食品工程原理膜分离技术

食品工程原理膜分离技术膜分离发展过程和趋势可用？高增长低增长透析微滤超滤反渗透电渗析控制释放气体分离渗透汽化双极膜液膜膜反应器闸膜活化传递第2页,共123页，2024年2月25日，星期天微滤

0.1～10m：细菌、煤灰、发酵细胞、颜料、蛋白等超滤0.005～0.1m：蛋白、颜料、多糖、大分子纳滤0.0005～0.005m：低聚糖、染料、多价离子反渗透0.0001～0.001m：电解质、大于100Da的有机溶质水、小于100Da的有机溶质

膜的适用范围第3页,共123页，2024年2月25日，星期天膜料液水小分子大分子渗透液定义：

具有选择性分离的功能薄膜材料。

“21世纪的多数工业中，膜技术扮演着战略的角色”“谁掌握了膜技术，谁就掌握了21世纪的未来”膜的简介第4页,共123页，2024年2月25日，星期天报告内容膜技术简介发展历史专业术语应用实例典型膜过程反渗透超滤微滤陶瓷膜技术

第5页,共123页，2024年2月25日，星期天

膜的发展历史1748年AbbleNelkt发现水能自然地扩散到装有酒精的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象；1827年Dutrochet引入名词渗透（Osmosis）；1861年Schmidt提出超滤概念；1864年Traube成功研制了人类历史上第一张人造膜（亚铁氰化铜膜）1918年Zsigmondy提出了商品微滤膜的制备方法，并将其应用于微生物、微粒等方面的分离和富集；1950年W.Juda成功研制了第一张具有实用价值的离子交换膜；1960年Loeb和Sourirajan研制出第一张不对称的醋酸纤维素反渗透膜，导致了膜分离技术进入了实用和装置的研制阶段；1967年以后在美国、丹麦、日本等国出现了多家膜及其组件的生产厂家，逐渐开始了膜分离技术的规模应用。第6页,共123页，2024年2月25日，星期天我国1958年开始研究离子交换膜和电渗析，1966年开始研究RO、UF、MF、液膜、气体分离等膜分离过程应用与开发研究。80年代后期又陆续开展了渗透汽化、膜萃取、膜蒸馏和膜反应等新膜过程的研究，并着手进行膜技术的推广应用工作。国内主要的膜研究和推广单位：1）气体分离：大连化学物理研究所（天邦膜公司）2）液体分离：杭州水处理技术中心（西斗门公司）天津纺织工学院（膜天公司）3）无机膜：南京工业大学（久吾高科）中国科技大学

膜的发展历史第7页,共123页，2024年2月25日，星期天

膜的发展历史第8页,共123页，2024年2月25日，星期天膜的简介特征：具有选择性分离的功能薄膜材料，以及以其为核心的装置、过程、工艺的集成与应用特点：无相变、低能耗高效率、污染小工艺简单、操作方便便于与其它技术集成浓缩液进料液渗透液第9页,共123页，2024年2月25日，星期天膜的分类第10页,共123页，2024年2月25日，星期天膜的适用范围分离对象的粒径分布第11页,共123页，2024年2月25日，星期天膜元件

第12页,共123页，2024年2月25日，星期天膜元件第13页,共123页，2024年2月25日，星期天膜分离的形式——错流过滤

终端过滤

污染严重错流过滤污染轻膜过程的一些术语第14页,共123页，2024年2月25日，星期天膜过程的一些术语错流过滤

第15页,共123页，2024年2月25日，星期天错流过滤的优点：(1)便于连续化操作过程中控制循环比；(2)流体流动平行于过滤表面，产生的表面剪切力带走膜表面的沉积物，防止污染层积累，使之处于动态平衡，从而有效地改善液体分离过程，使过滤操作可以在较长的时间内连续进行；(3)错流过滤所产生的流体剪切力和惯性举力能促进膜表面的溶质向流体主体的反向运动，提高了过滤速度。膜过程的一些术语第16页,共123页，2024年2月25日，星期天膜过程的一些术语通量：在一定操作条件下，单位时间通过单位面积膜的体积流量。单位L/m2.h选择性：将混合物总的组分分离开来的能力。1）液体分离的选择性常用截留率表示：

R＝1－Cp/Cf2）气体分离或有机溶剂混合物的分离常用分离因子表示选择性：

A/B＝(yA/yB)/(xA/xB)，其中y表示渗透侧各组分的浓度，x表示原料侧的浓度。当A/B等于1，表示无法实现分离目的，大于1表示A组分通过膜的速度大于B组分。第17页,共123页，2024年2月25日，星期天通量衰减系数m：由于过程的浓差极化、膜的压密、膜污染等的影响，使得通量随时间的变化膜过程的一些术语第18页,共123页，2024年2月25日，星期天膜过程的一些术语推动力：

