制药工程原理与设备-03分离工程基础与设备8(膜分离)

1、一 基本概念 二 膜过程的一些术语 三 各种膜分离方法 四 膜材料的要求 五 膜材料的种类 六 膜结构特征 七 膜组件 八 影响膜通量的因素 九 超滤操作方式 十 膜的污染和清洗 十一 膜技术的应用,一 基本概念,1. 膜的定义 从广义上讲膜是两相之间的一个不连续区间。可以是气相、液相或固相。 目前用得较多的是固膜，如聚合物膜、无机膜等。,2. 膜过程的基本特征,膜技术的主要优点： 1、可实现连续分离； 2、膜分离一般不涉及相变，因此能耗通常较低； 3、易与其它分离过程结合（联合过程） 4、分离条件温和； 5、膜的性能可以调节； 6、膜分离不需要添加物，有利于后处理。 7、操作方便，结构紧凑，

2、维修成本低，易于自动化； 8、工程化时，易于放大；,2. 膜过程的基本特征,主要缺点： 1.膜过程产生浓差极化和凝胶极化； 2.膜污染； 3.膜寿命有限； .部分膜选择性较低； .膜的稳定性、耐药性、耐热性、耐溶剂等能力有限，故使用范围有限。,. 膜的分类,按来源分类：天然膜、合成膜； 按膜的结构分类：多孔膜、均质膜、非对称膜、复合膜、荷电膜、液膜； 按膜的用途分类：分离膜、反应膜； 按膜的作用机理分类：吸附性膜、扩散性膜、离子交换膜、选择渗透膜和非选择性膜。 按膜的形态分类：平板膜、管式膜、中空纤维膜,. 膜的分类,以推动力的过程分类 以浓度差为推动力的过程：A、渗析技术(Dialysis，

3、 DS) 以电场力为推动力的过程：A、电渗析，B、离子交换电渗析 以静压力差为推动力的过程：A、微滤(microfiltration)，B、超滤(untrafiltration)，C、反渗透(reverse osmosis) 以蒸气压差为推动力的过程：A、渗透气化(pervaporation， PV) 以分离应用领域过程分类 微滤(micro-filtration， MF) 超滤(untra-filtration， UF) 反渗透(reverse osmosis， RO) 透析(Dialysis， DS) 电透析(electro-dialysis， ED) 纳米膜分离(Selective， R

4、O) 亲和过滤(affinity filtration， AF) 渗透气化(pervaporation，PV),. 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。,二 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： R1Cp/Cf 2）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/

5、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/B1，表示无法实现分离目的; A/B1表示A组分通过膜的速度大于B组分。,膜过程的一些术语,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,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。,P1,P2,P3,P（P1P2）/2P3,膜过程的一些术语,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

6、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,浓差极化：在膜分离过程中，由于推动力的作用，迫使溶液中的所有组分都趋向透过膜，其中某些组分基本上可以畅通无阻的全部通过，但是对某些组分来说，由于膜的截留作用，使其绝大部分无法通过而被截留，于是在膜表面及靠近膜表面区域中的被截留物质的浓度越来越高，造成从膜表面到主体溶液之间的浓度梯度。在浓度梯度作用下，被截留物质从膜表面向主体溶液扩散，从而形成边界层。当被截留物质向膜表面的流动速度与浓度梯度使被截留物质向

7、主体溶液扩散速度达到平衡时，在膜表面附近就形成了一个稳定的浓度梯度区，这一区域就称为浓度极化边界层，这一现象就被称为“浓差极化”。,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。,膜过程的一些术语,错流过滤,膜过程的一些术语,操作条件

