过滤与膜分离技术

1、第五章第五章 过滤与膜分离技术过滤与膜分离技术 第一节第一节 过滤技术过滤技术 第二节第二节 膜与膜组件膜与膜组件 第三节第三节 微滤技术微滤技术 第四节第四节 超滤技术超滤技术 第五节第五节 透析技术透析技术 第六节第六节 其他过滤技术其他过滤技术利用多孔性介质利用多孔性介质(如滤布如滤布)截留固截留固-液悬浮液悬浮液中的固体粒子，进行固液中的固体粒子，进行固-液分离的方液分离的方法称为法称为过滤过滤。其中多孔性介质称为。其中多孔性介质称为过滤过滤介质介质；所处理的悬浮液称为；所处理的悬浮液称为滤浆滤浆；滤浆；滤浆中被过滤介质截留的固体颗粒称为中被过滤介质截留的固体颗粒称为滤饼滤饼或滤渣或滤

2、渣；通过过滤介质后的液体称为；通过过滤介质后的液体称为滤滤液液。驱使液体通过过滤介质的推动力可。驱使液体通过过滤介质的推动力可以是以是重力、压力或离心力重力、压力或离心力。一、过滤的原理一、过滤的原理按按料液流动方向料液流动方向不同，过滤可分为不同，过滤可分为常规常规过滤和错流过滤。过滤和错流过滤。常规过滤时，料液流常规过滤时，料液流动方向与过滤介质动方向与过滤介质垂直垂直；错流过滤时，；错流过滤时，料理流动方向料理流动方向平行平行于过滤介质。于过滤介质。过滤方式的分类过滤方式的分类按按操作压力操作压力不同，可分为不同，可分为常压过滤、常压过滤、减压过滤和加压过滤。减压过滤和加压过滤。按按过滤

3、方式过滤方式的不同，有的不同，有表层过滤和深表层过滤和深层过滤。层过滤。二、过滤介质二、过滤介质过滤介质也称滤材，应过滤介质也称滤材，应由惰性材料制成由惰性材料制成，既不与滤液起反应，也不吸附或很少吸既不与滤液起反应，也不吸附或很少吸附待滤液中的有效成分；附待滤液中的有效成分；耐酸、耐碱、耐酸、耐碱、耐热耐热，适用于各种滤液；，适用于各种滤液；过滤阻力小、过滤阻力小、滤速快、反复应用易清洗滤速快、反复应用易清洗；应；应具有足够具有足够的机械强度的机械强度；价廉、易得价廉、易得。滤纸。滤纸。脱脂棉。脱脂棉。织物介质。织物介质。烧结金属过滤介质。烧结金属过滤介质。 多孔塑料过滤介质。多孔塑料过滤介

4、质。垂熔玻璃过滤介质。垂熔玻璃过滤介质。过滤介质过滤介质的种类的种类常用滤纸的孔径为常用滤纸的孔径为17m。适用于口服液体制剂的过滤。适用于口服液体制剂的过滤。包括棉织品纱布、帆布等。包括棉织品纱布、帆布等。多孔陶瓷。多孔陶瓷。微孔滤膜。微孔滤膜。普通漏斗。普通漏斗。垂熔玻璃滤器。垂熔玻璃滤器。砂滤棒。砂滤棒。板框式压滤机。板框式压滤机。 微孔滤膜过滤器。微孔滤膜过滤器。三、过滤装置三、过滤装置常用玻璃漏斗和布氏漏斗，常用滤纸、长常用玻璃漏斗和布氏漏斗，常用滤纸、长纤维和脱脂棉以及绢布等作过滤介质。纤维和脱脂棉以及绢布等作过滤介质。 其它。其它。超滤装置、钛滤器、多孔聚乙烯烧结管过滤器等。超滤

5、装置、钛滤器、多孔聚乙烯烧结管过滤器等。垂熔玻璃滤器垂熔玻璃滤器分为垂熔玻璃漏斗、滤球和滤棒三种。分为垂熔玻璃漏斗、滤球和滤棒三种。系以硬质玻璃烧结成具有一定孔经的滤系以硬质玻璃烧结成具有一定孔经的滤板，再粘连不规格的漏斗、滤球而成。板，再粘连不规格的漏斗、滤球而成。按滤板孔径大小分为按滤板孔径大小分为16六种规格，由六种规格，由于厂家不同，代号不同。一般于厂家不同，代号不同。一般12号滤号滤除大颗粒的沉淀，除大颗粒的沉淀，34号滤除细沉淀号滤除细沉淀物，物，56号可滤除细菌。应用时在板号可滤除细菌。应用时在板上面盖上面盖12层纸，以减压抽即可。层纸，以减压抽即可。 国产主要有两种，一种是国产

