只有「科技」，没有「狠活」的白砂糖，不光品质更好、颜色更白，而且结晶完后的母液没有任何添加，可以作为纯天然的饮品。为了更好的将膜分离技术大规模推广，科学家们直接把实验室搬进了工厂…
出品：格致论道讲坛
以下内容为中国科学院过程工程研究所研究员罗建泉演讲实录：
大家好，我是罗建泉，一名来自中国科学院过程工程研究所的「膜术师」。不过抱歉，我不能像刘谦一样给大家变个魔术，只是因为我是研究膜技术的老师，所以简称「膜术师」。
说到膜，大家比较熟悉的应该是细胞膜。中学生物老师教过，今天我陪大家复习一下。细胞膜是由磷脂双分子层组成的，上面有很多转运蛋白，具有选择性屏蔽和透过的功能。
我研究的分离膜其实跟细胞膜有类似的功能。它能够像筛子一样，让一些物质透过，让一些物质不透过。因此，我们将膜定义为两相之间具有选择透过性的屏障。
那膜长什么样呢？大家可以看看。是不是就像A4纸一样？如果拿一张A4纸和一张膜放一起，其实看不出区别，所以很容易买到假冒伪劣商品。
在显微镜下看，它其实是这样子的。以反渗透和纳滤膜为例。它具有三层的结构，最下面是聚酯的支撑层，中间是聚砜高分子层，它们都起到支撑的作用。
我们再用电子显微镜去看它们表面的超薄分离层。是不是什么也看不到？因为它们的孔是纳米级的。
它的截面长这样，制备方法不同，它的结构就会不一样。
使用的时候膜是卷起来的，就像这样。如果家里的净水器坏了，或者说要换膜，可以把它拆下来看一看，就是这个样子。
相比于精馏、干燥、蒸发、萃取这些分离技术，膜分离技术的能耗更低、效率更高，并且是一个纯物理分离的技术，也就是说它不会改变物质本身的性质。因此在食品加工、药物纯化、废水处理、海水淡化等领域，膜都有广泛的应用。特别是大家喝的果汁、纯净水，都可以利用我们的膜技术来除杂。
我到佛山打酱油
我与膜技术的第一次接触是在2006年，到现在已经十几年了。我当时的硕士课题叫【酱油纳滤脱盐的研究】。
这个名字听着是不是特别奇怪，所以很多人就会问我，为什么要做酱油脱盐？其实酱油中含有高达20%的盐分，如果我们能在保持风味物质的同时将一部分盐去掉，就可以让一些需要控盐的比如肾病的病人来享受美食了。简单来说，这就是将酱油里面的氨基酸和作为食盐的氯化钠分开。
酱油的主要风味物质是氨基酸态氮，它是酱油品级和价格的重要指标。大家去超市买酱油的时候，可以看一下这个指标，它通常是和价格相关的，这样就不会被忽悠了。
这个课题其实在当时是一个非常小众和冷门的课题。十几年过去了，酱油还是这个酱油，但是纳滤已经不是这个纳滤了。为什么要用纳滤膜去做酱油脱盐呢？我们的膜技术有非常多种类，今天我仅给大家介绍以膜孔径来分类，一共有四种：微滤、超滤、纳滤、反渗透。
微滤膜的孔大概是在0.1微米到10微米，可以用来去除细菌、悬浮颗粒，就跟我们戴的口罩起到的作用差不多。超滤膜大概是在100纳米以下的孔径，可以去除病毒、蛋白质。
而纳滤膜的孔径在2纳米以下，它可以截留小分子有机物和二价离子，透过单价离子。这时候我们就可以选择一张具有合适孔径并且带电荷的纳滤膜，然后利用它尺寸的排斥作用以及静电的排斥作用，让氨基酸截留下来，让食盐透过，这样就实现了酱油脱盐。
而反渗透膜的孔径更小，才零点几个纳米，可以去除几乎所有的盐离子，透过纯净水。大家家里的净水器基本上用的都是反渗透膜，这也是目前我国海水淡化的一个主流技术。
