分离工程第五章.ppt

1、第五章 膜分离,本章主要知识点,膜分离技术的概念。 膜分离技术的分类。 各种膜的分离特性。 对于膜材料的基本要求。 主要的膜组件类型。 超滤和反渗透过程中渗透压的影响,定义：利用具有一定选择性透过特性的过滤介质进行物质的分离纯化。 膜的功能： 物质的识别与透过； 界面； 反应场。,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。,膜的概念,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

2、或气体 膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜,第一节 各种膜分离法及原理,膜分离技术分类：,生物分离中最常用的膜分离技术是：超滤、微滤和反渗透。,一、反渗透,渗透和渗透压： 渗透：膜（不能透过溶质）两侧压力相等时，在浓度差作用下，溶剂从溶质浓度低的一侧向溶质浓度高的一侧透过的现象。 渗透压：渗透现象中，促使水分子透过的推动力。,反渗透： 定义：在溶质浓度高的一侧施加超过渗透压的压力，使溶剂透过膜的操作。 RO膜无明显的孔道结构，透过机理尚不十分清楚。,渗透与反渗透,二、超滤(UF)和微滤(MF),UF膜和MF膜有明显的孔道结构，主要用于截留高分子溶质或固体微粒。,超滤 膜孔径比MF膜小

3、，用于处理不含固形成分料液，根据高分子溶质间或高分子溶质与小分子溶质间分子量差别进行分离； 膜两侧渗透压较小，操作压力较低。 微滤 -MF膜孔径比UF大，用于悬浮液过滤，广泛用于菌体分离与浓缩； 膜两侧渗透压可忽略，甚至可在常压下操作。,三、透析,定义：利用透析膜（具有一定孔径大小，高分子溶质不能透过的亲水膜）将料液与透析液（纯水或缓冲液）分隔，在浓差作用下，料液中小分子溶质进入透析液，而透析液中的水进入料液。,应用：临床上常用于血液透析；生物分离中主要用于生物大分子溶液的脱盐。 特点：以浓差为推动力，膜透过通量很小，不适于大规模生物分离过程，多在实验室中应用。,四、电渗析,定义：使用离子交换

4、膜，利用分子的荷电性质和分子大小的差别进行分离的膜分离法。 应用：工业上多用于海水淡化及废水处理；生物分离中可用于氨基酸和有机酸等小分子的分离及溶液脱盐。,以溶液脱盐为例介绍电渗析原理： 料液置于1、3、5、室，2、4加入适当电解液。 电场作用下：负电荷 正极 正电荷 负极 1、3、5脱盐室得到脱盐溶液。2、4室得到浓缩盐溶液。 电渗析可连续操作。料液连续通过脱盐室，1、3、5室低浓度的电解液连续通过2、4室。,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。,五、渗透气化,定义：通过渗透气化膜，在膜两侧溶质分压差的作用下，根据

5、溶质间透过速度的不同，并在透过侧发生气化，使液体混合物得到分离的膜分离法。,特点： 溶质发生相变，消除了渗透压的作用，可在较低压力下进行，适于高浓度混合物的分离； 特别适用于共沸物和挥发度相差较小的双组分溶液的分离。,第二节 膜材料及其特性,一、膜材料,为实现高效分离，对膜材料的要求： 有效膜厚度小，UF和MF膜孔隙率高，过滤阻力小； 膜材料为惰性，不易污染和堵塞； 适用的pH和温度范围广，稳定性高，使用寿命长； 容易通过清洗恢复透过性能； 能满足实现分离目的的各种要求。,二、膜的结构特性,1、 孔道结构 因膜材料和制造方法而异，对膜的透过通量和耐污染能力等操作性能有重要影响。,对称膜和不对称

6、膜的比较： 对称膜，即膜截面的膜厚方向上孔道结构均匀，传质阻力大，透过通量低，容易污染，清洗困难，微滤膜大多为对称膜； 不对称膜，由表面活性层(0.20.5m)和惰性层(50100m)构成，透过通量大，膜孔不易堵塞，容易清洗，目前超滤和反渗透膜多为不对称膜。,思考题,1、不对称膜与对称膜在膜分离性能上相比有何优点?,2、孔道特性 包括孔径、孔径分布、孔隙率和平均孔径。 超滤和微滤膜的孔道特性可通过电子显微镜直接观察测定。 除核孔微滤膜孔径较均一外，其他膜的孔径均有较大的分布范围。,3、水通量 定义：在一定条件下（一般压力为0.1MPa，温度为20) ，单位时间透过单位膜面积的纯水体积。 膜材料

