生物分离工程 第四章 膜分离技术

第四章膜分离技术，5学时，教学内容，各种膜分离方法及其原理，膜材料及其特性，膜组件操作，膜污染与清洗，学习目标和要求，在掌握各种膜分离方法和原理的基础上，进一步了解膜特性和操作特性，影响膜分离速度和膜分离过程的因素。透明膜分离法在生物制品回收和纯化中的应用。(1)膜的概念由流体相之间的凝聚相材料薄层组成，它将流体相分成两部分。这层薄薄的材料被称为薄膜。膜本身是一个均质的单相或由多于两相聚集体组成的复合体。被膜分离的液相物质是液体或气体。膜的厚度应小于0.5毫米，否则不能称之为膜，(2)膜分离。膜分离是通过使用具有一定选择性渗透特性的过滤介质来分离和纯化物质。(3)膜分离技术：利用膜的选择性(孔径)并利用膜两侧的能量差作为驱动力来实现分离的技术，这是由于溶液中的组分通过膜的迁移率不同。(4)分离过程中的膜功能、物质识别和渗透是分离混合物中组分的内在因素。该界面提供了渗透物和滞留物被分成两相反应场膜表面和孔内表面的状态，这两个膜表面不相互混合，并且含有与特定溶质具有相互作用能力的官能团，通过物理、化学或生物化学反应来提高膜分离的选择性和分离度；(5)膜的分类，根据孔径大小：微滤膜，超滤膜，反渗透膜，纳滤膜根据膜结构：对称膜，不对称膜，复合膜根据材料：合成有机聚合物膜，无机材料膜。2、各种膜分离方法及其原理，微滤和超滤反渗透透析，纳滤电渗析，渗透气化，要求，学习要求：了解各种膜分离方法及其原理：微滤、超滤、反渗透、透析、电渗析、渗透蒸发等方法的应用原理：掌握各种膜的应用范围，膜分离技术的类型和定义，膜分离过程的本质是物质渗透或截留在膜中的过程，类似于筛选过程，根据膜的孔径大小达到物质分离的目的。因此，可根据分离颗粒的大小进行分类：微滤(MF):以多孔精细膜为过滤介质，以压差为驱动力，分离不溶物质的操作，孔径分布范围为0.025-14微米；超滤：分离介质同上，但孔径较小，为0.0010.02m，分离驱动力仍为压差，适用于酶、蛋白质等生物大分子的分离。反渗透(RO)是一种膜分离操作，利用压差作为驱动力将溶剂从溶液中分离出来，孔径范围为0.0001微米至0.001微米；(由于分离的溶剂分子通常很小，渗透压的影响不可忽视，因此变成反渗透)；纳滤：一种膜分离过程，利用压差作为驱动力，从溶液中分离出300-1000个小分子量，孔径分布平均为2纳米；电渗析：利用电位差作为驱动力和离子交换膜的选择性渗透性从溶液中除去或富集电解质的膜分离操作；水，各种膜的分离特性，各种膜分离方法的应用范围，(1)渗透和渗透现象，水分子通过半透膜从纯水迁移到盐水溶液的现象称为渗透。渗透和反渗透。渗透压，随着渗透过程的进行，水分子进入sali根据费克定律，其摩尔流量为：质量流量：溶剂，溶质，摩尔流量，体积流量，反渗透原理，增加反渗透操作压力有利于实现高浓度的溶质。(2)超滤和微滤的概念。超滤是一种基于聚合物溶质之间或聚合物和小分子溶质之间分子量差异的分离方法。微滤是一种从悬浮液中分离固体成分的方法。这是一种根据溶液大小的不同，将溶液中的固体成分从溶质中分离出来的方法。根据超滤原理，超滤膜一般为小孔径(约10-200)的不对称膜，能截留分子量在0.5千道尔顿以上的溶质分子或生物大分子。在压差的作用下，溶剂透过膜上的微孔形成渗透液；而大分子溶质被截留，实现了大分子溶质与料液中溶剂的分离。超滤膜对溶质的截留机理主要是筛选，超滤膜孔的大小和形状决定了超滤膜的截留效果。此外，溶质大分子在膜表面和孔中的吸附和保留也具有捕获溶质大分子的功能。超滤操作压差在0.1 1.0兆帕和1.0兆帕之间。