膜分离过程

•第六节膜分离过程•一.膜和膜分离过程的分类与特性•1.对称膜•结构与方向无关的膜，孔径不规则或一定•2.非对称膜•分离层（活性膜）和多孔支持膜•活性膜要朝向待浓缩的原液层•两层膜是同一种材料•3.复合膜•活性膜层沉积于具有微孔的底膜（支撑•层）表面上•表层与底层是不同的材料•膜的性能与活性膜和底层膜都有关系•4.荷电膜（离子交换膜）•含有溶胀胶载着固定的正电荷或负电荷•阴离子交换膜：带正电荷•阳离子交换膜：带负电荷•5.微孔膜（0.05~20m）•6.动态膜•在多孔介质上沉积一层颗粒物作为有选•择作用的膜•沉积层与溶液处于动态平衡•可在高温下应用，膜更新容易，不稳定•二.膜的分离原理•1.渗透（osmosis）和透析（dialysis）•渗透是一个扩散过程，在膜两边渗透压差的作用下溶剂产生流动•透析是利用膜两边的浓度差从溶液中分离出小分子物质的过程•透析过程与渗透过程想重叠•溶液浓度不断降低•2.反渗透（reverseosmosis）•在膜的两边造成一个压力差，并使其大于•渗透压，就会发生溶剂倒流，使浓度较高•的溶液进一步浓缩•3.超滤（ultrafiltration）•按粒径选择分离溶液中所含的微粒和大分•子的膜分离操作•膜只阻挡大分子，大分子的渗透压不明显•4.微过滤（microfiltration）•多孔细小薄膜为过滤介质，使不溶物浓缩•过滤的操作•5.电渗析（electrodialysis）•在电场中交替装配的阴离子和阳离子交换•膜，在电场中形成一个个隔室•使溶液中的离子有选择地分离或富集•6.气体透过（gaspermeation）•利用微孔或无孔膜进行气体分离•三.膜的应用•（一）膜组件结构与特点•1.管式•特点：无死角，易清洗•处理含固体较多的料液•单根管子可以调换•缺点：保留体积大•单位体积中所含过滤面积较小•2.中空纤维式•保留体积小•单位体积中所含过滤面积大•可以逆洗•料液需要预处理•单根纤维损坏时，需调整整个模件•3.螺旋卷绕式•单位体积中所含过滤面积大•换新膜容易•料液需要预处理•压降大•易污染，清洗困难•4.平板式•保留体积小•死体积较大•（二）反渗透（RO或HF）•1.优点•相态不变，无需加热，设备简单，能耗低•2.膜的特性•透水率、透盐率、抗压性等•3.应用•海水脱盐，食品医药的浓缩，超纯水的制•造等•4.膜材料：醋酸纤维膜、芳香聚酰胺膜、高分子电解质膜、无机质膜等•（三）超滤（UF）•1.概念•凡是能截留分子量在500以上的高分子的•膜分离过程•2.应用•各种小分子可溶性溶质和高分子物质如蛋白质、酶、病毒等溶液的浓缩、分离和纯化•3.材料•醋酸纤维，聚砜，芳香聚酰胺，聚丙烯，•聚乙烯，聚碳酸酯，尼龙等高分子材料•4.浓缩模式过滤•溶剂和小分子溶质被除去，料液逐渐浓缩•5.透析过滤•在过程中不断加入水或缓冲液，保持较高•的通量•6.应用•1）柠檬酸、抗生素、氨基酸等小分子物质•分子量在500~2000之间•超滤膜的截断分子量为10000~30000•使大小分子分开•2）酶和蛋白质的脱盐浓缩•如用醋酸纤维素膜浓缩-淀粉酶，平均•收率95%，可浓缩4~5倍•（四）微孔过滤（MF）•1.应用•主要用于分离流体中0.1~10m的微生物•和微粒子•微生物学检查•灭菌液体的产生•2.材料•纤维素酯类，聚酰胺，聚氯乙烯，聚丙•烯等•（五）纳米过滤（NF）•1.概念•介于超滤和反渗透之间，以压力差为动力，•从溶液中分离出300~1000相对分子量物质•的膜分离过程•2.特点•能截留小分子有机物，并同时透析出盐•浓缩与透析为一体•操作压力低•第七节离子交换法•离子交换剂•能与其他物质进行离子交换的物质•无机离子交换剂，有机离子交换剂•应用•水处理，食品、生物制品的提取精制•金属的回收•抗生素、氨基酸、有机酸等•一.