@@超滤及反渗透-PPT课件

南京农业大学生命科学学院生物化学技术原理及应用第三章膜分离技术膜分离技术是指利用具有一定膜孔和选择透过特性的天然或人工合成的分离膜，在某种推动力（浓度差、压力差、电位差等）的作用下，来实现物质的分离纯化或浓缩的一种操作技术。2020/4/21生命科学学院生物科学51班3第三章膜分离技术膜分离基本技术透析技术超滤技术微滤技术1234其它膜分离技术5第一节膜分离基本技术膜分离技术发展20世纪30年代人们利用半透性纤维素膜开创了近代工业膜分离技术的应用。20世纪60年代以后，不对称膜制造技术取得了很大进展，包括微滤、超滤、反渗透、电渗析、透析等的生物技术迅速发展，膜分离技术在生物物质的分离纯化过程中得到了越来越广泛的应用，而且随着膜材料科学和分离技术的进步，像液膜分离技术、液膜分离萃取技术、纳米分离技术等相继问世。2020/4/21南京农业大学生命科学学院42020/4/214南京农业大学生命科学学院第一节膜分离基本技术膜分离与常规的分离技术相比具有无相变化、能耗低、过程简单、不污染环境等优点特别适用于生物物质、酶制剂及同分异构体等的分离。2020/4/21南京农业大学生命科学学院5膜纵切面模式图第一节膜分离基本技术膜分离技术分类膜分离技术主要包括透析、超滤、微滤、电渗析、反渗透等。各种膜分离过程的类型及特征如下表所示：2020/4/21南京农业大学生命科学学院62020/4/216南京农业大学生命科学学院第一节膜分离基本技术膜分离过程的推动力是静压差、浓度差或者电位差，有的分离过程可能是几种推动力都兼而有之。膜在分离过程中有三种功能：物质的识别与透过，这是使混合物各组分之间实现分离的内在因素界面作用，以膜为界面将透过液和保留液分为互不混合的两相反应场作用，膜表面及孔内表面含有与特性溶质有相互作用能力的官能团，通过物理作用、化学反应或生化反应提高膜分离的选择性和分离速度。2020/4/21南京农业大学生命科学学院72020/4/217南京农业大学生命科学学院第一节膜分离基本技术分离膜分离膜应具备的基本条件为：好的选择透过性；良好的分离性能（即截留率高，透过率大）；理化性能良好；污染小，使用寿命长；价廉易得。各种分离膜按所使用的材质不同可分为无机材料膜和有机材料膜。无机材料膜有陶瓷膜和不锈钢膜，有机膜多为合成高分子材料膜，主要有纤维素类、聚矾类、聚烯烃类、聚酞胺类和芳香杂环类等。2020/4/21南京农业大学生命科学学院82020/4/218南京农业大学生命科学学院第一节膜分离基本技术分离膜分离膜的性能参数主要有：孔道特征、渗透通量、截留率和截留相对分子质量等。孔道特征包括孔径大小，孔径大小用最大孔径和平均孔径来描述孔径分布，孔径分布指各种孔径的孔占全部孔的体积分数。孔隙率，孔隙率是指孔体积占膜总体积的百分数。2020/4/21南京农业大学生命科学学院92020/4/219南京农业大学生命科学学院2020/4/21南京农业大学生命科学学院10分离膜的孔径与种类第一节膜分离基本技术分离膜的性能参数渗透通量又称透水率或水通量，它是指在一定条件之下（一般压力为0.1MPa，温度为20℃），单位时间透过单位膜的溶剂体积。渗透通量表征膜的处理力的大小，取决于膜的孔隙率、孔径等物理特性和温度、压力差、浓度等操作条件。水通量即为膜的纯水渗透通量。截留相对分子质量指膜所能截留的截留率大于90%的溶质的相对分子质量。根据截留相对分子质量的大小可以估计膜的平均孔径。2020/4/21南京农业大学生命科学学院112020/4/2111南京农业大学生命科学学院第一节膜分离基本技术分离膜的性能参数截留率是指对于一定相对分子质量的物质，膜能截留的程度，其定义式为：R——截留率，%ρb——主体料液浓度，kg/m3ρp——透过液浓度，kg/m3100%截留率表示溶质全部被膜截留，此为理想的半渗透膜；0截留率则表示溶质全部透过膜，无分离作用，通常截留率在0-l00%之间。