3.7 微滤装置（设备）及其应用
3.7.1 微滤装置（设备）
工业用微滤装置有板框式、管式、螺旋卷式、普通筒式、褶叠筒式、帘式及浸没式等多种结构。根据操作方式又可分为高位静压过滤、减压过滤和加压过滤。
（1）板框式 工业上应用的微滤设备主要为板框式（图3-33），它们大多效仿普通过滤器概念而设计。
图3-33 板框式微滤设备及其结构示意图
板框式微滤设备从结构上可分为单层平板式和多层平板式。前者主要用于实验室少量流体的过滤，多适用于水和空气的超净处理；后者用于大量流体的过滤，广泛用于医药、生物制品及饮料工业生产过程的液体过滤。
（2）褶叠筒式 该类组件适于大量液体的过滤，其特点是单位体积中的膜面积大，过滤效率高，强度高，滤孔分布均匀，使用寿命长等。常见的微滤滤芯长为245mm，外径为70mm，内径为25mm，滤膜呈折叠状。它与其他滤材的滤器（如滤纸、滤布、砂棒及烧结的多孔材料滤器）相比，具有体积小、孔隙率大、过滤面积大、滤速快、强度高、滤孔分布均匀、使用寿命长等特点。图3-34是这种组件的滤芯结构示意图。大型的褶叠筒式过滤器可由20根滤管组成，每台过滤器表面积大于30m2，处理量可达280～450L/h，这种过滤器的优点是操作方便，效率高，占地少，过滤器属可弃式，滤膜被阻塞后，把整个膜芯换掉。
图3-34 褶叠筒式组件及其结构示意图
（3）帘式 帘式膜组件是由中空纤维微滤膜、集水管、树脂槽及封端树脂浇铸而成的，外形像门帘的膜分离单元，主要用作膜生物反应器的分离单元（图3-35）。合格的中空纤维帘式膜组件应清洁，无断丝，浇铸面与浇铸槽口基本相平，且在0.02MPa压力下整体试压无渗漏。
图3-35 帘式微滤组件及其结构示意图
（4）浸没式 浸没式膜组件是由中空纤维微滤膜、集水管、支撑框架、树脂圆形槽及封端树脂浇铸而成的膜分离单元，主要用作膜生物反应器的分离单元。浸没式微滤组件及其结构如图3-36所示。
图3-36 浸没式微滤组件及其结构示意图
1—产水接口；2—气管；3—集水管；4—三通接头；5—中空纤维组件；6—框架
（5）实验室用小型过滤器 实验室常用的微滤过滤器主要包括死端过滤器和错流过滤器两种，具体如图3-37及图3-38所示。过滤器一般分为上下两部分，由高分子材料或者不锈钢制成，具有一定的抗压能力。上下两部分之间通过螺纹旋紧或卡箍拧紧，中间衬以滤膜及聚四氟乙烯的O形垫圈。
图3-37 实验室常用的死端微滤设备
图3-38 实验室常用的错流微滤设备
微滤膜在过滤前一般要用适当的液体浸润，最好将微滤膜先漂放在溶液的表面上，让其自然浸润沉降，以排除滤膜空穴中的空气，充分发挥滤膜的有效过滤面积。其次，在加入滤液前，应以相应的溶液吸滤，将滤膜加以清洗。
（6）医学用针头过滤器 针头过滤器是装在注射针筒和针头之间的一种微型过滤器，以微滤膜为过滤介质，其结构形式参见图3-39。针头过滤器，可用于少量流体（气、液）的过滤净化，以除去微粒和细菌，或用作细菌、微粒的测定，常用于静脉注射液的无菌处理，操作时以推进注射针筒达到过滤目的。
图3-39 针头过滤器
常用的微滤过滤器按膜的孔径不同可分为膜孔径多为3～10μm的微米级粗过滤器和膜孔径多为0.1～0.45μm的亚微米级的精密过滤器两类。前者常安装在反渗透前的保安过滤器，主要滤除水中悬浮物和胶体，确保反渗透装置的安全运行。后者常安装在纯水制造装置末端或作为用水点以前的微过滤器，以除去水中的细菌及其残骸、树脂碎片及其他微粒。不同种类膜过滤器的优缺点见表3-7。
表3-7 不同种类膜过滤器的优缺点
3.7.2 微滤技术的应用
微滤膜具有下列特点：①孔径均匀。例如平均孔径为0.45μm的滤膜，其孔径变化范围在（0.45±0.02）μm。曲线越陡直，孔径分布越好，过滤精度越高；图3-40为微滤膜与普通滤纸的孔径分布的比较。②空隙率高。约为107～1011个/cm2，空隙率高达80%左右。膜的空隙率越高，意味着过滤通量越大。一般来说，它比同等截留能力的滤纸至少快40倍。③滤材薄。大部分微滤膜的厚度在150μm左右，与深层过滤介质（如各种滤板）相比，只有它们的1/10厚，甚至更小，所以，被过滤介质吸收而造成的贵重液体的损失非常少。基于上述特点，微滤膜主要用来对一些只含微量悬浮粒子的液体进行精密过滤澄清；或用来检测、分离某些液体中残存的微量不溶性物质，以及对气体进行类似的处理。简而言之，微滤膜主要用于分离流体中尺寸为0.1～10μm 的微生物和微粒子。微滤的最大市场是制药行业的过滤除菌，其次是电子工业集成电路生产所用水、气、试剂的过滤及超纯水生产的终端过滤。目前，微滤膜已经在食品工业、石油化工、分析检测以及环保等领域获得了广泛应用。城市污水处理、反渗透脱盐以及废水处理与预处理是微滤技术的两大潜在应用市场。微滤技术的应用领域非常广泛，表3-8～表3-10为微滤技术按不同分类方法的应用实例。
