第五讲膜材料和膜分离

第五讲膜材料和膜分离,主讲孙俊芬,目录,第一节膜的分类第二节膜分离技术第三节膜组件第四节膜过滤的基本概念和理论第五节膜的污染,1.膜的概念,在一种流体相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。膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体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,第一节膜的分类,天然膜（生命膜）：是天然物质改性或再生而成的膜，如膀胱膜。人工膜：按材料的性质不同，又可分为无机膜和有机膜（高聚物膜）。高聚物膜通常是用纤维素类、聚砜类、聚酰胺类、聚酯类、含氟高聚物等材料制成。无机分离膜包括陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分子筛炭膜等。,2.膜的分类,多孔膜：又称微孔膜，具有多孔性结构。膜内的孔形成通道，孔道是倾斜或弯曲的，从而形成类似于滤布的过滤介质。常见孔径在0.0520m。工业上多用作微滤膜或用作复合膜的支撑层。致密膜：为一层均匀的薄膜，无多孔性结构。透过速率一般较低。目前均质膜多用于气体分离、渗透汽化、电渗析等。离子交换膜和液膜也属于致密膜。,均质膜,非对称性膜,高分子分离膜材料,纤维素衍生物类,聚砜类,聚酰胺类,聚酰亚胺类,聚酯类,聚烯烃类,乙烯类聚合物,含硅聚合物,含氟聚合物,甲壳素类,无机膜,致密膜,多孔膜,致密的金属膜,致密的固体电解质膜,致密的”液体充实固体化“动态原位形成的致密膜,Pd膜及Pd合金膜,Ag膜及Ag合金膜,氧化锆膜,复合固体氧化膜,多孔负载膜,多孔金属膜，多孔不锈钢膜,多孔Ni膜，多孔Ag膜，多孔Pd膜，多孔Ti膜,多孔陶瓷膜，包括Al2O3膜，SiO2膜，ZrO2膜，TiO2膜,（多孔玻璃膜分子筛膜，包括碳分子筛）,具体分类,膜材料种类,2.1天然高分子材料,主要是纤维素的衍生物，有醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维素等。其中醋酸纤维膜的截盐能力强，常用作反渗透膜、也可用作微滤膜和超滤膜。醋酸纤维膜使用最高温度和pH范围有限，一般使用温度低于4550，pH38。再生纤维素可制造透析膜和微滤膜。,2.2合成高分子材料,主要有聚酰胺类、聚酰亚胺类、聚砜类、聚乙烯酸类、丙烯类衍生物聚合物及纤维素类等，有关的共聚物和共混物也可作为膜材料用。各种高分子分离膜已广泛用于核燃料及金属提炼，气体及烃类分离，海水及苦咸水淡化，纯水及超纯水制备，环境保护和污水处理，人工脏器的制造，生物制品提纯以及医药、食品、农业、化工等各个领域中。,其中聚砜是最常用的膜材料之一，主要用于制造超滤膜。聚砜膜的特点是耐高温(一般为7080，有些可高达125度)，适用pH范围广(pH113)，耐氯能力强，可调节孔径范围宽(120nm)。但聚砜膜耐压能力较低，一般平板膜的操作力极限为0.51.0MPa。聚酰胺膜的耐压能力较高，对温度和pH都有很好的稳定性，使用寿命较长，常用于反渗透。,2.3无机材料,主要有陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。目前实用化的无机膜主要有孔径0.1m以上的微滤膜和截留相对分子质量l0kD以上的超滤膜，其中以陶瓷材料的微滤膜最为常用。多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向不对称。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，但缺点是不易加工，造价较高。,另一类无机微滤膜为动态膜(dynamicmembrane)，是将含水金属氧化物(如氧化锆)等胶体微粒或聚丙烯酸等沉积在陶瓷管等多孔介质表面形成的膜，其中沉积层起筛分作用。