膜分离技术被认为是20世纪末至21世纪中期较有发展前途，甚至会导致一次工业革命的高新技术之一，成为当今 各国研究热点。膜分离作为一种新发展的高新分离技术，其应用领域不断扩大，广泛应用于化工、食品、水加工业、医药、环境保护、生物技术、能源工程等领域，并发挥了巨大的作用。我国对膜分离技术的研究是从20世纪60年代对离子交换膜的研究开始的。从60年代的反渗透技术到90年代的渗透汽化技术，我国的膜分离技术得到了迅速的发展。经过几十年的努力，目前我国在膜分离技术研究开发方面已成功地研制出一批具有实用价值、接近或达到 水平的成果，如无机膜反应分离技术等。

1 膜分离技术的原理及优点

膜分离是指用半透膜作为障碍 层，借助于膜的选择渗透作用，在能量、浓度或化学位差的作用下对混合物中的不同组分进行分离提纯。由于半透膜中滤膜孔径大小不同，可以允许某些组分透过膜层，而其它组分被保留在混合物中，以达到一定的分离效果。

利用膜分离技术来进行分离具有如下优点：

（1）膜分离过程装置比较简单，同时操作方便、结构紧凑、维修费用低且方便、易于自动控制。

（2）膜分离过程一般不涉及相变，无二次污染且能耗较低；膜分离过程可以在室温或低温下操作。

（3）适宜热敏感物质（酶、药物）的浓缩分离。

（4）膜分离过程具有相当大的选择性，适用对象广泛，可以分离肉眼看得见的颗粒，也可以分离离子和气体；该过程可以在室温下连续操作，设备易于放大，可以专一配膜，选择合适的膜，从而得到较高的回收率。

（5）膜分离处理系统可以在密闭系统中循环进行，因而可以防止外界的污染。

（6）在过程中不用添加任何外来的化学物质，透过液可以循环使用，从而降低了成本，并可以减少环境污染。

正是由于膜分离技术具有上述优点，是现代生物化工分离技术中一种效率较高的分离手段，完全可以取代传统的过滤、吸附、蒸发、冷凝等分离技术，所以膜分离技术在生物化工分离过程中起着很大的作用。

2 膜分离技术在生物化工应用中存在的问题

在操作过程中，膜面易受污染，形成附着层，使膜的性能降低，降低膜的透水率，形成浓差极化现象。为了减少浓差极化，常采用错流流程，即过滤液主体水平流过膜面，而过滤液是垂直通过膜面。此外，在膜分离技术中容易遇到膜污染问题，即膜的透水量随运行时间延长而下降。因此需采用一定的方法对膜面或膜内的污染物进行清洗，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学清洗剂对膜进行清洗。膜分离虽然原理简单，在生物化工领域广泛应用，但由于生物化工产品种类繁多、性质各异，对膜分离会产生不同的影响，如吸附会使膜孔堵塞等，所以要想很好地利用膜分离技术，必须针对具体过程研究开发各种防止膜性能降低的装置并探讨有效的操作方法。

用膜分离技术处理炼污水的过程中，在长时间的运行后，污水中被截留的颗粒、胶粒、乳浊液、悬浊液、大分子和盐等会在膜表面或膜孔内吸附、沉积，从而造成膜孔径变小甚至堵塞，即产生了膜污染。膜污染会使膜通量下降，影响分离效果。

目前，膜污染被认为是膜分离技术处理炼油污水过程中较重要的限制因素。大量研究表明，膜污染主要与膜材料和分离体系的性质有关。具体如下：

（1）一般来说，膜面光滑，膜孔分布窄的膜不易被污染。膜的表面性能，如亲水性、疏水性和荷电性也会影响膜的污染程度，通常认为亲水膜更耐污染。

（2）分离体系的性质，包括溶液的温度和pH等。温度升高，溶液的粘度降低，膜通量一般会增大，膜不易污染；溶液的pH则会影响待滤颗粒物的荷电性质，从而影响膜污染程度。

在实际应用中解决膜污染的途径主要有：

（1）优化操作条件，如选择较合适的膜、操作温度、溶液性质等都可以在一定程度上消除膜污染。

（2）清洗则是处理膜污染的常规方法，清洗方法主要有空气反吹冲洗、水反冲洗、曝气清洗、化学清洗及近年来研究较多的超声波清洗，清洗需定期进行，清洗频率可根据污染物浓度和处理的效果有所不同。

