泡沫分离与膜分离技术ppt课件

4.4离子型表面活性剂,十六烷基三甲基季铵盐的溴化物（CTAB）主要用于沉淀酸性多糖。十二烷基磺酸钠（SDS）主要用于沉淀膜蛋白和核蛋白。,1,4.5离子型多聚物沉淀剂,是一类温和的沉淀剂，与目标蛋白成盐。核酸（多聚阴离子）：用于碱性蛋白的沉淀鱼精蛋白（多聚阳离子）：用于酸性蛋白的沉淀,2,2泡沫分离,2.1泡沫分离（foamseparation）根据表面吸附的原理，利用通气鼓泡在液相中形成的气泡为载体对液相中的溶质或颗粒进行分离，因此又称泡沫吸附分离或泡沫分级。,3,2泡沫分离,2.2泡沫分离原理根据表面吸附原理，基于溶液中溶质（或颗粒）间表面活性的差异，表面活性强的物质优先吸附于分散相与连续相的界面处，通过鼓泡使溶质选择性的聚集在气-液界面并借助浮力上升至溶液主体上方形成泡沫层，从而分离、浓缩溶质或净化液相主体的过程。,4,2泡沫分离,2.3泡沫分离设备和过程设备：泡沫柱和消泡器分离过程可分为：间歇泡沫分离，连续泡沫分离表面活性物质泡沫分离，非表面活性物质泡沫分离浓缩纯化泡沫分离，提取回收泡沫分离,5,2泡沫分离,2.4影响泡沫分离的因素料液性质，如pH值，离子强度，其他添加剂等表面活性剂操作条件，如进料浓度，气泡尺寸，气体流量泡沫柱高度,6,2泡沫分离,2.5应用2.5.1泡沫分离的优势设备简单，易于放大操作简便，能耗低可连续和间歇操作更适合处理体积庞大的稀料液分离效率高,7,2泡沫分离,2.5.2实际应用细胞的收集或去除蛋白质、多肽和酶的提取分离中药有效成分的分离浓缩,8,3膜分离技术,3.1膜分离的概念：利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。用半透膜作为选择障碍层，允许某些组分透过而保留混合物中其它组份，从而达到分离目的的技术。,9,膜的概念与功能,在流体相之间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。被膜分开的流体相物质是液体或气体膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜。膜在分离过程中的功能：物质的识别与透过，界面，反应场。,10,3.2膜分离技术的类型,膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进行分类。,11,3.2膜分离技术的类型,1.微滤（Microfiltration,MF）：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力为推动力，使不溶性物质得以分离的操作。可用于粒子粒径为0.1m10m的过滤。可应用于消毒、澄清、细胞收集等。如培养基液菌体分离与浓缩，产品消毒。,12,3.2膜分离技术的类型,2.超滤（Ultrafiltration,UF）：分离介质同上，但孔径更小，可分离或浓缩粒子粒径为1nm50nm的可溶性物质。适合于酶、蛋白质等生物大分子物质的分离、浓缩，超滤亲和纯化，血浆分离，脱盐，去热原，在生物工程中应用最广。,13,3.2膜分离技术的类型,3.反渗透（Reverseosmosis,RO）:,渗透和渗透压：渗透：膜（不能透过溶质）两侧压力相等时，在浓度差作用下，溶剂从溶质浓度低的一侧向溶质浓度高的一侧透过的现象。渗透压：渗透现象中，促使水分子透过的推动力。,14,3.2膜分离技术的类型,反渗透：定义：在溶质浓度高的一侧施加超过渗透压的压力，使溶剂透过膜的操作。是一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作，孔径范围在0.11nm之间。,3.反渗透（Reverseosmosis,RO）:,15,3.反渗透（Reverseosmosis,RO）：其基本原理为溶解扩散。在高于溶液渗透压的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而所有溶液中的大分子、小分子有机物及无机物全被戳留住。主要用于海水脱盐，纯水制造以及小分子产品如乙醇、糖及氨基酸浓缩等。,3.2膜分离技术的类型,16,微滤超滤反渗透:微粒子:大分子:小分子.：水,17,3.2膜分离技术的类型,超滤和反渗透目的：将溶质通过一层具有选择性的薄膜，从溶液中分离出来。分离时的推动力都是压强，由于被分离物质的分子量和直径大小差别及膜孔结构不同，其采用的压强大小不同。反渗透膜的操作压力常达110MPa。