生物工程设备过滤离心与膜分离

1、生物工程设备过滤离心与膜分离（1 1）上游工程：菌种的构建和产物的生成）上游工程：菌种的构建和产物的生成( (发酵发酵) )（2 2）下游工程：产物的提取和精制）下游工程：产物的提取和精制( (过滤过滤、分离分离、蒸发蒸发和和结晶结晶等等) )。（3 3）发酵产物的存在形式）发酵产物的存在形式: : 胞外产物：透出菌体细胞之外存在于悬浮液中；胞外产物：透出菌体细胞之外存在于悬浮液中； 胞内产物：存在于细胞之内；胞内产物：存在于细胞之内； 细胞本身；细胞本身；（4 4）液固分离方法：为了提取和精制发酵产物，往住必须首先将）液固分离方法：为了提取和精制发酵产物，往住必须首先将悬浮液进行液固分离。悬

2、浮液进行液固分离。 方法主要是过滤方法主要是过滤( (最常用最常用) )和离心分离。和离心分离。 膜分离是目前新兴的过滤方法，在此也予以介绍。膜分离是目前新兴的过滤方法，在此也予以介绍。概述及几个基本概念概述及几个基本概念概述及几个基本概念概述及几个基本概念 离心分离是基于分离体系中固液和液液两相密度存在差异，离心分离是基于分离体系中固液和液液两相密度存在差异，在离心场中使不同密度的两相相分离的过程。静置混合液时，密在离心场中使不同密度的两相相分离的过程。静置混合液时，密度较大的固体颗粒或重液在重力的作用下逐渐下沉，这一过程称度较大的固体颗粒或重液在重力的作用下逐渐下沉，这一过程称为沉降。为沉

3、降。 过滤是传统的化工单元操作，其原理是使物料通过固态过滤过滤是传统的化工单元操作，其原理是使物料通过固态过滤介质时，固态悬浮物与溶液分离。如液相中谷氨酸钠、柠檬酸晶介质时，固态悬浮物与溶液分离。如液相中谷氨酸钠、柠檬酸晶体的分离。体的分离。 过滤的形式：常压、加压、真空及离心过滤。过滤的形式：常压、加压、真空及离心过滤。概述及几个基本概念概述及几个基本概念 膜分离是利用膜的选择性，以膜的两侧存在一定的能量差膜分离是利用膜的选择性，以膜的两侧存在一定的能量差为推动力，膜分离常用的膜有微滤膜、超滤膜、电渗析膜和反为推动力，膜分离常用的膜有微滤膜、超滤膜、电渗析膜和反渗透膜等。渗透膜等。概述及几个

4、基本概念概述及几个基本概念过滤介质：一种能让液体通过，将固体粒子截留的介质。过滤介质：一种能让液体通过，将固体粒子截留的介质。滤渣：滤浆中的固体粒子。滤渣：滤浆中的固体粒子。滤饼：当悬浮液通过过滤介质时，固体颗粒被介质阻拦而滤饼：当悬浮液通过过滤介质时，固体颗粒被介质阻拦而形成滤饼，当滤饼积至一定厚度时就起到过滤作用。形成滤饼，当滤饼积至一定厚度时就起到过滤作用。 滤液：滤过的液体滤液：滤过的液体第第 一一 节节 过过 滤滤 速速 度度 的的 强强 化化 提高过滤速度，一方面可通过改变悬浮液的物理性质（预提高过滤速度，一方面可通过改变悬浮液的物理性质（预处理），另一方面，选择适当的过滤介质和操

5、作条件。处理），另一方面，选择适当的过滤介质和操作条件。第一节第一节 过滤速度的强化过滤速度的强化一、发酵液的预处理一、发酵液的预处理目的：增大悬浮液中固体粒子的尺寸，除去无机离子和杂蛋目的：增大悬浮液中固体粒子的尺寸，除去无机离子和杂蛋白质，降低液体粘度，便于有效分离。白质，降低液体粘度，便于有效分离。（一）加热（一）加热 ： 使蛋白质变性凝固；降低粘度。使蛋白质变性凝固；降低粘度。（二）凝聚和絮凝：（二）凝聚和絮凝： 凝聚凝聚是将一种无机电解质（凝聚剂）加入到悬浮液中，将胶是将一种无机电解质（凝聚剂）加入到悬浮液中，将胶体粒子表面上的电荷中和，减少存在于胶体粒子间的静电斥力，体粒子表面上的

6、电荷中和，减少存在于胶体粒子间的静电斥力，使范德华力占优势，这样胶体就会凝聚成较大、较密实的粒子。使范德华力占优势，这样胶体就会凝聚成较大、较密实的粒子。 常用的凝聚剂有：硫酸铝、氯化铝、聚合氯化铝、三氯化铁、常用的凝聚剂有：硫酸铝、氯化铝、聚合氯化铝、三氯化铁、硫酸亚铁等。硫酸亚铁等。 絮凝絮凝是将一种高分子电解质（絮聚剂）加入到悬浮液中，借是将一种高分子电解质（絮聚剂）加入到悬浮液中，借高分子电解质的长链作用，与离子产生静电作用，捕获粒子，中高分子电解质的长链作用，与离子产生静电作用，捕获粒子，中和电荷，粘结颗粒，以及在固相粒子间搭桥，使颗粒不断凝结为和电荷，粘结颗粒，以及在固相粒子间搭桥

