生物工程下游技术 膜分离概要

Chapter5膜分离Membraneseparation5.1概述5.2各种膜分离技术及其原理5.3膜及其特性5.4膜组件5.5膜的操作特性5.6影响膜分离速度的因素5.7膜分离过程5.8膜的污染与清洗5.9膜分离在生物工程中的应用5.1概述膜：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，膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜，是具有一定选择性透过的过滤介质。膜分离：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。膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程。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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5.2各种膜分离技术及其原理膜分离技术类型按分离粒子大小进行分类：5.2.1反渗透概念：将溶质通过一层具有选择性的半透膜，从溶液中分离出来。分离时的推动力是压强，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10MPa。膜孔径范围在0.0001~0.001μm之间；原理：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。渗透是由于存在化学势存在梯度而引起的自发扩散现象。溶液中水的化学势纯水的化学势，纯水的＝1溶液中1ln0RT0溶液中水的活度其结果是水从纯水一侧透过半透膜向溶液侧渗透，使后者的液位抬高。如果在溶液一侧施加压力，外界力做功使溶液中水的化学势升高，则纯水通过膜的渗透就会逐渐减小，并最终停止（条件？），此时的压力差就是溶液的渗透压。π＝RTcB当时，水将从溶液一侧向纯水一侧移动，此种渗透称之为反渗透。01PP常见的反渗透基本流程(4种)反渗透的应用在净化和浓缩的全过程中，需要大量清水，同时又伴有大量废水排出的情况下，通过RO处理后，被净化的水可返回去重新使用；净化过程的用水，要求必须采用闭路循环系统，以进行水的再生使用，如宇宙飞船中的水处理；废水中含有贵重物质，可用RO法回收；凡属不适于加热或减压处理的过程，如各种果汁的浓缩等；目前已大规模用于海水、苦咸水淡化及氨基酸浓缩等。5.2.2超滤适用范围：截留尺寸为500-2000以上高分子粒子。特点：相态不变，无需加热、操作压力低，泵与管对材料要求不高，可用间歇和连续操作。主要性能：水通量（Jv），截留率R（%），合适的孔径尺寸，孔径的均一性与孔隙率，物理化学稳定性V—透水量，A—膜的有效面积，τ—时间c1—料液中溶质浓度，c2—透过液中溶质浓度AVJv121cccR)(pLJpvpL：穿透度（单位时间、单位膜面积的处理量）超滤的基本方程应用：生物制品的浓缩和纯化：小分子如柠檬酸和抗生素,大分子如多糖、蛋白质5.2.3微滤适用范围：尺寸为0.1-10μm（微米级）的微生物和微粒子的截留与浓缩、净化与分离特点：相态不变，无需加热、操作压力低，泵与管对材料要求不高，可用间歇和连续操作。特点：滤膜厚度薄，孔径均一，空隙率高，因此滤速快，吸附少及无介质脱落。主要性能：水通量（Jv），截留率R（%），合适的孔径尺寸，孔径的均一性与孔隙率，物理化学稳定性应用：DNA、病毒的分离、精制阿斯匹林制剂（提高澄清度）等5.2.4纳滤以压力差为推动力，从溶液中分离300~1000小分子量的膜分离过程，孔径分布在平均2nm；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100~200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：MembraneproductsKiryatWeizmann，MPW(以色列)DesalinationSystem(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：)(pLJvp行业处理对象行业处理对象制药工业母液中有效成分的回收抗菌素的分离纯化维生素的分离纯化氨基酸的脱盐与纯化化工行业酸碱纯化、回收电镀液中铜的回收食品工业乳清脱盐与浓缩苛性碱回收纯水制备超高纯水水的脱盐地下水的净化染料工业活性染料的脱盐与回收废水处理印染厂废水脱色造纸厂废水净化纳滤的应用5.2.5渗析（透析）：以浓度差为推动力。使用的是微孔膜，按渗透压和物质的大小分离。主要用于血液（人工肾）的解毒――透析袋。5.2.6电渗析：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；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。如离子交换膜电渗析（EDTM）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）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5.3膜及其特性5.3.1膜材料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0.1~0.5MPa。反渗透膜的压力更高，约为1~10MPa（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：陶瓷膜微滤膜材料：聚偏氟乙烯，聚丙烯，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，无机膜超滤膜：聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维5.3.2膜的结构特性膜的孔道结构：P113膜的孔道特性：孔径（泡点法bubblepoint孔径分布空隙度水通量：纯水的透过通量P1145.4膜组件管式中空纤维螺旋卷绕式平板式共同的特点尽可能大的膜表面积可靠的支撑装置可引出透过液膜表面浓度差极化达到最小平板式膜组件特点：过滤板相对独立、过滤面积大、结构紧凑、便于清洗，检修和换膜。但耐受压力低，适于超滤单元操作管式膜组件特点：结构简单、适应性强、压力损失少，处理量大、清洗安装方便、可耐受高压，用途较板式广泛。螺旋卷式膜组件特点：膜面积大、湍流情况良好、适用于反渗透中空纤维式膜组件特点：无需支撑物，可耐受高压，设备结构得到简化可用于反渗透、超滤、微滤5.5膜的操作特性5.5.1浓度极化模型5.5.2超滤膜的分子截留作用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）W—透水量，A—膜的有效面积，τ—时间c1—料液中溶质浓度，c2—透过液中溶质浓度AVJv121cccR分子的形状吸附作用温度流速pH离子强度（影响蛋白构象）影响截留率的因素5.6影响膜分离速度的因素6.6.1操作形式的影响：变传统的终端过滤(Dead-endfiltriation)形式为错流过滤5.6.2流速与压力的影响：P73公式5.6.3料液浓度的影响：P75公式5.7膜分离过程过程条件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cVVCF0)(0CFCCcCFCCCVCVRccc1000fccfVCVCVC/)(00体积浓缩系数00/1exp(VVCCf超滤透析纯化中空纤维的应用方式5.8膜污染与清洗原因：膜的劣化：化学，物理，生物污垢：吸附，堵塞防止方法预处理开发抗污染膜加大流速化学清洗物理清洗5.9膜分离在生物工程中的应用浓缩大分子纯化去杂质（植物成分）抗生素去热原（卷曲霉素）滤过除菌膜分离过程在生物工程中的应用过程应用对象实例微滤消毒、澄清收集细胞培养悬浮液除菌，产品消毒，细胞收集超滤大分子物质分离酶及蛋白质的分离、浓缩、纯化，血浆分离、脱盐、去热源，膜反应器纳滤小分子物质分离糖，二价盐、游离酸的分离反渗透小分子物质浓缩单加盐、非游离酸的分离透析小分子有机物和无机离子脱除小分子有机物或无机离子