,18,19,超滤：需要增加流体的静压力，改变天然过程的方向，才可能发生含有低分子量化合物的溶剂流通过膜，此时的推动力是流体静压力与渗透压的压差；反渗透：过程类似于超滤，只是纯溶剂通过膜，而低分子量的化合物被截留。因此，操作压力比超滤大得多。因此，超滤和反渗透通常又被称之为“强制膜分离过程”,20,3.2膜分离技术的类型,4.透析：用具有一定孔径大小的、高分子溶质不能透过的亲水膜将溶质溶液与纯水分隔，在浓差的作用下，小分子溶质透向水侧，水透向溶液一侧。透析膜：孔径5-10nm,实验室中常用透析袋应用：脱盐，血液透析,特点：以浓差为推动力，膜透过通量很小，不适于大规模生物分离过程，多在实验室中应用。,21,3.2膜分离技术的类型,5.电渗析：以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作。在直流电场的作用下，由于离子交换膜的阻隔作用，实现溶液的淡化和浓缩，分离推动力是静电引力。,22,3.2膜分离技术的类型,电渗析的应用：海水和苦水的淡化、废水处理，氨基酸和有机酸等小分子的分离纯化,23,3.2膜分离技术的类型,6渗透气化利用膜与被分离有机液体混合物中各组分的亲和力不同而有选择的优先吸附溶液某一组分及各组分在膜中扩散速度不同来达到分离的目的.,24,25,膜分离技术的类型,生物分离中最常用的膜分离技术是：超滤、微滤和反渗透。,26,3.3膜材料,3.3.1膜材料的特性对于不同种类的膜都有一个基本要求：（1）耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般膜操作的压力范围在0.10.5MPa，反渗透膜的压力更高，约为110MPa。（2）耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要（3）耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解；（4）化学相容性：保持膜的稳定性；（5）生物相容性：防止生物大分子的变性；（6）成本低。,27,3.3.2膜的分类,按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜按材料分：天然高分子材料、合成高分子材料、无机材料,28,3.3.3各种膜材料,天然高分子材料：醋酸纤维有机高分子膜：纤维素酯膜、缩合系聚合物（聚砜类）、聚烯烃及其共聚物、脂肪族或芳香族聚酰胺类聚合物、全氟磺酸共聚物和全氟羧酸共聚物、聚碳酸酯；无机多孔膜：陶瓷膜、微孔玻璃等,29,不同膜材料的特点与应用,30,3.4膜的结构特性,孔道结构对称膜不对称膜膜的孔道特性孔径、孔径分布和孔隙率,31,3.5各种膜组件,由膜、固定膜的支撑体、间隔物及收纳这些部件的容器构成的一个单元。目前市售商品膜组件主要有：管式、中空纤维、螺旋卷绕式、平板式共同的特点尽可能大的膜表面积可靠的支撑装置可引出透过液膜表面浓度差极化达到最小,32,1管式膜组件,特点：结构简单、适应性强、压力损失少，处理量大、清洗安装方便、可耐受高压，用途较板式广泛。,结构：将膜固定在圆管状支撑体上构成管式膜，管式膜并联或串联，收纳在筒状容器内即构成管式膜组件。,33,2平板式膜组件,结构：与板式换热器或加压叶滤机相似。由多枚平板膜间隔重叠加工而成，膜间衬设多孔薄膜，供料液或滤液流动。特点：过滤板相对独立、过滤面积大、结构紧凑、便于清洗、检修和换膜。但耐受压力低，适于超滤单元操作。,34,3螺旋卷式膜组件,结构：将两张平板膜固定在多孔性滤液隔网上，两端密封，膜上下分别衬设一张料液隔网，卷绕在空心管上构成。特点：,优点：比表面积大，结构简单，价格较便宜；缺点：处理悬浮物浓度较高的料液时易堵塞。,35,特点是膜堆积密度大、结构紧凑，适合低粘度、渗透产量大、浓缩倍数较低的料液处理和水处理。,螺旋卷式膜组件,36,4中空纤维式膜组件,结构：由数百至数百万根中空纤维膜（内径4080m)或毛细管膜（内径0.252.5mm）固定在圆筒形容器内构成。,优点：比表面积最大，可方便地进行反洗，造价低，工业上普遍使用。缺点：易堵塞，对料液要求高。,37,中空纤维超滤膜成套设备,采用中空纤维膜组件，具有膜堆积密度大、产水量高、操作压力低、价格低廉等特点，适合粘度较低的料液处理和水处理。,38,3.6操作特性,浓度极化模型在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面上，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高，这种在膜表面浓度高于主体浓度的现象称为浓度极化或浓差极化。