动态膜的特点是透过通量大，通过改变pH值容易形成或除去沉积层，因此清洗比较容易，但缺点是稳定性较差。,第二节膜分离技术,概念：用半透膜作为选择障碍层，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，允许某些组分透过而保留混合物中其它组分，从而达到分离目的的技术。,膜分离技术已被国际上公认为20世纪末至21世纪中期最有发展前途、甚至会导致一次工业革命的重大生产技术，所以可称为前沿技术，是世界各国研究的热点。如果将20世纪50年代初视为现代高分子膜分离技术研究的起点，截止现在，其发展致可分为四个阶段：20世纪30年代由于过滤微生物和其它微小颗粒的需要，德国建立了世界上首座生产微滤膜的工厂。,1.膜分离技术发展的历史,20世纪50年代为奠定基础阶段由于发展原子能工业的需要，离子交换膜应运而生，并在此基础上发展了电渗析工业60年代和70年代为发展阶段由于海水淡化的需要，人们用一种新的方法相转化制膜法成功地制备了世界上第一张实用的反渗透膜。这一重大突破震动了整个世界，使膜分离技术受到了全世界的广泛关注，各种新型膜材料、膜工艺、膜装置、膜过程和应用技术不断涌现，膜分离技术从此走上了飞速发展的新阶段。,80年代至今为发展深化阶段。膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤以及过程简单。易于自动化控制等特性，目前，已广泛应用于水处理、电子、食品、环保、化工、冶金、医药、生物、能源、石油、仿生等领域。,据初步统计，2001年全世界膜和膜组件的销售额已接近80亿美元，成套设备和膜工程的市场则已达到数百亿美元，而且每年还在以10-20的幅度递增，显示出这一新兴产业的广阔前景。,我国膜分离技术发展史,我国膜科学技术的发展是从1958年研究离子交换膜开始的。60年代进入开创阶段。1965年着手反渗透的探索，1967年开始的全国海水淡化会战，大大促进了我国膜科技的发展。70年代进入开发阶段。这时期，微滤、电渗析、反渗透和超滤等各种膜和组器件都相继研究开发出来，80年代跨入了推广应用阶段。80年代又是气体分离和其他新膜开发阶段。,与世界主要膜产品生产国相比，我国的膜产业还比较弱小，膜品种少、生产规模小、质量不稳定，装置和应用技术还比较落后，尤其是在反渗透、纳滤和人工脏器等方面，几乎被进口产品所垄断。但是，我国的微滤、超滤和电渗性产品已形成了自己的特色，不仅牢牢地占据着中、低档产品的国内市场，还打进了国外市场。,1、膜分离技术在分离物质过程中不涉及相变，对能量要求低，因此和蒸馏、结晶、蒸发等需要输入能量的过程有很大差异；2、膜分离的条件一般都较温和，对于热敏性物质复杂的分离过程很重要，这两个因素使得膜分离成为生化物质分离的合适方式。3、它操作方便、结构紧凑、维修费用低、易于自动化，因而是现代分离技术中一种效率较高的分离手段，在生化分离工程中具有重要作用。,2.膜分离技术在分离工程中的重要作用,在操作中膜面会发生污染，使膜性能降低，故有必要采用与工艺相适应的膜面清洗方法;从目前获得的膜性能来看，其耐药性、耐热性、耐溶剂能力都是有限的，故使用范围受限;单独采用膜分离技术效果有限，因此往往都将膜分离工艺与其他分离工艺组合起来使用。,3.存在的问题,4常见膜分离方法,按分离粒子大小分类：透析（Dialysis，DS）微滤（Microfiltration，MF）超滤（Ultrafiltration，UF）纳滤（Nanofiltration，NF）反渗透（Reverseosmosis，RO）,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：微滤：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，孔径分布范围在0.02514m之间；超滤：分离介质同上，但孔径更小，为0.0010.02m，分离推动力仍为压力差，适合