过滤工艺及设备（3）--膜过滤
前面说了常规颗粒过滤和离心过滤等的一些情况，作为生物工程领域，自然少不了膜过滤方面的工艺和技术，所以，这篇主要说说膜过滤方面的一些系统的知识。由于，在很久之前，我们就曾经写过“膜过滤技术的基础知识”这篇文章，所以，本篇所述的膜过滤，是那篇文章的完善和补充。
三、膜过滤
工业领域里面使用膜过滤的工艺和技术，主要应用的考量有：
a、过滤液体或气体悬浮液中有效直径小于 0.1 µm 的细颗粒（微滤MF）；
b、从液体中去除非常大的分子和胶体物质（超滤UF）；
c、从溶液中选择性去除某些离子物质（纳滤NF）；
d、有效去除水和其他溶剂中的所有溶解和悬浮物质（反渗透RO）；
e、仅选择性传输离子物质（电渗析ED）；
f、互溶液体混合物的分离（渗透蒸发）；
g、气体混合物的分离，包括气体和蒸气的混合物（气体和蒸气渗透），等。
而就着我们的生物工程的下游领域，也是利用膜过滤的特性，进行选用。
1、中空纤维膜的应用
实际上，中空纤维膜也可以有微滤、超滤等的型式，这里单独把它拿出来，只不过是从应用角度来阐述而已。
在很多微生物研究文献里面，出现比较多的膜的类型，就是中空纤维膜。这种膜得以广泛应用在微生物研究领域，其最大的特点是投资小，单位过滤面积大。由于其使用的材料，主要还是聚丙烯、聚氯乙烯、聚醚砜等等的聚合物制成，所以成本相对低廉。坏了就换，试验嘛，拿了结果就可以了，下面是某国外研究琥珀酸连续生产的工艺装备图，其中就有中空纤维膜。
除了用在实验室，中空纤维膜还更多的用在废水处理上面，用作生物反应器MBR（Membrane bioreactor）或者说叫浸没式生物反应器，这种应用场景和我们今天说的合成生物还是有比较大的不同。我们这里说的生物工程下游工艺，更多的倾向于提取和纯化，要求更为严格。
2、微滤膜（MF）的应用
微滤通常用作超滤等其他分离过程的预处理，以及颗粒介质过滤的后处理。微滤膜的制作材料主要有包括聚丙烯（PP）、聚醚砜（PES）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏二氟乙烯（PVDF）等等的有机材料，也包括陶瓷和不锈钢等的无机材料。微滤膜能够分离大的悬浮固体，如胶体、颗粒、脂肪和细菌，而允许糖、蛋白质、盐和低分子量分子通过，所以，这也是微滤膜在生物工程领域应用广泛的原因。下面是工业流程生产色氨酸过程中，使用到的微滤膜：
食品领域的过滤除菌以及生物工程领域的菌体截留，应用的都是这个原理。工业生产中，陶瓷膜的表现更为可靠和耐用，也随着发展，也从以前的圆形管的型式，又增加了像六边形的结构和旋转、振荡等的方式。所以，在进行系统设计和选型的时候，不仅要考虑制造工艺，还要综合考虑一些有针对性的参数，以利于择优选取。
3、超滤膜（UF）的应用
超滤膜和微滤膜之间没有太大的区别，可以用的材料差不多，只不过过滤操作的压力更高，过滤截留的物质更小。比如常见的超滤的操作压力在1-10公斤，截留分子量在5-5000kDa（道尔顿）之间。所以，在工业应用里面，超滤膜能够分离较大的物质，如胶体、颗粒、脂肪、细菌和蛋白质，但是允许糖和其他低分子量分子通过。
所以，超滤更适合用于纯化和浓缩大分子的溶液，尤其是蛋白质溶液，所以，其在乳制品加工、酶制剂、抗生素等领域获得广泛应用。酶制剂、抗生素这些实际上有很多都属于生物工程领域，它们很多也是和微滤膜、纳滤膜、甚至反渗透膜一起配合使用。
4、纳滤膜（NF）的应用
纳滤膜和微滤膜、超滤膜等也差不多，它的操作压力更大，高达20公斤；截留分子量更小，约在100到5000Da之间，折合成国际单位，大概是在1-10nm。纳滤膜更适合分离小生物分子，如氨基酸、肽、抗生素、乳酸和低聚糖等等。纳滤膜也可以应用于脱色、脱盐、浓缩、生物分子分离等各种生物分离应用。下面是某发酵研究，利用纳滤膜提取乳酸的流程示意图：
5、反渗透（RO）的应用
上面我们看到的几个膜，都是在压力推动的情况下，通过错流过滤，完成分离、浓缩等等的目的。虽然反渗透也需要压力推动，但是它从原理上更精确来说，属于克服渗透压，来实现溶剂（如：水）和溶质的分离，所以叫反渗透。比如，海水的自然渗透压约为 27公斤，必须克服这一压力。下图为：U 形管通过透析膜的渗透图，添加糖的一侧液位上升，另一侧液位下降。
反渗透操作压力更高，达10-80公斤，截留分子量更是小于100Da，所以，它更多的适合除盐和一些有机分子等的细小物质。工业上常见的海水淡化；化验室里面的纯净水制取，家庭里面看到饮用纯净水，都属于这一类。由于其压力实在太高，所以，有些设计里面利用了压力交换器或者能量回收泵，来实现长期运行的节能：
6、膜过滤工艺选型设计的建议
A、膜的工作原理都是一样的，不同的是膜的制造材料和工艺，直接影响运行的效果，也直接影响到长期运行的费用，选择合适的膜及其型号，可能你的压力就不需要这么多，功耗自然降低下来；
B、初始运行的通量数据虽然很重要，但是也要考虑运行过程膜污染致使通量下降的速度，针对特定的膜，找到一种最佳的再生方案，而这些，最好在选型设计前，一旦木已成舟，回头太难；
C、做好膜系统的设计对系统低能耗的运行有很大帮助，比如上面的能量回收泵，比如因应膜的过滤工艺，做好程序上的自动切换，来实现最佳的过滤效果，等等。
注：上面关于过滤器的知识，我们也只能简单说个一二，我们希望，大家可以系统的看看过滤器方面的经典书籍和系统总结，比如《过滤器和过滤手册(第6版)》或者《膜技术和应用（第2版）》等等。
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