应器处理后（停留时间 8
14、小时） ，出水 COD 稳定在 200mg/l 左右，平均去除率为 87.5%。浸没式和分体式膜生物反应如图所示。图 9 膜生物反应器示意图结 语膜技术是在社会需求下迅速发展的高新技术，它也广泛地用于生物工程领域的许多过程中，成为过程组成部分或单元过程。可以相信，随着膜技术的不断发展和进步，随着生物工程的深入进展，膜技术必将为生物工程提供更先进更有效的手段，为生物工程的进步多服务、多贡献。参考文献1、时钧，袁权，高从堦主编 膜技术手册，化学工业出版社，北京，2001 年 1 月2、江成璋，膜技术在生物产品分离中应用，全国医药行业膜技术应用研讨会论文集1-8，大连， 1998 年 9 月3、欧阳平凯主编，生物分离原理及技术，化学工业出版社，北京，1999 年 2 月4、严希康编著 生化分离技术，华东理工大学出版社，上海，1996 年 12 月5、龚承元，美国药典 24 版药用水的几个问题，第三届全国医药行业膜技术应用研废弃活性炭 含链霉素浑浊液 含链霉素清液洗脱液 NF 农用链霉素浸没式 外置式处理后的水处理后的水原水原水吸引泵膜装置泵鼓风机鼓风机。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。6讨会论文集，1-9 杭州，2001 年 3 月
