生物分离工程6膜分离技术08pptConvertor

1、膜分离过程概述 利用具有一定选择性透过的过滤介质进行物质分离的技术。膜分离的特点（1）能耗低，无相变（2）操作条件温和（3）污染难清除，不能耐受极端条件（4）需与其它技术结合应用膜分离技术膜分离的概念：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。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。膜分离技术的类型和定义膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，

2、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：膜分离与物质分子大小渗透（osmosis）和透析（dialysis）渗透（osmosis）：是一个扩散过程，在膜两边渗透压差的作用下溶剂产生流动。 透析（dialysis）：是利用膜两边的浓度差从溶液中分离出小分子物质的过程。透析过滤在过程中不断加入水或缓冲液，保持较高的通量。 透析过程与渗透过程相互重叠。 微滤（microfiltration）：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0.02514.000m之间；超滤（ultrafiltration） ：分离介质同

3、上，但孔径更小，为0.0010.020 m，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（reverse osmosis）：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0.00010.0010 m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： （electrodialysis）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；6. 气体透过（gas permeation）利用微孔或无孔膜进

4、行气体分离膜的分类按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜对称膜 结构与方向无关的膜，孔径不规则或一定非对称膜 分离层（活性膜）和多孔支持膜、活性膜要朝向待浓缩的原液层、两层膜是同一种材料复合膜 活性膜层沉积于具有微孔的底膜（支撑层）表面上、表层与底层是不同的材料、膜的性能与活性膜和底层膜都有关系荷电膜（离子交换膜） 含有溶胀胶载着固定的正电荷或负电荷 阴离子交换膜：带正电荷 阳离子交换膜：带负电荷微孔膜（0.0520mm）动态膜 在多孔介质上沉积一层颗粒物作为有选 择作用的膜 沉积层与溶液处于动态平衡 可在高温下应

5、用，膜更新容易，不稳定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，一般模操作的压力范围在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；各种膜材料有机高分子膜：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：陶瓷膜膜过滤的基本概念和理论超滤和反渗透目的：将溶质

6、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力差，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高达10 MPa。超滤和反渗透操作中的渗透压由于超滤和反渗透过程都是用一种半透膜把两种不同浓度的溶液隔开（淡水或盐水），因此都存在渗透压。渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度；一般说来，无机小分子的渗透压要比有机大分子溶质的渗透压高得多。渗透与反渗透反渗透（RO或HF）1. 优点 相态不变，无需加热，设备简单，能耗低2. 膜的特性 透水率、透盐率、抗压性等3. 应用 海水脱盐，食品医药的浓缩，超纯水的制 造等4. 膜材料：醋酸纤维

7、膜、芳香聚酰胺膜、高分子电解质膜、无机质膜等。1. 优点相态不变，无需加热，设备简单，能耗低2. 膜的特性 透水率、透盐率、抗压性等3. 应用 海水脱盐，食品医药的浓缩，超纯水的制造等4. 膜材料：醋酸纤维膜、芳香聚酰胺膜、高分子电解质膜、无机质膜等反渗透（RO或HF）实现超滤和反渗透的条件超滤：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”传递理论过滤模型浓差极化-凝胶

8、模型超滤（UF）概念 凡是能截留分子量在500以上的高分子的膜分离过程。应用 各种小分子可溶性溶质和高分子物质如蛋白质、酶、病毒等溶液的浓缩、分离和纯化。材料 醋酸纤维，聚砜，芳香聚酰胺，聚丙烯，聚乙烯，聚碳酸酯，尼龙等高分子材料。浓缩模式过滤 溶剂和小分子溶质被除去，料液逐渐浓缩。应用1）柠檬酸、抗生素、氨基酸等小分子物质 分子量在5002000之间 超滤膜的截断分子量为1000030000 使大小分子分开2）酶和蛋白质的脱盐浓缩 如用醋酸纤维素膜浓缩a-淀粉酶，平均 收率95%，可浓缩45倍膜过滤的基础理论通透量理论：一种基于粒子悬浊液在毛细管内流动的毛细管理论。水通量（Jw）和截留率（R

9、）超滤的基本方程：穿透度（单位时间、单位膜面积的处理量）膜截留方程1. 应用 主要用于分离流体中0.110mm的微生物 和微粒子 微生物学检查 灭菌液体的产生2. 材料 纤维素酯类，聚酰胺，聚氯乙烯，聚丙 烯等微孔过滤（MF）纳米膜过滤技术介于反渗透与超滤膜之间，能截留有机小分子而使大部分无机盐通过；特点：（1）在过滤分离过程中，能截留小分子有机物，并可以同时透析除盐，集浓缩与透析为一体；（2）操作压力低纳滤膜的性质与特点有多层聚合薄膜组成，滤膜为多孔性材料，平均孔径为2nm，截留分子量范围在100200道尔顿之间；同样要求其具有良好的热稳定性、pH稳定性、有机溶剂稳定性；主要产品：Membr

10、ane products Kiryat Weizmann，MPW (以色列)Desalination System (美国)SelRO, DESAL-5, FT- 40等系列膜，Filmtech公司（美国，明尼苏达） 纳米过滤的分离机理纳滤分离机理与反渗透膜了类似，同样遵循，基本的膜传递方程：纳滤的应用膜亲和过滤法膜亲和过滤法是传统膜分离技术与亲和分离技术的集成，是一种十分有效的分离方法。内容：包括两个分支（1）亲和膜分离：制备带有亲和配基的分离膜，直接进行产物分离；（2）亲和错流膜过滤：将水溶性或非水溶性的高分子亲和载体与产物进行特异性反应，然后进行错流过滤；亲和膜分离技术分离膜的改性：通过