8、 ： 温度 压力 膜面流速 浓度,膜过程的一些术语,反冲过程： 是指周期性采用气体、液体等为反冲介质，使膜管在与过滤相反的方向受到短暂的反向压力作用，从而迫使膜表面及孔内的颗粒返回截留液中，并且可以破坏膜表面凝胶层和浓差极化层，使通量明显提高 。,膜过程的一些术语,对称膜与非对称膜,三 各种膜分离方法,1. 膜分离类型与粒径对应关系 膜分离法与物质大小(直径)的关系。,2 微滤（MF）,原理：筛分，同一般过滤有很大重叠。 操作：同一般过滤。膜两侧的渗透压可忽略，操作压在0.05-0.5Mpa。 用途：除去0.1um10um的颗粒，用于细胞、细菌、细胞器的分离。 透过流通量Jv(kg m-2 s

9、-1)计算： Carman-Kozeny方程 ：膜的孔隙率，：滤液黏度，K：为与孔道结构有关的无因次常数，S0为孔道比表面积。 意义： Jv与压力差p成正比，与滤液的黏度成反比，这是分析微滤过程的理论基础。,3 超滤（UF）,原理：筛分 操作：一般采用切向流体，以减少固相沉积。膜两侧的渗透压很小，操作压在0.1-1.0MPa。 应用：A、高分子溶质之间，以及高分子与小分子溶质之间的分离；B、Pro浓缩，C、病毒的分离和富积，C、回收细胞，处理胶体悬浮液。 计算： Carman-Kozeny方程 优点：A、消除了滤饼的阻力，过滤效率高；B、超滤回收率高；C、滤液的质量好；D、减少处理步骤,4 反

10、渗透（RO）,渗透压差 条件：极稀溶液。 意义： 透过液溶质浓度(c2p)方程： v1为溶剂水的摩尔体积(m3/mol)；aA和aB分别为A、B两侧溶剂的活度；为膜两侧的渗透压差; c2为溶质在膜两侧浓度差；p为膜两侧压力差；L solute和Lsolvent分别为溶质和溶剂在膜中的渗透系数。 意义：,4 反渗透（RO）,意义： A、膜的选择性。 B、压力的选择性。透过液中溶质的浓度越低需要的压力越高。因此，提高反渗透的压力有利于实现溶质的高度浓缩，或提高海水淡化质量。 应用： A、海水淡化， B、超纯水制备， C、抗生素和氨基酸等浓缩， D、回收有机溶剂，如乙醇、丁醇和丙醇等。,5 透析（D

11、S）,原理：浓差扩散 操作： 用途： A、人工肾，腹膜透析； B、样品脱电解质； C、浓缩富积； D、气体分离(利用透析袋对不同气体的通透性) 优点： A、方法和设备简单，价格低廉； B、实验室最常用的样品脱盐方法 缺点： A、透析的速度缓慢； B、溶质稀释。,6 电透析（ED）,电透析(Electro-dialysis, ED) 原理：在透析的基础上加上直流电，极大加快离子的透析速度。 操作： 用途：样品快速脱盐。 优点： A、设备简单， B、透析速度极快（提高几十倍）， C、电流直接指示电透析终点， D、减轻溶质的稀释。 终点判断： A、Cl- + Ag+ = AgCl ; B、电导恒定.

12、,7 离子交换电渗析（IEED）,机理：透析膜经化学处理后带有正电荷(如季铵基N+R3)或负电荷基团如(磺酸基SO-3)。 操作：几百对 用途：A、海水淡化，B、苦水淡化，C、血浆、IgG、其他蛋白质的分离，D、氨基酸和有机酸分离纯化。 优点：可大规模生产 缺点：能耗高,8 渗透气化（PV）,原理： 由于膜的选择性，渗透气化法依据溶剂与溶质，或溶质之间透过膜的速度相互不同，使混合物得到分离。膜与溶质的相互作用决定着溶质的渗透速度，根据相似相溶的原理，疏水性较大的溶质易溶于疏水膜，因此渗透速度高，在渗透的一侧得到浓缩。气化所需要的潜热用外部热源供给。,渗透气化的特点,优点: 1、单级选择性好是渗