微滤原理微滤通常是通过孔径为0.02-10微米的微孔膜进行的，它可以截留直径为0.01-10微米的固体颗粒或分子量大于1000kDa的大分子物质。料液在压差的作用下流经微滤膜，料液中的溶剂和溶质分子透过微孔形成渗透液；然而，尺寸大于膜孔的固体部分被截留，从而实现固体部分与进料液体中的溶液的分离。微滤膜对微粒的截留也是基于筛分。膜的分离效果由膜的物理结构和孔的形状和大小决定。操作压差一般为0.01 0.2兆帕。超滤和微滤的特点是超滤和微滤都是利用膜的筛分作用，以压差为驱动力。2.与反渗透膜相比，超滤和微滤膜具有明显的孔结构；3.操作压力低于反渗透，超滤操作压力为0.1 1.0兆帕，微滤操作压力较低(0.05 0.5兆帕)；膜过滤和渗透理论的基础理论：基于颗粒在毛细管中悬浮流动的毛细管理论。水通量(Jw)和截留率(R)W-水渗透性，膜的有效面积，-时间C1-进料液体中的溶质浓度，C2-渗透液体中的溶质浓度，超滤的基本方程，渗透率(单位时间和单位膜面积的处理能力)。超滤、反渗透、超滤的条件：在含有低分子量化合物的溶剂流通过膜之前，必须增加流体的静水压，改变自然过程的方向，此时的驱动力是静水压和渗透压之间的压差；反渗透：该过程类似于超滤，除了纯溶剂通过膜而低分子量化合物被截留。因此，操作压力比超滤高得多。因此，超滤和反渗透通常也称为“强制膜分离过程”，(3)透析的概念，其使用具有一定孔径且不渗透大分子溶质的亲水膜来从纯水或缓冲溶液中分离含有大分子溶质和其它小分子溶质的溶液。由于膜两侧溶质浓度不同，聚合物溶液中的小分子溶质在浓度差作用下通过亲水膜进入缓冲溶液。这种溶质从半透膜的一侧渗透到另一侧，称为透析。透析原理透析通常在由孔径为5-10 nm的亲水膜形成的透析袋中进行，以截留聚合物(5)渗透气化原理如图所示。疏水膜的一侧填充料液，另一侧(渗透侧)抽真空或填充惰性气体，在膜的两侧产生溶质分压差。在分压差的作用下，进料液体中的溶质溶解在膜中，通过膜扩散，在渗透侧蒸发，蒸发的溶质由设置在膜装置外部的冷凝器回收。渗透气化是根据溶质透过膜的不同速度来分离混合物。渗透气化特性，溶质在渗透气化过程中发生相变，渗透侧的溶质以气态存在，从而消除渗透压效应，使渗透气化在较低压力下进行，适用于高浓度混合物的分离。渗透气化利用溶质之间膜渗透性的差异，适用于分离挥发性差异小的共沸物和双组分溶液。(6)位于反渗透和超滤膜之间的纳滤技术可以拦截小的有机分子，并允许大多数无机盐通过。特点：在过滤分离过程中，能截留小分子有机物，同时透析脱盐，集浓缩和透析于一体。操作压力低，纳滤膜的性质和特性由多层聚合物膜组成。该膜是平均孔径为2纳米的多孔材料，分子量截止值在100-200道尔顿范围内。还要求它具有良好的热稳定性、酸碱度稳定性和有机溶剂稳定性。主要产品：膜产品系列、MPW(以色列)海水淡化系统(美国)SelRO、DESALA-5、FT-40等系列膜、Filmtech公司(美国、明尼苏达州)。纳滤的分离机理，纳滤的分离机理类似于反渗透膜，这也是其次。基本的膜传递方程如下：(1)、(2)、(3)、(4)、(4)、(5)、(5)、(5)、(6)、(6)、(7)膜亲和过滤法是传统膜分离技术和亲和分离技术的结合，是一种非常有效的分离方法。内容：包括两个分支亲和膜的分离：制备带有亲和配体的分离膜和产物的直接分离；亲和-错流膜过滤：将水溶性或非水溶性聚合物亲和载体与产物特异性反应，然后进行错流过滤；亲和膜分离技术，分离膜的修饰：通过化学修饰，一条“臂链”(大于三个碳原子)连接到载体表面；亲和膜的制备：选择合适的配体，与臂链连接，形成具有亲和配体的分离介质；亲和络合：混合物缓慢通过膜，使待分离的物质和亲和配体具有特定的作用，形成配体和配体的络合物；洗脱：改变条件(洗脱液组成、酸碱度、离子强度、温度等。)