1）对多孔膜而言，在对流流动的情况下，传质推动力是膜两侧的压力差。膜压降：P1-P2，是由于流体流动引起的。

2）对致密膜而言，推动力为膜两侧的化学势之差。P1P2P3P＝（P1＋P2）/2－P3第19页,共123页，2024年2月25日，星期天膜过程的一些术语浓差极化：在膜分离过程中，一部分溶质被截留，在膜表面及靠近膜表面区域的浓度越来越高，造成从膜表面到本体溶液之间产生浓度梯度，这一现象称为“浓差极化”。

1

2

3CfCm

Cp

浓差膜层渗透侧极化层极化层第20页,共123页，2024年2月25日，星期天传递阻力：1）膜阻Rm:与膜本身的结构有关，包含膜层到支撑层的传递阻力；2）浓差极化阻力Rc：由于被截留组分在膜面浓度的增大而引起的；3）推动力的损失：进料侧和渗透侧的压力损失；4）膜污染阻力：由于物料中的成分对膜产生吸附、堵塞、以及沉积等现象而引起的。膜过程的一些术语第21页,共123页，2024年2月25日，星期天Rm膜管本身阻力Ri膜孔内污染阻力Rg凝胶层阻力Rc浓差极化阻力膜污染膜污染阻力的概念模型

第22页,共123页，2024年2月25日，星期天膜过程的一些术语膜污染：指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生渗透通量与分离特性的不可逆变化现象。物理污染包括膜表面的沉积，膜孔内的阻塞，这与膜孔结构、膜表面的粗糙度、溶质的尺寸和形状等有关。化学污染包括膜表面和膜孔内的吸附，这与膜表面的电荷性、亲水性、吸附活性点及溶质的荷电性、亲水性、溶解度等有关。第23页,共123页，2024年2月25日，星期天膜的用途浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因此需要除去溶剂；（截留物为产物）纯化：除去杂质；分离：将混合物分成两种或多种目的产物；反应促进：把化学反应或生化反应的产物连续取出，能提高反应速率或提高产品质量。第24页,共123页，2024年2月25日，星期天膜的应用从20世纪初到20世纪90年代，膜技术基本已经从实验室步入工业化，并在水处理、食品工业、环境保护、化工与石油化工、电子、冶金、国防……等领域得到成功的应用。目前全球膜产业的规模超过百亿美元，正以年30％的速度递增着。第25页,共123页，2024年2月25日，星期天膜的应用膜海水淡化工业废水处理城市废水资源化天然气生物质利用能源水资源传统工业生态环境除尘CO2

控制制药食品化工与石化电子冶金燃料电池洁净燃烧第26页,共123页，2024年2月25日，星期天膜技术的工业应用工业领域应用举例金属工艺金属回收；污染控制；富氧燃烧

纺织及制革工业余热回收；药剂回收；污染控制造纸工业代替蒸馏；污染控制；纤维及药剂回收食品及生化工业净化；浓缩；消毒；代替蒸馏；副产品回收化学工业有机物除去或回收；污染控制；气体分离；药剂回收和再利用医药及保健人造器官；控制释放；血液分离；消毒；水净化水处理海水、苦咸水淡化；超纯水制备；电厂锅炉用水净化；废水处理国防工业舰艇淡水供应；战地医院污水净化；低放射性水处理；野战供水第27页,共123页，2024年2月25日，星期天膜技术用于生物质资源开发膜生物反应器技术取得间歇发酵可提高反应器效率15－80倍渗透汽化膜分离技术比传统共沸蒸馏节能60％生产装置总投资为传统分离方法总投资的40－80%

650kcal/l130kcal/l7wt%乙醇1380kcal/l42wt%乙醇93wt%乙醇99.8wt%乙醇980kcal/l350kcal/l(~90%ES)(~33%ES)纤维素发酵蒸馏蒸馏脱水透醇膜60wt%乙醇99.8wt%乙醇透水膜传统过程:发酵速率低、能耗大膜生物反应器：实现连续生产，降低操作成本第28页,共123页，2024年2月25日，星期天膜法海水淡化分离方法反渗透低温多效多级闪蒸能耗(kWh/m3)3.5>7>10国家或地区沙特中国长海中国长岛中国沧化设备能力m3/d568001000100018000原水含盐量mg/L43700350003400013000能耗kwh/m3754.52.75产水成本RMB/m34.886.695.131.83反渗透淡化厂的能耗及产水成本几种分离方法能耗比较第29页,共123页，2024年2月25日，星期天膜法海水淡化嵊泗1000吨/日反渗透海水淡化装置第30页,共123页，2024年2月25日，星期天膜法自来水厂巴黎瓦兹河梅里市14万立方米/天的纳滤厂，每天为巴黎附近50万居民提供14万吨饮用水第31页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－反渗透渗透与反渗透的区别：渗透是水通过半透膜，从低溶质浓度一侧到高溶质浓度一侧，直到两侧的水的化学位达到平衡。而反渗透是在推动力作用下，溶剂（水）从高溶质浓度一侧到低溶质浓度一侧，克服的是渗透压。渗透压的计算：理想水溶液渗透压＝RTCsi