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质；,反渗透：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0.00010.001m之间；（由于分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，故而成为反渗透）；纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离3001000小分子量的膜分离过程，孔径分布在平均2nm；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；,膜分离法与物质大小(直径)的关系,膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电压差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。,膜上游透膜膜下游,在生物技术中应用的膜分离过程，根据推动力本质的不同，可具体分为四类：以静压力差为推动力的过程；以蒸气分压差为推动力的过程；以浓度差为推动力的过程；以电位差为推动力的过程,以静压力差为推动力的膜分离过程,(1)微滤：特别适用于微生物、细胞碎片、微细沉淀物和其他在“微米级”范围的粒子如DNA和病毒等的截留和浓缩。(2)超滤：适用于分离、纯化和浓缩一些大分子物质，如在溶液中或与亲和聚合物相连的蛋白质(亲和超滤)、多糖、抗生素以及热原，也可以用来回收细胞和处理胶体悬浮液。(3)反渗透：海水脱盐、超纯水制备，从发酵液中分离溶剂如乙醇、丁醇和丙酮以及浓缩抗生素、氨基酸等。,“筛”出海洋中的淡水！,以蒸气分压差为推动力的膜分离过程,(1)膜蒸馏：是在不同温度下分离两种水溶液的膜过程，已经用于高纯水的生产，溶液脱水浓缩和挥发性有机溶剂的分离，如丙酮和乙醇等。(2)渗透蒸发：是以蒸气压差为推动力的过程，但是在过程中使用的是致密(无孔)的聚合物膜。液体扩散能否透过膜取决于它们在膜材料中的扩散能力。,以浓度差为推动力的膜分离过程,渗析：是一种重要的、以浓度差为推动力的膜分离过程，它最主要的应用是血液(人工肾)的解毒，也用在实验室规模的酶的纯化上，使用的是微孔膜如胶膜管。酶的传统纯化办法是使用渗析袋，从样品中除去无用的低相对分子质量溶质和置换存在于渗透液中的缓冲液，由于在样品中盐和有机溶剂的浓度高，渗透压的结果导致水向渗透袋内迁移，体积增加，所以渗透在除去多余的低相对分子质量溶质的同时，引进了一个新的缓冲溶液。,以电位差为推动力的膜分离过程,离子交换膜电渗析，简称电渗析，在该膜分离过程过程中，离子在电势的驱动下，通过选择性渗透膜，从一种溶液向另一种溶液迁移。用于该过程的膜，只有共价结合的阴或阳离子交换基团。阴离子交换膜只能透过阴离子，阳离子交换膜则只能透过阳离子。将离子交换膜浸入电解质溶液，并在膜的两侧通以电流时，则只有与膜上固定电荷相反的粒子才能通过膜。,各种膜分离法的原理和应用范围,应用,水的脱盐和净化,食品工业,医疗、卫生方面,石油、化工方面,环境工程,其他方面,海水与苦咸水淡化,电厂锅炉供水脱盐,超纯水制备,城市家庭饮用水的净化,乳品加工,酒类生产,果汁加工,酶制剂生产,医疗、卫生用水,药品生产,医疗应用,中药提炼,回收有机蒸气,制取富氧空气,无水乙醇生产,膜与生物技术,国防上的应用,交通、运输方面,脱气膜,电泳漆废水,电镀废水,纤维工业废水,造纸工业废水,其他废水,膜材料在生物医学和医药方面的应用,医用纯水制备输液剂的制备输液剂：大量输入人体的一种注射剂，是补充、调节病人人体内水、电解质及酸碱平衡的必备药品。去除水中的悬浮物、盐类、微生物、热原等会引起细菌感染，特别是热原注入体内会使人产生发热、发冷、发烧、恶心呕吐甚至休克。医用纯水及注射用水的制备在医药生产过程中，根据不同的用途，选用不同孔径的微孔滤膜：一般采用0.002-0.01um孔径膜用于超细过滤；0.22-0.45um用于无菌过滤；0.6um以上的滤膜用于除微粒过滤。