7、，使颗粒不断凝结为较大的絮块。较大的絮块。 絮凝剂：长链线状高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类、聚合铝絮凝剂：长链线状高分子聚合物，如聚丙烯酰胺类、聚合铝盐、聚合铁盐、多糖类盐、聚合铁盐、多糖类( (海藻酸钠、明胶、骨胶和壳聚糖等海藻酸钠、明胶、骨胶和壳聚糖等) )。第一节第一节 过滤速度的强化过滤速度的强化（四）调节（四）调节pHpH： 调节发酵液调节发酵液pHpH至蛋白质等电点，除去蛋白质。大幅改变至蛋白质等电点，除去蛋白质。大幅改变pHpH，还能使蛋白质变性凝固。，还能使蛋白质变性凝固。（五）加入助滤剂：（五）加入助滤剂： 助滤剂吸附了细小的胶体粒子，使其均匀分布于滤饼层助滤剂吸附了细小的胶体

8、粒子，使其均匀分布于滤饼层中，相应地改变滤饼结构，降低滤饼的可压缩性，减少过滤中，相应地改变滤饼结构，降低滤饼的可压缩性，减少过滤阻力。阻力。 助滤剂：硅藻土、活性炭、石英砂、白土等。助滤剂：硅藻土、活性炭、石英砂、白土等。第一节第一节 过滤速度的强化过滤速度的强化（三）加入盐类：（三）加入盐类： 除去高价无机离子。如利用草酸钠除去钙离子；利用三除去高价无机离子。如利用草酸钠除去钙离子；利用三聚磷酸钠除去镁离子聚磷酸钠除去镁离子; ;利用黄血盐除去铁离子等。利用黄血盐除去铁离子等。第一节第一节 过滤速度的强化过滤速度的强化 过滤介质除过滤作用外，还是滤饼的支撑物，应具有足够过滤介质除过滤作用外

9、，还是滤饼的支撑物，应具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力。的机械强度和尽可能小的流动阻力。 （1 1）过滤介质所能截留的固体粒子的大小）过滤介质所能截留的固体粒子的大小 纤维纤维 10um 10um 硅藻土硅藻土 1um 1um 超滤膜超滤膜 0.5um 0.5um （2 2）过滤介质的渗透性）过滤介质的渗透性 渗透性越大，阻力越小渗透性越大，阻力越小 （3 3）其他）其他 耐酸碱性、耐热性耐酸碱性、耐热性1 1、合理选择过滤介质取决于：、合理选择过滤介质取决于：第一节第一节 过滤速度的强化过滤速度的强化2 2、工业上常用的过滤介质、工业上常用的过滤介质（1 1）织物介质（滤布）织物介质（

10、滤布）影响因素：纤维特性，编织的纹法和线型，耐热性，耐磨性，影响因素：纤维特性，编织的纹法和线型，耐热性，耐磨性，耐酸性等等。耐酸性等等。（2 2）粒状介质）粒状介质发酵工业中最常用的散粒过滤介质是硅藻土：发酵工业中最常用的散粒过滤介质是硅藻土：1.1.作为深层过滤介质过滤悬浮液。作为深层过滤介质过滤悬浮液。2.2.作为预涂层。在支撑介质表面上预先形成硅藻土薄层，以作为预涂层。在支撑介质表面上预先形成硅藻土薄层，以保护支持性介质的毛细孔在过滤时不被微小的颗粒所堵塞。保护支持性介质的毛细孔在过滤时不被微小的颗粒所堵塞。3.3.作为助滤剂。使形成的滤饼具有多孔隙，并降低滤饼的可作为助滤剂。使形成的

11、滤饼具有多孔隙，并降低滤饼的可压缩性，提高过滤速度和延长过滤操作的周期。压缩性，提高过滤速度和延长过滤操作的周期。第一节第一节 过滤速度的强化过滤速度的强化（3 3）多孔固体介质）多孔固体介质 如多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料等。常用于过滤含有少量如多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料等。常用于过滤含有少量 微粒的悬浮液。微粒的悬浮液。过滤介质种类繁多，过滤机型式多种多样，滤浆的性质及分过滤介质种类繁多，过滤机型式多种多样，滤浆的性质及分离条件、目的各不相同，使得过滤介质的选择并非轻而易举。离条件、目的各不相同，使得过滤介质的选择并非轻而易举。正确选择过滤介质，一是靠经验，二是靠实验。正确选择过滤介质，