实际溶液＝iRTCsi

Csi是溶质的浓度，mol/cm3第32页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－反渗透

半透膜纯水盐水纯水盐水纯水盐水hPA、渗透B、渗透平衡C、反渗透渗透、平衡渗透、反渗透示意图第33页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－反渗透一般而言，无机盐溶液的渗透压很高，含1g/l氯化钠的天然水，渗透压为0.07MPa，含35g/l氯化钠的海水，渗透压为2.5MPa。反渗透是以压力差为推动力的分离操作，其功能是截留离子物质而仅透过溶剂。反渗透不是渗透的逆过程，两者同样是在等温条件下溶剂从高化学位到低化学位的迁移过程。反渗透将料液分成两部分：透过膜的是含溶质很少的溶剂，称为渗透液；未透过膜的液体，溶质浓度增高，称为浓缩液。1784年AbbleNollet用猪膀胱作透过试验，发现渗透现象；1953年C.E.Reid提出用反渗透法淡化海水的方案；1960年Loeb和S.Sourirajan制成第一张非对称结构的醋酸纤维素膜，反渗透技术进入实用化阶段。反渗透过程可以分为三类：高压反渗透（5.6~10.5MPa），低压反渗透（1.0~4.2MPa），纳滤（0.3~1.0MPa）。第34页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－反渗透分离机理反渗透膜上的微孔孔径约为2nm，而无机盐离子的直径仅为0.1~0.3nm，水合离子的直径为0.3~0.6nm，明显小于孔径，无法用分子筛分原理来解释分离现象。S.Sourirajan提出了优先吸附－毛细管流动模型来解释非荷电膜的分离；荷电膜分离机理着重考虑的是膜与分离对象之间的Donnan效应。溶解－扩散模型：膜是无孔的“完整的膜”第35页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－反渗透膜低压渗透侧Jw=水通量Cw=渗透液溶质浓度Qp＝渗透流量＝Jw×ACr＝截留液中溶质浓度Qr＝截留液流量高压侧

p-＝膜的推动力Cb＝主体溶质浓度Cm＝膜面溶质浓度供料截留液渗透液Qi=进料流量Ci=溶质浓度反渗透过程示意图反渗透过程用三个参数来评价：R＝表观截留率＝1-Cw/CiJw=渗透通量＝单位面积上的渗透流量r＝回收率间歇系统：r=JwAt/V连续系统：r=JwA/Qi第36页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－反渗透反渗透膜：高操作压力：3－10MPa；要求膜必须有高透水率，高脱盐率；耐一定的酸碱、耐微生物、耐压密；必须满足工艺要求、性质稳定，能长期使用。形状：平板膜、管式膜、卷式膜、中空纤维膜主要膜材料：醋酸纤维素、芳香聚酰胺、聚砜膜组件反渗透过程的经济性和应用性，取决于各种廉价的反渗透膜组件。主要有：管式、板式、中空纤维、卷式卷式组件的销售占反渗透市场总量的70％，中空纤维组件占26％，管式、板框组件的销售量较小。组件必须满足：1）机械强度：必须承受高压，及周期性的减压与膜清洗；2）水力性能好：组件设计必须使膜的污染和浓差极化最小；3）经济性：组件寿命必须长；4）制造费用低，易于替换。第37页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－反渗透第38页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－反渗透第39页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－反渗透第40页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－反渗透过程设计1、原则：设计变量：组件的流体力学和流速、水的特性（溶质浓度和扩散性、渗透压、粘度等）、操作压力、水回收率、污染指数。设计过程中应考虑因素：1）溶液变量：悬浮固体、可溶性无机物、微生物、可溶性有机物、有机溶剂、氧化性化学试剂、温度、pH2）最低预处理要求SDI<53）膜的变量：膜材料和组件形式、组件中的流速、压力降、说回收率和浓度、最小运行通量和最大通量、组件排列、清洗要求4）膜与其他过程的结合；5）膜的性能随长期运行会发生变化，随时间的延长，通量和脱盐率发生明显的变化，一般膜的寿命3～5年；第41页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－反渗透2、料液预处理每个反渗透系统都包含了一定程度的供料预处理系统。其目的为：延长膜的寿命、防止膜污染、保持系统的去除率和回收率。与预处理相关的投资成本和操作费用占总生产成本的50％。预处理程度取决于：膜组件的类型、料液组成、系统要求达到的性能。预处理的方法：1）防止化学损伤膜的预处理供给水的氯浓度和pH会对膜产生化学损伤。聚酰胺类膜不耐氯，醋酸纤维素特别要控制pH，在pH<4,pH>7的条件下水解特别快。脱氯常用方法：a、用NaHSO3处理；b、炭过滤c、用SO2气体处理。pH的调整一般用H2SO4或NaOH第42页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－反渗透第43页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－反渗透脱盐装置的共同单元：供给水吸入系统预处理系统反渗透膜产品水后处理动力回收系统水源供水泵预处理系统高压泵反渗透膜单元后处理系统分配汽提、消毒能量回收系统浓液排放典型脱盐系统单元可降低能耗25～40％冲击式水轮泵反转泵第44页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－反渗透海水氯气FeClSO4阳离子聚电介质搅拌槽絮凝槽重力过滤器活性炭过滤器氯气0.5m筒式过滤器阻垢剂