,2.透析法用于人工肾当肾功能衰减或丧失时，由于代谢产物无法排出体外，造成血液成分比例失调，将使病人患尿毒症，严重时会危及生命，此时必须用人工肾进行援救。生物肾的主要功用：调节水、电解质如水分、金属离子、酸碱平衡。排出蛋白质代谢产物（如尿素、肌酐、尿酸等）。排出药物。调节血压。调节红血球数。活化维生素D等。但人工肾只具有以上的、三种功能，另三种功能只能靠添加药剂（配成透析液）来完成。,血液净化器流程示意图,目前所用的膜材料：纤维素类：亲水性高、三醋酸纤维素聚酰胺：总蛋白损失率低聚碳酸酯：优良机械性能、热性能聚丙烯腈：对中分子量物质的去除率高、超滤速度大、机械性能低聚砜：机械性能高、化学性能稳定、孔隙率高聚烯烃：定向拉伸致孔其它聚合物：聚醚嵌段共聚物、聚乙烯吡咯烷酮、聚多肽等,3.膜氧合器一般为微孔膜、孔径仅允许气体自由扩散，而血液成分不能通过。对氧气和二氧化碳的透过系数大，氧传送快，二氧化碳扩散好。目前所用材料：硅橡胶膜聚四氟乙烯膜聚丙烯膜,4.血液制品中的应用血液制品常用的分离纯化和精制方法有沉淀、薄膜蒸馏、透析、冻干。透析具有很多优点：改善产品质量：可以在常温、低压条件下进行，过程不加热、无相变，溶液的pH值、离子强度的调节控制弹性大，减轻蛋白质的聚合或分解。增加产品收率，提高工作效率：超滤能在数小时内把蛋白浓度提高数倍，并可同时完成脱盐等处理。,超滤在血液制品中的分离中，可以应用的领域：人血浆经低温乙醇法分离后，可利用超滤膜进一步浓缩精制乙醇。较冷冻干燥法省时、省料、省设备。血浆经冷沉淀所含的抗血友病因子，可用超滤膜浓缩提纯。以硫酸铵为沉淀剂的生产工艺中，如胎盘制剂及抗毒素等，用超滤法除硫酸铵，并可避免水中杂质及细菌的污染。普通类毒素的超滤浓缩。用于病毒及病毒蛋白的浓缩精制，而无传统的离心、沉淀等方法所引起的活性改变。,5.制药工业中脱热原硫酸（双氢）链霉素药除热原中药制剂黄芪注射液的除热原氨基酸产品的除热原,6.超滤技术在中药研究中的应用主要包括：分离纯化、降低药效成分的损失，有效除去非药效成分。浓缩，提高药效成分浓缩，减少剂量制剂生产，包括制备注射液、口服液等有机溶剂回收，将萃取或其他分离过程所使用的有机溶剂能够循环利用，节约资源，保护环境。应用：提取中药有效部位和有效成分制备中药注射剂（去除热原）制备中药口服液制备中药浸膏,7.控制释放膜在医学上的应用在医学上主要用于制造控制释放药物。控制释放药物的应用一般可以分口服、皮肤渗透、黏膜植入及皮下植入四种类型。,1.高效：由于膜具有选择性，它能有选择性地透过某些物质，而阻挡另一些物质的透过。选择合适的膜，可以有效地进行物质的分离，提纯和浓缩。2.节能：多数膜分离过程在常温下操作，被分离物质不发生相变,是一种低能耗，低成本的单元操作。3.过程简单、容易操作和控制。4.不污染环境。,特点（优势）,第三节膜组件,管式、中空纤维、螺旋卷绕式、平板式,概述,由膜、固定膜的支撑体、间隔物(spacer)以及收纳这些部件的容器构成的一个单元(unit)称为膜组件(membranemodule)或膜装置，是膜分离的核心部分。膜组件的结构根据膜的形式而异，目前市售商品膜组件主要有管式、平板式、螺旋卷式和中空纤维(毛细管)式等四种，其中管式和中空纤维式膜组件根据操作方式不同，又分为内压式和外压式。,管式膜组件,管式膜组件是将膜固定在内径1025mm，长约3m的园管状多孔支撑体上构成的，l020根管式膜并联，或用管线串联，收纳在筒状容器内即构成管式膜组件。优点：管式膜组件的内径较大，结构简单，适合于处理悬浮物含量较高的料液，分离操作完成后的清洗比较容易。缺点管式膜组件单位体积的过滤表面积(即比表面积)在各种膜组件中最小。,管式膜组件,管式膜结构图,管式,管式膜组件,内压管式：,多孔管,膜,料液,外压管式：,料液,内压式：膜涂在管内，料液由管内走；外压式：膜涂在管外，料液由管外间隙走。