Solicitando revisión del contenido de fermentación, siempre que se trate de fermentación.

La fermentación se ha desarrollado desde la simple producción de bebidas alcohólicas, ácido acético y pan fermentado en el pasado hasta convertirse en una rama extremadamente importante de la bioingeniería en la actualidad, convirtiéndose en un campo que incluye la microbiología, la ingeniería química, la ingeniería genética, la ingeniería celular. Un programa multidisciplinario de ingeniería, ingeniería mecánica e ingeniería de software y hardware. En términos generales, la ingeniería de fermentación consta de tres partes: ingeniería ascendente, ingeniería de fermentación e ingeniería descendente. Entre ellos, la ingeniería posterior se refiere a la tecnología para separar y purificar productos del caldo de fermentación: incluida la tecnología de separación sólido-líquido (separación centrífuga, separación por filtración, separación por precipitación y otros procesos), tecnología de ruptura de la pared celular (ultrasonido, cizallamiento a alta presión, presión osmótica, actividad superficial, etc.), agentes y enzimas murales, etc.), tecnologías de purificación de proteínas (precipitación, separación cromatográfica, ultrafiltración, etc.) y, finalmente, tecnologías de envasado y procesamiento de productos (secado al vacío, liofilización, etc.). .). Este artículo proporciona una descripción general de los principios y el progreso de la investigación de la tecnología de separación por membranas.

1. Descripción general

La tecnología de separación por membranas es una tecnología de alta tecnología desarrollada en los últimos treinta años. Es producto de una intersección multidisciplinaria y también es un nuevo punto de crecimiento. el desarrollo de las disciplinas de la ingeniería química. En comparación con los métodos de separación tradicionales, tiene las siguientes ventajas obvias:

1. Alta eficiencia: debido a que la membrana es selectiva, puede transmitir selectivamente ciertas sustancias mientras bloquea la penetración de otras sustancias. La elección de la membrana adecuada puede separar, purificar y concentrar sustancias de forma eficaz.

2. Ahorro de energía: la mayoría de los procesos de separación por membranas funcionan a temperatura ambiente y las sustancias separadas no sufren cambios de fase, lo que supone un bajo consumo de energía. , operación unitaria de bajo costo;

3. El proceso es simple, fácil de operar y controlar

4. No contamina el medio ambiente;

Debido a estas ventajas, la tecnología de separación por membranas se ha desarrollado rápidamente en un corto período de tiempo y se ha utilizado amplia y eficazmente en la industria petroquímica, productos farmacéuticos bioquímicos, atención médica y sanitaria, metalurgia, electrónica, energía, iluminación. industria, textil, etc. Se han formado industrias tecnológicas emergentes independientes en campos como la alimentación, la protección del medio ambiente, la industria aeroespacial, el transporte marítimo y la vida de las personas. En la actualidad, el mercado cinematográfico mundial está creciendo a una tasa anual del 14 al 30%. No sólo genera un valor de producción anual de aproximadamente 10 mil millones de dólares estadounidenses, sino que también promueve efectivamente el desarrollo social, económico y tecnológico. En particular, su aplicación está estrechamente relacionada con la conservación de energía, la protección del medio ambiente y la regeneración de recursos hídricos. Por lo tanto, en el mundo actual donde la escasez de energía, la escasez de agua y la contaminación ambiental son cada vez más graves, la tecnología de separación por membranas ha recibido una atención generalizada por parte de países de todo el mundo. . Europa Países desarrollados como China, Estados Unidos y Japón han invertido mucho en proyectos especiales de desarrollo e investigación y han alcanzado una posición de liderazgo en este campo. Nuestro país lo ha incluido como proyecto clave en el Sexto Plan Quinquenal, el Séptimo Plan Quinquenal, el Octavo Plan Quinquenal, el Noveno Plan Quinquenal y los planes 863 y 973 y brindó apoyo.

2. Introducción a la tecnología de separación por membranas

1. Tipos de membranas de separación: Las membranas son el núcleo de la tecnología de membranas. Las propiedades y la estructura química de los materiales de las membranas tienen un impacto decisivo en la membrana. rendimiento de separación. Existen muchos tipos de membranas, incluidas membranas poliméricas, membranas metálicas y membranas inorgánicas según los materiales. Las membranas poliméricas son las más utilizadas.

Existen siete categorías según su estructura:

(1) Película homogénea o película densa, que es una película densa con estructura uniforme.

(2) Membrana microporosa simétrica con un tamaño de poro medio de 0,02 a 10. Según los diferentes métodos de formación de películas, existen tres tipos de membranas microporosas, a saber, membranas de poros nucleares, membranas de estiramiento controlado y membranas de estructura similar a una esponja.