加酸（H2SO4）去膜组件海水淡化预处理系统0.5m筒式过滤器去膜组件深进水加酸阻垢剂软化水处理中的预处理第45页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－反渗透浓缩液4段渗透液3段渗透液1段渗透液2段渗透液产品水高水回收率的反渗透级联工艺第46页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－反渗透应用1、海水和苦咸水淡化2、废水和有害废水的处理工业废水市政废水3、化学加工工业的应用电镀和金属抛光工业造纸工业纺织工业石油工业电力工业4、食品加工工业的应用水处理产品回收浓缩和脱水分馏5、地下水和地表水的处理6、纳滤的应用废水处理产品脱盐浓缩第47页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－反渗透反渗透过程已成功使用30多年，据统计，在全世界所有淡化过程生产11.5×106m3/d的饮用水中，反渗透占23.4%。优点：能耗和投资运行费用低，占地小，设备腐蚀轻，易建造、操作、维修，建厂时间短。海水淡化在沙特至少有6套，产水2300～57000m3/d，苦咸水淡化13套，3500～53000m3/d。第48页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－反渗透第49页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－反渗透第50页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－超滤定义超滤膜是按分子大小而去除的压力推动膜过程。一般孔径为2~50nm，能够截留分子量300~500000道尔顿的物质。一般物质的大小相差10倍时，分离效果最佳。所能除去的物质包括糖、生物分子、高分子聚合物、胶体物质。超滤的一般操作压力为2~5bar。切割分子量（MWCO）：

膜具有90%以上截留率的最小分子量物质。锐截留孔径分布窄，散截留孔径分布宽。同分子量的不同溶质分子，如球形蛋白（白蛋白）、带支链的多糖（葡聚糖）、线性柔性分子（聚乙二醇），会表现出不同的截留性质。有关分子量与分子大小、截留分子量与膜孔径之间的关系报道不多。缺点：不能获得膜结构性能的定量数据；测定结果的影响因素多，测定结果不唯一。第51页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－超滤操作压力0渗透通量纯溶剂高流速料液低流速料液AA通量与操作压力之间的关系膜严重污染分离机理膜对溶质的截留作用是由于：在膜表面及微孔内的吸附（一次吸附）、在膜孔中的停留（阻塞）、在膜表面的机械截留（筛分）。其中一次吸附和阻塞是与膜与溶质之间的相互作用、溶质浓度、操作条件有很大关系的。就膜本身而言还是筛分作用为主。第52页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－超滤0时间渗透通量溶剂浓差极化控制严重污染渗透通量随时间的变化将超滤过程分成三个阶段：

最初几秒种：形成准稳定态浓度极化层；

1~10min：溶质吸附；长时间：凝胶截留率随污染而提高通常归于膜面胶体层的筛分作用和毛细孔径减小。增加压力即增加截留率，原因是克服渗透压或凝胶层的压密作用。pH通常影响吸附过程从而影响渗透通量。第53页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－超滤超滤膜及组件常用超滤膜材料聚合物：聚砜、聚醚砜、醋酸纤维素、再生纤维素、聚酰胺、聚片氟乙烯、聚丙烯腈无机材料：氧化铝、氧化锆、氧化钛、硼硅玻璃、热解碳、锆/不锈钢、锆/碳卷式组件：疏松－缠绕组件、清洁流道网（标准螺旋式组件）板框式组件：料液侧压力5～20bar，流道为0.6mm的能耗比0.3mm的能耗高20～40％；中空纤维：0.5~2.5mm，其内径必须是需过滤系统中最大粒径的10倍；陶瓷膜：蜂窝状组件，单管组件，圆盘式组件。第54页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－超滤第55页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－超滤第56页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－超滤膜组件第57页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－超滤膜污染及清洗的方法

根据污染物的化学性质，开发清洗剂；确定清洗方法：低压高速清洗、脉冲清洗、化学清洗等清洗剂：表面活性剂、酸、碱、氧化剂、络合剂等

用草酸、柠檬酸或EDTA等配制的清洗液可以从膜上除去金属氧化物沉淀；加酶洗涤剂对有机物，特别是蛋白质、多糖类和油脂类污染物有较好的清洗效果。双氧水溶液对有机物也有良好的洗涤效果。如果在膜的微孔中有胶体堵塞，则可以利用分离效率极差的物质，如尿素、硼酸、醇等作清洗剂，这些物质易于渗入细孔而达到清洗的目的。第58页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－超滤操作方式批式浓缩：全循环、部分循环供料－排放全过滤供料槽供料泵调节阀渗透液全循环V0C0=VtCt+A