,管式膜组件,平板膜组件,平板膜组件与板式换热器或加压叶滤机相似，由多枚圆形或长方形平板膜以1mm左有的间隔重叠加工而成，膜间衬设多孔薄膜，供料液或滤波流动。平板膜组件比管式膜组件比表面积大得多。在实验室中，经常使用将一张平板膜固定在容器底部的搅拌槽式过滤器。,平板膜组件,截留液,料液,膜支撑板,隔板,平板式膜组件,螺旋卷式膜组件,螺旋卷式膜组件如下图所示。将两张平板膜固定在多孔性滤液隔网上(隔网为滤液流路)，两端密封。两张膜的上下分别衬设一张料液隔网(为料液流路)，卷绕在空心管上，空心管用于滤液的回收。螺旋卷式膜组件的比表面积大，结构简单，价格较便宜。但缺点是处理悬浮物浓度较高的料液时容易发生堵塞现象。,螺旋卷式膜组件,螺旋卷式膜组件,中空纤维(毛细管)式膜组件,中空纤维或毛细管膜组件由数百至数百万根中空纤维膜固定在圆筒形容器内构成。严格地讲，内径为4080um的膜称中空纤维膜，而内径为0.252.5mm的膜称毛细管膜。由于两种膜组件的结构基本相同，故一般将这两种膜装置统称为中空纤维膜组件。,返回,中空纤维膜的耐压能力较高，用于超滤、反渗透。由于中空纤维膜组件由许多极细的中空纤维构成，采用外压式操作(料液走壳方)时，流动容易形成沟流效应(channelling)，凝胶吸附层的控制比较困难；采用内压式操作(料液走腔内)时，为防止堵塞，需对料液进行预处理，除去其中的微粒。,中空纤维超滤膜组件,超滤膜装置,各种膜组件的比较,性能及应用范围,4.1透析4.2超滤技术4.3微孔膜过滤技术4.4纳滤4.5反渗透4.6电渗析,第四节膜过滤的基本概念和理论,4.1透析,一、概述1.原理：透析是采用半透膜作为滤膜,使试样中的小分子经扩散作用不断透出膜外,而大分子不能透过被保留在透析袋内，从而达到大小分子分离的一种膜过滤方法。0.5-10nm，3000D几万D,透析原理图,水分子,大分子,小分子,透析膜,2.应用透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。在生物分离方面，常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之类的小分子杂质。由于透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过通量很小，不适于大规模生物分离过程，而在实验室中应用较多。,二、透析膜,1.透析材料：兽类的膀胱、硝酸纤维素膜、玻璃纸的。人工透析膜多为纤维素的衍生物。2.用于透析的半透膜应具备的条件：（1）在溶剂中能形成分子筛状多孔薄膜，只允许小分子溶质通过，而阻止大分子（如蛋白质）通过；（2）化学惰性；在水、盐溶液、稀酸或稀碱溶液中稳定；（3）良好的物理性能：有一定的机械强度和良好的再生性能,（1）透析袋预处理：用50%乙醇慢慢煮沸一小时，再分别用50%乙醇、0.01mol/L碳酸氢纳溶液、0.001mol/LEDTA溶液依次洗涤，最后用蒸馏水洗涤三次；（2）透析前，对装有试液的透析袋检查是否有泄漏；（3）透析袋装一半左右，防止膜外溶剂因浓度差渗入将袋涨裂或过度膨胀使膜孔径改变；（4）袋要扎紧以防流失。（5）热敏性物质应置4冰箱透析以防变性。（6）搅拌；定期或连续更换外部溶剂可提高透析效果。（7）透析袋的保存：短时间，储存于4蒸馏水中，长时间，洗净后置于甘油中（防菌）,3.透析过程注意点：,二、透析方法及装置1旋转透析器2平面透析器3连续透析器4浅流透析器,4.2超滤技术(Ultrafiltrationtechnology),一、超滤的特征定义：超过滤(简称超滤)是一项分子级膜分离手段，以压力差为推动力将不同分子量的物质进行选择性分离。一般用于液相分离，也可用于气相分离。其截断分子量一般为6000到50万，孔径为几十nm，操作压0.2-0.6MPa。,蛋白酶液,恒流泵,平板式超滤膜,P出,背压阀,超滤过程示意图：,P进,透出液,截留液,当溶液体系经由水泵进入超滤器时，在滤器内的超滤膜表面发生分离，溶剂（水）和其它小分子量溶质透过具有不对称微孔结构的滤膜，大分子溶质和微粒（如蛋白质、病毒、细菌、胶体等）被滤膜阻留，从而达到分离、提纯和浓缩产品的目的。