当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质析出，形成凝胶层，这种现象称为凝胶极化。,39,操作特性,截留分子量(MMCO)截留曲线：测定分子量不同的球形蛋白质或水溶性聚合物的截留率，所得到的膜的截留率与溶质分子量之间关系的曲线。,MMCO只是表征膜特性的一个参数，不能作为选择膜的唯一标准。应从多方面(如孔径分布、耐污染能力等)综合考虑。,一般将在截留曲线上截留率为0.90的溶质分子量定义为膜的截留分子量。,40,实际膜分离过程中影响截留率的因素：溶质分子量分子特性不同分子截留率大小顺序：球形带支链线性；对于荷电膜，与膜相反电荷的分子截留率较低；若膜对溶质有吸附作用，截留率增大。其他高分子溶质的影响其他高分子溶质的存在使溶质截留率增大。操作条件温度升高，膜面流速提高，截留率降低；pH=pI时，此时截留率最大。,41,影响膜分离速度的主要因素,1)操作形式终端过滤和错流过滤2)流速3)压力4)料液浓度,42,1.污染:由于溶质与膜的相互作用而在膜表面和孔内吸附，或因浓差极化，溶质在膜表面产生沉淀或结晶，形成“凝胶层”引起膜性能变化的现象。是一个不可逆过程。通常它受到膜的化学特征、蛋白质种类、溶液的pH值、无机盐浓度、温度等因素的影响。影响:透过通量大幅度下降；降低目标产物的回收率。膜污染是膜技术应用的最大限制因素。,3.7膜分离技术应考虑的问题,43,2.防止或减轻膜污染的措施：对料液进行预处理；对膜进行预处理；改变操作条件。,44,3.膜的清洗:膜污染造成膜透水量随运行时间增长而下降。清洗的方法通常可分为物理方法与化学方法。物理方法：一般指用高速流水冲洗。化学清洗：通常是用化学清洗剂对膜迸行清洗。,膜分离技术应考虑的问题,45,清洗剂：水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、醇、络合剂、氧化剂和酶溶液等。清洗剂选用要求：优先考虑水；温水具有良好的去污能力；不损害膜的过滤性能。,46,中空纤维膜组件常采用反洗和循环清洗。,47,3.8膜分离技术的优点,处理效应高，设备易于放大；可在室温或低温下澡作，适宜于热敏感物质的分高浓缩；化学强度和机械损害最小，减小生物制品失活；无相转变，节能；有相当好的选择性，可在分离、浓缩的同时达到部分纯化的目的；选择合适的膜与操作参数，可得到较高回收率；处理系统可密闭循环，防止外来污染；不外加化学物质，透过液（酸、碱或盐溶液）可循环使用，降低了成本，并减少对环境的污染。,48,3.9膜分离过程在生物工程中的应用,49,膜生物反应器,定义：膜分离过程与生物反应过程耦合的生物反应装置。应用于动植物细胞高密度培养、微生物发酵和酶反应过程。,50,膜分离技术的前景,由于膜分高技木具有的高效、节能、设备简单、操作方便、适合生物制品处理筹优点，因而在下游技术中，其作用日益受到重视。根据近几年膜工业发展速度和经济建设的需求分析预测：2005年，我国膜市场需求在50亿元以上，年均增速继续保持在15左右，2015年，膜市场需求可望超过200亿元，将占到世界总量的1015。,51,膜分离技术的设备,纯化水设备,52,作业,1沉淀分级分离法中相应的分离技术有哪些，原理各是什么？它们实现沉淀分级的共同原理是什么？2泡沫分离的原理是什么？在泡沫分离中，浓缩纯化和提取回收分离过程的区别有哪些？3微滤、超滤、反渗透、透析、电渗析方法的原理各是什么？4膜污染的主要原因是什么？膜清洗的方法和预防膜污染的措施有哪些？,53,4.4离子型表面活性剂,十六烷基三甲基季铵盐的溴化物（CTAB）主要用于沉淀酸性多糖。十二烷基磺酸钠（SDS）主要用于沉淀膜蛋白和核蛋白。,54,4.5离子型多聚物沉淀剂,是一类温和的沉淀剂，与目标蛋白成盐。核酸（多聚阴离子）：用于碱性蛋白的沉淀鱼精蛋白（多聚阳离子）：用于酸性蛋白的沉淀,55,2泡沫分离,2.1泡沫分离（foamseparation）根据表面吸附的原理，利用通气鼓泡在液相中形成的气泡为载体对液相中的溶质或颗粒进行分离，因此又称泡沫吸附分离或泡沫分级。,56,2泡沫分离,2.2泡沫分离原理根据表面吸附原理，基于溶液中溶质（或颗粒）间表面活性的差异，表面活性强的物质优先吸附于分散相与连续相的界面处，通过鼓泡使溶质选择性的聚集在气-液界面并借助浮力上升至溶液主体上方形成泡沫层，从而分离、浓缩溶质或净化液相主体的过程。