0tJ(t)Cp(t)dtRi=1-Cp/CrVCF=V0/VrCr=C0(VCF)Ri第59页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－超滤

供料槽供料泵调节阀部分循环渗透液循环泵1、全循环设备简单，一般在试验研究中采用，泵的费用高；2、部分循环的供料泵提供操作压力（小流量，高扬程），循环泵提供膜面流速（大流量，低扬程）排放供料槽渗透液R1R2P2P1两级连续操作方式Qn-1=An-1Jn-1+Qn供料－排放第60页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－超滤应用牛奶中的应用：牛奶脱脂、蛋白预浓缩、降低乳糖含量果汁澄清：替代离心过滤、果胶酶处理、用硅藻土预涂地真空过滤等，果汁产量高。发酵液处理：回收抗生素等排放液处理：造纸工业回收磺化木质素、脱油、脱脂等。第61页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－超滤头苞霉素C的回收石油化学和食品工业的萃取过程，用超滤回收溶剂；例如从重碳氢化合物中分离低碳氢化合物；在天然产品和医药用产品的潜在应用是将产品生产和超滤分离相结合；如将超滤与酶糖化作用结合，生产葡萄糖。与化学络合反应结合，生产生物活性物质。发酵液MFUFRO低TDS渗透液HPLC纯化的抗生素蛋白质、色素去除细胞收集MF：0.2微米UF：1万分子量RO：聚酰胺反渗透膜第62页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－超滤过程的经济性：膜组件和有关设备的成本费；膜组件替换费；化学清洗剂费；能量使用费；劳力费；折旧费。第63页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－超滤第64页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－微滤微滤：当压力推动流体透过膜或其他过滤介质，从流体中分离微米大小的粒子时，这个过程为微滤。孔径：0.05~10m；渗透压可以忽略，推动力为0.1~5bar表面过滤：粒子的尺寸比过滤介质的尺寸大，粒子以其几何形状被阻挡，不能进入和通过膜，这种筛滤机理称为表面过滤。深度过滤：粒子的尺寸比过滤介质的尺寸小，粒子能进入过滤介质，并粘附在其上，被除去。第65页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－微滤

错流过滤与常规微过滤常规微滤是指渗透液受压而垂直通过过滤介质，所有大于孔径的粒子被截留。表面过滤和深度过滤膜堆积层时间时间常规过滤错流过滤滤饼厚度通量第66页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－微滤膜及系统1、膜膜材料：有机物、聚合物、陶瓷膜结构：均质、不对称、复合膜制作方法：相转化法、粒子烧结、示踪蚀刻形状：平板、中空纤维、管式和多通道支撑膜和非支撑膜疏水膜和亲水膜表面电荷：带电荷和不带电荷的膜第67页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－微滤2、膜的性能特征截留率渗透率废物处置量和产量耐化学性表面能和润湿行为温度极限机械强度清洗性吸收性第68页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－微滤3、过滤系统设计中还需提出的关键问题：a、需要达到的要求：料液是否要澄清、残留液是否回收？B、能够达到设计目标的竞争技术是什么？C、完成这一分离的可预见的附加值？D、对于大于某一尺寸的悬浮物是否需要进行绝对分离？E、产品质量和过程的可靠性的定位问题？F、产量大小及运行时间？G、安装和操作系统的投资限制情况？第69页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－微滤终端微滤的应用1、制药溶液的消毒2、饮料的澄清60年代初，聚合物膜在啤酒业得以应用，90％以上应用于啤酒、果汁饮料、矿泉水等过程中。3、半导体生产工业中液体的纯化气体过滤器：去除气体中的微粒和胶体、菌体等超纯水生产中预处理和最终供水4、选择性分析应用消毒过滤的目的：a、最终消毒，即热敏感制药产品细菌的总去除；B、降低细菌含量，以保持注射液组分中热源的低含量；c、去除注射液中无机和有机粒子，去除在加工过程中产生的带悬浮粒子的气体。可应用的领域：1）一般服务：注射用水、气体、蒸汽的除菌；2）合成非经肠道药；第70页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－微滤3）眼药水；4）发酵产品：抗生素、疫苗、生物工程蛋白质；5）血浆和血清的处理。过滤器选择的标准第71页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－微滤第72页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－微滤第73页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－微滤第74页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－微滤第75页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－微滤生物方面的主要应用液相澄清：抗生素发酵液的澄清、溶菌液的澄清、蛋白质液澄清、酵母溶菌液澄清固相回收：连续培养发酵的细胞回收、菌细胞的收获和冲洗、网状菌丝体的浓缩、酵母浓缩抗生素的澄清陶瓷膜过滤：膜面流速2.5~4m/s,操作压力3~5bar,回收率大于95%。过滤纯化最终产品分离典型分离过程MF离心硅藻土过滤离子交换吸附溶剂萃取等电沉淀液液萃取分级沉淀色谱分离结晶喷雾干燥冷冻干燥发酵产物的下游处理分离第76页,共123页，2024年2月25日，星期天典型膜应用过程－微滤第77页,共123页，2024年2月25日，星期天无机膜简介：发展