13、透气化的最大特点。从理论上讲，渗透气化的分离度是无限的，适合分离沸点相近的物质，尤其是恒沸物的分离，对于回收含量低的溶剂也是一种好方法。 2、过程操作简单，易于掌握，只有部分相变，故能耗较低。 3、由于操作中进料侧原则上不须加压，所以不会导致膜的压密，渗透率不会随时间的延长而下降；并且在操作过程中形成的膜的溶胀活性层将会自动转化为非对称膜，对膜的透过率和使用寿命有益。 4、与反渗透相比，渗透气化过程中溶质发生相变，透过侧溶质以气体状态存在，因此消除了渗透压的作用，从而使渗透气化的操作压较低，适合于高浓度混合物的分离。 缺点: 与反渗透等过程相比，渗透蒸发的通量要小得多，一般在200g/(m2

14、h)以下，而且高选择性的渗透蒸发膜，通量往往在100g/(m2 h)左右。,渗透气化的应用,A、有机物-有机物的分离 a、芳烃与脂肪族化合物的分离，如苯-环己烷的分离； b、不同脂肪族化合物的分离，如异葵烷与环己烷的分离； c、直链烷烃与烯烃的分离，如戊烷与戊烯的分离； d、从碳氢化合物中分离出含氯的碳氢化合物，如环己烷与氯仿的分离； e、异构化合物之间的分离，如三种二甲苯之间的分离等。 应用优势： PV在分离有机物是非常有用的，因PV破坏了共沸混合物或挥发度差异小带来的干扰，分离因素取决于膜和化合物的性质。,渗透气化的应用,B、从水溶液中脱除有机物： 如从啤酒和酒中脱除乙醇，最终使乙醇浓度降

15、低到0.7%以下，目前最低可达0.1%。这种低酒精的啤酒的风味及高分子成分。病人司机用。,渗透气化的应用,C、从有机物中脱除水分: 如水-乙醇体系脱水制无水酒精,四 膜材料的要求,膜分离过程中，对膜材料有如下要求： A、起过滤作用的有效膜厚度小，超滤和微滤的孔隙率高，过滤阻力小； B、不吸附被分离物质，从而膜不易污染和堵塞； C、使用的pH和温度范围广，耐高温灭菌，耐酸碱清洗，稳定性高 D、使用寿命长：经济； E、易通过清洗恢复透过性能； F、适应性广：满足实现分离的各种要求，如对菌体细胞的截留，对生物大分子的通透性或截留作用。,五 膜材料的种类,1.天然高分子材料 种类：纤维素衍生物，如醋酸

16、纤维、硝酸纤维和再生纤维 优点：醋酸纤维的阻盐能力最强，常用于反渗透膜，也可作超滤膜和微滤膜；再生纤维素可用于制造透析膜和微滤膜。 缺点：醋酸纤维膜最高使用温度和pH范围有限，在45-50，pH3-8。 2.合成高分子材料 种类：聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯晴、聚烯类和含氟聚合物，其中，聚砜最常用，用于制造超滤膜。 优点：耐高温(70-80，可达125)，pH1-13，耐氯能力强，可调节的孔径宽(1-20nm)；聚酰胺膜的耐压较高，对温度和pH稳定性高，寿命长，常用于反渗透。 缺点：但聚砜的耐压差，压力极限在0.5-1.0MPa。,五 膜材料的种类,3.无机材料 种类：陶瓷、微孔玻璃、不锈钢

17、和碳素等。目前实用化有孔径0.1um微滤膜和截留10kD的超滤膜，其中以陶瓷材料的微滤膜最常用。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，膜厚方向上不对称。 优点：机械强度高、耐高温、耐化学试剂和有机溶剂。 缺点：不易加工，造价高。 4.复合材料 种类：如将含水金属氧化物（氧化锆）等胶体微粒或聚丙烯酸等沉淀在陶瓷管的多空介质表面形成膜，其中沉淀层起筛分作用。 优点：此膜的通透性大，通过改变pH值容易形成和除去沉淀层，清洗容易。 缺点：稳定性差。,六 膜结构特征,1. 孔道结构 对称膜 (symmetric membrane) 膜截面的膜厚度上孔道结构均匀。早期的膜多为对称膜