12、一是靠经验，二是靠实验。第一节第一节 过滤速度的强化过滤速度的强化01 ( 8 - 1 )d Vp Fd trlR(1)(1)悬浮液物理性质的改变，如降低粘度、减少滤饼比阻和滤悬浮液物理性质的改变，如降低粘度、减少滤饼比阻和滤饼层厚度（加入助滤剂和絮凝剂）。饼层厚度（加入助滤剂和絮凝剂）。(2)(2)改变过滤压力差。在一定压力差范围内，增大压差对过滤改变过滤压力差。在一定压力差范围内，增大压差对过滤有利，但当压差大于某一值后，继续增大将使过滤速度减慢。有利，但当压差大于某一值后，继续增大将使过滤速度减慢。第第 二二 节节 过过 滤滤 设设 备备第二节第二节 过滤设备过滤设备加压过滤机、真空过滤

13、机在生物发酵工业中具有广泛的用途。而加压过滤机、真空过滤机在生物发酵工业中具有广泛的用途。而常压过滤机由于过滤的推动力太小，现代工业上较少采用。常压过滤机由于过滤的推动力太小，现代工业上较少采用。第二节第二节 过滤设备过滤设备第二节第二节 过滤设备过滤设备第二节第二节 过滤设备过滤设备 Plate shifter1500 x 1500 Filter Press 第二节第二节 过滤设备过滤设备第二节第二节 过滤设备过滤设备第二节第二节 过滤设备过滤设备第二节第二节 过滤设备过滤设备降框、卸饼及洗刷滤布IFPIFP自动板框压滤机工作原理图自动板框压滤机工作原理图第二节第二节 过滤设备过滤设备第二节

14、第二节 过滤设备过滤设备2 2、结构：、结构： 过滤机的主要部分是一水平放置的回转圆筒（转鼓）。筒过滤机的主要部分是一水平放置的回转圆筒（转鼓）。筒的表面有孔眼，并包有金属网和滤布。的表面有孔眼，并包有金属网和滤布。 转筒内部用隔板分成互不相通的转筒内部用隔板分成互不相通的1818个扇形格，这些扇形格个扇形格，这些扇形格经过空心主轴的通道和分配头的固定盘上的小室相通。经过空心主轴的通道和分配头的固定盘上的小室相通。 分配头的作用是使转筒内各个扇形格同真空系统和压缩空分配头的作用是使转筒内各个扇形格同真空系统和压缩空气系统顺次接通。气系统顺次接通。1 1、特点：将过滤、洗饼、吹干、卸饼分别在转鼓

15、的一周转动、特点：将过滤、洗饼、吹干、卸饼分别在转鼓的一周转动中完成。连续且滤饼阻力小。为恒压恒速过滤过程。中完成。连续且滤饼阻力小。为恒压恒速过滤过程。第二节第二节 过滤设备过滤设备（1 1）过滤区）过滤区 浸在悬浮液内的各扇形格同真空管路接通，格内为真空。浸在悬浮液内的各扇形格同真空管路接通，格内为真空。滤液透过滤布，被压入扇形格内，经分配头被吸出。而固体颗滤液透过滤布，被压入扇形格内，经分配头被吸出。而固体颗粒在滤布上则形成一层逐渐增厚的滤渣。粒在滤布上则形成一层逐渐增厚的滤渣。（2 2）洗涤吸干区域）洗涤吸干区域 当扇形格离开悬浮液进入此区时，格内仍与真空管路相通。当扇形格离开悬浮液进

16、入此区时，格内仍与真空管路相通。滤饼在此格内将被洗涤并吸干，以进一步降低滤饼中溶质的含滤饼在此格内将被洗涤并吸干，以进一步降低滤饼中溶质的含量。量。第二节第二节 过滤设备过滤设备3 3、运转过程：、运转过程： 在转筒的回转过程中，借分配头的作用，每个过滤室相继与在转筒的回转过程中，借分配头的作用，每个过滤室相继与分配头的几个室相接通，使过滤面形成以下几个工作区。分配头的几个室相接通，使过滤面形成以下几个工作区。（3 3）卸渣区）卸渣区 这个区与分配头的这个区与分配头的室相接通，在室相接通，在室通入压缩空气，压缩空室通入压缩空气，压缩空气由筒内向外，穿过滤布而将滤饼吹松，随后由刮刀将滤饼清除。气

17、由筒内向外，穿过滤布而将滤饼吹松，随后由刮刀将滤饼清除。（4 4）滤布复原区）滤布复原区 滤渣被刮落后，为了除去堵塞在滤布孔隙中的细微颗粒，压缩滤渣被刮落后，为了除去堵塞在滤布孔隙中的细微颗粒，压缩空气通过分配头的空气通过分配头的室进入复原区的滤室，吹落这些颗粒使滤布复室进入复原区的滤室，吹落这些颗粒使滤布复原，重新开始下一循环的操作。原，重新开始下一循环的操作。第二节第二节 过滤设备过滤设备第二节第二节 过滤设备过滤设备第二节第二节 过滤设备过滤设备动盘固定在转鼓轴颈上动盘固定在转鼓轴颈上与转鼓同步旋转。动盘端面有一圈孔。每个与转鼓同步旋转。动盘端面有一圈孔。每个孔与转鼓上对应的一个滤室相连

