制药(五)膜分离--ppt课件

第五章膜分离Chapter5Membraneseparation中空纤维膜分离器（工业用）概述1分离原理：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。Separationprinciple：asemi-permeablemembraneactsasaselectivebarrierretainingthemolecules/particlesbiggerthantheporesizewhileallowingthesmallermoleculestopermeatethroughthepores.2发展史（1748年发现；1850’年天然膜应用；1864年第一张人工无机膜—亚铁氰化铜诞生；1930’有机膜出现……）3特点—均相分离、无相变；无需加入化学物质；浓缩与纯化同时进行4应用与进展Applicationandadvance:theuseofmembranetechnologyforseparationofbiomoleculesandparticlesandconcentrationofprocessfluidshasexpandeddramaticallyinrecentyears.Themembranefunctionhasbeenmademoreversatilebyintegratingitwithotherseparationprinciples.5工艺流程图1-料液2-泵3-膜组件4-滤液5阀6-压力表6膜的功能（Functionofmembrane)物质的识别与透过；界面；反应场。第一节各种膜分离法及原理Variousmembraneseparationprocesses1膜分离技术分类Classification：膜分离法传质推动力分离原理应用举例微滤(MF)压差(0.05~0.5MPa)筛分除菌，回收菌体，分离病毒超滤(UF)压差(0.1~1.0MPa)筛分蛋白质等大分子的回收与浓缩反渗透(RO)压差(1.0~10MPa)筛分脱盐，淡水制造透析(DS)浓度差筛分脱盐，除变性剂电渗析(ED)电位差荷电、筛分脱盐,氨基酸与有机酸的分离渗透气化(PV)压差、温差溶质与膜的亲和作用共沸物的分离（如乙醇浓缩）生物分离中最常用的膜分离技术是：超滤、微滤和反渗透。TypeofmembraneDrivingforceApplicationMicrofiltrationHydrostaticpressurep0.05~0.5MPaConcentrationofbacteriaandvirusesHarvestingofcellsClarificationoffermentationbrothUltrafiltrationp0.1~1.0MPaFractionationofbiomoleculesDesaltingRecoveryofenzymesReverseosmosisp1.0~10MPaConcentrationofpharmaceuticalsDesalinationofsolutionsElectrodialysisElectricfieldPurificationofchargedsmallmoleculese.g.organicacidsPervaporationpartialvapourpressurePurificationofsolventsfromazeotropicmixtures一、反渗透Reverseosmosis主要应用于纯水的生产及海水淡化。Reverseosmosis,orhyperfiltration,separatesionicsolutestypicallylessthan1nm.Primarilyappliedtotheproductionofpurewater,andseawaterdesalination1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。2、反渗透膜分离定义：在一定压力条件下，溶液中溶剂选择性透过半透性薄膜的过程。分离机理：优先吸附—毛细孔流理论溶解—扩散理论膜材：纤维素酯类、聚酰胺类等膜结构：非对称膜膜孔径：0.5—10nm操作压力：2—10MPa优先吸附—毛细孔流动模型示意图溶解—扩散理论模型示意图溶液溶质溶剂反渗透膜二、超滤和微滤Microfiltrationandultrafiltration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。微滤Microfiltration膜孔径大，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。Beusedforseparationofparticles,typically0.01~10mindiameter.超滤Ultrafiltration膜孔径比MF膜小，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。Separatespolymericsolutesinthe0.001~0.05mrange.Microfiltrationandultrafiltrationarewidelyusedintheprimaryrecoverystagesofdownstreamprocessing.1、微孔膜分离定义：在一定压力条件下，溶液中各微粒依据尺寸大小选择性透过半透性薄膜的过程。