6、主要有两种，一种是硅藻土滤棒硅藻土滤棒，另一，另一种是种是多孔素瓷滤棒多孔素瓷滤棒。硅藻土滤棒的主要成分。硅藻土滤棒的主要成分为为SiO2、Al2O3。根据自然滴滤速度分为粗。根据自然滴滤速度分为粗号号(500 mL/min以上以上) 、中号、中号(300 500mL/min)及细号及细号(300 mL/min以下以下)三种三种规格。此种滤过器规格。此种滤过器质地较松散质地较松散，一般适用于一般适用于粘度高，浓度较大滤液粘度高，浓度较大滤液的滤过。多孔素瓷滤的滤过。多孔素瓷滤棒系白陶土烧结而成，此种滤器棒系白陶土烧结而成，此种滤器质地致密质地致密，滤速慢，特别使用于滤速慢，特别使用于低粘度液体

7、低粘度液体的滤过。的滤过。 砂滤棒砂滤棒优点优点过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗少，过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗少，对不同过滤特性的发酵液适应性强。对不同过滤特性的发酵液适应性强。缺点缺点不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，不能连续操作，设备笨重，劳动强度大，卫生条件差，非过滤的辅助时间较长。卫生条件差，非过滤的辅助时间较长。由多个中空滤框和实心滤板交替排列在支架上由多个中空滤框和实心滤板交替排列在支架上组成，是一种加压下间歇操作的过滤设备。广组成，是一种加压下间歇操作的过滤设备。广泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、酵母菌和细菌等多

8、种发酵液的固液分离。适合酵母菌和细菌等多种发酵液的固液分离。适合于固体含量于固体含量1-10%的悬浮液的分离。的悬浮液的分离。 板框式压滤机板框式压滤机微孔滤膜是用高分子材料制成的薄膜滤微孔滤膜是用高分子材料制成的薄膜滤过介质。常用的有圆盘形和圆筒形两种。过介质。常用的有圆盘形和圆筒形两种。在薄膜上分布有大量的穿透性微孔，孔在薄膜上分布有大量的穿透性微孔，孔径从径从0.02514 m，分成多种规格。微，分成多种规格。微孔滤膜主要用于注射剂的精滤或末端滤孔滤膜主要用于注射剂的精滤或末端滤过，也可用于除菌滤过，细菌、癌细胞、过，也可用于除菌滤过，细菌、癌细胞、寄生虫等检验。寄生虫等检验。微孔滤膜滤

9、器微孔滤膜滤器13571其其优点优点是：孔径小、均匀、截留能力强；是：孔径小、均匀、截留能力强；质地轻而薄质地轻而薄(0.10.15 mm)而且孔隙率高而且孔隙率高(微孔体积占薄膜总体积的微孔体积占薄膜总体积的80%左右左右)，药液，药液通过薄膜时阻力小、滤速快，与同样截留通过薄膜时阻力小、滤速快，与同样截留指标的其它滤过介质相比，滤速快指标的其它滤过介质相比，滤速快40倍；倍；滤过时无介质脱落也不影响药液的滤过时无介质脱落也不影响药液的pH值；值；滤膜吸附性少，不滞留药液；滤膜用后弃滤膜吸附性少，不滞留药液；滤膜用后弃去，药液之间不会产生交叉污染等。去，药液之间不会产生交叉污染等。但但易易堵