18、。阀座不转动孔与转鼓上对应的一个滤室相连。阀座不转动其内侧端面上开有三其内侧端面上开有三条弧形槽（滤液真空凹槽、洗水真空凹槽、压缩空气凹槽条弧形槽（滤液真空凹槽、洗水真空凹槽、压缩空气凹槽 ），分别），分别与外侧的接管连通。阀座与动盘贴合，各弧形槽顺序与动盘上的孔相与外侧的接管连通。阀座与动盘贴合，各弧形槽顺序与动盘上的孔相通，旋转的滤室即可与固定的真空或压缩空气系统顺序联接，使过滤通，旋转的滤室即可与固定的真空或压缩空气系统顺序联接，使过滤操作循环进行。操作循环进行。 110987654321817161514131112转筒及分配头的结构转筒及分配头的结构动盘动盘定盘定盘f 槽槽h 槽槽g

19、 槽槽18格分成格分成6个工作区个工作区1区区(17格格)：过滤区；：过滤区；2区区(810格格)：滤液吸干区；：滤液吸干区；3区区(1213格格)：洗涤区；：洗涤区；4区区(14格格)：洗后吸干区；：洗后吸干区；5区区(16格格)：吹松卸渣区；：吹松卸渣区；6区区(17格格)：滤布再生区：滤布再生区。过滤区过滤区(12区区)，f 槽槽; 洗涤区洗涤区(34区区)，g槽槽 ;干燥卸渣区干燥卸渣区(56区区)，h 槽槽;第二节第二节 过滤设备过滤设备第第 三三 节节离离 心心 分分 离离 设设 备备第三节第三节 离心分离设备离心分离设备 离心分离是在液相非均匀体系中，利用离心力来达到液液分离心分

20、离是在液相非均匀体系中，利用离心力来达到液液分离，液固分离的方法，通称为离心分离。分为离心沉降和离心离，液固分离的方法，通称为离心分离。分为离心沉降和离心过滤。过滤。 离心机是在高速旋转的转鼓中，利用惯性离心力的作用，过离心机是在高速旋转的转鼓中，利用惯性离心力的作用，过滤、澄清悬浮液，或将两种轻重不同、互不溶解的液体分离的滤、澄清悬浮液，或将两种轻重不同、互不溶解的液体分离的设备。设备。 按作用原理分类按作用原理分类 过滤式过滤式: :（分离机）：转鼓壁上有孔并装滤布（三足式）（分离机）：转鼓壁上有孔并装滤布（三足式） 沉降式沉降式: :（澄清机）：转鼓壁上无孔无滤布（碟片式、管式）（澄清机

21、）：转鼓壁上无孔无滤布（碟片式、管式） 第三节第三节 离心分离设备离心分离设备离心机转鼓壁上有许多孔，供排出滤液用，转鼓内壁上铺有过滤介质，离心机转鼓壁上有许多孔，供排出滤液用，转鼓内壁上铺有过滤介质，过滤介质为金属丝底网和滤布组成。加入转鼓的悬浮液随转鼓一同旋转，过滤介质为金属丝底网和滤布组成。加入转鼓的悬浮液随转鼓一同旋转，悬浮液中的固体颗粒在离心力的作用下，沿径向移动被截留在过滤介质悬浮液中的固体颗粒在离心力的作用下，沿径向移动被截留在过滤介质表面，形成滤渣层；与次同时，液体在离心力作用下透过滤渣、过滤介表面，形成滤渣层；与次同时，液体在离心力作用下透过滤渣、过滤介质和转鼓壁上的孔被甩出

22、，从而实现固体颗粒与液体的分离质和转鼓壁上的孔被甩出，从而实现固体颗粒与液体的分离。第三节第三节 离心分离设备离心分离设备 离心分离因数：是离心机最重要的技术特性之一，是粒子离心分离因数：是离心机最重要的技术特性之一，是粒子在离心力场中所受到的离心力与重力之比。显然，离心分离在离心力场中所受到的离心力与重力之比。显然，离心分离因数愈高，离心沉降的速度愈大，所能分离的粒子也愈小。因数愈高，离心沉降的速度愈大，所能分离的粒子也愈小。是选择离心机的依据。是选择离心机的依据。 质量为质量为M（kg）的物体旋转时，当其圆周速度为的物体旋转时，当其圆周速度为v（m/s），），旋转半径为旋转半径为R（m），

23、），则产生的离心力为则产生的离心力为:Mv2FgR900( )2602pRnMRn2gR=M 离心分离因数：离心分离因数：M增加，增加，F增加；增加； R增加，增加，F增加；增加； n增加，增加，F增加显著增加显著f = =FMRn2900第三节第三节 离心分离设备离心分离设备管式离心机具有一个细长而高速旋转的转鼓，加长转鼓的管式离心机具有一个细长而高速旋转的转鼓，加长转鼓的目的在于增加物料在转鼓内的停留时间。转鼓的直径小而目的在于增加物料在转鼓内的停留时间。转鼓的直径小而成倍提高其转速，离心分离因数提高到成倍提高其转速，离心分离因数提高到50000左右而不致使左右而不致使转鼓内壁产生过高的应