(3) Membrana asimétrica. La sección transversal de la membrana tiene una estructura asimétrica y es la membrana más utilizada en la industria.

(4) Membrana compuesta. Una densa capa compuesta de otro material se recubre sobre la superficie de la membrana porosa.

(5) Membrana de intercambio iónico

(6) Membrana cargada

(7) Membrana líquida, incluida la membrana líquida soportada y la membrana líquida en emulsión

Según la forma, existen membranas planas, membranas tubulares y membranas de fibras huecas.

2. Equipo de separación por membrana (componente)

Tipo de placa y marco, la estructura es similar al filtro prensa de placa y marco.

De tipo serpentín, la estructura es similar al intercambiador de calor de placas en espiral.

De tipo tubular, la estructura es similar al intercambiador de calor de tipo tubo.

De tipo fibra hueca, la estructura es similar a la del intercambiador de calor de tipo tubo, formado por miles o incluso millones de fibras huecas.

3. Proceso de separación por membrana

El proceso de separación por membrana utiliza una membrana de permeación selectiva como medio de separación cuando hay alguna fuerza impulsora en ambos lados de la membrana (como una diferencia de presión). , diferencia de concentración, cuando se produce la diferencia de potencial, diferencia de temperatura, etc.), los componentes del lado de la materia prima pasan selectivamente a través de la membrana para lograr el propósito de separación y purificación. Diferentes procesos de membrana utilizan diferentes membranas y tienen diferentes fuerzas impulsoras. Los procesos de separación por membranas que se han aplicado industrialmente incluyen microfiltración (MF), ultrafiltración (UF), ósmosis inversa (RO), diálisis (D), electrodiálisis (ED), separación de gases (GS), pervaporación (PV). Ocho tipos, incluida la emulsión. película líquida (ELM).

Los cuatro procesos principales de ósmosis inversa, ultrafiltración, microfiltración y electrodiálisis son técnicamente bastante maduros y se han utilizado en aplicaciones industriales a gran escala. Han formado una industria a escala considerable y tienen muchos productos comercializados. para diferentes propósitos.

La separación de gases y la pervaporación son tecnologías en desarrollo. Entre ellos, la separación de gases está relativamente madura. Actualmente existen sistemas de separación de gases a escala industrial que separan el oxígeno y el nitrógeno del aire; separan el hidrógeno de las mezclas de amoníaco, nitrógeno y metano en plantas de amoníaco y separan el dióxido de carbono y el metano en el gas natural; La pervaporación es el único cambio de fase entre estos procesos de membrana y tiene consideraciones especiales tanto en el diseño de componentes como de procesos. Se utiliza principalmente para la separación de materia orgánica/agua, agua/materia orgánica y materia orgánica/materia orgánica. Es el proceso de membrana más prometedor para reemplazar algunas tecnologías de destilación que consumen mucha energía. Entró en la etapa de aplicación industrial a mediados de los años 1980.

Además de los ocho procesos de separación por membrana mencionados anteriormente que se han aplicado industrialmente, hay muchos procesos de membrana nuevos que se están desarrollando e investigando, incluida la extracción por membrana, la destilación por membrana, la electrodiálisis por membrana bipolar y la separación de fases por membrana. , absorción de membrana, reacción de membrana, liberación controlada de membrana, biosensor de membrana, etc. Estos procesos de membrana se encuentran actualmente en etapas piloto y de prueba a pequeña escala.

3. Una breve historia del desarrollo y el estado de la investigación de la tecnología de separación por membranas

La investigación humana sobre los fenómenos de las membranas se originó en 1748. Sin embargo, la función de las membranas fue reconocida y utilizada para servir. La humanidad ha pasado por un largo proceso de más de 200 años. Sólo en las últimas décadas se han realizado investigaciones científicas sobre las membranas. En 1950, W. Juda produjo a prueba una membrana de intercambio iónico con permeabilidad selectiva, sentando las bases para la aplicación práctica de la electrodiálisis. En 1960, Loeb y Souriringan desarrollaron por primera vez la histórica membrana de ósmosis inversa asimétrica del mundo. Este fue un avance importante en el desarrollo de la tecnología de separación por membranas, llevando la tecnología de separación por membranas a la era de las aplicaciones industriales a gran escala. La historia de su desarrollo es aproximadamente la siguiente: filtración por microporos en los años 1930, diálisis en los años 1940; electrodiálisis en los años 1950; ósmosis inversa en los años 1960; ultrafiltración y membranas líquidas en los años 1970; Década de 1990. Además, también reciben cada vez más atención y desarrollo otros nuevos procesos de separación basados ​​en membranas, así como procesos integrados que combinan la separación por membrana con otros procesos de separación (Integrated Membrane Process).