10、塞及有些纤维素类滤膜稳定性不理想。堵塞及有些纤维素类滤膜稳定性不理想。微孔滤膜滤器微孔滤膜滤器四、常用的过滤方法四、常用的过滤方法 1.深层过滤深层过滤 2.筛式过滤筛式过滤 3.系列膜过滤系列膜过滤深层过滤器有滤芯和滤膜（板）两种深层过滤器有滤芯和滤膜（板）两种。滤芯由棉和聚丙烯缠绕及多层纤维等滤芯由棉和聚丙烯缠绕及多层纤维等组成。滤膜（板）厚度为组成。滤膜（板）厚度为320mm，由纤维、可烧缩物经加压缠绕、烧烤由纤维、可烧缩物经加压缠绕、烧烤等工艺加工制造，可自由地吸附或机等工艺加工制造，可自由地吸附或机械捕捉溶液中的颗粒。过滤的有效性械捕捉溶液中的颗粒。过滤的有效性还取决于还取决于滤片可

11、颗粒的静电作用；滤片可颗粒的静电作用；颗粒大小与表面形态；颗粒大小与表面形态；滤片压紧滤片压紧的程度及通道长短程度等。的程度及通道长短程度等。 1.深层过滤（又称深度过滤）深层过滤（又称深度过滤）优点优点：较高的污物处理能力；较高的污物处理能力；较较大的污物去除率；大的污物去除率；价格便宜。价格便宜。 1.深层过滤（又称深度过滤）深层过滤（又称深度过滤）缺点缺点：滤片中的基质可能脱落，造滤片中的基质可能脱落，造成堵塞或滤出液中含有来自滤材的杂成堵塞或滤出液中含有来自滤材的杂质；质；颗粒上有活的微生物，长时间颗粒上有活的微生物，长时间过滤可穿透滤片；过滤可穿透滤片；通过滤膜的颗粒通过滤膜的颗粒无

12、大小限制；无大小限制；过滤过程中溶液内药过滤过程中溶液内药物成分损失大。物成分损失大。 1.深层过滤（又称深度过滤）深层过滤（又称深度过滤）注意事项注意事项：工作压力不宜太大，最高工作压力不宜太大，最高不超过不超过147.09kPa；滤液中蛋白质浓滤液中蛋白质浓度以及具有吸附滤材能力的物质浓度不度以及具有吸附滤材能力的物质浓度不易太高，以防基质饱和；易太高，以防基质饱和；需通过预实需通过预实验得出一个合适的过滤总量；验得出一个合适的过滤总量；过滤时过滤时间不易太长，以免污染热原质；间不易太长，以免污染热原质；溶质溶质所带的电荷及滤液的所带的电荷及滤液的pH均会影响过滤均会影响过滤效果，必要时需

13、加以矫正。效果，必要时需加以矫正。基于几何筛分原理工作，基于几何筛分原理工作，过滤分离取过滤分离取决于滤片基质孔径的大小。形成孔膜决于滤片基质孔径的大小。形成孔膜有两种方式：有两种方式：拉伸式和相转换式。拉伸式和相转换式。孔孔隙想对较规则，具有较高的一致性。隙想对较规则，具有较高的一致性。与深层过滤相比它属于一种与深层过滤相比它属于一种“绝对过绝对过滤滤”，滤片厚度约，滤片厚度约120150m。过滤前可进行预过滤，一般用深层过过滤前可进行预过滤，一般用深层过滤板，孔径至少要一致。预处理滤片滤板，孔径至少要一致。预处理滤片与终末滤膜的面积比多为与终末滤膜的面积比多为10：1。 2.筛式过滤（即模

14、式过滤）筛式过滤（即模式过滤）缺点缺点：污物处理能力小；污物处理能力小；可出现阻可出现阻塞；塞；有些膜具有表面活性剂性质。有些膜具有表面活性剂性质。优点优点：截留效果与流速、压力差间截留效果与流速、压力差间的关系不大，工作压力高；的关系不大，工作压力高；滤膜结滤膜结构均一，无基质游离；构均一，无基质游离；刚性大颗粒刚性大颗粒被截留在膜表面，可起到深层过滤作被截留在膜表面，可起到深层过滤作用；用；有效过滤面积大，流速大；有效过滤面积大，流速大；吸附性小，故离子强度变化影响小；吸附性小，故离子强度变化影响小；滤材本身纯净、无毒。滤材本身纯净、无毒。 2.筛式过滤（即模式过滤）筛式过滤（即模式过滤）