24、力。转鼓内壁产生过高的应力。（ 1、特点、特点第三节第三节 离心分离设备离心分离设备管式转筒中有三管式转筒中有三片互成片互成120度角的长条叶片。度角的长条叶片。 2、结构、结构 3、操作过程、操作过程轻重液因受到的惯性离心力的大小不同而分层。重液贴轻重液因受到的惯性离心力的大小不同而分层。重液贴近转筒的内壁，轻液则紧挨着重液。由于待分离液在压近转筒的内壁，轻液则紧挨着重液。由于待分离液在压力下连续进入，管内分层的液体得以连续向上流动。轻力下连续进入，管内分层的液体得以连续向上流动。轻液自近轴心的流出孔排出，而重液则自远轴心的流出孔液自近轴心的流出孔排出，而重液则自远轴心的流出孔排出。排出。第

25、三节第三节 离心分离设备离心分离设备待分离的料液从转筒底部以待分离的料液从转筒底部以0.25-0.30106Pa的压力通入，的压力通入，叶片与转筒同步旋转，使料液迅速达到与转筒相同的角叶片与转筒同步旋转，使料液迅速达到与转筒相同的角速度。速度。管式离心机分两种，一种是管式离心机分两种，一种是GFGF型，用于处理乳浊液而进行液一液型，用于处理乳浊液而进行液一液分离操作，分离操作，轻重液流动到转鼓上部各自的排液口排出，微量固体轻重液流动到转鼓上部各自的排液口排出，微量固体沉积在转鼓壁上，待停机后人工卸出。沉积在转鼓壁上，待停机后人工卸出。另一种是另一种是GQGQ型，用于处理悬浮液而进行液一固分离的

26、澄清操作。型，用于处理悬浮液而进行液一固分离的澄清操作。密度较大的固体微粒逐渐沉积在转鼓内壁形成沉渣层，待停机后密度较大的固体微粒逐渐沉积在转鼓内壁形成沉渣层，待停机后人工卸出，澄清后的液相流动到转鼓上部的排液口排出。人工卸出，澄清后的液相流动到转鼓上部的排液口排出。第三节第三节 离心分离设备离心分离设备GFX105血液分离型管式机血液分离型管式机GQ系列中药澄清型管式分离机系列中药澄清型管式分离机第三节第三节 离心分离设备离心分离设备第三节第三节 离心分离设备离心分离设备碟片式离心机是在碟片式离心机是在1877年由瑞典的德拉阀斯所发明。它年由瑞典的德拉阀斯所发明。它是在管式离心机的基础上发展

27、起来的。在转鼓中加入许是在管式离心机的基础上发展起来的。在转鼓中加入许多重迭的碟片，增大了沉淀面积，使颗粒的沉降距离缩多重迭的碟片，增大了沉淀面积，使颗粒的沉降距离缩短，分离效率大为提高。短，分离效率大为提高。 1、特点：、特点：第三节第三节 离心分离设备离心分离设备 2、结构：、结构： .碟片的结构是：碟片的结构是：1.1.碟片用薄的碟片用薄的不锈钢冲成；不锈钢冲成；2.2.碟片呈圆台碟片呈圆台形；形；3.3.在碟片上开在碟片上开有对称的孔。有对称的孔。第三节第三节 离心分离设备离心分离设备 物料进入离心分离机后，通过碟片上圆孔形成的垂直通道物料进入离心分离机后，通过碟片上圆孔形成的垂直通道

28、进入碟片间的隙道，并被带着高速旋转。悬浮液中的固体颗粒进入碟片间的隙道，并被带着高速旋转。悬浮液中的固体颗粒因其有较大的质量，向上层碟片的下表面运动，而后沿碟片下因其有较大的质量，向上层碟片的下表面运动，而后沿碟片下表面向鼓壁方面下滑，澄清的液体则被迫反方向移动而转鼓中表面向鼓壁方面下滑，澄清的液体则被迫反方向移动而转鼓中心进液管周围的排液口排出。心进液管周围的排液口排出。 同样对于乳浊液的分离，轻液沿中心向上流动，重液沿周同样对于乳浊液的分离，轻液沿中心向上流动，重液沿周围向下流动而得到分离。围向下流动而得到分离。 3、操作过程、操作过程第三节第三节 离心分离设备离心分离设备10 机盖机盖

29、11 沉渣器沉渣器12 电机电机 13 制动制动14 齿轮齿轮15 操作水系统操作水系统16 空心钵轴空心钵轴.现代化的密闭式分离机现代化的密闭式分离机第三节第三节 离心分离设备离心分离设备第三节第三节 离心分离设备离心分离设备 a. a.人工排渣的碟片离心机人工排渣的碟片离心机 b.b.喷嘴排渣碟片式离心机喷嘴排渣碟片式离心机 c.c.活门排渣碟片式离心机活门排渣碟片式离心机 d.d.活门排渣的喷嘴碟片式离心机活门排渣的喷嘴碟片式离心机 4、排渣方式、排渣方式第三节第三节 离心分离设备离心分离设备第第 四四 节节膜膜 分分 离离 设设 备备第四节第四节 膜分离设备膜分离设备 1748年法国学