图3-40 微滤膜与普通滤纸的孔径分布的比较
表3-8 按功能分类的应用实例
表3-9 按处理对象分类的应用实例
表3-10 按行业分类的应用实例
3.7.2.1 在实验室中的应用
在实验室中，微孔滤膜是检测有形微细杂质的重要工具。主要用于：①微生物检测，例如对水中大肠菌群、游泳池水中假单胞族菌和链球菌、啤酒中酵母和细菌、软饮料中酵母、医药制品中细菌的检测和空气中微生物的检测等；②微粒子检测，例如注射剂中不溶性异物、石棉粉尘、航空燃料中的微粒子、水中悬浮物和排气中粉尘的检测，锅炉用水中铁分的分析，放射性尘埃的采样等。
微滤膜可根据孔径大小不同来收集各种大小不同的粒子，可在细胞和细胞器的研究工作中实现绝对过滤，在生物化学方面的应用具有方法简单、使用方便、重复性好和快速等优点，因此，现已广泛用于绝对过滤收集沉淀，溶液的澄清，酶活性的测定，细菌生长过程中培养基的更换、转移研究，受体结合研究，除此之外，还在液闪测定、放射性示踪物的超净、电泳和微量化学分析等其他方面得到应用。
3.7.2.2 在工业上的应用
（1）微滤技术在制药工业中的应用 微滤技术在制药业中的应用主要涉及无菌空气的制备、药品原液及其制剂的除菌除杂、活性炭脱色液残留物的清除、制药生产废水的综合治理以及中药提取液的微细絮状物的过滤澄清分离等。
①无菌空气的制备。在生物发酵工艺过程中，经过除油、除水的压缩空气要达到绝对无菌的要求一般必须经过多个过滤单元来完成。上海多元过滤技术有限公司的“DF（除尘）-MF（除菌）-VF（除病毒）空气完全除菌过滤系统”具有可靠、稳定和低消耗的特征，其工艺流程如图3-41所示。
图3-41 空气完全除菌过滤系统工艺流程
1—辅助除尘器；2—空压机；3—空气温/湿度调节；4—除油水过滤器；5—除尘过滤器；6—除菌过滤器；7—除病毒过滤器；8—蒸汽过滤器
②大输液的过滤净化。如图3-42所示，大输液的生产线由溶液制备、容器准备、受器准备和灌装、密封及热压消毒四条流水线组成。微滤膜用于前三条流水线，以有效地除去水、药液和空气中的微粒及细菌。
图3-42 大输液的生产线中的微滤膜过滤
③中药提取液的微细絮状物的过滤澄清分离。当前中医中药提取法仍以水提取或醇提取为主。中药原药经醇或水提取后，提取液中除含有所需的活性组分外，还含有蛋白质、氨基酸、单宁酸（鞣酸）、蜡质等其他许多杂质，这些杂质的存在不仅给成药带来苦、涩等不良口感，而且降低了中药的有效成分和疗效，并产生某些毒副作用。因此，对中药提取液进行深度分离是保证中药产品质量的关键步骤和技术问题。图3-43为现代通用的中药提取流水线生产工艺流程。图3-43中固液分离包括三个过程：a.粗过滤，常选择压滤器或封闭（或半封闭）式三足离心机； b.细过滤，常选择装有不同孔径微滤膜的过滤器串联；c.精过滤，常采用高速离心分离机，分离因子约15000，可除25μm以下的细悬浮粒子。
图3-43 现代通用的中药提取流水线生产工艺流程
④制药生产废水的综合治理。应用微滤膜和反渗透处理金霉素生产废水取得了良好的效果。图3-44为该法处理的流程。
图3-44 采用微滤膜和反渗透处理金霉素生产废水工艺流程
由此可见，注射液及大输液中微污染的去除、医院手术用水及洗手的水中悬浊物和微生物的去除以及葡萄糖大输液、右旋糖酐注射液、维生素C、维生素（B1、B2、B6、B12、K）、复合维生素、肾上腺素、硫酸阿托品、盐酸阿托品、硫酸庆大霉素、硫酸卡那霉素、维丙胺、安痛定、氧氟沙星等注射剂的生产都用到微滤技术。除此之外，微滤技术还应用于昆虫细胞的获取、大肠杆菌的分离、阿米多无菌注射液的制取和组织液的培养及抗生素、血清、血浆蛋白质等多种溶液的灭菌过程。