15、注意事项注意事项：滤器、接管、收集用容滤器、接管、收集用容器必须彻底清洗，防止热原污染；器必须彻底清洗，防止热原污染； 所有物品必须高压灭菌；所有物品必须高压灭菌；无论澄无论澄清还是除菌滤膜总是放在最终末端，清还是除菌滤膜总是放在最终末端，滤膜与收集器尽可能接近；滤膜与收集器尽可能接近；过滤前过滤前后均应做完整性试验以确认滤膜的完后均应做完整性试验以确认滤膜的完整性。整性。 2.筛式过滤（即模式过滤）筛式过滤（即模式过滤）使用圆盘夹膜式滤器，使用圆盘夹膜式滤器，依次降低所用膜依次降低所用膜的孔径。上游层前预滤可用深层滤片，的孔径。上游层前预滤可用深层滤片，亦可用大孔径的微孔滤膜；下游的其它亦可

16、用大孔径的微孔滤膜；下游的其它层则用较小孔径的滤膜，每一级膜其孔层则用较小孔径的滤膜，每一级膜其孔径都比前一级小，每一层之间放一筛网，径都比前一级小，每一层之间放一筛网，以减少表面相互接触，减少阻塞。以减少表面相互接触，减少阻塞。 3.系列膜过滤（或膜堆过滤）系列膜过滤（或膜堆过滤）低温保存的蛋白质溶液低温保存的蛋白质溶液，可提前将产品，可提前将产品或样品放置于室温使其温度适当升高，或样品放置于室温使其温度适当升高，再用系列膜过滤，以提高过滤效率。再用系列膜过滤，以提高过滤效率。混合物中悬浮颗粒的性混合物中悬浮颗粒的性质和大小质和大小混合液的黏度混合液的黏度操作条件操作条件助滤剂的使用助滤剂的

17、使用过滤分离设备和技术过滤分离设备和技术五、影响过滤的因素五、影响过滤的因素一般情况下，悬浮颗粒越大，粒子越坚一般情况下，悬浮颗粒越大，粒子越坚硬，大小越均匀，过滤越容易进行。硬，大小越均匀，过滤越容易进行。流体黏度越大，过滤越困难。通常混合液流体黏度越大，过滤越困难。通常混合液的组成越复杂，浓度越高，黏度越大。的组成越复杂，浓度越高，黏度越大。（1）混合物中悬浮颗粒的性质和大）混合物中悬浮颗粒的性质和大小小（2）混合液的黏度）混合液的黏度（3）操作条件）操作条件温度升高，流体黏度降低；调整温度升高，流体黏度降低；调整pH也也可改变流体黏度。可改变流体黏度。 助滤剂助滤剂是一种不可压缩的多孔微

18、粒，是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，吸附胶体，扩大过滤它能使滤饼疏松，吸附胶体，扩大过滤面积，滤速增大。面积，滤速增大。 常用的助滤剂常用的助滤剂有硅藻土、纤维素、石有硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等，棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等，其中最常用的是硅藻土。其中最常用的是硅藻土。 助滤剂的使用方法有两种助滤剂的使用方法有两种：一种是在：一种是在过滤介质表面预涂助滤剂，另一种是直过滤介质表面预涂助滤剂，另一种是直接加入发酵液，也可两种方法同时兼用。接加入发酵液，也可两种方法同时兼用。（4）助滤剂的使用）助滤剂的使用助滤剂使用要点助滤剂使用要点根据过滤介质和过滤情况选择

19、助滤根据过滤介质和过滤情况选择助滤剂品种剂品种根据目的物性质选择助滤剂品种根据目的物性质选择助滤剂品种粒度选择粒度选择用量的确定用量的确定实验确定实验确定预涂助滤剂时，间隙操作助滤剂的最小预涂助滤剂时，间隙操作助滤剂的最小厚度为厚度为2mm；连续操作则要根据所需的；连续操作则要根据所需的过滤速率来确定。过滤速率来确定。增大过滤的表面积增大过滤的表面积选择合适的过滤介质选择合适的过滤介质增加助滤剂增加助滤剂增加过滤推动力增加过滤推动力提高温度。提高温度。（5）过滤分离设备和技术）过滤分离设备和技术为提高过滤速率和效果一般采用如下措施：为提高过滤速率和效果一般采用如下措施： 1.1.膜的分类膜的分