18、。缺点：传质阻力大，通透性低，且容易污染阻塞，清洗困难。,膜结构特征,不对称膜 (asymmetric membrane) 膜在厚度上的孔道结构不均匀，不对称膜主要由起膜分离作用的表面活性层(0.2-0.5um)和起支撑作用的惰性层(50-100um)构成。惰性层孔径很大，对通过流体阻力很小。由于不对称膜起膜分离作用的表面活性层很薄，孔径微细，因此透通量大，膜孔不易阻塞，易冲洗。 目前的超滤膜和反渗透膜多为不对称膜。一般而言，超滤膜多为指状结构，反渗透膜多为海绵状结构，微滤膜以对称结构为主，新型无机陶瓷膜多为不对称膜。,膜结构特征,孔道特征 特征：膜的孔道特征包括孔径、孔径分布和孔隙率。超滤膜

19、和微滤膜的孔径、孔径分布和孔隙率可通过电子显微镜直接观测到。 膜最大孔径：可用泡点法(bubble point method)测定。在膜表面覆盖一层水，用水湿润膜孔，从下面通入空气，当压力升高到有稳定的气泡冒出时称为泡点，此时的压力称为泡点压力。基于空气压力克服表面张力将水从膜孔毛细管中推出的动量平衡，得到计算最大孔径公式 式中，为水的表面张力；pb为泡点压力；为水与膜面的接着角度。因为亲水膜可被水完全湿润，故亲水膜的 0，cos 1，所以,膜结构特征,膜的水通量 定义： 在一定条件下(一般为0.1MPa，温度20C)，单位时间单位膜面积的水通量(in: m3 m-2 h-1)。 意义： A、

20、对同类膜，孔径越大，水通量越大； B、水通量并不能完全衡量和预测实际料液的透过流通量。 (原因?),七 膜组件,1. 管式膜组件 操作：(10-20根并联管） 应用： A、UF、MF， B、适合于处理悬浮液较高的料液。 优点： A、结构简单，内径较大； B、操作清洗容易。 缺点： A、单位体积的过滤表面积在各种膜组件中最小， B、投资大，操作费用高，保留体积大， C、压力降大。,膜组件,2. 平板膜组件 操作：图 应用： A、UF、MF、PV， B、适合于处理悬浮液较高的料液。 优点：保留体积小，操作费用低，压力降小，流液稳定，比较成熟。 缺点： A、投资费用高， B、大的固体含量会堵塞进料液

21、流通，撤卸清洗管道费时。,膜组件,3. 螺旋膜组件 操作：图 应用： A、RO、UF、MF， B、适用于低固体含量的料液。 优点： A、结构简单，更新膜容易，比表面积大， B、价格低，操作费用低。 缺点： A、料液需预处理， B、压力降大， C、易污染，难清洗， D、液流不易控制。,膜组件,4. 中空纤维膜组件 操作：图(数百至数百万根中空纤维管)，中空纤维膜ID = 40-80um，毛细管膜ID = 0.25-2.5mm 应用：A、毛细管式：UF、MF、PV，B、中空纤维式(能耐高压)：RO，DS(大规模透析，人工肾)，C、适合于处理低固体含量的料液。 优点：A、比表面积最大，效率高，B、可

22、以逆流操作，压力较小，C、设备投资低。 缺点：A、料液需预处理、易堵塞，B、单根管的损坏常使整个组件报废，C、不够成熟。,膜组件,5. 动态压力过滤器 操作：由内筒和外筒组成，内筒以2000-3000 r/min旋转，造成料液的切向流动，消除浓差极差 应用：MF、UF、RO、酶反应等 优点：A、无浓差极差，局部混合十分好，B、高渗透流，高的酶传递性。 缺点：单位体积的过滤面积小，放大困难。,膜组件间的比较,各种膜组件特性和应用比较,八 影响膜通量的因素,1. 操作形式 终端过滤(Dean-end filtration) 错流过滤(cross flow filtration, CFF)： 2.

