只有「科技」，沒有「狠活」的白砂糖，不光品質更好、顏色更白，而且結晶完後的母液沒有任何添加，可以作為純天然的飲品。為了更好的將膜分離技術大規模推廣，科學家們直接把實驗室搬進了工廠…
出品：格致論道講壇
以下內容為中國科學院過程工程研究所研究員羅建泉演講實錄：
大家好，我是羅建泉，一名來自中國科學院過程工程研究所的「膜術師」。不過抱歉，我不能像劉謙一樣給大家變個魔術，只是因為我是研究膜技術的老師，所以簡稱「膜術師」。
說到膜，大家比較熟悉的應該是細胞膜。中學生物老師教過，今天我陪大家復習一下。細胞膜是由磷脂雙分子層組成的，上面有很多轉運蛋白，具有選擇性遮蔽和透過的功能。
我研究的分離膜其實跟細胞膜有類似的功能。它能夠像篩子一樣，讓一些物質透過，讓一些物質不透過。因此，我們將膜定義為兩相之間具有選擇透過性的屏障。
那膜長什麽樣呢？大家可以看看。是不是就像A4紙一樣？如果拿一張A4紙和一張膜放一起，其實看不出區別，所以很容易買到假冒偽劣商品。
在顯微鏡下看，它其實是這樣子的。以反滲透和納濾膜為例。它具有三層的結構，最下面是聚酯的支撐層，中間是聚碸高分子層，它們都起到支撐的作用。
我們再用電子顯微鏡去看它們表面的超薄分離層。是不是什麽也看不到？因為它們的孔是奈米級的。
它的截面長這樣，制備方法不同，它的結構就會不一樣。
使用的時候膜是卷起來的，就像這樣。如果家裏的凈水器壞了，或者說要換膜，可以把它拆下來看一看，就是這個樣子。
相比於精餾、幹燥、蒸發、萃取這些分離技術，膜分離技術的能耗更低、效率更高，並且是一個純物理分離的技術，也就是說它不會改變物質本身的性質。因此在食品加工、藥物純化、廢水處理、海水淡化等領域，膜都有廣泛的套用。特別是大家喝的果汁、純凈水，都可以利用我們的膜技術來除雜。
我到佛山打醬油
我與膜技術的第一次接觸是在2006年，到現在已經十幾年了。我當時的碩士課題叫【醬油納濾脫鹽的研究】。
這個名字聽著是不是特別奇怪，所以很多人就會問我，為什麽要做醬油脫鹽？其實醬油中含有高達20%的鹽分，如果我們能在保持風味物質的同時將一部份鹽去掉，就可以讓一些需要控鹽的比如腎病的病人來享受美食了。簡單來說，這就是將醬油裏面的胺基酸和作為食鹽的氯化鈉分開。
醬油的主要風味物質是胺基酸態氮，它是醬油品級和價格的重要指標。大家去超市買醬油的時候，可以看一下這個指標，它通常是和價格相關的，這樣就不會被忽悠了。
這個課題其實在當時是一個非常小眾和冷門的課題。十幾年過去了，醬油還是這個醬油，但是納濾已經不是這個納濾了。為什麽要用納濾膜去做醬油脫鹽呢？我們的膜技術有非常多種類，今天我僅給大家介紹以膜孔徑來分類，一共有四種：微濾、超濾、納濾、反滲透。
微濾膜的孔大概是在0.1微米到10微米，可以用來去除細菌、懸浮顆粒，就跟我們戴的口罩起到的作用差不多。超濾膜大概是在100奈米以下的孔徑，可以去除病毒、蛋白質。
而納濾膜的孔徑在2奈米以下，它可以截留小分子有機物和二價離子，透過單價離子。這時候我們就可以選擇一張具有合適孔徑並且帶電荷的納濾膜，然後利用它尺寸的排斥作用以及靜電的排斥作用，讓胺基酸截留下來，讓食鹽透過，這樣就實作了醬油脫鹽。
而反滲透膜的孔徑更小，才零點幾個奈米，可以去除幾乎所有的鹽離子，透過純凈水。大家家裏的凈水器基本上用的都是反滲透膜，這也是目前中國海水淡化的一個主流技術。