无机膜的研究始于1940年，到目前经历了三个阶段：1、第一阶段始于二战时期的Manhattan计划，当时采用多孔陶瓷材料进行铀同位素的分离富集。随着激光技术的出现，采用无机膜富集铀已不具备技术上的优势，所以其逐渐退出了这一领域的竞争。（气体扩散分离阶段、军工阶段）2、自80年代，无机膜进入工业应用领域，相继开发出工业用无机微滤膜和无机超滤膜及其组件，代替高分子膜在其无法使用的苛刻条件下使用。2004年市场将达到100亿美元。（进入了民用工业的快速发展阶段）3、进入90年代，由于无机膜优异的性能及材料科学的发展，新的膜材料、新的制膜技术日益得到发展。此后进入了膜反应研究的高速发展期。第78页,共123页，2024年2月25日，星期天无机膜简介：特点

与有机膜相比1、耐高温：无机膜的使用温度可高于400℃，甚至可达800℃，因此特别适合于高温操作产物的直接分离或人为提高温度，以用于高粘度流体的分离；另外用于食品和生物工程领域时可直接高温蒸汽清洗和灭菌。2、化学稳定性好：无机膜能耐酸碱、耐有机溶剂，适用于较宽的pH范围，因此可在强腐蚀性介质中使用，并可采用化学试剂进行清洗；另外无机膜可用于非水溶液体系的分离。3、机械强度高：无机膜特别是分离膜一般以载体膜形式制备，其机械强度远高于有机膜，因此可在较高压力下使用，膜组件及膜微孔不会产生变形和损坏；还可以高压反冲进行再生。4、抗微生物能力强：一般不与微生物发生作用，本身无毒，不污染被分离体系，因此用于食品、生化领域有独特的优势。5、无机膜具有孔径分布范围较窄、分离效率。6、缺点：造价较高，装填面积较小，运行费用偏高第79页,共123页，2024年2月25日，星期天无机膜简介：特点平均孔径：100nm50nm20nm陶瓷膜的孔径分布图第80页,共123页，2024年2月25日，星期天无机膜简介：分类与现状无机膜粗孔膜>50nm微孔膜<2nm致密膜微滤膜超滤膜纳滤膜渗透蒸发膜反渗透膜气体分离膜金属及其合金膜致密陶瓷膜多孔膜中孔膜2~50nm无机膜集成过程第81页,共123页，2024年2月25日，星期天陶瓷膜在液相分离领域的应用现状在食品工业中的应用：始于1980年，主要集中在奶制品、酒类、果汁饮料、调味品等料液的澄清、浓缩除菌。

在环保行业中的应用：以废水、废液的处理为主，主要用于含油废水的处理以及化工、石油化工中生产废液处理，其目标是回收水中有用成分，使处理后的水循环利用或达标排放。在生物与制药工业中的应用：这是一个新的增长点，主要涉及下游细胞回收、发酵液澄清、产品净化等诸多方面，另外酶膜反应器、膜传感器等也是研究热点。第82页,共123页，2024年2月25日，星期天在食品工业中的应用在牛奶工业中的应用牛奶的微滤除菌、乳清浓缩、酸奶处理等果汁生产中的应用

主要在苹果汁、猕猴桃汁等生产中已实现工业应用。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。第83页,共123页，2024年2月25日，星期天在牛奶工业中的应用牛奶MFUFRO脂肪和细菌脱脂牛奶UF截留物UF渗透物RO浓縮物水高脂奶油饮料生产奶酪特殊奶制品全蛋白乳糖生产发酵食品和非食品生产蒸发干燥全奶粉奶罐运输特殊奶品第84页,共123页，2024年2月25日，星期天脱脂奶200m3/d固含量9.2％蛋白质3.6％乳糖4.7%灰份0.7％预处理UF渗透液167m3/d乳糖4.7％灰份0.7％RO渗透液122m3/dBOD<500g/m3排放阴沟浓缩液45m3/d乳糖17.4%灰份2.6%动物饲料浓缩液33m3/d固含量28.7％蛋白质21.2%乳糖4.7%灰份0.7％奶酪前体46T/d固含量42%添加剂奶油酵母凝乳素青霉素奶酪生产奶酪40T/d固含量47.5%蛋白质16.9%UF巴氏杀菌脱脂乳生产奶酪在牛奶工业中的应用第85页,共123页，2024年2月25日，星期天原奶MF脱脂奶UF混合巴氏杀菌均相化PROCAL奶饮料奶油渗透液超滤法生产饮料奶在牛奶工业中的应用第86页,共123页，2024年2月25日，星期天乳清MF澄清乳清UFUF渗透物RONFEDEDNFRO乳清蛋白浓縮物蛋白质分级膜生物反应器肽浓縮乳糖膜生物反应器燃料化学物质脂肪、酪蛋白脱盐乳清浓縮乳清各种乳清蛋白乳清处理水在牛奶工业中的应用第87页,共123页，2024年2月25日，星期天果汁生产中的应用第88页,共123页，2024年2月25日，星期天果汁生产中的应用第89页,共123页，2024年2月25日，星期天苹果汁生产