解离复合体；亲和膜再生：为下一步操作进行清洗、再生和平衡；要解决的关键问题是在膜表面应该有足够的可用化学基团。表面积和孔径应足够大，孔分布应窄而均匀，以获得高渗透率和分离效率；机械强度应高：耐酸碱和耐高温；亲和膜分离的操作模式，亲和超滤过程(浓缩其他组分同时分离目标)，微孔亲和过滤过程(仅分离目标)，亲和膜过滤纯化刀豆球蛋白A的实验装置，3，膜材料及其特性，注意事项：膜材料选择标准，理解：膜结构特性，特别是对称和不对称膜的结构特性的应用：通过不同的水通量选择合适的膜材料。3、膜材料的特性，(1)膜材料的基本要求：耐压性：膜孔径小，必须施加高压以保持高通量，一般模具操作的压力范围为0.1 0.5兆帕，反渗透膜的压力较高，约1 10兆帕，高温：高通量会引起温度升高和耐酸碱清洗：防止分离过程和清洗过程中的水解；化学相容性：保持膜的稳定性；生物相容性：防止生物大分子变性；成本低；(2)合成高分子材料缩聚物(聚砜)、聚烯烃及其共聚物、全氟磺酸共聚物、全氟羧酸共聚物和聚碳酸酯的普通膜材料、无机多孔膜、陶瓷膜、天然高分子材料醋酸纤维素膜；(3)膜的孔结构，对称膜在膜横截面的厚度方向上具有均匀的孔分布。对称膜传质阻力大，渗透通量低，易污染，不易清洗。不对称膜是起膜分离作用的表面活性层：膜层很薄，孔径很细，渗透通量大，膜孔不易堵塞，易于清洗。以及起支撑和加强作用的惰性层：惰性层具有较大的孔径，并且对流体传输没有阻力。膜的孔特征、孔径分布、孔隙率和最大孔径可通过泡囊法测量，(4)水通量，水通量定义为膜材料的纯水渗透通量，其通过测量一定条件下(0.1兆帕，温度20)一定量的纯水所需的时间来测量。影响水通量的因素随着膜的截留分子量或膜孔径的增大而增大。膜材料的类型对水通量有显著影响。孔径越大，通量下降越快。大孔径微滤膜的稳定通量小于小孔径膜，有时甚至比超滤膜的稳定通量还要小。4、各种膜组件、平板管状中空纤维螺旋缠绕式、平板膜组件、平板膜组件、平板膜组件、平板膜组件、平板膜组件、平板膜组件、平板膜组件、平板膜组件、平板膜组件、平板膜组件、平板膜组件、平板膜组件、平板膜组件、平板膜组件、平板膜组件中空纤维的外径为50-200米，内径为2542米。将成千上万至几十万根中空纤维制成膜束，膜束的外侧覆盖一层保护性的文字网，膜束的中间有一根用于分配原水的多孔管，膜束的两端用环氧树脂加固。纤维膜的一端被切割以形成开口，并且多孔支撑板被放置在该侧。整个膜束安装在耐压圆筒中。此外，也有必要加强两国在科技领域的合作。5.操作特点-学习要点，注意事项：理解浓差极化和凝胶极化的概念：超滤膜分子截留的应用：理解实际膜分离过程中影响截留率的因素。浓度极化模型。在膜分离操作中，所有溶质通过渗透物被输送到膜表面，并且不能完全渗透膜的溶质被膜拦截，并且浓度在膜表面附近增加。膜表面附近的浓度高于主体浓度的现象称为浓差极化或浓差极化。膜表面附近的浓度增加，增加了膜两侧的渗透压差，降低了有效压差和渗透通量。凝胶极化，当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质将沉淀形成凝胶层。当含有菌体、细胞和其他固体成分的料液分离时，膜表面也形成凝胶层。这种现象被称为凝胶极化。和浓度极化？截留率是指膜对溶质的截留能力，可以用小数或百分数表示。在实际分离过程中，由于浓差极化现象，真实保留率为，但膜表面的极化浓度cm难以测量，通常只能测量料液的体积浓度，因此表观保留率通常表示为，超滤膜