,57,2泡沫分离,2.3泡沫分离设备和过程设备：泡沫柱和消泡器分离过程可分为：间歇泡沫分离，连续泡沫分离表面活性物质泡沫分离，非表面活性物质泡沫分离浓缩纯化泡沫分离，提取回收泡沫分离,58,2泡沫分离,2.4影响泡沫分离的因素料液性质，如pH值，离子强度，其他添加剂等表面活性剂操作条件，如进料浓度，气泡尺寸，气体流量泡沫柱高度,59,2泡沫分离,2.5应用2.5.1泡沫分离的优势设备简单，易于放大操作简便，能耗低可连续和间歇操作更适合处理体积庞大的稀料液分离效率高,60,2泡沫分离,2.5.2实际应用细胞的收集或去除蛋白质、多肽和酶的提取分离中药有效成分的分离浓缩,61,3膜分离技术,3.1膜分离的概念：利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。用半透膜作为选择障碍层，允许某些组分透过而保留混合物中其它组份，从而达到分离目的的技术。,62,膜的概念与功能,在流体相之间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。被膜分开的流体相物质是液体或气体膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜。膜在分离过程中的功能：物质的识别与透过，界面，反应场。,63,3.2膜分离技术的类型,膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进行分类。,64,3.2膜分离技术的类型,1.微滤（Microfiltration,MF）：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力为推动力，使不溶性物质得以分离的操作。可用于粒子粒径为0.1m10m的过滤。可应用于消毒、澄清、细胞收集等。如培养基液菌体分离与浓缩，产品消毒。,65,3.2膜分离技术的类型,2.超滤（Ultrafiltration,UF）：分离介质同上，但孔径更小，可分离或浓缩粒子粒径为1nm50nm的可溶性物质。适合于酶、蛋白质等生物大分子物质的分离、浓缩，超滤亲和纯化，血浆分离，脱盐，去热原，在生物工程中应用最广。,66,3.2膜分离技术的类型,3.反渗透（Reverseosmosis,RO）:,渗透和渗透压：渗透：膜（不能透过溶质）两侧压力相等时，在浓度差作用下，溶剂从溶质浓度低的一侧向溶质浓度高的一侧透过的现象。渗透压：渗透现象中，促使水分子透过的推动力。,67,3.2膜分离技术的类型,反渗透：定义：在溶质浓度高的一侧施加超过渗透压的压力，使溶剂透过膜的操作。是一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作，孔径范围在0.11nm之间。,3.反渗透（Reverseosmosis,RO）:,68,3.反渗透（Reverseosmosis,RO）：其基本原理为溶解扩散。在高于溶液渗透压的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而所有溶液中的大分子、小分子有机物及无机物全被戳留住。主要用于海水脱盐，纯水制造以及小分子产品如乙醇、糖及氨基酸浓缩等。,3.2膜分离技术的类型,69,微滤超滤反渗透:微粒子:大分子:小分子.：水,70,3.2膜分离技术的类型,超滤和反渗透目的：将溶质通过一层具有选择性的薄膜，从溶液中分离出来。分离时的推动力都是压强，由于被分离物质的分子量和直径大小差别及膜孔结构不同，其采用的压强大小不同。反渗透膜的操作压力常达110MPa。,71,72,超滤：需要增加流体的静压力，改变天然过程的方向，才可能发生含有低分子量化合物的溶剂流通过膜，此时的推动力是流体静压力与渗透压的压差；反渗透：过程类似于超滤，只是纯溶剂通过膜，而低分子量的化合物被截留。因此，操作压力比超滤大得多。因此，超滤和反渗透通常又被称之为“强制膜分离过程”,73,3.2膜分离技术的类型,4.透析：用具有一定孔径大小的、高分子溶质不能透过的亲水膜将溶质溶液与纯水分隔，在浓差的作用下，小分子溶质透向水侧，水透向溶液一侧。透析膜：孔径5-10nm,实验室中常用透析袋应用：脱盐，血液透析,特点：以浓差为推动力，膜透过通量很小，不适于大规模生物分离过程，多在实验室中应用。,74,3.2膜分离技术的类型,5.电渗析：以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作。在直流电场的作用下，由于离子交换膜的阻隔作用，实现溶液的淡化和浓缩，分离推动力是静电引力。