装置膜面积：220m2

处理量：17m3/h

全自动控制

运行通量优于国外装置

产品质量优于国外装置

果汁厂陶瓷膜工程第90页,共123页，2024年2月25日，星期天在酿酒工业中的应用葡萄果浆榨汁未发酵葡萄汁微滤－1挤压葡萄汁发酵生酒微滤－2准备上市的酒葡萄果浆榨汁未发酵葡萄汁挤压作用（亚硫酸盐处理，冷冻，离心）挤压葡萄汁发酵生酒澄清（整理，过滤）化学稳定作用：冷冻生物稳定作用：巴氏杀菌装瓶准备上市的酒A：传统工艺

B：膜工艺传统葡萄酒工艺与膜技术过滤工艺比较第91页,共123页，2024年2月25日，星期天在酿酒工业中的应用未滤啤酒离心沉降预澄清发酵硅藻土过滤板框过滤终端过滤器灭菌过滤器发酵未滤啤酒离心沉降预澄清错流微滤制成无菌滤液啤酒过滤第92页,共123页，2024年2月25日，星期天在环保工业中的应用在含油废水处理中的应用油田回注水、金属表面切削液、冷轧乳化液、清洗液废水等在化工及石化废水处理中的应用

主要用于回收化工废水中的贵重金属及其氧化物等。在其它工业废水处理中的应用

造纸工业的黑水和白水处理、纺织废水中PVA回收等。第93页,共123页，2024年2月25日，星期天上海宝钢集团公司冷轧线设备处理能力为：6万m3/年，油截留率大于99.9％，水回用率大于90％，回收油120吨/年第94页,共123页，2024年2月25日，星期天设备折旧费用（元）3.3918能耗费用

（元）1.559人工费用

（元）0.691.4维修

（元）0.271.0清洗剂费用（元）0.224.0油回收费（元）－2.25－2.25水回收费（元）－0.90(水质不稳定)项目国产陶瓷膜（元/m3)进口有机膜（元/m3)总费用

（元）2.9731.15说明1：年处理10万吨冷轧乳化液废水设备，采用国产陶瓷膜300万元人民币（武钢），进口有机膜设备200万美元（宝钢，1988年），成本仅是其1/10。

2：有关数据来源于上海宝钢集团设计院。钢铁冷轧乳化液废水处理回用技术第95页,共123页，2024年2月25日，星期天在生化与制药工业中的应用在发酵液除菌中的应用乳酸、核酸、青霉素G等提取在中成药生产中的应用

主要用于替代醇沉工艺，除去煎煮液中的杂质，研究处于起步阶段等。在血浆分离中的应用

已被证实是可行的方法，但国内尚未开展研究。第96页,共123页，2024年2月25日，星期天膜技术用于中药精制陶瓷膜的优势：1、煎煮液无需冷却可直接过滤，减少生产环节；2、膜的再生方便，除菌彻底,膜本身可直接高温灭菌；3、无论中药水提液性质如何,对膜本身没有影响；4、对中药有效成份基本无截留；5、口服液生产，放置时间显著延长，无瓶底沉淀物；6、制片剂或粉剂时，赋型剂用量比醇沉法减少1/3；7、对水提液和醇提液均可适用；8、对单方和复方中药均可适用。第97页,共123页，2024年2月25日，星期天

膜技术用于中药精制传统中药精致工艺(醇沉法)。工艺复杂，成本高、生产周期长，水溶性有效成分损失大洗净蒸发煎煮除杂醇沉乙醇回收蒸发浓缩膜过滤膜浓缩产品保留率(％)氧化苦参碱苦参总黄酮醇沉66.0254.77微滤79.7277.23注：中药苦参水醇沉与微滤比较第98页,共123页，2024年2月25日，星期天陶瓷分离膜取代醇沉过程的中药提取新工艺