30、者年法国学者Abbe Nollet首次发现发现水可以透过猪膀首次发现发现水可以透过猪膀 胱进入酒精中，但未引起重视；胱进入酒精中，但未引起重视； 1854年，年，Graha发现透析现象以后，人们开始重视膜的研发现透析现象以后，人们开始重视膜的研 究；究； 1864年，年，Traube制造出第一张人造膜亚铁氰化铜膜；制造出第一张人造膜亚铁氰化铜膜； 1960年制备了第一张可成功用于海水脱盐的醋酸纤维素反年制备了第一张可成功用于海水脱盐的醋酸纤维素反 渗透膜；渗透膜； 1963年第一个膜渗析器的诞生开创了膜分离技术的新纪年第一个膜渗析器的诞生开创了膜分离技术的新纪 元；元； 最近最近20-30年来

31、得到了迅猛的发展，在各个工业领域及科研年来得到了迅猛的发展，在各个工业领域及科研 中得到大规模应用，出现了各种有价值的微滤、超滤、纳中得到大规模应用，出现了各种有价值的微滤、超滤、纳 滤和反渗透等分离膜。滤和反渗透等分离膜。第四节第四节 膜分离设备膜分离设备适用范围广；适用范围广； 膜分离过程通常在常温下进行，适于热敏性生物工程产膜分离过程通常在常温下进行，适于热敏性生物工程产 品的纯化；品的纯化； 不涉及相变，处理效率高，节能；不涉及相变，处理效率高，节能； 典型的物理分离过程，不外加化学试剂和添加剂，透过典型的物理分离过程，不外加化学试剂和添加剂，透过 液可循环使用，产品不受污染；液可循环

32、使用，产品不受污染； 有相当好的选择性，可在分离、浓缩的同时达到部分纯有相当好的选择性，可在分离、浓缩的同时达到部分纯 化；化； 膜分离技术分离装置简单，占地面积小，系统集成容易；膜分离技术分离装置简单，占地面积小，系统集成容易； 膜分离过程系统简单、操作容易，且易控制，便于维修，膜分离过程系统简单、操作容易，且易控制，便于维修， 有利于生产自动化的推广与普及。有利于生产自动化的推广与普及。膜分离技术的优点：膜分离技术的优点：第四节第四节 膜分离设备膜分离设备 膜分离是以选择透过性膜为分离介质，在膜两侧的推膜分离是以选择透过性膜为分离介质，在膜两侧的推动力（如压力差、浓度差、电位差、温度差等）

33、作用下，动力（如压力差、浓度差、电位差、温度差等）作用下，使原料中的某种组分选择性地透过膜，从而达到分离、纯使原料中的某种组分选择性地透过膜，从而达到分离、纯化或浓缩溶液的目的。化或浓缩溶液的目的。 实质是小分子物质透过膜，而大分子物质或固体粒子实质是小分子物质透过膜，而大分子物质或固体粒子被阻挡。被阻挡。 膜分离法可以用于液体或者气体混合物的分离。膜分离法可以用于液体或者气体混合物的分离。第四节第四节 膜分离设备膜分离设备常用膜分离法包括：常用膜分离法包括： 渗透、透析（渗透、透析（DS）、微滤（）、微滤（MF）、超滤（）、超滤（UF）、反渗透）、反渗透（RO）与气体透过都是以压力差为推动力

34、的膜分离过程；）与气体透过都是以压力差为推动力的膜分离过程； 电渗析、隔膜电解以电位差为推动力的分离技术。电渗析、隔膜电解以电位差为推动力的分离技术。第四节第四节 膜分离设备膜分离设备第四节第四节 膜分离设备膜分离设备渗透：溶剂透过膜，溶质及固体粒子则被阻挡。渗透：溶剂透过膜，溶质及固体粒子则被阻挡。 用一张半透膜将淡水和某种溶液隔开，该膜只让水分子通用一张半透膜将淡水和某种溶液隔开，该膜只让水分子通过，由于淡水和溶液存在浓度差，所以淡水中的水分子自发地过，由于淡水和溶液存在浓度差，所以淡水中的水分子自发地透过膜进入溶液中，这种现象叫做渗透。透过膜进入溶液中，这种现象叫做渗透。 高盐高盐溶液能

35、不断通过半透膜汲取低盐溶液中的水分，直到溶液能不断通过半透膜汲取低盐溶液中的水分，直到 两边达到平衡。两边水柱的高度差就产生了渗透压。两边达到平衡。两边水柱的高度差就产生了渗透压。第四节第四节 膜分离设备膜分离设备反渗透原理示意图反渗透原理示意图纯水纯水盐水盐水(a)渗透渗透反渗透膜反渗透膜纯水纯水盐水盐水(c)反渗透反渗透P纯水纯水盐水盐水(b)渗透平衡渗透平衡反渗透：在溶液一侧施加大于渗透压的压力，则溶液中的水就反渗透：在溶液一侧施加大于渗透压的压力，则溶液中的水就会透过半透膜，流向淡水一侧，使溶液浓度增加，这种作用称会透过半透膜，流向淡水一侧，使溶液浓度增加，这种作用称为反渗透。为反渗透

