膜分離技術被認為是20世紀末至21世紀中期較有發展前途，甚至會導致一次工業革命的高新技術之一，成為當今 各國研究熱點。膜分離作為一種新發展的高新分離技術，其應用領域不斷擴大，廣泛應用于化工、食品、水加工業、醫藥、環境保護、生物技術、能源工程等領域，并發揮了巨大的作用。我國對膜分離技術的研究是從20世紀60年代對離子交換膜的研究開始的。從60年代的反滲透技術到90年代的滲透汽化技術，我國的膜分離技術得到了迅速的發展。經過幾十年的努力，目前我國在膜分離技術研究開發方面已成功地研制出一批具有實用價值、接近或達到 水平的成果，如無機膜反應分離技術等。

1 膜分離技術的原理及優點

膜分離是指用半透膜作為障礙 層，借助于膜的選擇滲透作用，在能量、濃度或化學位差的作用下對混合物中的不同組分進行分離提純。由于半透膜中濾膜孔徑大小不同，可以允許某些組分透過膜層，而其它組分被保留在混合物中，以達到一定的分離效果。

利用膜分離技術來進行分離具有如下優點：

（1）膜分離過程裝置比較簡單，同時操作方便、結構緊湊、維修費用低且方便、易于自動控制。

（2）膜分離過程一般不涉及相變，無二次污染且能耗較低；膜分離過程可以在室溫或低溫下操作。

（3）適宜熱敏感物質（酶、藥物）的濃縮分離。

（4）膜分離過程具有相當大的選擇性，適用對象廣泛，可以分離肉眼看得見的顆粒，也可以分離離子和氣體；該過程可以在室溫下連續操作，設備易于放大，可以專一配膜，選擇合適的膜，從而得到較高的回收率。

（5）膜分離處理系統可以在密閉系統中循環進行，因而可以防止外界的污染。

（6）在過程中不用添加任何外來的化學物質，透過液可以循環使用，從而降低了成本，并可以減少環境污染。

正是由于膜分離技術具有上述優點，是現代生物化工分離技術中一種效率較高的分離手段，完全可以取代傳統的過濾、吸附、蒸發、冷凝等分離技術，所以膜分離技術在生物化工分離過程中起著很大的作用。

2 膜分離技術在生物化工應用中存在的問題

在操作過程中，膜面易受污染，形成附著層，使膜的性能降低，降低膜的透水率，形成濃差極化現象。為了減少濃差極化，常采用錯流流程，即過濾液主體水平流過膜面，而過濾液是垂直通過膜面。此外，在膜分離技術中容易遇到膜污染問題，即膜的透水量隨運行時間延長而下降。因此需采用一定的方法對膜面或膜內的污染物進行清洗，以使透水量得到提高。常用的清洗方法是高流速水清洗和用化學清洗劑對膜進行清洗。膜分離雖然原理簡單，在生物化工領域廣泛應用，但由于生物化工產品種類繁多、性質各異，對膜分離會產生不同的影響，如吸附會使膜孔堵塞等，所以要想很好地利用膜分離技術，必須針對具體過程研究開發各種防止膜性能降低的裝置并探討有效的操作方法。

用膜分離技術處理煉污水的過程中，在長時間的運行后，污水中被截留的顆粒、膠粒、乳濁液、懸濁液、大分子和鹽等會在膜表面或膜孔內吸附、沉積，從而造成膜孔徑變小甚至堵塞，即產生了膜污染。膜污染會使膜通量下降，影響分離效果。

目前，膜污染被認為是膜分離技術處理煉油污水過程中較重要的限制因素。大量研究表明，膜污染主要與膜材料和分離體系的性質有關。具體如下：

（1）一般來說，膜面光滑，膜孔分布窄的膜不易被污染。膜的表面性能，如親水性、疏水性和荷電性也會影響膜的污染程度，通常認為親水膜更耐污染。

（2）分離體系的性質，包括溶液的溫度和pH等。溫度升高，溶液的粘度降低，膜通量一般會增大，膜不易污染；溶液的pH則會影響待濾顆粒物的荷電性質，從而影響膜污染程度。

在實際應用中解決膜污染的途徑主要有：

（1）優化操作條件，如選擇較合適的膜、操作溫度、溶液性質等都可以在一定程度上消除膜污染。

（2）清洗則是處理膜污染的常規方法，清洗方法主要有空氣反吹沖洗、水反沖洗、曝氣清洗、化學清洗及近年來研究較多的超聲波清洗，清洗需定期進行，清洗頻率可根據污染物濃度和處理的效果有所不同。