离子交换原理及分类•（一）原理•1.离子交换树脂•离子交换树脂是一种不溶于酸、碱和有•机溶剂的固态高分子材料•骨架：不能移动，多价的高分子基团•官能团：连接在骨架上•可交换离子：阴离子或阳离子•2.交换原理•骨架上，溶液中，两种离子浓度差异较大•时，交换推动力•如：磺酸树脂上H+，溶液中Na+树脂被Na+所饱和溶液变为浓度很高的酸时H+又置换树脂上的Na+树脂再生为H+•（二）分类•1.强酸性离子树脂•含有强酸性基团，能在溶液中解离H+•R•SO3H=R•SO3-+H+•SO3-基团能吸附溶液中的其它阳离子•R•SO3-+Na+=R•SO3Na•用强酸进行再生处理•2.弱酸性阳离子树脂•-COOH,酚羟基-OH，能在水中离解出H+•而呈弱酸性•R•COOH=R•COO-+H+•在低pH下难以解离•R-COOH应在pH6以上的溶液中操作•R-OH应在pH9以上的溶液中操作•3.强碱性阳离子树脂•-NR3OHOH-,•R•NR3OH=R•NR3++OH-•离解性很强，使用的pH没有限制，再生一般用强碱进行•4.弱碱性阳离子树脂•伯胺基（-NH2），仲胺基（-NHR），叔胺基（-NR2）•R•NH2+H2O=R•NH3++OH-•解离能力弱，低pH工作，Na2CO3等再生•在使用时，常将树脂转变为其他离子形式•如将强酸型与NaCl作用，转变为钠型，使用时Na+与溶液中的其他阳离子交换，避免了溶液的pH下降•5.凝胶型和大孔型树脂•凝胶型，吸水后形成微细的空隙，适用于吸附交换无机离子等小离子•大孔型，善于吸附大分子有机物•二.离子交换的应用•（一）装置•1.间歇式分批•2.柱式操作•动态法，交换、洗脱、再生均在柱中进行•离子交换柱•开放式：只能在常压下操作•密闭式•••离子交换柱•单床：只装一种树脂•复床：两种以上树脂分层装在同一柱内•移动床：树脂使用再生和清洗在不同柱中•发酵工业装载树脂层的高度一般为1~1.5m•柱体高度约为树脂层高度的2倍•柱有效高度与直径之比（4：1）~（5：1）•树脂层高度为柱有效高度的1/2~1/3•（二）离子交换树脂工作过程•1.预处理•装柱去离子水浸泡12h10%NaCl浸•泡4h水洗酸或碱转型•2.上柱交换•关键，完成离子吸附•顺流进行或逆流进行•已交换层交换层未交换层•交换层宽？窄？•3.洗脱•生物大分子分离纯化可采用两种方式•1）正吸附•将目的产物离子化，被交换到介质上，杂•质不被吸附，目的产物纯度高，可达到浓•缩目的•2）负吸附•杂质离子化，除去大部分杂质，适用于目•的产物浓度高的工作液•3）洗脱原理•用亲和性更强的同性离子取代树脂上吸附•的目的产物••如提取谷氨酸，谷氨酸结合到树脂上，用•Na+或NH4+溶液洗脱•4.树脂的再生•树脂的“饱和”，交换吸附的逆反应•（三）树脂和操作条件的选择•1.树脂选择•强碱性离子宜用弱酸性树脂•强酸性树脂能吸附但解离难•弱碱性离子宜用强酸性树脂•弱酸性树脂，盐宜水解，不宜吸附•弱酸性离子宜用强碱性树脂•强酸性离子宜用弱碱性树脂•吸附大分子离子选择交联度较低的树脂•2.操作条件•1）交换时pH•产物稳定，产物离子化，树脂解离•2）树脂的型式•酸性树脂可用氢型或钠型•碱性树脂可用羟型或氯型•3）溶液中产物浓度•4）洗脱条件•和吸附条件相反•三.生化用离子交换剂的特点和种类•（一）特点•1.亲水性及生物相溶性•2.孔结构•兼有分子筛与离子交换剂双重作用•3.电荷密度•多个电荷残基，多个官能团，洗脱困难•4.粒度•20~30m•（二）生化用离子交换剂的种类•1.树脂•2.纤维素类•离子交换纤维素•3.葡聚糖系Sephadex离子交换剂•4.琼脂糖系•5.聚丙烯酸羟乙基酯•5.纯度•1）工业级：抗生素、细胞色素C、氨基酸•2）分析级•3）生物技术级•4）分子生物级•DNA级，无核酸内切酶，外切酶，连接酶抑制剂等