课题有了，我们就在实验室开始做起来。这个装置看上去非常古老、非常简单，我们的膜就只有插座大小，放在过滤器里面，利用我们的压力泵将进样柱里的酱油压到过滤器里面，出来的就是食盐了。除去盐水，里面留下的就是低盐酱油，是不是非常简单？
这个里面科技含量最高的东西就是我们的纳滤膜，要控制膜的孔径和电荷其实是一件非常具有挑战性的事。
当时是2006年，国产的膜基本上还不能用，所以我们写信给国外的公司，让他们给我们一些免费的样品。他们非常大方，第二天就空运过来了。但是当我们再想买膜的时候，价格就非常贵了。现在十几年过后，我们国产膜已经完全可以媲美进口产品了。
后来导师说：「小罗，你和师兄到广东佛山的酱油厂做中试吧。」然后就带我来到一个超大的箱子前面。当我看到这台庞然大物时非常蒙圈，完全不知道这是什么东西。所以在南下广东的绿皮火车上，我就拿着一本从展会上顺来的「膜法宝典」，开始了我的「膜术师」速成学习。
但是，书本上的知识和现实总是有差距的。我们刚开始做中试的时候，设备总是发热停机，我们一群博士也束手无策。突然我想到我爸是电工，就打电话给我爸问这是什么原因造成的。我爸非常简单地说，就是压力泵的零线和火线接反了，结果果然是这样的。如果当时我爸在现场的话，我们肯定会对他顶礼膜拜。
就这样，我的课题从实验室到了广东佛山高明区的酱油厂里。这是全球最大的一个调味品工厂，里面有永远打不完的酱油。
但是在工厂我发现，我们原来在实验室非常小心翼翼像神一样供着的这个膜，在工人眼里却就像普通的筛网一样。对他们来讲，工厂里面任何东西的发明都是以解决问题为导向。能以低成本解决问题并且能稳定运行的技术，就是好技术。
所以这也让我意识到，一项好技术的评判标准并不是说它的理论有多炫酷，性能有多好，而是有多稳定。
我们的膜技术也给酱油厂带来很多改变。当时工厂只能做黑糊糊的酱油，但是我们的膜技术能够让酱油变得更清亮，沉淀更少，货架期更长，还能制备出不同的颜色和不同的含盐量的酱油，来满足不同的市场需求。
我们当时为了做试验，都推着小车从发酵罐里打酱油，每天来回好几趟。虽然当时酱油厂的饭菜非常好吃，酱油是永不限量的。但是因为当时周围还刚开发，实在是太荒凉了。
所以过了半个月以后，我就像【甲方乙方】电影里那个把村里的鸡都吃光的有钱人，每天在村口等着来接他的那个人，想着导师赶紧打电话叫我回去吧。
回到北京以后，吃了一两周学校的食堂，我就开始怀念酱油厂的饭菜了。然后我就和师兄又一起南下广西、北上内蒙古，去做补血剂的脱盐、医药中间体的脱盐试验以及全氟辛酸废水资源化的中试。这些中试的结果也成为我博士论文的一部分内容。
▲左：酱油精制
右：全氟辛酸废水回收
中试的结果非常好，但是最后实现工业化运行的其实也就两个项目，一个是酱油精制，另一个是全氟辛酸废水回收。
所以大家可以想象，一个实验室的技术能走向工业化是非常非常困难的。我也非常遗憾地缺席了这个过程，因为我做完中试以后就出国了，去欧洲的法国和丹麦继续学习膜技术。在欧洲待了5年多以后，我又回到了中国科学院过程工程研究所，身份从学生变成了老师。
在最甜的车间干最苦的活
回国后，领导交给我的第一个大项目，是做「膜」法绿色制糖。当时我心想，以前打酱油，现在做白糖，这样「白＋黑」好像有点不太「高大上」。
然后领导跟我说，我国的甘蔗产量是每年1.2亿吨，其实这是一个千亿级的市场。这么一说，好像有点「高大上」了。