3 膜分離技術在工業中的應用

3.1 在植物油精煉中的應用

植物毛油主要組份為甘油三酯，此外，還含有少量磷脂、色素、游離脂肪酸、蠟質、甾醇、生育酚、烴類、蛋白質及其降解物等物質。為使植物油達到食用標準要求，一般通過化學或物理精煉方法去除這些物質。傳統化學精煉需經脫膠、脫酸、脫色、脫蠟和脫臭等幾道工序，存在能量消耗高，中性油損耗大，需大量水和化學試劑，排放物污染嚴重及營養成分損失較多等缺點。物理精煉優于化學精煉主要是提高產量，省略皂腳酸化分解工序，減少排放物量；但仍存在原料油脂預處理要求嚴格，對一些油脂仍不適用，精煉時需要高溫、高真空，同時易產生聚合物和反式異構物（反式異構酸）等缺點。而膜分離技術在油脂精煉中應用能克服上述這些缺點，其優點是操作溫度溫和，避免油脂氧化，同時簡化工藝、減少消耗和減少廢水產生。

3.2 膜分離技術在乳品工業中的應用

3.2.1 除菌

應用微濾去除乳制品中細菌是近幾年發展起來的技術。1987年，Piot等人 將無機膜用于全脂牛奶的過濾除菌。現在，將巴氏殺菌和無機膜過濾相結合生產濃縮的巴氏殺菌牛奶的過程已實現工業化。此過程是通過半透膜的微孔對細菌及孢子的截留，來實現乳品除菌，具有冷殺菌優勢。但由于脂肪球與乳中一般所含細菌大小相似，故脂肪球與細菌會一同被截留于保留液中，為此在整個工藝過程中于微濾之前應先分離脂肪，其目的是為了減少微孔過濾時的膜堵塞，以提高蛋白質的過濾速度，又可以獲得良好的濃縮比，且不會因阻孔而形成嚴重的流速下降。

目前，Alfa laval公司已將離心和MF/HTT工藝結合開發出一種稱為“Bactocatch”的設備；北京三元食品股份有限公司依托 “十五”重大科技成果與國內 的ESL乳生產示范線， 將微濾技術用于牛乳的除菌，生產出ESL 低溫殺菌乳，使產品在比通常巴氏殺菌更低的溫度下殺菌，就能使保質期延長至8天以上。

3.2.2 濃縮

3.2.2.1 牛乳的濃縮

對牛乳進行濃縮，去除一部分水分，不僅可以減少包裝、儲藏和運輸費用，提高其保藏性，也是作為干燥或更完全脫水所必需的預處理過程。在牛乳濃縮中應用的膜過程主要是超濾和反滲透。例如，用超濾法可除去牛乳中70%～80%的水；在脫脂乳的濃縮上，用反滲透法可去除60%以上的水分，而用超濾法則可得到蛋白質質量分數高達80%的脫脂濃縮乳。同樣，用反滲透法可將原料乳濃縮到固形物質量分數達25%，再經真空蒸發，可進一步提高固形物的含量。

3.2.2.2 乳蛋白濃縮

乳蛋白濃縮物（MPC）具有優良的營養功能特性，其傳統分離方法是利用蛋白質的等電點凝結、酸沉淀、熱沉淀，或其它方法沉淀，但都會打亂乳蛋白的天然狀態，因而影響其產品的功能特性和營養價值。由于超濾能截留原乳中幾乎全部的蛋白質，且允許糖和灰分通過，所以超濾可以應用在乳蛋白的濃縮方面；由于超濾利用蛋白質與乳中其它成分不同的物理特性（分子量）分離，因此乳蛋白的原始狀態不會被打亂和破壞，而且工藝參數可以有選擇性地進行，盡量使其對蛋白質濃縮污所造成的損傷降至較小程度。

3.2.3 乳蛋白質的標準化

標準化乳脂肪可以用離心機來進行，但蛋白質標準化在過去的技術條件下較為困難，目前可采用超濾和微濾來實現。牛乳中蛋白質含量通常為2.9%～3.6%，由于膜技術具備選擇性分離特點，牛乳經過一定的濃縮后各組分的質量比例決定了牛乳的濃縮程度，可通過控制合適的濃縮比實現牛乳的標準化操作。通過對乳蛋白質的標準化，可使乳制品生產合理化，提高產品產出率，產生可觀的經濟效益。如要求蛋白質含量為2.8%，可以用超濾中的截流液添加到原乳中以提高蛋白質含量。相反，對蛋白質含量高于2.8%的原乳，則可以用超濾中的透析液降低蛋白質含量，多余的蛋白質用以生產其它產品，節約補充蛋白質的成本。