36、。第四节第四节 膜分离设备膜分离设备第四节第四节 膜分离设备膜分离设备超滤：超滤：在一定的压力作用在一定的压力作用下，含有大分子和较小分子的混合下，含有大分子和较小分子的混合液流经分离膜时，溶剂和小分子（如无机盐）透过膜，而大液流经分离膜时，溶剂和小分子（如无机盐）透过膜，而大分子（分子量大于分子（分子量大于1000）被膜截留下来从而将溶液加以分离）被膜截留下来从而将溶液加以分离或浓缩的单元操作。或浓缩的单元操作。超滤膜的孔径在超滤膜的孔径在0.0010.02m之间。超滤法适用于分离或浓之间。超滤法适用于分离或浓缩直径缩直径150nm的生物大分子的生物大分子(蛋白质、病毒等蛋白质、病毒等)；微

37、滤膜孔径为微滤膜孔径为0.025-4m。微滤法适用于细胞、细菌和微粒子。微滤法适用于细胞、细菌和微粒子的分离，目标物质的大小范围为的分离，目标物质的大小范围为0.01m10m。 超滤和微滤都是以压力差为推动力的膜分离过程。超滤和微滤都是以压力差为推动力的膜分离过程。第四节第四节 膜分离设备膜分离设备超滤原理示意图：超滤原理示意图：第四节第四节 膜分离设备膜分离设备透析膜：孔径透析膜：孔径 510nm；应用：实验室应用：实验室生物大分子溶液脱盐；生物大分子溶液脱盐； 临临 床床血液透析血液透析透析：利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜透析：利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲

38、水膜将溶液和透析液（水或缓冲液）分隔，在浓差作用下，溶液中将溶液和透析液（水或缓冲液）分隔，在浓差作用下，溶液中小分子和透析液中的水各自向相反的低浓度一侧移动的过程。小分子和透析液中的水各自向相反的低浓度一侧移动的过程。膜膜进料进料纯化液纯化液杂质杂质渗析液渗析液进料进料透析透析第四节第四节 膜分离设备膜分离设备静静脉脉浓缩透析液浓缩透析液透析用水透析用水废液废液透析器透析器 血液透析基本原理图第四节第四节 膜分离设备膜分离设备电渗析：是利用离子交换膜和直流电场的作用，从水溶液和其电渗析：是利用离子交换膜和直流电场的作用，从水溶液和其他不带电组分中分离带电离子组分的一种电化学分离过程。他不带电

39、组分中分离带电离子组分的一种电化学分离过程。 原理：离子交换膜（膜表面和孔内共价键含有离子交换基团）原理：离子交换膜（膜表面和孔内共价键含有离子交换基团） 阳离子交换膜：酸性阳离子（如：磺酸基阳离子交换膜：酸性阳离子（如：磺酸基SO3-） 阴离子交换膜：碱性阴离子（如：季铵基阴离子交换膜：碱性阴离子（如：季铵基N+R3） 在电场作用下，阳离子交换膜选择性透过阳离子；阴离在电场作用下，阳离子交换膜选择性透过阳离子；阴离子交换膜选择性透过阴离子子交换膜选择性透过阴离子应用：在工业上多用于海水和苦水的淡化以及废水处理；应用：在工业上多用于海水和苦水的淡化以及废水处理； 作为生物分离技术，电渗析可用于

40、氨基酸和有机酸等生物作为生物分离技术，电渗析可用于氨基酸和有机酸等生物 小分子的分离纯化小分子的分离纯化 。第四节第四节 膜分离设备膜分离设备1C1C1C1C1C1CNaNaNaNaNaNa12345 阳膜 阴膜阳膜阴膜阴极阳极浓缩室淡化室 浓缩室图1339 电渗析过程原理示意图第四节第四节 膜分离设备膜分离设备- - -+ +海水海水淡水淡水海水淡化海水淡化电渗析原理电渗析原理浓海水浓海水浓海水浓海水第四节第四节 膜分离设备膜分离设备 膜分离技术的核心是分离膜。膜分离技术的核心是分离膜。膜的类型：膜的类型：来源：天然膜，合成膜（无机材料膜，有机高分子膜）来源：天然膜，合成膜（无机材料膜，有机

41、高分子膜）膜的结构：致密膜，多孔膜膜的结构：致密膜，多孔膜膜断面的物理形态：对称膜，不对称膜，复合膜膜断面的物理形态：对称膜，不对称膜，复合膜膜的功能：离子交换膜、渗析膜、微孔过滤膜、超过滤膜的功能：离子交换膜、渗析膜、微孔过滤膜、超过滤 膜、反渗透膜、气体渗透膜等膜、反渗透膜、气体渗透膜等膜的形状：平板膜，管式膜，中空纤维膜膜的形状：平板膜，管式膜，中空纤维膜主要是纤维素的衍生物主要是纤维素的衍生物 ，有醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维，有醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维素等，使用时最高温度和素等，使用时最高温度和pH范围有限。范围有限。如醋酸纤维膜的截盐能力强，常用作反渗透膜，使用温度低于如醋酸纤