分离机理：筛分εd2ΔpJ=————32μL膜材：纤维素酯类（醋酸纤维素、硝酸纤维素等）膜结构：对称膜膜孔径：0.1—5.0μm(常用有0.22、0.45、0.65、1.0μm)操作压力：0.01—0.2MPa2、超级膜分离定义：在一定压力条件下，溶液中溶质依据分子量大小选择性透过半透性薄膜的过程。分离机理：筛分εd2ΔpJ=————32μLε3ΔpJ=————————k’(1-ε)2S02μL膜材：聚砜类、聚酰胺类膜结构：非对称膜膜孔径：1—50nm操作压力：0.1—0.5MPa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electrodialysis定义：使用离子交换膜，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。Principle：ionexchangemembraneisappliedtosolutesseparationaccordingtothedifferenceofcarryingchargesandsizebetweenthemoleculesofdifferentsolutes.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。Application：canbeusedforpurificationofchargedsmallbiomolecules.五、渗透气化Pervaporation定义：通过渗透气化膜，在膜两侧溶质分压差的作用下，根据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。Principle:separationofsolutesisdeterminedbydifferencesintheirvapourpressureandbythepermeabilityofthemembrane.Application:recoveryandconcentrationofvolatileproducts.小结：膜分离过程的类型及其特点粒子项目粒子大小分离方法分离动力粗粒≥100μm常规过滤压力差细粒1—100μm高速离心、常规过滤压力差微粒0.01—10μm微滤压力差大分子1—100nm超滤、透析压力差、扩散小分子、离子0.1—10nm反渗透、电渗析压力差、电能第二节膜及其特性一、膜的定义与分类在一定流体相中，有一薄层凝聚相物质，把流体相分隔成为两部分，这一薄层物质称为膜。二、膜材料三、膜结构对称膜非对称膜——均相、非均相（复合膜）二膜材料Membranematerials1.无机物亚铁氰化铜、陶瓷、多孔玻璃等2.有机物天然物及其衍生物：兽类的膀胱、禽类的素囊、醋酸纤维素、硝酸纤维素等人工合成聚合物：聚砜类、聚酰胺类、聚碳酸酯等3.特殊材料聚电解质复合物、ZrO2/聚丙烯酸、ZrO2/碳等膜材料应用特点醋酸纤维常用作反渗透膜也可用作微滤膜和超滤膜截盐能力强，使用温度和pH范围有限天然高分子再生纤维制造微滤膜和透析膜聚砜主要用于制造超滤膜适用温度及pH范围广，但耐压能力较差合成高分子聚酰胺常用于反渗透耐压能力较高，稳定性好，使用寿命长。陶瓷制造微滤膜和超滤膜机械强度高，耐高温及化学试剂，但造价高。无机材料动态膜透过通量大，清洗容易，但稳定性差。Membranematerialscommonlyused为实现高效分离，对膜材料的要求：Idealmaterialsshouldmeettheexpectationsasfollows：有效膜厚度小，UF和MF膜孔隙率高，过滤阻力小；Effectivemembranethicknessisthin,andporedensityishigh;膜材料为惰性，不易污染和堵塞；Inertmaterials；适用的pH和温度范围广，稳定性高，使用寿命长；AdaptableforawidescopeofpHandtemperature；容易通过清洗恢复透过性能；Faciletobecleaned；能满足实现分离目的的各种要求。Canmeetvariousseparationdestination.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。Determination:directlyobservebyelectronmicroscopeformicrofiltrationorultrafiltrationmembrane.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。Generallyspeaking,thereisawiderdistributionrangeofporediameterforalmostallofthemembrane.三膜的结构特性Constructionalspecialityofmembrane图2对称膜图3非对称膜1孔道结构Porestructure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。图5对称膜图6非对称膜2孔道特性Poreproperty包括孔径、孔径分布和孔隙率。Parameters:porediameter,distributingofporediameter,andporedensityonthesurfaceofmembrane.图1对称膜图2非对称膜3对称膜和不对称膜的比较Thedifferencesbetweensymmetricmembraneandasymmetricmembrane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；Symmetricmembrane:thestructureofporeissymmetri