目前采用超濾和微濾技術來對干酪用乳進行蛋白質標準化已很普遍，它可以在脂肪含量標準化的同一條生產線上利用超濾來進行蛋白質的標準化，以實現脂肪、蛋白質的同時標準化，使整個加工過程更易于控制。由于超濾可以截留幾乎全部的乳清蛋白，因而提高了干酪的產率；而且蛋白質含量恒定，凝乳酶的添加量以及凝固和攪拌時間也都是一個恒定的參數，使得干酪產品質量穩定，并減少一部分凝乳酶用量。

3.2.4 乳清產品

3.2.4.1 乳清蛋白的回收

乳清作為干酪生產的副產物，含有原乳幾乎全部的乳糖，20%乳蛋白及大多數的維生素與礦物質。傳統將乳清加熱干燥制成全干乳清（WPC）或乳清蛋白粉回收蛋白質的方法，只能除去水分而使這種乳清粉中的乳糖含量高達73%，礦物質達12%，而蛋白質只有12%左右，造成乳清粉中營養搭配比例極不協調，限制了它在食品中的應用。采用超濾和反滲透技術，可以在濃縮乳清蛋白的同時，從膜的透過液中除掉乳糖和灰分等，這樣就大大擴大了乳清的應用范圍。

3.2.4.2 乳清脫鹽

生產Cheddar干酪和其它硬干酪所產生的咸乳清（鹽含量極高），必須先脫鹽然后才能回收、蒸發、干燥。應用納濾處理這種乳清時，其中單價金屬離子和氯離子可以透過，而二價離子及大多數其它組分都有一定程度的截留，蛋白質全部被截留。可將被截留的乳清進行循環納濾直到乳清中含鹽量降到要求。用納濾能有效地除去雜味和鹽味，并且不破壞牛奶的風味和營養價值。在美國和歐洲已經有效地使用納濾對乳清除鹽，以取代電滲析。該方法可減少設備投資，節省能耗和運行費用。

3.2.4.3 乳蛋白質分離分級

乳蛋白質的分離分級包括乳清蛋白的分離分級和酪蛋白的分離分級。目前國外正在研究將各種膜分離技術和色譜方法及化學處理、酶處理結合起來，將乳蛋白中各種組分分開。在低pH值、適度熱處理（55℃，30min）條件下，β-乳白蛋白會可逆地聚合并與除β-乳球蛋白之外的大部分其它乳清蛋白結合，從而可以用微濾（微孔0.2μm）或離心分離的方法分離出β-乳球蛋白。此β-乳球蛋白可以用超濾結合電滲析進一步提純。微濾膜同樣可將乳清中β-乳清蛋白和β-乳球蛋白分開。在乳清蛋白分離分級時應注意的是殘存脂肪的不利影響，因而殘留脂肪的預先分離就成為乳清蛋白分離分級過程的 步。在酪蛋白分離分級過程中，利用微濾（膜孔0.2μm）處理脫脂乳可以在保留液中獲得酪蛋白膠束，再經超濾、微濾、色譜分離或電泳即可得k-酪蛋白。同樣，利用微濾膜（膜孔0.2μm）可以分離β-酪蛋白。此外，脫脂的乳清采用超濾手段還可以制備純的免疫球蛋白，但從經濟上考慮不如以初乳為原料更有利。

3.2.5其它方面的應用

3.2.5.1 應用超濾技術制備乳鐵蛋白

由于超濾法提供了不加熱或不發生相變進行大分子質量組分的濃縮、分離的方法，所以它非常適合熱敏性的功能性組分的分離。

3.2.5.2 超濾法分離牛初乳中免疫球蛋白IgG

免疫球蛋白Ig是機體免疫系統的一個重要組成部分，是人類及高等動物受抗原刺激后體內產生的能與抗原特異性相互作用的一類蛋白質，又稱為抗體。Ig一般分為IgG、IgA、IgD、IgE、IgM五大類，牛初乳中IgG含量占Ig總量的80%以上，又因其特定的生理功能而受到廣泛關注。研究表明，通過超濾可將乳清中IgG含量提高1倍左右；超濾壓力增加，IgG含量相應增加，IgG活性基本不變。當壓力為0.08MPa時，IgG含量為45.98mg/mL，活性未變，超濾溫度增加，初乳中的IgG含量先有較小增加然后較少，Ig活性則下降。在超濾溫度為40℃時，IgG含量較高，達到46.85mg/mL，活性未變。