,二、超滤膜（一）超滤膜的构造各向同性膜：膜的厚度较大，孔隙为一定直径的圆柱形。各向异性膜：膜质分为两层：功能层和支持层。喇叭口滤膜：孔隙不是圆柱体，而是梯形圆台,（二）超滤膜的选用,超滤的选用应注意：1分子量截留值：阻留率达90%以上的最小被截留物质的分子量。,2流动速率：在一定压力下每分钟通过单位面积膜的液体量来表示。3其他（1）操作温度（2）化学耐受性（3）膜的吸附性质（4）膜的无菌处理,三、超滤过程和装置,（一）浓差极化现象外源压力迫使分子量较小的溶质通过薄膜，大分子被截留于膜表面，并逐渐形成浓度梯度，这就是浓差极化现象。造成：流速下降、影响膜的选择性、甚至堵塞克服极化的措施：震动、搅拌、错流、切流。,（二）实验用超滤器,（1）无搅拌式装置（2）搅拌或震动式装置（3）小棒超滤器（4）浅道系统超滤装置（5）中空纤维超滤,浓差极化严重，流速慢，需较大压力，适用于浓缩少量稀溶液,搅拌可加快膜面大分子扩散作用,用于实验室中处理少量浓度较稀的大分子样液，可以同时处理多个试样,可用于大分子混合物的分级分离，以及细菌、病毒、热原的滤除，也可用于大分子溶液的浓缩、脱盐,（三）工业用超滤装置,设计要求：有效过滤面积大支撑装置强度大极化现象小典型装置：板式、管式、螺旋卷式、中空纤维,（四）影响超滤流速和选择性的因素,溶质分子性质：大小、形状和带电性质。超滤膜的性质：孔径、结构、吸附性。超滤装置和操作：膜或组合膜的构造、超滤器的结构以及操作压力、搅拌情况.液体物料的温度、粘度、pH、离子强度。,四、超滤的操作和应用,（一）超滤膜和超滤器的处理超滤膜不能干燥和受污染洗净，除菌，操作正确可用1-2年，暂时不用时，保存于30%甘油甲醛等溶液中（二）过滤操作洗去保养液超滤洗涤保养,（三）应用浓缩和脱盐应用最多不消耗试剂，无相转移，可在低温下进行，简便分级分离和纯化串联式超滤超滤分离与酶反应连用广泛用于纤维素糖化、蛋白酶对蛋白质的水解、淀粉酶对淀粉的水解等分离。,外循环式膜生物反应器,膜组件截留酶或微生物菌体,而使小分子产物透过。外循环式膜生物反应器适用于连续微生物发酵和连续酶反应过程。,中空纤维膜生物反应器,高分子产物（单抗）,细胞,膜,小分子产物,用于动物细胞培养，动物细胞生长于中空纤维膜组件的壳内，小分子产物（废弃物）不断排出，新鲜的培养基连续灌注，可保证细胞长期稳定并且高速度生产有用物质。细胞密度可达109/cm3。是工业培养杂交瘤细胞生产单克隆抗体的主要方法之一。,4除热原,热源（pyrogen）又称细菌内毒素，是细菌新陈代谢和细菌死后分解的产物，主要成分是脂多糖、脂蛋白等，相对分子质量较大。热源的致热效能很强，人比动物对热源要敏感，在静脉注射药液时，如果将热源带进血液，会对人体造成相当大的危害。传统的针剂除热源的方法是活性炭吸附，造成产品损失。用超滤法可有效的除去热源，如产品分子量1000以下，可用截留分子量1万左右的膜比较合适。,以多孔薄膜为过滤介质，压力差为推动力，利用筛分原理使不溶性粒子（0.1-10um）得以分离的操作。操作压力0.05-0.5MPa。,4.3微孔膜过滤技术,一、微孔膜的特点和应用范围特点：设备简单操作简便、快速分辨率高、重现性好一些膜具有结合生物大分子的特殊能力，用于特殊测定,应用范围：0.010.05m：噬菌体、病毒或大的胶体颗粒。0.1m：试剂的超净、分离沉淀和胶体悬液。0.2m：高纯水的制备、制剂除菌、细菌计数、空气病毒定量测定等。0.45m：水的超净化处理、色谱分析时流动相的处理、放射免疫测定、光测介质溶液的净化以及锅炉水中Fe(OH)3的分析等。,二、微孔滤膜,(一)微孔滤膜的种类（了解）再生纤维素纤维素酯膜:硝酸纤维素酯膜.醋酸纤维素酯膜.