2020/4/21南京农业大学生命科学学院122020/4/2112南京农业大学生命科学学院第一节膜分离基本技术膜组件是膜分离装置的核心，它是由过滤膜、支撑材料、间隔器及外壳等部分组装而成的。膜组件可和其他部分构成膜分离系统，实现膜分离操作，达到一定的分离要求。膜组件的类型主要有板式膜、管式膜、卷式膜和中空纤维式膜。在膜分离系统中待分离的料液用给料泵输送入膜组件，在膜组件中料液则被分离成截留物（或称保留液）和透过液。截留物根据需要或开路循环入料槽或闭路循环入膜组件，同时有截留物的取出。2020/4/21南京农业大学生命科学学院132020/4/2113南京农业大学生命科学学院第二节透析技术透析（dialysis）是应用的最早的膜分离技术1861年ThomasGraham首次利用来源于动物的半透膜分离出多糖、蛋白质溶液中的无机盐。作用机理：用高分子溶质不能透过的亲水膜将含有高分子溶质和其他小分子溶质的溶液与纯水（或缓冲溶液）分开，在浓度差的作用下，高分子溶液中的小分子溶质（如无机盐）透向水侧，水则向高分子溶液一侧透过。2020/4/21南京农业大学生命科学学院142020/4/2114南京农业大学生命科学学院第二节透析技术透析膜一般为5-l0nm的亲水膜，如纤维素膜、聚丙烯睛膜和聚酚膜等。溶质在浓度差的推动下，以扩散的形式移动。摩尔渗透通量为：N=K0(c1-c2)N——摩尔渗透通量，mol/(s·m2)c1，c2——分别为膜两侧的浓度，mol/m3K0包括膜内扩散和膜两侧表面液膜传质阻力在内的总传质系数，1/s2020/4/21南京农业大学生命科学学院152020/4/2115南京农业大学生命科学学院第二节透析技术2020/4/21南京农业大学生命科学学院162020/4/2116南京农业大学生命科学学院透析最主要的应用：血液的解毒（如肾衰竭和尿毒症患者的血液透析）实验室规模的蛋白质分离纯化，如脱盐（去除蛋白质大分子溶液中的小分子盐）、去除水溶性有机溶剂和置换缓冲液等，即从样品中除去相对分子质量小的溶质和置换存在于透析液中的缓冲液。透析操作简单易行，如蛋白质的传统纯化方法是使用透析袋，将待分离液盛于透析袋内，把透析袋置于透析外液（即水或缓冲液）中，如图所示。右图所示透析膜的渗透通量很小，不适于大规模的生物分子分离。第二节透析技术2020/4/21南京农业大学生命科学学院172020/4/2117南京农业大学生命科学学院常用透析方法和装置1.自由扩散透析法准备透析袋，检查透析袋是否有泄漏。过后即可装入待透析样品，封好两端，置于盛有足够量的透析外液的容器（如大烧杯、量筒等）内透析。当袋内、外小分子趋于平衡时，更换透析外液，又产生新的渗透压差，小分子继续向外扩散，如此多次重复，就可以将大分子和小分子分离。第二节透析技术2020/4/21南京农业大学生命科学学院182020/4/2118南京农业大学生命科学学院常用透析方法和装置2.搅拌透析法此法与自由扩散透析法相似，不同的是搅拌透析法需要在透析容器下面安装一个磁力搅拌器，在电磁搅拌下，使自由扩散出来的小分子很快被分散到整个容器中。透析袋外周始终保持低渗状态，克服无搅拌形成的浓度梯度大、有自由扩散以及达到平衡时间长等不足，缩短透析时间，提高透析效率。第三节超滤技术超滤（ultrafiltration）技术是综合了过滤和透析技术的优点而发展起来的一种高效分子分离技术，是生物大分子脱盐、浓缩、分级分离常用的方法。超滤是以0.1-1MPa的静压差为传质推动力，利用不对称膜的筛分性质，来截留1-20nm的大分子溶质的膜分离过程。2020/4/21南京农业大学生命科学学院192020/4/2119南京农业大学生命科学学院第三节超滤技术超滤技术的原理超滤主要用于处理不含固形成分的料液，与一般的透析技术一样，主要依赖于被分离物质相对分子质量的大小、形状和性质的区别。