7、、生产工艺和膜孔径影响水通量大小。 实际操作中由于溶质吸附、膜孔堵塞及浓度极化等原因会使透过通量大幅度降低。,第三节 膜组件,定义：由膜、固定膜的支撑体、间隔物及收纳这些部件的容器构成的一个单元。 目前市售商品膜组件主要有：,一、管式膜组件,结构：将膜固定在圆管状支撑体上构成管式膜，管式膜并联或串联，收纳在筒状容器内即构成管式膜组件。 特点： 优点：结构简单，适合于处理悬浮物含量较高的料液，清洗也比较容易； 缺点：造价高，比表面积很小。,管式膜组件,二、平板式膜组件,结构：与板式换热器或加压叶滤机相似。由多枚平板膜间隔重叠加工而成，膜间衬设多孔薄膜，供料液或滤液流动。 特点：比表面积较大，但造

8、价较高。,平板式膜组件,三、螺旋卷式膜组件,结构：将两张平板膜固定在多孔性滤液隔网上，两端密封，膜上下分别衬设一张料液隔网，卷绕在空心管上构成。 特点：,优点：比表 面积大，结 构简单，价 格较便宜； 缺点：处理 悬浮物浓度 较高的料液 时易堵塞。,螺旋卷式膜组件,四、中空纤维（毛细管）式膜组件,结构：由数百至数百万根中空纤维膜（内径4080m)或毛细管膜（内径0.252.5mm）固定在圆筒形容器内构成。 特点：,优点：比表 面积最大， 可方便地进 行反洗，造 价低，工业 上普遍使用； 缺点：易堵 塞，对料液 要求高。,中空纤维式膜组件,第四节 操作特性,一、浓度极化模型,浓度极化现象： 定义

9、：膜分离操作中，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高，高于料液主体浓度的现象。 影响：膜两侧渗透压差增大，透过通量降低。,凝胶极化现象： 定义：当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质会析出，形成凝胶层；分离含有菌体细胞或其他固形成分料液时，也会在膜表面形成凝胶层。 影响：产生附加的传质阻力，透过通量降低。,透过通量的一般表示式：,其中：p和分别为操作压差和渗透压差； Rm、Rc和Rg分别为膜、浓度极化层 和凝胶层的阻力；L为料液粘度。,浓度极化模型：,边界条件：,积分上式可得浓度极化模型方程：,稳态条件下，对系统进行物料衡算得：,其中：D为溶质的扩散系数；为浓度极化层

10、厚度；cm、cb和cp分别为膜表面、料液主体和透过液的溶质浓度；k为传质系数 。,由上式可得出现凝胶层时的凝胶极化模型方程：,忽略cp得：,其中：cg为凝胶层浓度。,二、超滤膜的分子截留作用,截留率：表示膜对溶质的截留能力。 真实截留率：,表观截留率：,若没有浓度极化现象发生，则RR0， 若R1，则cp=0，即溶质完全被膜截留； 若R0，则cp=cb，即溶质可自由透过膜。,截留分子量(MWCO) 截留曲线：测定分子量不同的球形蛋白质或水溶性聚合物的截留率，所得到的膜的截留率与溶质分子量之间关系的曲线。,一般将在截留曲线上截留率为0.90的溶质分子量定义为膜的截留分子量。 MWCO只是表征膜特性

11、的一个参数，不能作为选择膜的唯一标准。应从多方面(如孔径分布、透过通量、耐污染能力等)综合考虑。,实际膜分离过程中影响截留率的因素： 溶质分子量 分子特性 不同分子截留率大小顺序：球形带支链线性； 对于荷电膜，与膜相反电荷的分子截留率较低；,如：磺化聚砜膜（带负电荷）可分离肌红蛋白（Mr=1700，pI=6.8）和细胞色素C。（Mr=12400,pI=10.6）在pH9.2溶液中，细胞色素C带正电荷，与磺化膜相互吸引，完全透过膜（R=0），但肌红蛋白带负电荷，受磺化膜静电排斥，截留率较高。实现二者分离。 若膜对溶质有吸附作用，截留率增大。,其他高分子溶质的影响 其他高分子溶质的存在使溶质截留率