20、类 1)1)按膜的孔径大小分按膜的孔径大小分 微滤膜微滤膜0.0250.02510m10m；超滤膜超滤膜0.0010.0010.02m0.02m；反渗透膜；反渗透膜0.00010.00010.001m0.001m；纳滤膜，平均直接；纳滤膜，平均直接2nm2nm。 2)2)按膜结构分按膜结构分 对称性膜、对称膜、复合膜对称性膜、对称膜、复合膜 3)3)按材料分按材料分 合成聚合物膜、无机材料膜等合成聚合物膜、无机材料膜等 4)4)按来源和形态分类分按来源和形态分类分第二节第二节 膜和膜组件膜和膜组件膜膜合成膜合成膜生物膜生物膜液膜液膜带支撑层的液膜带支撑层的液膜乳状液膜乳状液膜固膜固膜不对称膜不

21、对称膜不对称膜不对称膜多孔膜多孔膜无孔膜无孔膜无机膜无机膜有机膜有机膜对称膜对称膜多孔膜多孔膜不对称膜不对称膜对称膜对称膜荷电膜荷电膜不荷电膜不荷电膜复合膜复合膜转相膜转相膜复合膜复合膜转相膜转相膜(原生质、细胞膜原生质、细胞膜)分类依据分类依据 分类分类来源来源天然膜、合成膜天然膜、合成膜状态状态固体膜、液膜、气膜固体膜、液膜、气膜材料材料有机膜、无机膜有机膜、无机膜结构结构对称膜（微孔膜、均质膜）、非对称膜、复合膜对称膜（微孔膜、均质膜）、非对称膜、复合膜电性电性非荷电膜、荷电膜非荷电膜、荷电膜形状形状平板膜、管式膜、中空纤维膜平板膜、管式膜、中空纤维膜制备方法制备方法 烧结膜、延展膜、径

22、迹刻蚀膜、相转换膜、动力烧结膜、延展膜、径迹刻蚀膜、相转换膜、动力形成墨形成墨分离体系分离体系 气气- -气、气气、气- -液、气液、气- -固、液固、液- -液、液液、液- -固分离膜固分离膜分离机理分离机理 吸附性膜、扩散性膜、离子交换膜、选择性膜、吸附性膜、扩散性膜、离子交换膜、选择性膜、非选择性膜非选择性膜分离过程分离过程 反渗透膜、渗透膜、气体分离膜、电渗析膜、渗反渗透膜、渗透膜、气体分离膜、电渗析膜、渗析膜、渗透蒸发膜析膜、渗透蒸发膜膜的分类膜的分类 2. 膜材料的性能膜材料的性能 耐压耐压 耐温耐温 耐酸碱性耐酸碱性 化学相容性化学相容性 生物相容性生物相容性 低成本低成本二、二

23、、 膜组件膜组件由膜、固定膜的支撑体、间隔物由膜、固定膜的支撑体、间隔物(spacer)(spacer)以及收纳这些部件的容器构以及收纳这些部件的容器构成的一个单元成的一个单元(unit)(unit)称为膜组件称为膜组件(membrane module)(membrane module)或膜装置或膜装置。膜组件。膜组件的结构根据膜的形式而异，目前市售商的结构根据膜的形式而异，目前市售商品品膜组件主要有平板式、管式、螺旋卷膜组件主要有平板式、管式、螺旋卷式和中空纤维式和中空纤维( (毛细管毛细管) )式等四种式等四种。 1.1.平板膜组件平板膜组件 平板膜组件与板式换热器或加压叶滤机相似，平板膜

24、组件与板式换热器或加压叶滤机相似，由多枚圆形或长方形平板膜以由多枚圆形或长方形平板膜以1mm1mm左有的间左有的间隔重叠加工而成，膜间衬设多孔薄膜，供料隔重叠加工而成，膜间衬设多孔薄膜，供料液或滤波流动液或滤波流动( (图图b)b)。平板膜组件比管式膜。平板膜组件比管式膜组件比表面积大得多。在实验室中，经常使组件比表面积大得多。在实验室中，经常使用将一张平板膜固定在容器底部的搅拌槽式用将一张平板膜固定在容器底部的搅拌槽式过滤器。过滤器。 2.2.管式膜组件管式膜组件 管式膜组件是将膜固定在内径管式膜组件是将膜固定在内径101025mm25mm，长约，长约3m3m的园管状多孔支撑体上构成的，的园

