膜分离技术在生物工程中的应用课件

,膜分离技术在生物工程中的应用,汇报人：李超组员：徐文亮、赵骞、杨娜、李乐,目录页,CONTENTSPAGE,P1.膜分离技术相关知识,P2.膜分离技术的分离原理及膜产品种类,P3.膜分离技术的应用,P4.膜分离技术前景与展望,膜分离技术相关知识,膜分离技术相关知识,1.概述,膜分离技术是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他组分，从而达到分离目的的技术。它具有设备简单、操作方便、无相变、无化学变化、处理效率高和节省能量等优点。,膜分离技术相关知识,膜分离是在20世纪初出现，上世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。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、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。膜可以是固相、液相、甚至是气相的。用各种天然或人工材料制造出来的膜品种繁多，在物理、化学、生物性质上呈现出各种各样的特性。,膜分离技术相关知识,1960年Loeb和Sourira-jan制备出第一张具有高透水性和高脱盐率的不对称反渗透膜是膜分离技术发展的一个里程碑，使反渗透技术大规模用于水脱盐成为现实。,膜分离技术相关知识,1）处理效率高，设备易于放大；,2）可在室温或低温操作，适宜热敏感物质分离浓缩；,3）化学与机械强度小，减少失活；,4）无相变，节能；,5）选择性好，可在分离、浓缩的同时达到部分纯化的目的；,膜分离技术相关知识,2.膜分离技术的特点,6）通过选择合适的膜与操作参数，可得到较高的回收率；,7）系统可密闭循环，防止外来污染；,8）不外加化学物，透过液（酸、碱或盐溶液）可循环使用，降低了成本，并减少了环境污染。,膜分离技术的分离原理及膜产品种类,膜分离技术的分离原理,1.膜分离技术,1）微滤（MF）,2）超滤（UF）,3）反渗透（RO）,4）电渗析（ED）,5）渗透蒸发（PV）,1）微滤,膜分离技术的分离原理,利用筛分原理分离、截留直径为0.05-10m大小的粒子的膜分离技术微滤。膜孔径：0.05-10m；压力：0.05-0.5MPa。,2）超滤,膜分离技术的分离原理,超滤的分离原理也可基本理解为筛分原理，但在有些情况下受到粒子荷电性及其与荷电膜相互作用的影响。它可分离分子量从3000到1000000Da的可溶性大分子物质，对应孔径为0.0010.05m。采用压力为0.11MPa。,3）反渗透,膜分离技术的分离原理,在高于溶液渗透压的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而所有溶液中大分子、小分子有机物及无机盐全被截留住。理想的反渗透膜应被认为是无孔的，它的分离基本原理是溶解扩散（也有毛细流学说）。膜孔径为0.11nm。采用的压力是110Pa。,反渗透分离原理,膜分离技术的分离原理,渗透是自发过程，而反渗透是非自发过程。反渗透同样可以视作溶液中水的化学势不同引起的水的移动过程。当两溶液的压力差大于其渗透压差时，水的流动可实现非自发过程反渗透过程。用只能让水分子透过，而不允许溶质透过的半透膜将纯水与咸水分开，则水分子将从纯水一侧通过膜向咸水一侧透过，结果使咸水一侧的液位上升，直到某一高度，此所谓渗透过程；当渗透达到动态平衡状态时，半透膜两侧存在一定的水位差或压力差，此为在指定温度下的溶液渗透压；当咸水一侧施加的压力P大于该溶液的渗透压，可迫使渗透反向，实现反渗透过程。