混合纤维素酯膜聚四氟乙烯膜聚氯乙烯膜超细玻璃纤维滤膜,（二）微孔滤膜的制备（了解）,（1）自然蒸发凝结法（2）急速凝冻法,（三）微孔滤膜的性质与检测,1孔径孔径的均一程度，一般相当均一膜孔径检测方法：气泡压力法、细菌过滤法(最大孔径)、水流量法(平均孔径)、2孔隙率一般较高，达80%-90%3厚度及重量一般厚度120m-150m，密度小4阻力和流速阻力小，防颗粒堵塞，膜表面堆积。,三、微孔滤膜过滤设备和操作,设备：注射式过滤器、玻璃滤器、平板滤器、筒式滤器等。,1过滤系统的严密性2滤膜的湿润3过滤速度4过滤系统的清洗和消毒5串滤技术,操作与注意事项,四、微孔膜过滤的应用,（一）在生化中的应用1溶液澄清2结合测定3蛋白质及核酸含量测定（二）在制药工业中的应用1药液中微粒及细菌的滤除2抗生素的无菌检验,纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来。纳滤(NF，Nanofiltration)是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程。原理：筛分作用：纳滤膜能截留易透过超滤膜的那部分溶质，同时又可使被反渗透膜所截留的盐透过荷电效应：纳滤膜常带电荷，荷电纳滤膜可通过静电斥力排斥溶液中与膜上所带电荷相同的离子,4.4纳滤,纳滤膜分离机理示意图,纳滤膜技术的特点：具有离子选择性：由于在膜上或膜中常带有荷电基团，通过静电相互作用，可实现不同价态离子的分离，故有时也称“选择性”反渗透（SelectiveRO）操作压力低：通常比反渗透低，由于所施加的跨膜压差比用反渗透达到同样的渗透能量所必须施加的压差低，有时也称“低压反渗透”。,纳滤应用：（1）小分子量的有机物质的分离；（2）有机物与小分子无机物的分离；（3）溶液中一价盐类与二价或多价盐类的分离；（4）盐与其对应酸的分离。,4.5反渗透(ReverseOsmosis),一、反渗透的基本概念1、渗透(osmosis),定义：渗透（渗析）是指在压力相同（P1=P2）的条件下，水或溶剂分子通过半透膜从稀溶液（或纯溶剂）进入浓溶液的扩散现象。机理：水的扩散是从高自由能处向低自由能处移动，即水是从溶质浓度低处向溶质浓度高处移动。更准确一点说，是从蒸汽压高处扩散到蒸汽压低处。,反渗透法,图1渗透和反渗透,1、反渗透,如图1所示，一个容器中间用一张可透过溶剂(水)，但不能透过溶质的膜隔开，两侧分别加入纯水和含溶质的水溶液。若膜两侧压力相等，在浓差的作用下作为溶剂的水分子从溶质浓度低(水浓度高)的一侧(A侧，纯水)向浓度高的一侧(B侧，水溶液)透过，这种现象称为渗透。促使水分子透过的推动力称为渗透压。当B侧与A侧之间的压差等于渗透压时，两侧的化学位相等达到平衡状态(图1a)。,反渗透机理,溶质浓度越高，渗透压越大。如果欲使B侧溶液中的溶剂(水)透过到A侧，在B侧所施加的压力必须大于此渗透压，这种操作称为反渗透(图1b)。一般反渗透的操作压力常达到几十个大气压。RO膜无明显的孔道结构，其透过机理尚不十分清楚。目前多采用热力学方法解释RO膜的透过机理，而不考虑膜的结构和性质，其中溶解扩散模型（也就是毛细孔流学说）简单实用。该模型假设溶剂或溶质首先溶解在膜中，然后扩散通过RO膜。“膜孔径”为10到100nm。,反渗透机理,反渗透机理,应用：从水溶液中分离出水苦咸水与海水淡化纯水生产废水处理低分子量物质水溶液的浓缩如氨基酸，抗生素、维生素等的浓缩仪器工业中液体食品（牛奶、果汁等）的部分脱水,一.纳滤技术的发展过程,纳滤膜（NF膜）介于RO膜和UF膜之间，近十几年来发展迅速，是当前膜分离技术研究与开发的热点之一。NF膜的研究可以追溯到20世纪70年代J.E.Cadotte对N系列膜的开发。早期，有人称纳滤膜为“疏松的反渗透膜(LooseReverseOsmosisMembrane)”，将介于反渗透和超滤之间的膜分离技术称为“杂化过滤(Hybridfiltration)”。直到20世纪80年代，才渐趋统一，称为纳滤(Nanofiltration)。纳滤是由反渗透膜发展而来的。实验证明，它能使90%的NaCl透过膜，而使99%蔗糖被膜截留。