El desarrollo reciente de varias tecnologías importantes de membranas es aproximadamente el siguiente:

La microfiltración se comercializó en la década de 1930 con membranas de microfiltración de nitrocelulosa, y se desarrollaron nuevas variedades principalmente en la década de 1960. En los últimos años, se han comercializado membranas de microfiltración hechas de tetrafluoroetileno y fluoruro de polivinilideno. Tienen las ventajas de resistencia a altas temperaturas, resistencia a disolventes y buena estabilidad química. Se pueden utilizar entre -100 y 260 °C. Actualmente ocupa el primer lugar en volumen de ventas.

La ultrafiltración se ha desarrollado rápidamente desde que entró en aplicación industrial en la década de 1970 y se ha convertido en la tecnología más utilizada. Japón ha desarrollado una membrana de ultrafiltración cerámica con un tamaño de poro de 5 a 50 nm y un límite de peso molecular de 20.000. También ha desarrollado con éxito una membrana de ultrafiltración cerámica de fibra hueca con un diámetro de 1 a 2 mm y un espesor de pared de 200 a 2 mm. 400 mm, que es particularmente adecuado para la separación y purificación de productos biológicos.

La tecnología de membranas de intercambio iónico y electrodiálisis se utiliza principalmente para la desalinización de agua salobre y la capacidad del mercado se ha visto casi saturada en los últimos años. Después de la aplicación exitosa de nuevas membranas de iones de fluoruro en la industria cloro-álcalina en la década de 1980, provocó cambios profundos en la industria cloro-álcalina.

El método de membrana iónica ahorra un 30% del consumo total de energía y un 20% de inversión en comparación con el método de diafragma tradicional. En 1990, se pusieron en producción casi 140 juegos de dispositivos de electrólisis de membrana iónica en 34 países del mundo. Para el año 2000, 1/3 de la producción mundial de cloro-álcali se convertirá al método de membrana.

En 1960, Loeb y Sourirajan inventaron la primera generación de membranas asimétricas de acetato de celulosa de alto rendimiento y utilizaron por primera vez la ósmosis inversa (RO) para la decoloración de aguas oceánicas y salobres. En la década de 1970, se desarrolló con éxito la membrana de ósmosis inversa de fibra hueca de poliamida aromática altamente eficiente, que mejoró aún más el rendimiento de la membrana de ósmosis inversa. En la década de 1990, apareció la membrana compuesta de ósmosis inversa de baja presión, que es la tercera generación de membranas de ósmosis inversa. El rendimiento de la membrana ha mejorado considerablemente, lo que abre amplias perspectivas para el desarrollo de la tecnología de ósmosis inversa. En la actualidad, la ósmosis inversa se ha utilizado ampliamente en muchos campos, como la fabricación de agua ultrapura, el ablandamiento de agua de calderas, la concentración de alimentos y medicinas, el tratamiento de aguas residuales urbanas y la recuperación de sustancias útiles en líquidos de residuos químicos.

En 1979, Monsanto estableció el sistema Prism para la separación de H2/N2, llevando la separación de gases a aplicaciones industriales. En 1985, Dow Chemical Company proporcionó al mercado el separador de aire "Generon" con el fin de enriquecer N2 para la separación de gases en el petróleo, la industria química, la producción de gas natural y otros campos, lo que mejoró enormemente los beneficios económicos del proceso.

La tecnología de separación por membranas que entró en aplicación industrial a finales de los años 1980 utilizaba la pervaporación para deshidratar sustancias azeotrópicas como los alcoholes, ya que el consumo de energía de este proceso es sólo de 1/3 a 1/2 del de la destilación azeotrópica, y No utiliza benceno ni otros arrastradores, tiene grandes ventajas económicas al reemplazar la destilación azeotrópica y otras tecnologías de deshidratación. La empresa alemana GFT es la primera empresa que ha desarrollado con éxito la única película comercial GFT. A principios de los años 1990, se vendieron más de 100 unidades de producción a Brasil, Alemania, Francia, Estados Unidos, Reino Unido y otros países. La mayor de ellas era una unidad industrial con una producción anual de 40.000 toneladas de etanol anhidro. en Francia. Además, el método PV se utiliza para eliminar pequeñas cantidades de materia orgánica en agua y separar ciertas mezclas orgánicas/orgánicas, como la separación de trazas de materia orgánica que contiene cloro en agua y la separación de MTBE/metanol. años, también ha habido informes de investigación a escala piloto.