課題有了，我們就在實驗室開始做起來。這個裝置看上去非常古老、非常簡單，我們的膜就只有插座大小，放在過濾器裏面，利用我們的壓力泵將進樣柱裏的醬油壓到過濾器裏面，出來的就是食鹽了。除去鹽水，裏面留下的就是低鹽醬油，是不是非常簡單？
這個裏面科技含量最高的東西就是我們的納濾膜，要控制膜的孔徑和電荷其實是一件非常具有挑戰性的事。
當時是2006年，國產的膜基本上還不能用，所以我們寫信給國外的公司，讓他們給我們一些免費的樣品。他們非常大方，第二天就空運過來了。但是當我們再想買膜的時候，價格就非常貴了。現在十幾年過後，我們國產膜已經完全可以媲美進口產品了。
後來導師說：「小羅，你和師兄到廣東佛山的醬油廠做中試吧。」然後就帶我來到一個超大的箱子前面。當我看到這台龐然大物時非常蒙圈，完全不知道這是什麽東西。所以在南下廣東的綠皮火車上，我就拿著一本從展會上順來的「膜法寶典」，開始了我的「膜術師」速成學習。
但是，書本上的知識和現實總是有差距的。我們剛開始做中試的時候，裝置總是發熱停機，我們一群博士也束手無策。突然我想到我爸是電工，就打電話給我爸問這是什麽原因造成的。我爸非常簡單地說，就是壓力泵的零線和火線接反了，結果果然是這樣的。如果當時我爸在現場的話，我們肯定會對他頂禮膜拜。
就這樣，我的課題從實驗室到了廣東佛山高明區的醬油廠裏。這是全球最大的一個調味品工廠，裏面有永遠打不完的醬油。
但是在工廠我發現，我們原來在實驗室非常小心翼翼像神一樣供著的這個膜，在工人眼裏卻就像普通的篩網一樣。對他們來講，工廠裏面任何東西的發明都是以解決問題為導向。能以低成本解決問題並且能穩定執行的技術，就是好技術。
所以這也讓我意識到，一項好技術的評判標準並不是說它的理論有多炫酷，效能有多好，而是有多穩定。
我們的膜技術也給醬油廠帶來很多改變。當時工廠只能做黑糊糊的醬油，但是我們的膜技術能夠讓醬油變得更清亮，沈澱更少，貨架期更長，還能制備出不同的顏色和不同的含鹽量的醬油，來滿足不同的市場需求。
我們當時為了做試驗，都推著小車從發酵罐裏打醬油，每天來回好幾趟。雖然當時醬油廠的飯菜非常好吃，醬油是永不限量的。但是因為當時周圍還剛開發，實在是太荒涼了。
所以過了半個月以後，我就像【甲方乙方】電影裏那個把村裏的雞都吃光的有錢人，每天在村口等著來接他的那個人，想著導師趕緊打電話叫我回去吧。
回到北京以後，吃了一兩周學校的食堂，我就開始懷念醬油廠的飯菜了。然後我就和師兄又一起南下廣西、北上內蒙古，去做補血劑的脫鹽、醫藥中間體的脫鹽試驗以及全氟辛酸廢水資源化的中試。這些中試的結果也成為我博士論文的一部份內容。
▲左：醬油精制
右：全氟辛酸廢水回收
中試的結果非常好，但是最後實作工業化執行的其實也就兩個計畫，一個是醬油精制，另一個是全氟辛酸廢水回收。
所以大家可以想象，一個實驗室的技術能走向工業化是非常非常困難的。我也非常遺憾地缺席了這個過程，因為我做完中試以後就出國了，去歐洲的法國和丹麥繼續學習膜技術。在歐洲待了5年多以後，我又回到了中國科學院過程工程研究所，身份從學生變成了老師。
在最甜的車間幹最苦的活
回國後，領導交給我的第一個大計畫，是做「膜」法綠色制糖。當時我心想，以前打醬油，現在做白糖，這樣「白＋黑」好像有點不太「高大上」。
然後領導跟我說，中國的甘蔗產量是每年1.2億噸，其實這是一個千億級的市場。這麽一說，好像有點「高大上」了。