3.3 膜分離技術在釀酒產業中的應用

3.3.1 膜分離技術在蒸餾酒上的應用

目前，白酒降度生產低度酒是大勢所趨，但隨之會帶來由于酒體中醇溶性高分子物質因酒度降低析出而造成的酒體渾濁問題。去除這些高分子物質目前常用的方法有：冷凍過濾法、吸附劑吸附法、添加助濾劑等，這些方法在應用上存在各種問題。應用國內新研制的活性炭復合微濾膜有效濾除了白酒因降度而產生的白色渾濁物，還能有效去除或減少酒的苦味、辛辣味及雜味，使口感醇和；不同孔徑膜過濾比較試驗，結果發現低度白酒采用孔徑衛0.22μm的膜過濾，高度白酒采用孔徑為0.45μm的膜過濾，可以增強酒樣的抗冷凍性和自然穩定性，并且微量成分損失較少。

3.3.2 膜分離技術在黃酒上的應用

黃酒是一種多成分的復雜的膠體體系，其穩定性具有一定的相對性。引起黃酒不穩定性的因素一般可分為生物因素（微生物污染引起）和非生物因素（蛋白質、多酚、戊聚糖、鐵離子等引起）兩個方面。傳統黃酒生產中，對于由生物因素引起的黃酒不穩定性，一般采用巴氏殺菌法對黃酒進行殺菌，但此法存在能耗高、風味損失嚴重等缺點，隨著微濾和超濾等膜分離技術被引入釀酒行業，利用外壓管式超濾裝置對生黃酒進行除濁除菌試驗，用切割分子量為5萬的有機膜，在0.30MPa、40℃條件下超濾，黃酒平均透液量可達到75kg/m2左右，雜菌去除98%以上，不僅保持了黃酒的自然風味，還明顯延長了黃酒的貯存期。

對于由非生物因素引起的黃酒不穩定性，通常采用煎酒來去除其中的酶和蛋白質等，以達到提高穩定性的目的，但同時酒液會產生較重的老酒味，新鮮感較差。而純生黃酒則是在發酵成酒后不經過任何加熱，根據這一特點，引入超濾技術后，酒液中淀粉酶、糖化酶和蛋白酶都能達到去除的要求，蛋白質、多酚、鐵離子、戊聚糖等物質的含量均呈減少的趨勢，對純生黃酒的非生物穩定性起到了一定的提高或改善作用。

3.4 膜分離技術在啤酒上的應用

膜分離高科技以其高效率、無相變、低消耗、無三廢、投資少、易自動化等特點，可應用于啤酒工業中的無菌過濾、無醇啤酒生產、啤酒釀造用水以及廢水處理等方面。

3.4.1 膜分離技術在啤酒無菌過濾中的應用

啤酒的無菌過濾是啤酒生產過程中提高產品質量的重要環節，它直接關系著啤酒品質的穩定性、外觀及口感。采用膜錯流過濾和新型的無菌灌裝系統的消毒滅菌方法對無菌生啤酒的生產工藝進行設計，使整個生產工藝系統高效、優化運行，同時加強生產操作及衛生的管理，生產出色澤、品質優良、保質期長的無菌鮮啤酒。

3.4.2 膜分離技術在無醇啤酒中的應用

無醇啤酒是指酒精含量低于0.5%（體積）的啤酒。無醇啤酒越來越受到消費者的歡迎。目前已有的低度啤酒大多是通過控制發酵過程或通過從“正常”啤酒產品中以熱處理法去除酒精等方法得到的，總的來說，這種產品的風味不盡如意。應用膜分離方法能使啤酒達到除醇的目的，還能明顯提高啤酒質量，主要有反滲透脫醇法和滲析脫醇法。

3.4.3 膜分離技術在啤酒釀造用水中的應用

啤酒品質的好壞與釀造用水的質量有直接的關系。啤酒釀造水的性質主要取決于水中溶解鹽類的種類和含量、水的生物學純凈度及氣味。應用微濾、反滲透或電滲析等對釀造用水進行預處理，可以除去水中的細菌、病毒、殘留農藥、有害金屬離子以及其他有機污染物，獲得高質量的釀造用水。用硅藻土梯度陶瓷微濾膜對自來水進行凈化處理。平均孔徑為0.15m的梯度陶瓷膜，可完全濾除水中的大腸桿菌、沙門氏菌、金葡萄球菌和霉菌等致病病菌以及鐵銹和各種懸浮微粒。

3.4.4 膜分離技術在啤酒廢水處理中的應用

目前，國內大多采用普通活性污泥法處理啤酒廢水，存在占地面積大、基建費用高、固液分離效果較差、易出現污泥膨脹、剩余污泥產量大等弊端，無機膜-生物反應器（IMBR）組合工藝由于用膜分離技術代替了傳統的二沉池而受到關注，具有污染物去除效率高、出水水質穩定、裝置容積負荷大、設備占地面積小、傳氧效率高、污泥產量低、操作運行簡便等優點。膜出水水質好且穩定，明顯優于建設部用水水質標準CJ25.1-1989，可回用于城市園林綠化、灑水車用水等。