甘蔗制糖其实是一个非常传统的行业，目前用到的亚硫酸法制糖有百余年的历史。它是先采摘甘蔗，然后压榨成汁，再往里面添加石灰、磷酸、絮凝剂、硫磺等化学试剂，通过化学反应和物理沉淀将其清净，最后蒸发、浓缩、结晶、分离、干燥，制成白砂糖。
听到这种方法，有同学会发出感叹，这么多化学品加进去，是不是有点像「科技与狠活」？其实化学法确实是有很多问题，比如我们的白糖质量不高或者质量不稳定，并且由于钙的加入会导致后续蒸发罐结垢，导致传热的下降，从而导致能耗的增加，并且还会产生大量的废糖蜜，有20%以上的糖被浪费掉了。
而膜技术是纯物理分离，可以实现「绿色」分离。实际上，国内外对这个技术已经研究了30余年，但仍处于中试阶段，没有实现产业化。
▲膜孔堵塞 效率降低
原因是大家都觉得糖太便宜了，所以都希望能用一张膜来解决这个问题。但是甘蔗汁成分非常复杂，各种成分之间会发生各种相互作用，容易把膜的孔给堵住，造成整体的效率下降，需要频繁地清洗，这样又进一步增加了它的成本。所以我们就想到另一个办法，能不能用多张膜把甘蔗汁里面的不同成分分开，避免它们之间的相互作用，从而提高它的整体效率。
我们通过三张不同孔径大小的膜，从大到小，逐步把悬浮物、天然色素、无机盐和还原糖去掉，在最后一级的浓缩液获得蔗糖，也就是白砂糖。这里第一级的截留液可以用作有机肥，各级的透过液则可以进行复配，获得红糖、液体糖、黄糖、黑糖、各种天然糖产品。最后一级的水里面因为含有无机盐，我们还可以做成电解质水。并且生产线在非榨季还可以用于糖蜜的炼制，增加的一部分收入可以抵消三张膜带来的成本增加。
这么一看，好像能赚钱了。我们在实验室经过验证以后，前往祖国大陆的最南端，也就是湛江市的遂溪县，去进行中试实验。
这个车间里面非常甜，弥漫着糖的甜味，但车间的条件非常差，而且白糖毕竟不能像酱油一样下饭，吃多了还「上火」。但是我们的实验结果非常好。
我们可以把黑糊糊的甘蔗汁变成金黄色的甘蔗清汁，还能获得无色的具有甘蔗香味的甘蔗水。
我们还顺手在膜领域最好的杂志上发了一篇SCI论文。
成功工业生产「膜法白糖」
成功以后，我们就去遂溪县另外一家更大的糖厂做示范工程。
所谓示范工程就是从中试到工业装置中间的阶段，其实是一个缩小版的工业装置。它的自控系统、流程都跟工业是一样的，是我们产业化前的临门一脚。这对我而言是一个全新的领域，所以遇到了很多挑战。
我们一开始觉得应该很容易，结果在调试的第一天这个系统就崩溃了。我们第一级的大孔膜的膜管堵了将近一大半，几万块就这么打水漂了。当时都不敢跟领导汇报，不过今天说完可能领导就知道了。
我们就找原因，为什么会这样呢？其实我们在中试的时候，是小榨汁机慢慢榨，虽然比较黑，但相对还是比较干净。
而在这种示范工程的大车间里面是这样的：卡车拉了一车的甘蔗，往车间压榨机上倒，里面泥沙、大自然的各种产物都会在里面，不断地压榨、不断地浸提，因为要把里面的糖全部提出来。所以会有很多的这种细小的纤维进来，导致我们膜系统的预处理系统超负荷运行。
▲从左至右：无纺布滤袋、保安过滤器、蝶式过滤器、振动筛
之前我们仅仅用了一个无纺布滤袋和保安过滤器，完全不能承受这些负担，导致这些污染物都跑到膜里面去。
▲左上：离心机
右上：磁性分离器
左下：旋液分离器
右下：膜前保护滤网