甘蔗制糖其實是一個非常傳統的行業，目前用到的亞硫酸法制糖有百余年的歷史。它是先采摘甘蔗，然後壓榨成汁，再往裏面添加石灰、磷酸、絮凝劑、硫磺等化學試劑，透過化學反應和物理沈澱將其清凈，最後蒸發、濃縮、結晶、分離、幹燥，制成白砂糖。
聽到這種方法，有同學會發出感嘆，這麽多化學品加進去，是不是有點像「科技與狠活」？其實化學法確實是有很多問題，比如我們的白糖品質不高或者品質不穩定，並且由於鈣的加入會導致後續蒸發罐結垢，導致傳熱的下降，從而導致能耗的增加，並且還會產生大量的廢糖蜜，有20%以上的糖被浪費掉了。
而膜技術是純物理分離，可以實作「綠色」分離。實際上，國內外對這個技術已經研究了30余年，但仍處於中試階段，沒有實作產業化。
▲膜孔堵塞 效率降低
原因是大家都覺得糖太便宜了，所以都希望能用一張膜來解決這個問題。但是甘蔗汁成分非常復雜，各種成分之間會發生各種交互作用，容易把膜的孔給堵住，造成整體的效率下降，需要頻繁地清洗，這樣又進一步增加了它的成本。所以我們就想到另一個辦法，能不能用多張膜把甘蔗汁裏面的不同成分分開，避免它們之間的交互作用，從而提高它的整體效率。
我們透過三張不同孔徑大小的膜，從大到小，逐步把懸浮物、天然色素、無機鹽和還原糖去掉，在最後一級的濃縮液獲得蔗糖，也就是白砂糖。這裏第一級的截留液可以用作有機肥，各級的透過液則可以進行復配，獲得紅糖、液體糖、黃糖、黑糖、各種天然糖產品。最後一級的水裏面因為含有無機鹽，我們還可以做成電解質水。並且生產線在非榨季還可以用於糖蜜的煉制，增加的一部份收入可以抵消三張膜帶來的成本增加。
這麽一看，好像能賺錢了。我們在實驗室經過驗證以後，前往祖國大陸的最南端，也就是湛江市的遂溪縣，去進行中試實驗。
這個車間裏面非常甜，彌漫著糖的甜味，但車間的條件非常差，而且白糖畢竟不能像醬油一樣下飯，吃多了還「上火」。但是我們的實驗結果非常好。
我們可以把黑糊糊的甘蔗汁變成金黃色的甘蔗清汁，還能獲得無色的具有甘蔗香味的甘蔗水。
我們還順手在膜領域最好的雜誌上發了一篇SCI論文。
成功工業生產「膜法白糖」
成功以後，我們就去遂溪縣另外一家更大的糖廠做示範工程。
所謂示範工程就是從中試到工業裝置中間的階段，其實是一個縮小版的工業裝置。它的自控系統、流程都跟工業是一樣的，是我們產業化前的臨門一腳。這對我而言是一個全新的領域，所以遇到了很多挑戰。
我們一開始覺得應該很容易，結果在偵錯的第一天這個系統就崩潰了。我們第一級的大孔膜的膜管堵了將近一大半，幾萬塊就這麽打水漂了。當時都不敢跟領導匯報，不過今天說完可能領導就知道了。
我們就找原因，為什麽會這樣呢？其實我們在中試的時候，是小榨汁機慢慢榨，雖然比較黑，但相對還是比較幹凈。
而在這種示範工程的大車間裏面是這樣的：卡車拉了一車的甘蔗，往車間壓榨機上倒，裏面泥沙、大自然的各種產物都會在裏面，不斷地壓榨、不斷地浸提，因為要把裏面的糖全部提出來。所以會有很多的這種細小的纖維進來，導致我們膜系統的預處理系統超負荷執行。
▲從左至右：無紡布濾袋、保安過濾器、蝶式過濾器、振動篩
之前我們僅僅用了一個無紡布濾袋和保安過濾器，完全不能承受這些負擔，導致這些汙染物都跑到膜裏面去。
▲左上：離心機
右上：磁性分離器
左下：旋液分離器
右下：膜前保護濾網
