生物分离工程-膜分离

1、主讲人：陶宗生物分离过程的一般流程生物分离过程的一般流程原料液原料液细胞分离细胞分离( (离心，过滤离心，过滤) )细胞胞内产物细胞胞内产物路线一路线一路线二路线二细胞破碎细胞破碎碎片分离碎片分离路线一路线一A A路线一路线一B B清液胞外产物清液胞外产物粗分离粗分离( (盐析、萃取、超过滤等盐析、萃取、超过滤等) )纯化纯化( (层析、电泳层析、电泳) )脱盐脱盐( (凝胶过滤、超过滤凝胶过滤、超过滤) )浓缩浓缩( (超过滤超过滤) )精制精制( (结晶、干燥结晶、干燥) )包含体包含体溶解溶解( (加盐酸胍、脲加盐酸胍、脲) )复性复性 第一节第一节 膜分离技术概述膜分离技术概述 第二节

2、第二节 膜材料及其特性膜材料及其特性 第三节第三节 膜组件膜组件 第四节第四节 应用应用第一节第一节 膜分离技术概述膜分离技术概述一、基本概念一、基本概念膜分离 (membrane separation) 利用具有一定选择透过特性的过滤介质进行物质的分离纯化，是人类最早应用的分离技术之一，如酒的过滤，中草药的提取等。 所谓的膜膜，是指在一种流体相内或在两种流体相之间有一层薄的凝聚相凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。 膜的特性： 不管膜多薄, 它必须有两个界面两个界面。这两个界面分别与两侧的流体相接触； 膜传质有选择性选择性，它可以使流体相中的一种或几种物

3、质透过，而不允许其它物质透过。膜膜(Membrane)是什么？有何特性？是什么？有何特性？膜分离过程原理膜分离过程原理：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、压推动力（如浓度差、压力差或电位差等）力差或电位差等）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膜上游，透过侧称为膜下游膜下游。膜上游膜上游 透膜透膜 膜下游膜下游选择性透膜选择性透膜二、二、膜的种类膜的种类阳离子膜阳离子膜阴离子膜阴离子膜分离膜分离膜高分子膜高分子膜液体膜液体膜生物膜生物膜带电膜带电膜非带电膜非带电膜微滤膜微滤膜超滤膜超滤膜反渗透膜反渗透膜纳米滤膜纳米滤膜三、膜分

4、离的特点三、膜分离的特点 高效；高效； 节能；节能； 设备易放大，可以分批或连续操作；设备易放大，可以分批或连续操作； 无污染；无污染；因而在生物产品的处理中占有重要地位。因而在生物产品的处理中占有重要地位。第二节第二节 膜材料及其特性膜材料及其特性1. 按膜的按膜的材料材料分类分类 表表1 1 膜材料的分类膜材料的分类类 别膜材料举 例纤维素酯类纤维素衍生物类醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等非纤维素酯类聚砜类聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰(亚)胺类聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺等聚酯、烯烃类涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟(硅)类聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷

5、等其他壳聚糖，聚电解质等一、膜材料的类型一、膜材料的类型2. 按膜的按膜的分离原理分离原理及及适用范围适用范围分类分类 根据分离膜的根据分离膜的分离原理分离原理和和推动力推动力的不同，可将的不同，可将其分为其分为微孔膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗微孔膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。等。3. 按膜的按膜的形态形态分类分类 按膜的形状分为平板膜按膜的形状分为平板膜(Flat Membrane)、管、管式膜式膜(Tubular Membrane)和中空纤维膜和中空纤维膜(Hollow Fiber)。4. 按膜的按膜的结构结构分类分类 （1 1

6、）对称膜）对称膜(Symmetric Membrane)(Symmetric Membrane) （2 2）非对称膜）非对称膜(Asymmetric Membrane)(Asymmetric Membrane) （3 3）复合膜）复合膜(Composite Membrane)(Composite Membrane)二、主要市售膜材料二、主要市售膜材料有机高分子材料有机高分子材料 无机材料无机材料天然高分子材料天然高分子材料合成高分子材料合成高分子材料膜材料膜材料三、膜的结构特性三、膜的结构特性1.孔道特性孔道特性包括孔径、孔径分布和孔隙率2.膜的另一特性是其纯水的透过通量，通称水通量水通量。将

7、膜、固定膜的支撑材料、间隔物或管式外壳等组装成的一个单元称为膜组件膜组件。工业上应用的膜组件主要有中空纤维式、管式、中空纤维式、管式、螺旋卷式、板框式螺旋卷式、板框式等四种型式。管式和中空纤维式组件也可以分为内压式内压式和外外压式压式两种。 第三节第三节 膜组件膜组件(Membrane Module)(Membrane Module)(1)板框式板框式(Plate-and-Frame)膜组件膜组件 板框式是最早使用的一种膜组件。其设计板框式是最早使用的一种膜组件。其设计类似于常规的板框过滤装置类似于常规的板框过滤装置。海水从上部进入组件后，沿膜表面逐层流动，其中纯水透过海水从上部进入组件后，沿

8、膜表面逐层流动，其中纯水透过膜到达膜的另一侧，经支撑板上的小孔聚集在边缘的导流管膜到达膜的另一侧，经支撑板上的小孔聚集在边缘的导流管后排出，而未透过的浓缩咸水从下部排出。后排出，而未透过的浓缩咸水从下部排出。在多孔支撑板两侧在多孔支撑板两侧覆以平板膜，采用覆以平板膜，采用密封环和两个端板密封环和两个端板密封，压紧。密封，压紧。截留液截留液透透过过液液料液料液平板式膜组件平板式膜组件平板式构造平板式构造把膜和支撑体均制成管状，把膜和支撑体均制成管状，使二者组合，或者将膜直使二者组合，或者将膜直接刮制在支撑管的内侧或接刮制在支撑管的内侧或外侧，将数根膜管组装在外侧，将数根膜管组装在一起。一起。(2