11、化学改性，在载体表面连接上一条“手臂链”（大于三个碳原子）；亲和膜制备：选用合适的配基(Ligand)，与手臂链相连，构成带有亲和配基的分离介质；亲和络合：将混合物缓慢地通过膜，使要分离的物质与亲和配基产生特异性作用，形成配基与配位物（Ligate）的复合体；洗脱：改变条件（洗脱液组成、pH、离子强度、温度等），使复合物解离；亲和膜再生：洗涤、再生、平衡，以备下次操作使用；需解决的关键问题膜表面要有足够多的并可利用的化学基团；表面积和孔径要足够大孔分布要窄而均匀，以获得高的通透量和分离效率：机械强度要高：要耐酸碱和高温；亲和膜分离操作方式亲和超滤过程（分离目标物的同时，浓缩其他成分）微孔亲和过

12、滤过程（仅分离目标物）离子交换膜与电渗析技术离子交换膜：将离子交换树脂制成薄膜状分类：按功能基：阳离子交换膜，阴离子交换膜按构造：异相膜：树脂磨成粉末，机械混炼，充填粘合剂；均相膜：聚乙烯主链上用苯乙烯，二乙烯苯进行接枝共聚，进一步磺化制得阳膜，或氯甲基化胺化制得阴膜。离子交换膜的电渗析选择性透过性能阳膜透过阳离子阴膜透过阴离子膜内外离子浓度分配服从于道南平衡电渗析技术电渗析技术是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。食盐电解膜两侧溶液浓度不等和膜的选择性透所引起的膜电位电渗析制备无盐水电流作用： （1）离子迁移推动力（2）电极反应（3）电流

13、泄漏电渗析设备离子交换膜电渗析池直流电源电极 （石墨阳极，镍铬不锈钢或铅阴极）隔板 （支撑交换膜）极化与沉淀沉淀部位：阴极室与阴极膜浓水侧沉淀物成分：CaCO3, Mg(OH)2, CaSO4 及有机物沉淀影响：a 膜电阻增加，b 减少膜面积，c 水质恶化，d 电耗增加沉淀原因：（1）操作电流过高（离子透过膜速度大于离子在溶液中迁移速度，浓差接近零时，水分子大量解离，OH- 穿过阴膜与浓室中Ca+, Mg+, HCO3-作用（2） 电极反应沉淀控制：a 倒换电极; b 盐酸循环酸洗电渗析应用 （1） 制水（2） 有机酸分离与浓缩 醋酸，乳酸，柠檬酸等膜分离过程在生物工程中的应用膜的制造要求：（

14、1）透过速度2）选择性3） 机械强度4） 稳定性膜材料微滤膜材料：聚偏氟乙烯，聚丙烯，硝酸纤维， 醋酸纤维；超滤膜：聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维；反渗透膜 ：醋酸纤维素衍生物，聚醚，聚酰胺天然材料：各种纤维素衍生物；人造材料：各种合成高聚物；特殊材料：复合膜，无机膜；纤维素分子醋酸纤维膜特点（1）透过速度大（2）截留盐的能力强（3）易于制备（4）来源丰富（5）不耐温（30C）(6) pH 范围窄，清洗困难(7) 与氯作用，寿命降低 (8) 微生物侵袭（9）适合作反渗透膜聚砜构造聚砜膜的特点（1）温度范围广（2）pH 范围广（3）耐氯能力强（4）孔径范围宽（5 ) 操作压力低（6）适合作超滤膜芳香聚

15、醚类聚酰胺膜（1）耐热（2）pH 范围广（3）寿命较长（4）不耐氯相转变制膜（1）配制浇注溶液（2）制膜（3）蒸发（4）溶剂与水交换（5）热处理新近发展的膜复合膜 无机膜 孔迹 动态膜(多孔介质表面涂层）过程条件浓缩：体积浓缩系数透析过滤 纯化中空纤维工作模式超滤微滤分批浓缩中空纤维式 保留体积小 单位体积中所含过滤面积大 可以逆洗 料液需要预处理 单根纤维损坏时，需调整整个模件膜的应用中空纤维的应用方式陶瓷膜芯应用浓缩大分子纯化去杂质（植物成分）抗生素去热原（卷曲霉素）过滤除菌表征膜性能的参数水通量截断分子量(molecular weight cutoff, MWCO)5.8 膜截留能力截留

16、曲线意义：A、曲线陡直，孔径分布小，膜有较好的分子量切割作用； B、相反，孔径分布较宽，膜的分子量切割作用较差。截留分子量：通过测定分子量不同的球形蛋白质或水溶性聚合物的截留率，可获得膜的截留率与溶质分子量之间的关系曲线，即截留曲线。一般将在截留率为90%的溶质分子量定义为膜的截留分子量(molecular weight cutoff, MWCO)。膜的评价：当然，MWCO只表征膜特征的一个参数，不能作为唯一指标。膜的优劣应从孔径分布、透过通量、耐污染能力、稳定性、温度、pH、机械强度等多方面考察。影响截留率的因素分子的形状吸附作用温度流速pH 离子强度（影响蛋白构象）孔道特征孔径 （泡点法）孔径分布空隙度各种膜组件管式、中空纤维、螺旋卷绕式、平板式平板式膜组件管式 特点：无死角，易清洗 处理含固体较多的料液 单根管子可以调换 缺点：保留体积大 单位体积中所含过滤面积较小膜的应用管式构造1中