所以我們又嘗試了各種各樣的過濾器。當時我其實完全不認識這些過濾器，因為在實驗室裏，任何東西都可以用高速離心機或微濾膜把它去掉。但是在工業化時就不能這麽「任性」，必須要考慮成本和連續化執行。
▲從左至右：甘蔗清汁、蒸發濃縮糖結晶、白砂糖
解決了預處理問題以後，我們的系統終於穩定執行了。我們獲得了品質非常好的甘蔗清汁，做出來的白砂糖比傳統的方法要白很多。
當時我們非常高興，到處送我們制造的白砂糖，我們叫它「膜法白糖」。甚至我在從湛江回北京的路上，遇到一個去修潛艇的俄羅斯友人，我還送了一包白砂糖給他，說這是我們最新研發的一個高科技產品，他就回送了一盒俄羅斯的巧克力，實作了「膜法白糖」的第一次「出口創匯」。
▲結晶母液-糖蜜
並且結晶完以後的母液還是非常幹凈的，它可以作為天然的飲品，沒有任何的添加。
但是隨著執行時間的增加，又出現了新的問題。我們發現這個系統執行效率越來越慢，也不知道是什麽原因，百思不得其解。於是我們拆開了前面預處理的一個振動篩，發現了不可思議的一幕。
大家看到的這個，學名是葡聚糖，俗稱「蔗飯」。大家可以想象，這麽黏糊糊的東西在裏面，這些球完全無法振動了，所以說就失效了。於是，這些汙染物全部進入到我們後續的膜系統中。
那葡聚糖是怎麽來的呢？原來不僅是我們人喜歡吃糖，細菌也喜歡吃。甘蔗本身就內建一種乳酸菌，叫腸膜明串珠菌，它就可以吃糖並產生葡聚糖，最後就汙染到膜，並且用我們的清洗劑還洗不掉。
其實，我們之前就會調一下pH值，使其中性偏堿，讓細菌停止生長。但是細菌會前進演化，提高耐受pH值的能力，並且產生有機酸，來喚醒其他的「小夥伴」一起繁殖。這樣的話，它生成的葡聚糖就把我們的膜覆蓋了，還讓清洗劑無法進入。
知道它們的這種行為方式以後，我們就利用生物酶來特異性地降解這種葡聚糖，待其溶解以後，我們的清洗劑可以進入到膜孔當中去除汙染物，也是利用生物技術解決了我們生物汙染的問題。當然，我們要用很多種方法去控制細菌的生長，因為畢竟用生物技術還是非常貴的。
上面問題其實只是冰山一角，但是我們「膜術師」的辦法總比困難多。我們這個計畫歷經8年，從實驗室幾毫升的實驗放大到萬噸級的工業裝置，遇到了非常多的困難，解決了很多問題，也發表了很多論文和專利，做到了把論文寫在祖國大地上，把我們的科研做在生產實踐中。
但這項技術要實作大規模推廣，還需要降低成本，還要突破很多技術問題。除了制糖，我們還在面向國家重大需求，比如研制用於生物醫藥制備的膜分離材料和技術。
因為我們的生物醫藥產品比如疫苗、抗體，從生物反應器中制備出來後還需要經過非常多的過濾和除雜，才能作為註射的藥物。但是這裏面所用的膜大部份都還是進口，所以我們希望和產業界共同努力，能夠早日實作國產化。
作為科研工作者，我覺得既要能上得了講台，跟國際同行分享我們的最新進展，給大家傳播知識和科學家精神，今天和大家的交流其實也是一種科研工作。
同時還要能下得了車間，能夠深入一線，為我們的產業技術升級添磚加瓦。
這是示範工程期間，我的學生和當地工人們的合影。其實我們中國科技的發展，不能僅僅是待在實驗室和辦公室，不能只寫論文、申請計畫；我們一定要深入生產一線，從一線中發現問題，到一線中解決問題。這句話不僅送給我自己，也送給未來的你們。
謝謝大家！
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