9、) (2) 管式管式(Tubular)(Tubular)膜膜组件组件内压管式：内压管式：多孔管多孔管膜膜料液料液外压管式：外压管式：料液料液内压式：膜涂在管内，料液由管内走；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。外压式：膜涂在管外，料液由管外间隙走。管式膜组件管式膜组件(3)螺旋卷式螺旋卷式(Spiral Wound)膜组件膜组件 卷式纳滤膜浓缩设备 (生产型) 由中间为多孔支撑板，两侧是膜的由中间为多孔支撑板，两侧是膜的“膜袋膜袋”装配而成，膜装配而成，膜袋的三个边粘封，另一边与一根多孔中心管连接。组装时袋的三个边粘封，另一边与一根多孔中心管连接。组装时在膜

10、袋上铺一层网状材料（隔网），绕中心管卷成柱状再在膜袋上铺一层网状材料（隔网），绕中心管卷成柱状再放入压力容器内。原料进入组件后，在隔网中的流道沿平放入压力容器内。原料进入组件后，在隔网中的流道沿平行于中心管方向流动，而透过物进入膜袋后旋转着沿螺旋行于中心管方向流动，而透过物进入膜袋后旋转着沿螺旋方向流动，最后汇集在中心收集管中再排出。方向流动，最后汇集在中心收集管中再排出。(4)中空纤维中空纤维(Hollow Fiber)膜组件膜组件将大量的中空纤维安装在一个管状容器内将大量的中空纤维安装在一个管状容器内,中空纤维的一端以中空纤维的一端以环氧树脂与管外壳壁固封制成膜组件。环氧树脂与管外壳壁固封

11、制成膜组件。料液从中空纤维组件的一端流人料液从中空纤维组件的一端流人, 沿纤维外侧平行于纤维束流沿纤维外侧平行于纤维束流动动,透过液则渗透通过中空纤维壁进入内腔透过液则渗透通过中空纤维壁进入内腔,然后从纤维在环氧然后从纤维在环氧树脂的固封头的开端引出树脂的固封头的开端引出,原液则从膜组件的另一端流出。原液则从膜组件的另一端流出。中空纤维膜组件的最大特点是单位装填膜面积比所有其他组中空纤维膜组件的最大特点是单位装填膜面积比所有其他组件大件大, 最高可达到最高可达到30000m2/m3。中空纤维膜组件也分为外压式和内压式。中空纤维膜组件也分为外压式和内压式。 各种膜组件的传质特性和综合性能的比较分

12、别见下表。各种膜组件的传质特性和综合性能的比较分别见下表。几种常用的膜组件几种常用的膜组件类型类型优点优点缺点缺点使用状况使用状况框板式框板式结构紧凑、简单、牢固、结构紧凑、简单、牢固、能承受高压，使用强度较能承受高压，使用强度较高，工艺简便高，工艺简便装置成本高，流动状态不好，装置成本高，流动状态不好，浓差极化严重；易堵塞，不浓差极化严重；易堵塞，不易清洗。易清洗。适于小容量规模；适于小容量规模；已商业化已商业化管管式式容易清洗和更换；原水流容易清洗和更换；原水流动状态好，压力损失小，动状态好，压力损失小，耐较高压力；能处理含有耐较高压力；能处理含有悬浮物的、黏度高的或者悬浮物的、黏度高的或

13、者能析出固体等易堵塞流水能析出固体等易堵塞流水通道的溶液体系通道的溶液体系装置成本高，装置成本高，管管口密封较难；口密封较难；膜的堆积密度小膜的堆积密度小适于小容量规模；适于小容量规模；已商业化已商业化螺旋式螺旋式膜的堆积密度大，结构紧膜的堆积密度大，结构紧凑；可使用强度好的平板凑；可使用强度好的平板膜；价格低廉。膜；价格低廉。制作工艺和技术较复杂，密制作工艺和技术较复杂，密封较困难；易堵塞，不易清封较困难；易堵塞，不易清洗，不宜在高压下操作洗，不宜在高压下操作适于大容量规模；适于大容量规模；已商业化已商业化中空纤中空纤维膜维膜膜的堆积密度大，不需外膜的堆积密度大，不需外加支撑材料；浓差极化可

14、加支撑材料；浓差极化可忽略；价格低廉。忽略；价格低廉。制作工艺和技术较复杂，易制作工艺和技术较复杂，易堵塞，不易清洗堵塞，不易清洗适于大容量规模；适于大容量规模；已商业化已商业化第四节第四节 应用应用 膜分离法在生物产物的回收和纯化方面的应用： 细胞培养基的除菌； 发酵或培养液中细胞的收集或除去； 细胞破碎后碎片的除去； 目标产物部分纯化后的浓缩或洗滤除去小分子溶质； 最终产品的浓缩和洗滤处盐； 制备用于调制生物产品和清洗产品容器的无热原水。参考文献1 童欣,张皓. 膜分离技术在天然产物中的应用J. 生物技术世界. 2015(03)2 翟小玲,黎志坚,徐娟,蒋莉娟,许招懂. 膜分离技术在痔炎消颗粒制备中的应用J. 中成药. 2016(03)3 王绍堃,孙晖,王喜军. 膜分离技术及其在中药提取分离中的应用J. 世界中西医结合杂志. 2011(