此时，在高于渗透压的压力作用下，咸水中水的化学位升高，并超过纯水的化学位，水分子从咸水一侧反向地通过膜透过到纯水一侧，使咸水得到淡化，反渗透除盐法即基于此原理。一般反渗透膜微孔尺寸在10A左右，操作压力为1.0-10.0Mpa,切割分子量小于500，能截留盐或小分子量有机物，可使水中离子的含量降低96-99%。,膜分离技术的分离原理,4）电渗析,膜分离技术的分离原理,电渗析是在外加直流电场的作用下，利用离子交换膜的选择透过性，使离子从一部分水中迁移到另一部分水中的物理化学过程。,电场中的离子迁移,阳极阴极,膜分离技术的分离原理,阴离子渗透膜,阳离子交换树脂,膜分离技术的分离原理,阴离子渗透膜,阳极阴极,膜分离技术的分离原理,阳离子渗透膜,阳极阴极,膜分离技术的分离原理,膜与电极,阴阳阴阳,膜分离技术的分离原理,离子通过膜转移,-,阴阳阴阳,膜分离技术的分离原理,产品流动路径,A阴离子渗透膜,C阳离子渗透膜,膜分离技术的分离原理,废料流动路径,膜分离技术的分离原理,产物与废料流动路径,膜分离技术的分离原理,5）渗透蒸发,膜分离技术的分离原理,渗透蒸发(pervaporation)是近年来常研究的膜分离技术之一，其混合物进料是以液体形式与膜接触，通过抽气降压的方式提供驱动力，使进料透过膜，利用混合物在膜材内溶解度及扩散速率的差异来达到成分选择的目的。渗透蒸发为一结合渗透和蒸发两种程序的膜分离技术。,膜分离技术的分离原理,表液体中可能存在的主要成分,膜分离技术的分离原理,膜分离技术的分离原理,膜分离技术的分离原理,膜分离技术的分离原理,膜分离技术的分离原理,2.膜产品的种类,用于分离膜的种类很多。以高分子材料制成的聚合膜居多。用于制膜的高分子材料：纤维素酯、脂肪族和芳香族聚酰胺、聚砜、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、硅橡胶等。无机膜的制备已成为研究热点，其增长速度远快于聚合物膜。以金属及氧化物、陶瓷、多孔玻璃和某些热固性聚合物为材料。其热力学、化学稳定性好，使用寿命长。陶瓷膜的应用较好。根据分离过程和分离对象选择合适的膜材料,膜产品的种类,膜分离技术的应用,膜分离技术的应用,1.膜分离技术在化工中的应用2.膜分离技术在医药生产中的应用3.膜分离技术在手性化合物分离中的应用4.膜分离技术在水处理及环境保护中的应用5.膜分离技术在食品生产中的应用6.膜分离技术在其它方面的应用,水的脱盐和净化,食品工业,医疗、卫生方面,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,应用,膜分离技术的应用,膜分离技术的应用,膜分离技术在食品生产中的应用,1）在乳制品工业中的应用牛奶的微滤除菌、乳清浓缩、酸奶处理等2）在果蔬汁生产中的应用主要在苹果汁、猕猴桃汁等生产中已实现工业应用。3）在酿酒工业中的应用无菌低温啤酒生产、啤酒罐底液处理等工业已规模应用以及在葡萄酒生产中的应用。4）在豆制品中的应用应用于蛋白质的分离和回收5）在其他食品工业的应用如：酶制剂的提纯和浓缩、蛋清的浓缩、天然色素和香料等食品添加剂的分离和浓缩、制糖行业、速溶茶的制备、醋和酱油的精制、低聚果糖的高度分离、提取米糠脂多糖、饮用水的净化、食品厂的废水处理等等。,膜分离技术的应用,1）在乳制品工业中的应用,主要应用：乳品灭菌及浓缩乳品的标准化乳蛋白浓缩乳清的回收与加工利用,膜分离技术的应用,膜分离技术的应用,膜分离技术的应用,膜分离技术的应用,膜分离技术的应用,2）在果蔬汁生产中的应用,传统的果蔬汁加工工艺，不仅损害风味和营养，而且能耗与生产成本较高。