非对称膜平均孔径为2nm，故被命名为“纳滤膜”。,纳滤膜的发展过程,它有两个显著特征：一个是其截留分子量介于RO和UF之间，为2002000，因而推测NF的表面分离层可能有1nm左右的微孔结构，即具有纳米级孔径；另一个是NF膜对无机盐有一定的截留率，因为它的表面分离层由聚电解质所构成（大多是复合型膜），对离子有静电相互作用。受膜与离子间Donnan效应的影响，NF膜对不同价态的离子截留能力不同。对于阴离子，截留率为NO3-Cl-OH-SO42-CO32-对于阳离子，截留率为H+Na+Ca2+Mg2+NF膜能截留透过UF膜的那部分相对分子质量较小的有机物，而又能渗透被RO膜所截留的无机盐。操作压力比RO低（一般低于1.0MPa），通量比RO大。,二.纳滤膜的特点,纳滤膜的分离机理,与UF膜相比，NF膜有一定的荷电容量，对不同价态的离子存在Donnan效应；与RO膜相比，NF又不是完全无孔的，因此其分离机理在存在共性的同时，也存在差别。其对大分子的分离机理与UF相似，但对无机盐的分离行为不仅由化学势梯度控制（溶解扩散机理），也受电势梯度的影响，即NF膜的分离行为与其荷电特性、溶质荷电状态以及二者的相互作用均有关系。在文献报道中，关于NF膜的分离机理模型有空间位阻孔道模型、溶解扩散模型、空间电荷模型、固定电荷模型、静电排斥和立体位阻模型、Donnan平衡模型等。,纳滤的应用,4.6电渗析,电渗析是指在直流电场的作用下，溶液中带电离子选择性地透过离子交换膜的过程。目前电渗析主要应用于溶液中电解质的分离，如水的软化和脱盐。,一、离子交换膜离子交换膜是电渗析装置的关键构成部分。它是一种由高分子材料制成的具有离子交换功能的薄膜。1、离子交换膜的种类：根据膜上可解离的活性基团不同，可分为：阳离子交换膜即带有可解离出阳离子活性基团（如磺酸基-SO3H）的膜。工作时膜上带有阴离子基团，能使阳离子通过膜，而不能使阴离子通过膜。阴离子交换膜即带有可解离出阴离子活性基团如季胺基-N（CH）3OH的膜。工作时膜上带有阳离子基团，能使阴离子通过膜，而不能使阳离子通过膜。,2、离子交换膜的特性：具有选择渗过性，这主要是由于膜上的孔隙和膜上离子基团的作用。孔隙的作用：基膜立体网状结构的高分子骨架中存在许许多多网孔，形成细微孔径，微观看来就是一些迂回曲折的通道（长度远大于膜的厚度），使离子有可能从膜的一侧运动到膜的另一侧。基膜上离子基团的作用（静电作用）：阳膜带负电荷，阴膜带正电荷，静电效应的结果使阳离子通过阳膜，而阴离子通过阴膜。外电场的作用（扩散作用）：在外电场的作用下，负电荷穿膜通道向阳极方向移动，而正电荷向阴极方向移动。,二、电渗析原理（一）电渗析过程原理,（二）电渗析过程中的传递现象,反离子迁移（正常）同名离子迁移（外电场作用）浓差扩散（渗透压作用）水渗透（渗透压作用）水的电渗透（水随离子即水合离子扩散）水电解（H+、OH-扩散）,（三）电渗析中的电化学过程,电渗析的推动力是电位差，为了使电渗析能不断进行，必需在两极施加一定的电压。所需电压的大小与下列因素有关。,1、电极反应：（以海水淡化为例）,阳极电化反应为：,阴极电化反应为：,阳极水呈酸性，对电极有腐蚀,阴极水呈碱性，当水中有、时形成等水垢，增大电阻。,2、膜电位：即离子有从浓室向淡室扩散的倾向而产生的电位差。,3、电阻：包括膜电阻和溶液电阻（淡室溶液电阻占主要部分），还有产生沉淀、结垢、浓差极化等产生的电阻。,4、电流：总电压包括电极电位、膜电位和克服各种电阻所需电压。总电压随电流大小而异，电流大，电压高，离子从淡室向浓室迁移量大，但耗电量也大。,在电渗析器中，不论串联多少膜对，电极反应消耗的电能为定值，因此，为了减少电耗，多采用多膜对串联结构。200300个膜对，甚至更多。,三、电渗析浓差极化（一）电渗析浓差极化现象及危害,1、淡室膜侧离子浓度很低，引起很高的极化电位。,2、淡室阳膜侧和浓室阴膜侧呈碱性，易形成沉淀。,3、水离解产生H+和OH-代替反离子传递部分电流，使电流效率降低。,4、电阻和膜电位增