25、管状多孔支撑体上构成的，l0l02020根管根管式膜并联式膜并联( (图图8.10a)8.10a)，或用管线串联，收纳在，或用管线串联，收纳在筒状容器内即构成管式膜组件。管式膜组件的筒状容器内即构成管式膜组件。管式膜组件的内径较大，结构简单，适合于处理悬浮物含量内径较大，结构简单，适合于处理悬浮物含量较高的料液，分离操作完成后的清洗比较容易。较高的料液，分离操作完成后的清洗比较容易。但是管式膜组件单位体积的过滤表面积但是管式膜组件单位体积的过滤表面积( (即比即比表面积表面积) )在各种膜组件中最小。在各种膜组件中最小。 3.3.螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件 螺旋卷式膜组件如图螺旋卷式膜组件如

26、图c c所示。将两张平板膜固定所示。将两张平板膜固定在多孔性滤液隔网上在多孔性滤液隔网上( (隔网为滤液流路隔网为滤液流路) )，两端，两端密封。两张膜的上下分别衬设一张料液隔网密封。两张膜的上下分别衬设一张料液隔网( (为为料液流路料液流路) )，卷绕在空心管上，空心管用于滤液，卷绕在空心管上，空心管用于滤液的回收。的回收。 螺旋卷式膜组件的比表面积大，结构简单，价螺旋卷式膜组件的比表面积大，结构简单，价格较便宜。但缺点是处理悬浮物浓度较高的料格较便宜。但缺点是处理悬浮物浓度较高的料液时容易发生堵塞现象。液时容易发生堵塞现象。4.4.中空纤维中空纤维( (毛细管毛细管) )式膜组件式膜组件中

27、空纤维或毛细管膜组件由数百至数百万根中中空纤维或毛细管膜组件由数百至数百万根中空纤维膜固定在圆筒形容器内构成空纤维膜固定在圆筒形容器内构成( (图图8.10d)8.10d)。严格地讲，内径为严格地讲，内径为404080m80m的膜称中空纤维膜，的膜称中空纤维膜，而内径为而内径为0.250.252.5mm2.5mm的膜称毛细管膜。由于两的膜称毛细管膜。由于两种膜组件的结构基本相同，故一般将这两种膜种膜组件的结构基本相同，故一般将这两种膜装置统称为中空纤维膜组件。装置统称为中空纤维膜组件。中空纤维超滤膜组件中空纤维超滤膜组件膜断面图膜断面图 图图 各种膜组件的结构示意图各种膜组件的结构示意图外压式

28、膜组件结构外压式膜组件结构内压式膜组件结构内压式膜组件结构型型 式式优优 点点缺缺 点点管式管式易清洗，无死角适于处理易清洗，无死角适于处理含固体较多的料液，单根含固体较多的料液，单根管子可以调换管子可以调换保留体积大，单位保留体积大，单位体积中所含过滤面体积中所含过滤面积较小，压降大积较小，压降大中空纤维式中空纤维式 保留体积小，单位体积中保留体积小，单位体积中所含过滤面积较大，可以所含过滤面积较大，可以逆洗，操作压力较低，动逆洗，操作压力较低，动力消耗较低力消耗较低料液需预处理，单料液需预处理，单根纤维损坏时，需根纤维损坏时，需调换整个膜件调换整个膜件螺旋卷式螺旋卷式单位体积中所含过滤面积

29、单位体积中所含过滤面积大，换新膜容易大，换新膜容易料液需预处理，压料液需预处理，压降大，溶液污染降大，溶液污染平板式平板式保留体积小，能耗介于管保留体积小，能耗介于管式和螺旋卷式之间式和螺旋卷式之间死体积较大死体积较大各种膜组件的优缺点各种膜组件的优缺点5.3 5.3 微微 滤滤 微滤的基本概念和分离范围微滤的基本概念和分离范围 微滤又称微孔过滤，是以静压力差为推动力，微滤又称微孔过滤，是以静压力差为推动力，利用膜的利用膜的“筛分筛分”作用进行分离的膜分离过程。作用进行分离的膜分离过程。微孔过滤膜具有明显的孔道结构，主要用于截微孔过滤膜具有明显的孔道结构，主要用于截流高分子溶质或固体微粒。在静