En mi país, el desarrollo de la tecnología de membranas se inició con la investigación sobre membranas de intercambio iónico en 1958. La exploración de las membranas de ósmosis inversa comenzó en 1965. En 1966, la membrana de intercambio iónico heterogéneo de polietileno de la planta química de Shanghai se puso oficialmente en producción, sentando las bases para la aplicación industrial de la electrodiálisis. La batalla por la desalinización del agua de mar de 1967 jugó un papel positivo en la promoción del progreso de la ciencia y la tecnología de membranas de mi país. En la década de 1970 se investigaron y desarrollaron sucesivamente membranas y componentes de electrodiálisis, ósmosis inversa, ultrafiltración y microfiltración, y en la década de 1980 entraron en la etapa de promoción y aplicación. A mediados de la década de 1980, la investigación de China sobre membranas de separación de gases logró grandes avances. En 1985, el Instituto de Física Química de Dalian de la Academia de Ciencias de China desarrolló con éxito por primera vez un separador de N2/H2 de fibra hueca. son similares a los de productos extranjeros similares. Ahora se ha puesto en producción en masa y el costo de cada conjunto es solo 1/3 del dispositivo importado.

La investigación sobre el proceso de pervaporación (PV) en mi país comenzó en 1984. Desde la década de 1990, se han logrado grandes avances en la preparación de membranas compuestas. En 1992, se desarrolló la membrana compuesta PVA/PAN modificada. Nuestro departamento aprobó la evaluación técnica y el primer proyecto de demostración de deshidratación de benceno de 1.000 toneladas de mi país se estableció en Yanhua en 1998, sentando las bases para la aplicación industrial de la tecnología fotovoltaica en mi país.

IV.El principal sistema de apoyo disciplinario para el desarrollo de disciplinas de separación por membranas

La investigación científica sobre membranas centrada en las membranas de separación selectiva ha logrado un rápido desarrollo desde que se formó como disciplina en la década de 1950. ., centrándose principalmente en la investigación en profundidad en varias direcciones, estos aspectos son: materiales de la membrana y estructura de la membrana; preparación de la membrana y mecanismo de formación de la membrana entre el rendimiento de la membrana y el mecanismo de transferencia; Aplicación de membranas Investigación, etc. La razón por la cual la tecnología de separación por membranas ha podido desarrollarse rápidamente en solo 30 años es, en primer lugar, porque tiene una base teórica sólida, como la teoría química de la presión osmótica, la teoría de la permeación de la membrana gaseosa, la teoría de los poros de la membrana, el concepto de equilibrio de la membrana y el potencial constante. teoría, teoría de la doble hoja eléctrica, etc.

En segundo lugar, el desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas ha proporcionado buenas condiciones para la investigación de materiales de membranas de separación. El progreso de la ciencia de los polímeros ha proporcionado materiales de membranas de polímeros sintéticos con diversas características para la separación de membranas; el progreso de la tecnología de análisis moderna, como la microscopía electrónica; membranas de separación proporcionadas Proporciona un medio eficaz para el análisis estructural y la investigación de mecanismos de separación. En tercer lugar, el desarrollo de la industria moderna requiere urgentemente nuevas tecnologías para la conservación de energía, la reutilización de materias primas de baja calidad y la eliminación de la contaminación ambiental, y la separación por membranas es una nueva tecnología que puede satisfacer estas necesidades.

5. Temas actuales de vanguardia en investigación básica

1. Materiales de membranas e investigación de membranas centradas en el tratamiento del agua

Gran flujo, reacción de alta superficie Permeable investigación de membranas

Membranas de ultrafiltración y mecanismos de permeación con límites de peso molecular inferiores a 1000 y superiores a 1 millón Fabricación de membranas anticontaminación

Diámetros de poro de 0,1 ma 75 m Serie de membranas microporosas Investigación química

Método de preparación de capa activa de membrana de nanofiltración mediante policondensación interfacial

2 Investigación sobre membranas de separación de gases de gran flujo y alta selectividad

Separación de dióxido de carbono

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Tratamiento de gases residuales orgánicos (VOCS)

3. Membrana de pervaporación

Investigación sobre membranas altamente selectivas para la separación de materia orgánica del agua

Materia orgánica/materia orgánica Investigación sobre membranas de separación

4. Membranas inorgánicas

Investigación sobre membranas compuestas ultrafinas y ultramicroporosas

Investigación sobre membranas móviles conductoras

Membranas injertadas de material inorgánico y orgánico

5. Modelo de transferencia de masa y transferencia de calor de reactor catalítico de membrana

6. Proceso de membranas en protección y gobernanza ambiental, regeneración de recursos hídricos, investigación teórica y aplicada sobre separadores de pilas de combustible

7.Simulación molecular en membranas