（2）电子工业高纯水的制备 在电子元件的生产中，纯水主要是用于清洗和配制各种溶液，因而纯水的质量对于半导体器件、显像管及集成电路（SI）的成品率和产品质量有极大的影响。例如，目前生产的SI线条宽度和线条间的间距只有几微米或零点几微米，如果纯水不纯，水中的微粒吸附在硅片表面，就会形成针孔、小岛和缺陷，导致电路断线、短路和电器特性的改变。如表3-11所示，集成电路的集成度越高，对纯水中微粒的要求也越高。水中细菌除起微粒作用外，细菌本身还含有多种有害元素，如P、Na、K、Ca、Mg、Fe、Cu、Cr等，在高温工序中进入硅片，造成电路失效或性能改变。集成电路在很小面积内有许多电路，相邻元件之间只有0.002mm左右的距离，因此清洗用水要求很严格。一般要求无离子、无可溶性有机物、无菌体和大于0.5μm的粒子，水的电阻率要求接近18MΩ·cm、电解质含量为10～20μg/L，水的纯度为99.99999%。
表3-11 集成电路的集成度对高纯水中微粒的要求
微滤膜在纯水制备中的主要用途有两方面：一是在反渗透或电渗析前用作保安过滤器，用以清除细小的悬浮物质，一般用孔径为3～20μm的卷绕式的微孔滤芯。二是在阳、阴交换柱或混合交换柱后，作为最后一级终端过滤手段，用它滤除树脂碎片或细菌等杂质。此外一般用孔径为0.2～0.5μm的滤膜，对膜材料强度的要求应十分严格，而且要求纯水经过膜后不得再被污染，电阻率不得下降，微粒和有机物不得增加。图3-45是电子工业制备高纯水常用的工艺流程。
图3-45 电子工业制备高纯水常用的工艺流程
（3）饮用水生产
①微滤技术在矿泉水生产过程中的应用。矿泉水的水源必须是排出的地下水，这些水在地下流动时溶入了某些无机盐。在矿泉水制造中，应用的膜技术有两种：一种是微滤，另一种是超滤。前者适用于胶体、微粒含量较少，浊度较低，水质稳定的矿泉水水源；后者适用于胶体、微粒含量多的矿泉水水源。图3-46和图3-47分别为微滤（MF）和超滤-微滤联合（UF-MF）在矿泉水制造系统的应用。
图3-46 微滤技术制造矿泉水工艺流程
图3-47 超滤-微滤技术联合制造矿泉水工艺流程
②微滤技术在纯净水生产中的应用。纯净水生产中的最重要的工作是灭菌，因为纯净水中不能含任何消毒剂、防腐剂，细菌在纯净水中不但能生存而且能大量繁殖，因此纯净水中的微生物最好达到“零”指标，即无菌的水、无菌的空气、无菌的瓶及瓶盖和无菌的操作。我国第一条纯净水生产线的工艺流程如图3-48所示。
图3-48 我国第一条纯净水生产线的工艺流程
（4）污水处理及回用
①微滤技术在市政污水处理中的应用。由于污水处理后产水排放标准的提高，人们开始将膜技术（主要是微滤技术）与生物技术耦合在一起，即膜生物反应器（MBR）技术。其基本的工艺流程图如图3-49所示。MBR中常用的膜组件主要有中空纤维膜组件和平板膜组件两种。中空膜组件填充密度高，占地面积小，但存在断丝及脱皮的风险，清洗操作烦琐。而平板膜组件操作方便，易于清洗和更换，但是密封复杂，压力损失大，填装密度小。从成本和空间效率的角度来看，中空纤维更适用于大型项目。此外，处理要求不同，选用的处理工艺也不同，具体如表3-12所示。
图3-49 MBR工艺流程
表3-12 根据处理要求不同MBR工艺的分类
与传统活性污泥工艺相比，MBR具有占地面积小、停留时间长、出水水质高等优点。投资运行方面，MBR工艺的土建成本较传统活性污泥工艺低17%；MBR工艺的机械设备以及电气投资比传统活性污泥法高7%；膜组件的费用占整个污水处理厂投资的10%～30%。MBR的运行维护费用主要在膜曝气以及膜更换费用上。
②微滤技术在污水回用中的应用。目前，由于水资源短缺，许多国家和城市都在积极地将城市污水处理后回用。微滤作为水的深度处理的应用也得到大量的开发。在日本，对中水道系统有法定要求，否则不能开工建设。图3-50为日本中水道水处理的计划与目标。经过二级处理后微滤作为深度处理手段，使处理水达到中水标准回用。
图3-50 日本中水道水处理的计划与目标
由此可见，微滤技术的应用发展很快，其应用范围已从实验室的微生物检测急剧发展到制药、医疗、饮料、生物工程、超纯水、饮用水、石化、环保、废水处理和分析检测等广阔的领域（表3-13）。
表3-13 微滤膜的应用范围