3 膜分离技术在工业中的应用

3.1 在植物油精炼中的应用

植物毛油主要组份为甘油三酯，此外，还含有少量磷脂、色素、游离脂肪酸、蜡质、甾醇、生育酚、烃类、蛋白质及其降解物等物质。为使植物油达到食用标准要求，一般通过化学或物理精炼方法去除这些物质。传统化学精炼需经脱胶、脱酸、脱色、脱蜡和脱臭等几道工序，存在能量消耗高，中性油损耗大，需大量水和化学试剂，排放物污染严重及营养成分损失较多等缺点。物理精炼优于化学精炼主要是提高产量，省略皂脚酸化分解工序，减少排放物量；但仍存在原料油脂预处理要求严格，对一些油脂仍不适用，精炼时需要高温、高真空，同时易产生聚合物和反式异构物（反式异构酸）等缺点。而膜分离技术在油脂精炼中应用能克服上述这些缺点，其优点是操作温度温和，避免油脂氧化，同时简化工艺、减少消耗和减少废水产生。

3.2 膜分离技术在乳品工业中的应用

3.2.1 除菌

应用微滤去除乳制品中细菌是近几年发展起来的技术。1987年，Piot等人 将无机膜用于全脂牛奶的过滤除菌。现在，将巴氏杀菌和无机膜过滤相结合生产浓缩的巴氏杀菌牛奶的过程已实现工业化。此过程是通过半透膜的微孔对细菌及孢子的截留，来实现乳品除菌，具有冷杀菌优势。但由于脂肪球与乳中一般所含细菌大小相似，故脂肪球与细菌会一同被截留于保留液中，为此在整个工艺过程中于微滤之前应先分离脂肪，其目的是为了减少微孔过滤时的膜堵塞，以提高蛋白质的过滤速度，又可以获得良好的浓缩比，且不会因阻孔而形成严重的流速下降。

目前，Alfa laval公司已将离心和MF/HTT工艺结合开发出一种称为“Bactocatch”的设备；北京三元食品股份有限公司依托 “十五”重大科技成果与国内 的ESL乳生产示范线， 将微滤技术用于牛乳的除菌，生产出ESL 低温杀菌乳，使产品在比通常巴氏杀菌更低的温度下杀菌，就能使保质期延长至8天以上。

3.2.2 浓缩

3.2.2.1 牛乳的浓缩

对牛乳进行浓缩，去除一部分水分，不仅可以减少包装、储藏和运输费用，提高其保藏性，也是作为干燥或更完全脱水所必需的预处理过程。在牛乳浓缩中应用的膜过程主要是超滤和反渗透。例如，用超滤法可除去牛乳中70%～80%的水；在脱脂乳的浓缩上，用反渗透法可去除60%以上的水分，而用超滤法则可得到蛋白质质量分数高达80%的脱脂浓缩乳。同样，用反渗透法可将原料乳浓缩到固形物质量分数达25%，再经真空蒸发，可进一步提高固形物的含量。

3.2.2.2 乳蛋白浓缩

乳蛋白浓缩物（MPC）具有优良的营养功能特性，其传统分离方法是利用蛋白质的等电点凝结、酸沉淀、热沉淀，或其它方法沉淀，但都会打乱乳蛋白的天然状态，因而影响其产品的功能特性和营养价值。由于超滤能截留原乳中几乎全部的蛋白质，且允许糖和灰分通过，所以超滤可以应用在乳蛋白的浓缩方面；由于超滤利用蛋白质与乳中其它成分不同的物理特性（分子量）分离，因此乳蛋白的原始状态不会被打乱和破坏，而且工艺参数可以有选择性地进行，尽量使其对蛋白质浓缩污所造成的损伤降至较小程度。

3.2.3 乳蛋白质的标准化

标准化乳脂肪可以用离心机来进行，但蛋白质标准化在过去的技术条件下较为困难，目前可采用超滤和微滤来实现。牛乳中蛋白质含量通常为2.9%～3.6%，由于膜技术具备选择性分离特点，牛乳经过一定的浓缩后各组分的质量比例决定了牛乳的浓缩程度，可通过控制合适的浓缩比实现牛乳的标准化操作。通过对乳蛋白质的标准化，可使乳制品生产合理化，提高产品产出率，产生可观的经济效益。如要求蛋白质含量为2.8%，可以用超滤中的截流液添加到原乳中以提高蛋白质含量。相反，对蛋白质含量高于2.8%的原乳，则可以用超滤中的透析液降低蛋白质含量，多余的蛋白质用以生产其它产品，节约补充蛋白质的成本。