而超滤和反渗透等膜分离技术的逐步应用，有望克服这些缺陷。国外已采用超滤技术澄清苹果汁、菠萝汁、柑桔汁、葡萄汁、番茄汁、梨汁等，产品质量及经济效益较好。EHemandez研究了利用超滤和二乙烯基聚苯乙烯树脂吸附的联合过程，对葡萄柚汁进行脱苦，结果发现，由于超滤过程除去了一些苦味前体物质和易被树脂吸附的大分子物质及悬浮小颗粒，树脂的使用寿命和脱苦效率明显改善，柚皮苷和柠檬碱可被完全除去，明显提高了果汁的风味。,膜分离技术的应用,膜分离技术的应用,3）在酿酒工业中的应用,在蒸馏酒中去除这些高分子物质目前常用的方法有：冷冻过滤法、吸附剂吸附法、添加助滤剂等。这些方法在应用上存在各种问题。基于超滤膜分离技术的超滤法即可去除引起酒体混浊的物质，又不影响酒的风味。由于超滤过程加速了酒体的氧化和酯化作用，加强醇水分子间的缔合，因此使白酒酒体变得醇厚绵软，降低了挥发性。在果露酒上的应用：在国内外，已经采用超滤法去除葡萄酒中残存的酵母、杂菌、胶体物质和蛋白质等，以使酒体保持长期清亮透明的稳定性；丹麦已经使用反渗透法将普通葡萄酒中的乙醇含量降低到1一2。在黄酒和啤酒上的应用：采用巴氏杀菌法对黄酒进行杀菌，能耗高、风味损失严重等缺点。试验结果表明，超滤前后符合理化指标要求；大大降低了生产成本。在啤酒生产中的应用，据报导，丹麦已采用反渗透法生产无醇啤酒。,膜分离技术的应用,膜分离技术的应用,膜分离技术的应用,4）在豆制品中的应用,主要应用：蛋白质的分离和回收。豆乳制作时产生的大豆乳清，通常方法只能从中提取近60%的蛋白质，残留蛋白质可以用超滤进行浓缩，能够增加2030%的豆腐收率。采用超滤法可在浓缩蛋白的同时，去除产生豆膻味和影响豆乳稳定性的低分子物质，提高豆乳质量。制酱工厂排出的废水中，80%以上BOD主要来自大豆的蒸煮汁。大豆煮汁可进行分阶段超滤处理，经膜法处理后的透过液可作为生产用水回收，浓缩液可作为生产原料。,膜分离技术的应用,5）在其他食品工业中的应用,蛋清的浓缩、天然色素和香料等食品添加剂的分离和浓缩制糖行业速溶茶的制备醋和酱油的精制低聚果糖的高度分离、提取米糠脂多糖饮用水的制备食品厂的废水处理,膜分离技术的应用,膜分离技术在食品工业应用的优点,在常温下进行，营养成分损失极少，特别适合于热敏性物质如果汁、酶等的分离、分级、浓缩与富集。不发生相变化，所以挥发性成分如芳香物质损失较少，可保持原有的芳香，与有相变化的分离法和其他分离法相比，能耗低，分离水分时，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/21/5。在密闭系统中进行，被分离食品无色素分解和褐变反应。不用化学试剂和添加剂，产品不受污染。选择性好，可在分子级内进行物质分离，具有普通滤材无法取代的卓越性能。适应性强，使用范围广，可用于分离、浓缩、纯化、澄清等工艺。处理规模可大可小，可以连续也可以间歇进行，膜组件可单独使用也可联合使用，工艺简单，操作简便，易于实现自动化操作。,膜分离技术的应用,膜分离技术前景与展望,膜分离技术前景与展望,当前，膜分离技术已获得巨大的进展，但它毕竟还是处于上升发展阶段，还有许多工作要我们去做。21世纪的膜科学与技术将进一步改进、完善已有的膜过程，不断探索和开拓新的过程与材料，并不断扩充原有的应用领域，使膜技术发挥发挥更大的作用。我觉得我们应该考虑以下方面的问题：（1）我们要致力于将新兴的膜分离技术与传统的工艺技术有机的结合起来，不断将膜技术的研究成果从实验室推向产业化应用。（2）我们要致力于研究新的膜材料，开发研究新的聚合膜材料。（3）我们要致力于研究开发新的成膜工艺，进一步制备超