23、流速： 流速对透过通量的影响反应在传质系数上，传质系数k, 对于圆型管路的层流液(Re 4000)，可用下式计算传质系数: L：膜管的长度(m)，d：膜管经(m)， l：料液密度(kg/m3)。 k：从入口到管长为L处的平均传质系数(m/s) Sh：Sherwood准数，u：流速(m/s),l：料液黏度(Pa s),膜渗透通量的影响因素,意义：k随流速的增大而提高；因此，流速的增大，透过通量增大。 适合条件：对蛋白质溶液以及小分子有效，但对细胞和胶体粒子的悬浮液无效。Why? 无效性原因： A、错流过滤使凝胶层剥离和流动，从而实际的凝胶层比凝胶极化模型的计算值小； B、菌体物理性质(形状，大小

24、，硬度和填充物等)和生物性质(粘性物质，膜， 壁结构成分,自溶等)不同；,影响膜通量的因素,3. 压力 A、当p小, 无浓度极化层, Jv与p成正比, 此时用： B、当p大,有浓差极化, Jv的增长速率减慢, 此时用 C、当p继续增加时，形成凝胶层，且厚度随压力的增大而增大，所以Jv不再随p的增加。此时的Jv为此流速下的极限值(Jlim)，用方程： D、Jlim随料液浓度而，随流速(搅拌速度) 而。,影响膜通量的因素,4.料液浓度 A、从方程知，Jv与-ln(cb-cp)呈线性关系，随cb的增大而减小。实验证实这一结论。 B、当cb=cg时，Jv=0，利用 和稳态操作的条件下的Jv与cb的关系

25、数据，可推算溶质形成凝胶层浓度cg C、当料液含有多种蛋白质时，与单组分相比，总蛋白质浓度升高；因此，透过通量下降。从另一角度来看，由于其他蛋白质的共存使蛋白质的截留率上升。,九 超滤操作方式,1. 浓缩: 开路循环、闭路循环、连续操作 A、开路循环 料液浓度随体积变化方程 浓缩倍数CF和回收率REC分别为 意义：目标成分的截流率R越大，产物CF和REC越高。 在开路循环中，循环液中溶质浓度不断上升，如流量和压差不变，透过通量将随操作时间不断降低。根据凝胶极化方程，达到浓缩目标所需时间为: B、闭路循环 C、连续操作,超滤操作方式,2. 洗滤(Dia-filtration)： 目的：除去菌体和

26、高分子溶液中的小分子溶质 在洗滤过程中，向原料液罐连续加入水或缓冲液，如保持料液量和透过通量不变，则目标产物和小分子溶质的物料衡算方程是 s0：溶质初始浓度， V：料液体积， s：洗滤后的溶质的浓度， VD：加水或缓冲液的体积， Rs：小分子溶质的截留率。,超滤操作方式,洗滤(Dia-filtration)： 意义： 料液体积V越小，所需VD越小。因此，洗滤前首先浓缩稀料液可减少洗滤液的用量。但浓缩后，目标产物浓度增大透过通量下降。所以，存在最佳料液浓度，使洗滤时间最短。设目标产物的R=1，小分子溶质的Rs=0，浓缩后料液体积为V，洗滤过程中其浓度和透过流量不变，目标产物浓度和洗滤时间分别为： 洗滤操作所需的时间最短。此时，浓缩液浓度c*(e为自然对数)：,十 膜的污染和清洗,1. 膜污染(membrane fouling)-最大问题 原因： A、凝胶极化引起的凝胶层，阻力为Rg； B、溶质在膜表面的吸附层，阻力为Ras； C、膜孔堵塞，阻力为R