目前采用超滤和微滤技术来对干酪用乳进行蛋白质标准化已很普遍，它可以在脂肪含量标准化的同一条生产线上利用超滤来进行蛋白质的标准化，以实现脂肪、蛋白质的同时标准化，使整个加工过程更易于控制。由于超滤可以截留几乎全部的乳清蛋白，因而提高了干酪的产率；而且蛋白质含量恒定，凝乳酶的添加量以及凝固和搅拌时间也都是一个恒定的参数，使得干酪产品质量稳定，并减少一部分凝乳酶用量。

3.2.4 乳清产品

3.2.4.1 乳清蛋白的回收

乳清作为干酪生产的副产物，含有原乳几乎全部的乳糖，20%乳蛋白及大多数的维生素与矿物质。传统将乳清加热干燥制成全干乳清（WPC）或乳清蛋白粉回收蛋白质的方法，只能除去水分而使这种乳清粉中的乳糖含量高达73%，矿物质达12%，而蛋白质只有12%左右，造成乳清粉中营养搭配比例极不协调，限制了它在食品中的应用。采用超滤和反渗透技术，可以在浓缩乳清蛋白的同时，从膜的透过液中除掉乳糖和灰分等，这样就大大扩大了乳清的应用范围。

3.2.4.2 乳清脱盐

生产Cheddar干酪和其它硬干酪所产生的咸乳清（盐含量极高），必须先脱盐然后才能回收、蒸发、干燥。应用纳滤处理这种乳清时，其中单价金属离子和氯离子可以透过，而二价离子及大多数其它组分都有一定程度的截留，蛋白质全部被截留。可将被截留的乳清进行循环纳滤直到乳清中含盐量降到要求。用纳滤能有效地除去杂味和盐味，并且不破坏牛奶的风味和营养价值。在美国和欧洲已经有效地使用纳滤对乳清除盐，以取代电渗析。该方法可减少设备投资，节省能耗和运行费用。

3.2.4.3 乳蛋白质分离分级

乳蛋白质的分离分级包括乳清蛋白的分离分级和酪蛋白的分离分级。目前国外正在研究将各种膜分离技术和色谱方法及化学处理、酶处理结合起来，将乳蛋白中各种组分分开。在低pH值、适度热处理（55℃，30min）条件下，β-乳白蛋白会可逆地聚合并与除β-乳球蛋白之外的大部分其它乳清蛋白结合，从而可以用微滤（微孔0.2μm）或离心分离的方法分离出β-乳球蛋白。此β-乳球蛋白可以用超滤结合电渗析进一步提纯。微滤膜同样可将乳清中β-乳清蛋白和β-乳球蛋白分开。在乳清蛋白分离分级时应注意的是残存脂肪的不利影响，因而残留脂肪的预先分离就成为乳清蛋白分离分级过程的 步。在酪蛋白分离分级过程中，利用微滤（膜孔0.2μm）处理脱脂乳可以在保留液中获得酪蛋白胶束，再经超滤、微滤、色谱分离或电泳即可得k-酪蛋白。同样，利用微滤膜（膜孔0.2μm）可以分离β-酪蛋白。此外，脱脂的乳清采用超滤手段还可以制备纯的免疫球蛋白，但从经济上考虑不如以初乳为原料更有利。

3.2.5其它方面的应用

3.2.5.1 应用超滤技术制备乳铁蛋白

由于超滤法提供了不加热或不发生相变进行大分子质量组分的浓缩、分离的方法，所以它非常适合热敏性的功能性组分的分离。

3.2.5.2 超滤法分离牛初乳中免疫球蛋白IgG

免疫球蛋白Ig是机体免疫系统的一个重要组成部分，是人类及高等动物受抗原刺激后体内产生的能与抗原特异性相互作用的一类蛋白质，又称为抗体。Ig一般分为IgG、IgA、IgD、IgE、IgM五大类，牛初乳中IgG含量占Ig总量的80%以上，又因其特定的生理功能而受到广泛关注。研究表明，通过超滤可将乳清中IgG含量提高1倍左右；超滤压力增加，IgG含量相应增加，IgG活性基本不变。当压力为0.08MPa时，IgG含量为45.98mg/mL，活性未变，超滤温度增加，初乳中的IgG含量先有较小增加然后较少，Ig活性则下降。在超滤温度为40℃时，IgG含量较高，达到46.85mg/mL，活性未变。