,75,3.2膜分离技术的类型,电渗析的应用：海水和苦水的淡化、废水处理，氨基酸和有机酸等小分子的分离纯化,76,3.2膜分离技术的类型,6渗透气化利用膜与被分离有机液体混合物中各组分的亲和力不同而有选择的优先吸附溶液某一组分及各组分在膜中扩散速度不同来达到分离的目的.,77,78,膜分离技术的类型,生物分离中最常用的膜分离技术是：超滤、微滤和反渗透。,79,3.3膜材料,3.3.1膜材料的特性对于不同种类的膜都有一个基本要求：（1）耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般膜操作的压力范围在0.10.5MPa，反渗透膜的压力更高，约为110MPa。（2）耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要（3）耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解；（4）化学相容性：保持膜的稳定性；（5）生物相容性：防止生物大分子的变性；（6）成本低。,80,3.3.2膜的分类,按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜按材料分：天然高分子材料、合成高分子材料、无机材料,81,3.3.3各种膜材料,天然高分子材料：醋酸纤维有机高分子膜：纤维素酯膜、缩合系聚合物（聚砜类）、聚烯烃及其共聚物、脂肪族或芳香族聚酰胺类聚合物、全氟磺酸共聚物和全氟羧酸共聚物、聚碳酸酯；无机多孔膜：陶瓷膜、微孔玻璃等,82,不同膜材料的特点与应用,83,3.4膜的结构特性,孔道结构对称膜不对称膜膜的孔道特性孔径、孔径分布和孔隙率,84,3.5各种膜组件,由膜、固定膜的支撑体、间隔物及收纳这些部件的容器构成的一个单元。目前市售商品膜组件主要有：管式、中空纤维、螺旋卷绕式、平板式共同的特点尽可能大的膜表面积可靠的支撑装置可引出透过液膜表面浓度差极化达到最小,85,1管式膜组件,特点：结构简单、适应性强、压力损失少，处理量大、清洗安装方便、可耐受高压，用途较板式广泛。,结构：将膜固定在圆管状支撑体上构成管式膜，管式膜并联或串联，收纳在筒状容器内即构成管式膜组件。,86,2平板式膜组件,结构：与板式换热器或加压叶滤机相似。由多枚平板膜间隔重叠加工而成，膜间衬设多孔薄膜，供料液或滤液流动。特点：过滤板相对独立、过滤面积大、结构紧凑、便于清洗、检修和换膜。但耐受压力低，适于超滤单元操作。,87,3螺旋卷式膜组件,结构：将两张平板膜固定在多孔性滤液隔网上，两端密封，膜上下分别衬设一张料液隔网，卷绕在空心管上构成。特点：,优点：比表面积大，结构简单，价格较便宜；缺点：处理悬浮物浓度较高的料液时易堵塞。,88,特点是膜堆积密度大、结构紧凑，适合低粘度、渗透产量大、浓缩倍数较低的料液处理和水处理。,螺旋卷式膜组件,89,4中空纤维式膜组件,结构：由数百至数百万根中空纤维膜（内径4080m)或毛细管膜（内径0.252.5mm）固定在圆筒形容器内构成。,优点：比表面积最大，可方便地进行反洗，造价低，工业上普遍使用。缺点：易堵塞，对料液要求高。,90,中空纤维超滤膜成套设备,采用中空纤维膜组件，具有膜堆积密度大、产水量高、操作压力低、价格低廉等特点，适合粘度较低的料液处理和水处理。,91,3.6操作特性,浓度极化模型在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面上，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高，这种在膜表面浓度高于主体浓度的现象称为浓度极化或浓差极化。当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质析出，形成凝胶层，这种现象称为凝胶极化。,92,操作特性,截留分子量(MMCO)截留曲线：测定分子量不同的球形蛋白质或水溶性聚合物的截留率，所得到的膜的截留率与溶质分子量之间关系的曲线。,MMCO只是表征膜特性的一个参数，不能作为选择膜的唯一标准。应从多方面(如孔径分布、耐污染能力等)综合考虑。,一般将在截留曲线上截留率为0.90的溶质分子量定义为膜的截留分子量。,93,实际膜分离过程中影响截留率的因素：溶质分子量分子特性不同分子截留率大小顺序：球形带支链线性；对于荷电膜，与膜相反电荷的分子截留率较低；若膜对溶质有吸附作用，截留率增大。其他高分子溶质的影响其他高分子溶质的存在使溶质截留率增大。操作条件温度升高，膜面流速提高，截留率降低；pH=pI时，此时截留率最大。,94,影响膜分离速度的主要因素,1)操作形式终端过滤和错流过滤2)流速3)压力4)料液浓度,95,1.污染:由于溶质与膜的相互作用而在膜表面和孔内吸附，或