所以我们又尝试了各种各样的过滤器。当时我其实完全不认识这些过滤器，因为在实验室里，任何东西都可以用高速离心机或微滤膜把它去掉。但是在工业化时就不能这么「任性」，必须要考虑成本和连续化运行。
▲从左至右：甘蔗清汁、蒸发浓缩糖结晶、白砂糖
解决了预处理问题以后，我们的系统终于稳定运行了。我们获得了品质非常好的甘蔗清汁，做出来的白砂糖比传统的方法要白很多。
当时我们非常高兴，到处送我们制造的白砂糖，我们叫它「膜法白糖」。甚至我在从湛江回北京的路上，遇到一个去修潜艇的俄罗斯友人，我还送了一包白砂糖给他，说这是我们最新研发的一个高科技产品，他就回送了一盒俄罗斯的巧克力，实现了「膜法白糖」的第一次「出口创汇」。
▲结晶母液-糖蜜
并且结晶完以后的母液还是非常干净的，它可以作为天然的饮品，没有任何的添加。
但是随着运行时间的增加，又出现了新的问题。我们发现这个系统运行效率越来越慢，也不知道是什么原因，百思不得其解。于是我们拆开了前面预处理的一个振动筛，发现了不可思议的一幕。
大家看到的这个，学名是葡聚糖，俗称「蔗饭」。大家可以想象，这么黏糊糊的东西在里面，这些球完全无法振动了，所以说就失效了。于是，这些污染物全部进入到我们后续的膜系统中。
那葡聚糖是怎么来的呢？原来不仅是我们人喜欢吃糖，细菌也喜欢吃。甘蔗本身就自带一种乳酸菌，叫肠膜明串珠菌，它就可以吃糖并产生葡聚糖，最后就污染到膜，并且用我们的清洗剂还洗不掉。
其实，我们之前就会调一下pH值，使其中性偏碱，让细菌停止生长。但是细菌会进化，提高耐受pH值的能力，并且产生有机酸，来唤醒其他的「小伙伴」一起繁殖。这样的话，它生成的葡聚糖就把我们的膜覆盖了，还让清洗剂无法进入。
知道它们的这种行为方式以后，我们就利用生物酶来特异性地降解这种葡聚糖，待其溶解以后，我们的清洗剂可以进入到膜孔当中去除污染物，也是利用生物技术解决了我们生物污染的问题。当然，我们要用很多种方法去控制细菌的生长，因为毕竟用生物技术还是非常贵的。
上面问题其实只是冰山一角，但是我们「膜术师」的办法总比困难多。我们这个项目历经8年，从实验室几毫升的实验放大到万吨级的工业装置，遇到了非常多的困难，解决了很多问题，也发表了很多论文和专利，做到了把论文写在祖国大地上，把我们的科研做在生产实践中。
但这项技术要实现大规模推广，还需要降低成本，还要突破很多技术问题。除了制糖，我们还在面向国家重大需求，比如研制用于生物医药制备的膜分离材料和技术。
因为我们的生物医药产品比如疫苗、抗体，从生物反应器中制备出来后还需要经过非常多的过滤和除杂，才能作为注射的药物。但是这里面所用的膜大部分都还是进口，所以我们希望和产业界共同努力，能够早日实现国产化。
作为科研工作者，我觉得既要能上得了讲台，跟国际同行分享我们的最新进展，给大家传播知识和科学家精神，今天和大家的交流其实也是一种科研工作。
同时还要能下得了车间，能够深入一线，为我们的产业技术升级添砖加瓦。
这是示范工程期间，我的学生和当地工人们的合影。其实我们中国科技的发展，不能仅仅是待在实验室和办公室，不能只写论文、申请项目；我们一定要深入生产一线，从一线中发现问题，到一线中解决问题。这句话不仅送给我自己，也送给未来的你们。
谢谢大家！
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