42、维膜的截盐能力强，常用作反渗透膜，使用温度低于40，pH36 。 天然高分子材料：天然高分子材料：市售膜的大部分为合成高分子膜，主要有聚砜、聚丙烯腈、聚市售膜的大部分为合成高分子膜，主要有聚砜、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚酰胺、聚烯类和含氟聚合物等。特点是耐高温，适酰亚胺、聚酰胺、聚烯类和含氟聚合物等。特点是耐高温，适用用pH范围广，耐氯能力强，可调节孔径范围宽，使用寿命较范围广，耐氯能力强，可调节孔径范围宽，使用寿命较长长 。如聚砜可用于制造超滤膜如聚砜可用于制造超滤膜 ，使用时最高温度可达，使用时最高温度可达7080，pH范围在范围在113，孔径范围约为，孔径范围约为120nm。 有机高分子材料

43、：有机高分子材料：第四节第四节 膜分离设备膜分离设备主要有陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。无机膜的特点主要有陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。无机膜的特点是机械强度高，耐高温、耐化学试剂和耐有机溶剂，但缺是机械强度高，耐高温、耐化学试剂和耐有机溶剂，但缺点是不易加工，造价较高。点是不易加工，造价较高。 如以陶瓷材料烧结而成的微滤膜最为常用，孔径约在如以陶瓷材料烧结而成的微滤膜最为常用，孔径约在0.1m左右。左右。无机材料：无机材料：第四节第四节 膜分离设备膜分离设备对称膜：对称膜： 膜两侧截面的结构及形态相同，且孔径与孔径分布也基膜两侧截面的结构及形态相同，且孔径与孔径分布也基本一致。对称膜可以

44、是疏松的微孔膜或致密的均相膜，膜的本一致。对称膜可以是疏松的微孔膜或致密的均相膜，膜的厚度大致在厚度大致在10200m范围内。范围内。非对称性膜：非对称性膜： 同种材料。由致密的表皮层及疏松的多孔支撑层组成。同种材料。由致密的表皮层及疏松的多孔支撑层组成。膜上下两侧截面的结构及形态不同，致密层厚度约为膜上下两侧截面的结构及形态不同，致密层厚度约为0.10.5m，支撑层厚度约为，支撑层厚度约为50150m。复合膜：复合膜： 复合膜实际上也是一种具有表皮层的非对称性膜，但表皮层复合膜实际上也是一种具有表皮层的非对称性膜，但表皮层材料与用作支撑层的对称或非对称性膜的材料不同。材料与用作支撑层的对称或

45、非对称性膜的材料不同。 第四节第四节 膜分离设备膜分离设备第四节第四节 膜分离设备膜分离设备铝膜铝膜纳米管膜纳米管膜聚酰胺转相膜聚酰胺转相膜第四节第四节 膜分离设备膜分离设备非对称膜非对称膜对称膜对称膜（致密表皮层）（细孔表皮层）（多孔支撑层）第四节第四节 膜分离设备膜分离设备第四节第四节 膜分离设备膜分离设备对称膜对称膜 不对称膜不对称膜对称膜对称膜 不对称膜不对称膜第四节第四节 膜分离设备膜分离设备第四节第四节 膜分离设备膜分离设备浓差极化现象浓差极化现象 当溶液从膜面一侧流过时，溶剂及小分子溶质透过膜，大当溶液从膜面一侧流过时，溶剂及小分子溶质透过膜，大分子的溶质则在靠近膜面处被截留，并

46、不断返回溶液主流中。分子的溶质则在靠近膜面处被截留，并不断返回溶液主流中。当这一返回液体主流的速度低于大分子溶质在膜面聚集的速度当这一返回液体主流的速度低于大分子溶质在膜面聚集的速度时，就逐渐在膜面上，行成一高浓度的被阻留的溶质分子层。时，就逐渐在膜面上，行成一高浓度的被阻留的溶质分子层。这就是浓差极化。这就是浓差极化。 随着浓差极化愈来愈严重，膜的滤出速度也愈来愈低随着浓差极化愈来愈严重，膜的滤出速度也愈来愈低 。第四节第四节 膜分离设备膜分离设备浓差极化的改进措施：浓差极化的改进措施：降低压力，降低溶质在料液中的浓度，降低压力，降低溶质在料液中的浓度，采用错流过滤、加大流速等。采用错流过滤

47、、加大流速等。错流过滤：料液的流动方向与膜面平行，流动的剪切作用可大错流过滤：料液的流动方向与膜面平行，流动的剪切作用可大大减轻浓度极化现象或凝胶层厚度，使透过通量维持在较高水大减轻浓度极化现象或凝胶层厚度，使透过通量维持在较高水平。平。 第四节第四节 膜分离设备膜分离设备（一）板式膜过滤器（一）板式膜过滤器结构：结构：类似于板框式过滤机。类似于板框式过滤机。由滤板、膜和支撑板交替重叠组成。由滤板、膜和支撑板交替重叠组成。所用的膜为平板式，厚度为所用的膜为平板式，厚度为50500m，将其固定在支撑材料上，将其固定在支撑材料上，支持物呈多孔结构，对流体阻力很支持物呈多孔结构，对流体阻力很小。小。特点：结构简单，体积比管