12、增大。,-乳球蛋白浓度对-淀粉酶截留率的影响,操作条件 温度升高，膜面流速提高，截留率降低； pH=pI时，对蛋白质高于其他pH下的截留率。,第五节 影响膜分离速度的因素,一、操作方式,传统过滤操作： 采用终端过滤(Dead-end filtration)形式，即料液流向与膜面垂直。 缺点：膜表面滤饼阻力大，透过通量很低。,超滤和微滤操作： 采用错流过滤(Cross-flow filtration) 形式，即料液流向与膜面平行。 优点：可大大减轻浓度极化现象， 使透过通量维持在较高水平。,二、流速,主要影响传质系数k，从而影响透过通量。 化工原理中有许多经验公式描述传质系数与流速的关系，流速增

13、大，传质系数提高，透过通量也增大。 另外，流速增大，也有减弱浓度极化或凝胶极化的作用。,三、压力,压力较小时，无浓度极化现象发生，Jv与p呈线性关系：,p逐渐增大，膜面出现浓度极 化现象,Jv与p不再呈线性关系：,p继续增大至出现凝胶极化现 象时，Jv接近常数Jlim：,四、料液浓度,由浓度极化模型可知Jv与-ln(Cb-Cp)呈线性关系，Jv随Cb的增大而减小。,由凝胶极化模型可知，Cb=Cg时，Jv=0。故可根据稳态操作条件下Jv与Cb的试验数据，推算溶质形成凝胶层的浓度Cg值。,第六节 膜分离操作,一、浓缩操作,用于菌体或蛋白质浓缩的膜分离过程有三种操作方式：开路循环、闭路循环和连续浓缩

14、操作。,开路循环 全部溶液用给料泵送回料液槽，只有透过液排出到系统外的操作方式。,对系统进行物料衡算得：,其中：V、c和Q分别为料液体积、浓度和透过液流量；CF和REC分别为目标产物的浓缩倍数和收率；R为目标产物的截留率。,闭路循环 浓缩液不返回料液槽，而是利用循环泵送回到膜组件中的操作方式。 特点： 缺点：循环液中目标产物浓度的增加较快，透过通量小于开路循环。 优点：膜组件内的流速可不依靠料液泵的供应速度进行独立的优化设计。,连续操作 在闭路循环操作的基础上，将浓缩液不断排出到系统之外的操作方式。,特点： 优点：容易实现 自动化，节省人力。 缺点：效率最低， 透过通量最小。 可利用多级串联

15、操作改善透过通量。,二、洗滤操作,除去菌体或高分子溶液中的小分子溶质为目的时，需采用洗滤操作。,洗滤过程需向料液槽连续加入水或缓冲液。若保持料液量和透过通量不变，则对系统进行物料衡算得：,其中：s0、s和Rs分别为小分子溶质的初始浓度、洗滤后浓度和截留率；VD为流加水或缓冲液的体积（透过液体积）。 V越小，VD也越小。因此，一般在洗滤前需浓缩料液，以减少洗滤液用量。,第七节 膜的污染与清洗,一、膜的污染,膜污染是膜技术应用的最大限制因素。 造成污染的主要原因： 凝胶极化现象引起的凝胶层； 溶质在膜表面的吸附； 膜孔堵塞； 膜孔内的溶质吸附。 影响：透过通量大幅度下降；降低目标产物的回收率。,二

16、、膜的清洗,清洗剂：水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、络合剂、氧化剂和酶溶液等。 清洗剂选用要求： 优先考虑水； 具有良好的去污能力； 不损害膜的过滤性能。,中空纤维膜组件常采用反洗和循环清洗。,防止或减轻膜污染的 措施： 对膜进行预处理； 对料液进行预处理。,第八节 应 用,膜分离在生物产物分离纯化方面的应用： 培养基除菌； 发酵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除盐； 制备无热原水等。,膜生物反应器,定义：膜分离过程与生物反应过程耦合的生物反应装置。 应用于动植物细胞高密度培养、微生物发酵和酶反应过程。,填空题,1、中空纤维膜组件比表面 ，可方便采用 方式清洗，造价低，工业上普遍使用。 2 是膜技术应用的最大限制因素。 3、目前市售膜组件主要有_、_、_和_。 4、膜分离过程与生物反应过程耦合的生物反应装置称为 _，主要用于_、_和_。,判断题,1、超滤膜两侧渗透压可忽略，甚至可在常压下操作。 2、一般来说，膜分离技术中所使用的滤膜孔径均有较大的分布范围。 3超滤膜比微滤膜孔径大，用于悬浮液过滤。 4目前，超滤膜和反渗透膜多为对称膜，而