3.3 膜分离技术在酿酒产业中的应用

3.3.1 膜分离技术在蒸馏酒上的应用

目前，白酒降度生产低度酒是大势所趋，但随之会带来由于酒体中醇溶性高分子物质因酒度降低析出而造成的酒体浑浊问题。去除这些高分子物质目前常用的方法有：冷冻过滤法、吸附剂吸附法、添加助滤剂等，这些方法在应用上存在各种问题。应用国内新研制的活性炭复合微滤膜有效滤除了白酒因降度而产生的白色浑浊物，还能有效去除或减少酒的苦味、辛辣味及杂味，使口感醇和；不同孔径膜过滤比较试验，结果发现低度白酒采用孔径卫0.22μm的膜过滤，高度白酒采用孔径为0.45μm的膜过滤，可以增强酒样的抗冷冻性和自然稳定性，并且微量成分损失较少。

3.3.2 膜分离技术在黄酒上的应用

黄酒是一种多成分的复杂的胶体体系，其稳定性具有一定的相对性。引起黄酒不稳定性的因素一般可分为生物因素（微生物污染引起）和非生物因素（蛋白质、多酚、戊聚糖、铁离子等引起）两个方面。传统黄酒生产中，对于由生物因素引起的黄酒不稳定性，一般采用巴氏杀菌法对黄酒进行杀菌，但此法存在能耗高、风味损失严重等缺点，随着微滤和超滤等膜分离技术被引入酿酒行业，利用外压管式超滤装置对生黄酒进行除浊除菌试验，用切割分子量为5万的有机膜，在0.30MPa、40℃条件下超滤，黄酒平均透液量可达到75kg/m²左右，杂菌去除98%以上，不仅保持了黄酒的自然风味，还明显延长了黄酒的贮存期。

对于由非生物因素引起的黄酒不稳定性，通常采用煎酒来去除其中的酶和蛋白质等，以达到提高稳定性的目的，但同时酒液会产生较重的老酒味，新鲜感较差。而纯生黄酒则是在发酵成酒后不经过任何加热，根据这一特点，引入超滤技术后，酒液中淀粉酶、糖化酶和蛋白酶都能达到去除的要求，蛋白质、多酚、铁离子、戊聚糖等物质的含量均呈减少的趋势，对纯生黄酒的非生物稳定性起到了一定的提高或改善作用。

3.4 膜分离技术在啤酒上的应用

膜分离高科技以其高效率、无相变、低消耗、无三废、投资少、易自动化等特点，可应用于啤酒工业中的无菌过滤、无醇啤酒生产、啤酒酿造用水以及废水处理等方面。

3.4.1 膜分离技术在啤酒无菌过滤中的应用

啤酒的无菌过滤是啤酒生产过程中提高产品质量的重要环节，它直接关系着啤酒品质的稳定性、外观及口感。采用膜错流过滤和新型的无菌灌装系统的消毒灭菌方法对无菌生啤酒的生产工艺进行设计，使整个生产工艺系统高效、优化运行，同时加强生产操作及卫生的管理，生产出色泽、品质优良、保质期长的无菌鲜啤酒。

3.4.2 膜分离技术在无醇啤酒中的应用

无醇啤酒是指酒精含量低于0.5%（体积）的啤酒。无醇啤酒越来越受到消费者的欢迎。目前已有的低度啤酒大多是通过控制发酵过程或通过从“正常”啤酒产品中以热处理法去除酒精等方法得到的，总的来说，这种产品的风味不尽如意。应用膜分离方法能使啤酒达到除醇的目的，还能明显提高啤酒质量，主要有反渗透脱醇法和渗析脱醇法。

3.4.3 膜分离技术在啤酒酿造用水中的应用

啤酒品质的好坏与酿造用水的质量有直接的关系。啤酒酿造水的性质主要取决于水中溶解盐类的种类和含量、水的生物学纯净度及气味。应用微滤、反渗透或电渗析等对酿造用水进行预处理，可以除去水中的细菌、病毒、残留农药、有害金属离子以及其他有机污染物，获得高质量的酿造用水。用硅藻土梯度陶瓷微滤膜对自来水进行净化处理。平均孔径为0.15m的梯度陶瓷膜，可完全滤除水中的大肠杆菌、沙门氏菌、金葡萄球菌和霉菌等致病病菌以及铁锈和各种悬浮微粒。

3.4.4 膜分离技术在啤酒废水处理中的应用

目前，国内大多采用普通活性污泥法处理啤酒废水，存在占地面积大、基建费用高、固液分离效果较差、易出现污泥膨胀、剩余污泥产量大等弊端，无机膜-生物反应器（IMBR）组合工艺由于用膜分离技术代替了传统的二沉池而受到关注，具有污染物去除效率高、出水水质稳定、装置容积负荷大、设备占地面积小、传氧效率高、污泥产量低、操作运行简便等优点。膜出水水质好且稳定，明显优于建设部用水水质标准CJ25.1-1989，可回用于城市园林绿化、洒水车用水等。