30、压差的作用下，流高分子溶质或固体微粒。在静压差的作用下，小于膜孔的粒子通过滤膜，粒径大于膜孔径的小于膜孔的粒子通过滤膜，粒径大于膜孔径的粒子则被阻拦在滤膜面上，使粒子大小不同的粒子则被阻拦在滤膜面上，使粒子大小不同的组分得以分离。组分得以分离。 1. 微滤的分离机理微滤的分离机理 一般认为，一般认为，MF的分离机理为筛分机理，的分离机理为筛分机理，膜的膜的物理结构物理结构起决定作用。此外，吸附起决定作用。此外，吸附和电性能等因素对截留也有影响。和电性能等因素对截留也有影响。 通过电镜观察认为，微孔滤膜截留作用通过电镜观察认为，微孔滤膜截留作用大体可分为两大类：大体可分为两大类： 1) 表面层截

31、留表面层截留 2) 膜内部截留膜内部截留 1) 1) 表面层截留表面层截留 (1)(1)机械截留作用机械截留作用 (2)(2)物理作用或吸附截留作用物理作用或吸附截留作用 (3)(3)架桥作用架桥作用 2) 2) 膜内部截留膜内部截留 是指将微粒截留在膜内部而不是在膜的表面，是指将微粒截留在膜内部而不是在膜的表面，对于表面层截留而言，其过程接近于决定过滤，对于表面层截留而言，其过程接近于决定过滤，容易清洗，但杂质捕捉量相当于内部截留较少，容易清洗，但杂质捕捉量相当于内部截留较少，而对于膜内部截留而言，杂质捕捉量较多，但而对于膜内部截留而言，杂质捕捉量较多，但不容易清洗，多属于一次性使用。不容易

32、清洗，多属于一次性使用。 2. 2. 微滤的操作模式微滤的操作模式 1) 1) 常规过滤常规过滤( (静态过滤或死端过滤静态过滤或死端过滤) ) 原料液置于膜的上游，在压差推动下，溶原料液置于膜的上游，在压差推动下，溶剂和小于膜孔的颗粒透过膜，大于膜孔的剂和小于膜孔的颗粒透过膜，大于膜孔的颗粒则被膜截留，该压差可通过上游加压颗粒则被膜截留，该压差可通过上游加压或下游侧抽真空产生。在操作中，或下游侧抽真空产生。在操作中，随时间随时间的增长的增长，被截留颗粒会在膜表面形成污染，被截留颗粒会在膜表面形成污染层，使层，使过滤阻力增加过滤阻力增加，随着过滤过程的进，随着过滤过程的进行，污染层将不断增厚和

33、压实。行，污染层将不断增厚和压实。常规过滤常规过滤(静态过滤静态过滤) 2) 2) 错流过滤错流过滤( (动态过滤动态过滤) ) 原料液以原料液以切线方向切线方向流过膜表面。溶剂和小流过膜表面。溶剂和小于膜孔的颗粒，在压力作用下透过膜，大于膜孔的颗粒，在压力作用下透过膜，大于膜孔的颗粒则被膜截留而停留在膜表面于膜孔的颗粒则被膜截留而停留在膜表面形成一层污染层。与常规过滤不同的是，形成一层污染层。与常规过滤不同的是，料液流经膜表面产生的高剪切力可使沉积料液流经膜表面产生的高剪切力可使沉积在膜表面的颗粒扩散返回主体流在膜表面的颗粒扩散返回主体流，从而被，从而被带出微滤组件，使污染层不能无限增厚。带

34、出微滤组件，使污染层不能无限增厚。错流过滤操作中，料液的流动方向与膜面平行，错流过滤操作中，料液的流动方向与膜面平行，流动的剪切作用可大大减轻浓度极化现象或凝流动的剪切作用可大大减轻浓度极化现象或凝胶层厚度，使透过通量维持在较高水平胶层厚度，使透过通量维持在较高水平错流过滤示意图错流过滤示意图错流过滤错流过滤(动态过滤动态过滤) 3 3 微滤分离方法的选择微滤分离方法的选择 起决定作用的因素是要分离的悬浮物质起决定作用的因素是要分离的悬浮物质的尺寸大小，另外还包括悬浮物的物理特性的尺寸大小，另外还包括悬浮物的物理特性和浓度、所要求的分离率、产品产率和需要和浓度、所要求的分离率、产品产率和需要保