2020/4/21南京农业大学生命科学学院202020/4/2120南京农业大学生命科学学院具有一定孔径的半透膜在一定的压力下，半透膜内的小分子能够通过膜孔渗透到膜外，大分子不能通过，使大小不同的分子达到分离的目的。超滤技术实际上是一种高压渗透分离方法，是通过在膜内施加正压或者在膜外施加负压使小分子排出膜外。第三节超滤技术超滤过程中，流体在膜的孔道内呈层流流动，超滤膜的孔道结构十分复杂，孔径大小不均，其渗透通量须按以下方程计算：N—摩尔渗透通量，mol/(s·m2)Ε—膜的孔隙率，%μL—滤液黏度，Pa·sS0—孔道比表面积，m2/g根据公式可以看出：超滤膜的摩尔渗透通量与压力差成正比，与滤液的黏度成反比。2020/4/21南京农业大学生命科学学院212020/4/2121南京农业大学生命科学学院K—孔道结构有关的无量纲常数L—孔道长度，mΔp—滤液通过膜层时的压力差，Pa第三节超滤技术超滤膜超滤膜通常为不对称膜，即横断面具有不对称结构的膜，如图所示。膜的表面有一层超薄层的致密皮层，起着膜的专一特性的作用；其下是一层较厚的海绵状多孔性支撑层，支撑层决定着膜的渗透通量，支撑层由锥形微孔组成为锥尖向上的锥形通道。这种不对称膜很少会堵塞。超滤聚合膜主要由聚矾、硝酸纤维或醋酸纤维、再生纤维素，硝化纤维素和丙烯酸组成。2020/4/21南京农业大学生命科学学院222020/4/2122南京农业大学生命科学学院第三节超滤技术超滤技术的应用：大分子物质的脱盐和浓缩；大分子溶剂系统的交换平衡；小分子物质的纯化；大分子物质的分级分离；生化制剂或其他制剂的除菌过滤和去热原处理；回收细胞和处理胶体悬浮液。在生化制药中可用来分离蛋白质、酶、核酸、多糖、多肤、抗生素、病毒等。超滤的优点：没有相的转变，无需添加任何强烈的化学物质，可以在低温下操作，过滤速度较快，便于无菌处理等。2020/4/21南京农业大学生命科学学院232020/4/2123南京农业大学生命科学学院第三节超滤技术超滤的方式主要有无搅拌式和搅拌式超滤、中空纤维超滤三种。前两种装置比较简单，只是在密闭容器中施加一定压力，使小分子和溶剂挤出膜外，下面主要介绍第三种方式。中空纤维超滤的工作原理中空纤维超滤是在一支空心柱内装有许多的中空纤维毛细管，两端相通，管的内径一般在0.2mm左右，有效面积可以达到1.0cm2，每一根纤维毛细管都像一个微型透析袋，极大地增大了渗透的表面积，提高了超滤的速度。2020/4/21南京农业大学生命科学学院242020/4/2124南京农业大学生命科学学院第三节超滤技术中空纤维超滤的工作原理中空纤维超滤以液压泵为动力，将需要超滤的样液注入每一根中空纤维毛细管内。当样液经压力泵以较高的流速送入每根毛细管时，样液从底部往上端流出，经过流量阀时，阀门只打开一部分（是全流速的1/4～2/3左右），流速减慢，中空纤维毛细管内产生很大的内压，一部分溶质小分子和溶剂分子被挤出毛细管外，一部分溶质小分子和溶剂携带着大分子通过流量阀，回流到贮液瓶，与剩余的样液混合，完成一次超滤。混合后的样液再次经液压泵送入中空纤维毛细管内超滤。每经过一次循环，分离出去一部分溶质小分子和溶剂分子，大分子则不断被浓缩。如果要将大分子和小分子分离得比较完全，可以将浓缩液稀释若干倍后再次超滤。2020/4/21南京农业大学生命科学学院252020/4/2125南京农业大学生命科学学院第三节超滤技术中空纤维超滤的工作原理超滤开始时，由于溶质分子均匀地分布在溶液中，溶液浓度较稀，超滤的速度比较快，但是随着小分子和溶剂不断排出，大分子的浓度越来越高，膜表面被截留分子不断堆积，超滤速度就会逐渐减慢，这种现象称为浓度极化现象。适当降低压力、稀释样液，有利于延迟此现象出现及降低其影响。2020/4/21南京农业大学生命科学学院262020/4/2126南京农业大学生命科学学院第三节超滤技术生物大分