黄芪单方微滤与醇沉之成分损失率、固形物去除率、浊度降低率比较样品号样品成分损失率（%）固形物去除率（%）浊度降低率（%）A原液———B140%醇沉64.527.194.0B250%醇沉67.120.997.4B360%醇沉67.728.698.0B470%醇沉50.530.398.1B580%醇沉57.738.598.6C1800nm滤液17.14.787.6C2200nm滤液25.914.495.1C350nm滤液50.412.096.01.经醇沉及膜分离，目标成分含量均有下降；2.膜过滤后目标成分损失明显低于醇沉工艺。3.提高收率的方法

a.多次醇沉

b.加水洗涤过滤4.膜过程的优化尤为重要

第99页,共123页，2024年2月25日，星期天陶瓷分离膜取代醇沉过程的中药提取新工艺

糖可清实验A:糖渴清复方A组水提液B:糖渴清复方B组水提液C:中药金刚藤水提液0.2um对三种不同中药体系的渗透性能比较

第100页,共123页，2024年2月25日，星期天陶瓷分离膜取代醇沉过程的中药提取新工艺

糖可清中试实验11味单方药材A组根茎类B组叶果实类煎煮液188.8kg煎煮液193kgMF残留液渗透液加水渗析MF残留液渗透液加水渗析后续加工成药第101页,共123页，2024年2月25日，星期天陶瓷分离膜取代醇沉过程的中药提取新工艺

糖可清中试实验陶瓷膜处理量：250l/h实验膜运行时间：1.5小时膜孔径：0.2微米，氧化锆材质批次：2次总黄酮收率：95.4%

固含物去除率：A组：23.4%，B组：32.6%

第102页,共123页，2024年2月25日，星期天陶瓷分离膜取代醇沉过程的中药提取新工艺

与醇沉工艺比较检测目标0.2MF50%醇沉浊度(NTU)<0.826.3固含量％0.3120.393生产周期短长成分收率>90%<80%第103页,共123页，2024年2月25日，星期天新药进入临床阶段

建立了“糖渴清”单方和复方的中试（500T/a）装置，糖渴清”获得国家新药临床批件，成为首例采用陶瓷膜新技术制备的国家级新药第104页,共123页，2024年2月25日，星期天膜技术在植物提取工艺中的应用传统植物提取液分离工艺的三大问题：

以高原料消耗获取目标组分分离；以高能耗获取溶剂回收和目标组分浓缩；以环境污染代价获取经济效益

第105页,共123页，2024年2月25日，星期天经过陶瓷膜工艺处理后，物料的浊度有了明显的下降膜集成过程的研究－陶瓷膜分离（洋姜）操作压差、膜面流速、操作温度对渗透通量的影响

洋姜水提液的膜过滤液物性变化样品浊度/NTU糖度/Bix固含量/％水提原液>360－16.0MF渗透液0.915.812.4第106页,共123页，2024年2月25日，星期天渗透液母液3次洗脱后（加水量为原液的1/3），母液糖度降低了约30％，表明母液中的单糖已得到了脱除（>95%）；电导率下降了约79％；纳滤工艺具备脱除单糖、脱盐、浓缩三重功能。膜集成过程的研究－纳滤膜分离（洋姜）溶液糖度和电导率随操作时间的变化

固含量浓缩液/%渗透液/%原料

12.4—加水批次019.81.75119.51.16218.90.974318.40.864第107页,共123页，2024年2月25日，星期天膜集成过程的研究根据实验考察以及过程优化的结果，设计了4m3/hr膜集成工艺，包括陶瓷膜、纳滤膜和反渗透膜等分离技术。第108页,共123页，2024年2月25日，星期天陶瓷膜分离、纳滤、反渗透集成新工艺的处理量达12000吨/年洋姜提取膜工艺第109页,共123页，2024年2月25日，星期天膜技术在生物与制药工业中的应用

微生物发酵在生化行业中具有举足轻重的地位,终产物都是在发酵中形成。但发酵过程中存在许多制约因素，就分离而言，原料的预处理中除去蛋白，发酵中及时分离微生物代谢产物，发酵终了后所要求组分从发酵液中的分离、其它组分的回收利用，以及发酵废液的处理，都是发酵过程要解决的问题。涉及下游细胞回收、发酵液澄清、产品净化等诸多方面，另外酶膜反应器、膜传感器等也是研究热点。第110页,共123页，2024年2月25日，星期天膜技术在生物与制药工业中的应用生化产品的特点1、目的产物在初始物料中的含量低2、初始物料成分相当复杂3、生物活性物质稳定性差，易失活、降解4、产品种类繁多5、应用面广，对纯度和含量要求高第111页,共123页，2024年2月25日，星期天膜技术在生物与制药工业中的应用采用膜分离的优势：1、条件温和，能保持生物活性2、选择性好，分离系数高3、活性产物的量和具有较高的收率4、分离步骤明显减少5、分离快速，生产能力显著提高第112页,共123页，2024年2月25日，星期天膜技术在生物与制药工业中的应用膜分离的主要应用：发酵液澄清细胞分离与收集酶、蛋白质等大分子物质的浓