35、持杀菌的条件等保持杀菌的条件等 4 4 微滤的应用微滤的应用 1.1.实验室中的应用实验室中的应用 (1)(1)微粒子的检测微粒子的检测 (2)(2)微生物的检测微生物的检测 2.2.工业上的应用工业上的应用 (1)(1)制药工业制药工业 (2)(2)生物领域生物领域 5.4 5.4 超超 滤滤 超滤首次出现在超滤首次出现在1919世纪末，世纪末，18611861年，年，SchmidtSchmidt用牛心包膜截留阿拉伯胶被认为是用牛心包膜截留阿拉伯胶被认为是世界上第一次世界上第一次UFUF实验，实验，19631963年年MichaelsMichaels开发开发成功了第一张不对称超滤膜。膜的截留

36、相对成功了第一张不对称超滤膜。膜的截留相对分子质量为分子质量为10103 310106 6，膜组件的类型有管式、，膜组件的类型有管式、平板式、中空纤维式、毛细管式及螺旋卷式。平板式、中空纤维式、毛细管式及螺旋卷式。2020世纪世纪8080年代开发成功了以陶瓷膜为代表的年代开发成功了以陶瓷膜为代表的无机膜。无机膜。 1 1 超滤的基本概念和分离范围超滤的基本概念和分离范围 超滤是一种在静压差为推动力的作用下，原料超滤是一种在静压差为推动力的作用下，原料液中大于膜孔的大粒子溶质被膜截留，小于膜液中大于膜孔的大粒子溶质被膜截留，小于膜孔的小溶质粒子通过通过滤膜，从而实现分离孔的小溶质粒子通过通过滤膜

37、，从而实现分离的过程，其的过程，其分离机理一般认为是机械筛分原理分离机理一般认为是机械筛分原理 超滤主要用于料液澄清、溶质的截留浓缩及溶超滤主要用于料液澄清、溶质的截留浓缩及溶质之间的分离。其质之间的分离。其分离范围分离范围为相对分子质量为相对分子质量5005001 110106 6的大分子物质和胶体物质，相对的大分子物质和胶体物质，相对应粒子的直径为应粒子的直径为0.0050.0050.1m0.1m。操作压力操作压力一般一般为为0.10.10.5MPa0.5MPa。 2 2 超滤的基本原理及操作模式超滤的基本原理及操作模式 1.1.分离机理分离机理 超滤过程如下：在压力作用下，料液中含有超滤

38、过程如下：在压力作用下，料液中含有的溶剂及各种小的溶质从高压料液侧透过超的溶剂及各种小的溶质从高压料液侧透过超滤膜到达低压侧，从而得到透过液或称为超滤膜到达低压侧，从而得到透过液或称为超滤液；尺寸比膜孔径大的大溶质分子被膜截滤液；尺寸比膜孔径大的大溶质分子被膜截留成浓缩液。溶质在被膜截留的过程中有以留成浓缩液。溶质在被膜截留的过程中有以下几种作用方式：下几种作用方式：在膜面的机械截留；在膜面的机械截留；在膜表面及微孔内吸附；在膜表面及微孔内吸附；膜孔的堵塞。膜孔的堵塞。 2. 2. 操作模式操作模式 1)1)重过滤操作重过滤操作 是在不断加水稀释原料液的操作下，尽可能高是在不断加水稀释原料液的

39、操作下，尽可能高地透过组分或除去不需要的盐类组分。地透过组分或除去不需要的盐类组分。 2)2)透析超滤透析超滤 是将透析与超滤结合起来使用的一种重过滤技是将透析与超滤结合起来使用的一种重过滤技术，原理如图术，原理如图8-7a8-7a，用泵将新鲜水通过产品侧，用泵将新鲜水通过产品侧将透过物带出，而不是透过物从组件自由流出，将透过物带出，而不是透过物从组件自由流出，新鲜水的流量约为组件水通量的新鲜水的流量约为组件水通量的3 31010倍，并倍，并保持一定的跨膜压差。保持一定的跨膜压差。浓差极化浓差极化在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面上，不能完全透过

40、膜的溶质受送到膜表面上，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，到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高，如图如图8.118.11所示。所示。这种在膜表面附近浓度高这种在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象称为浓度极化或浓差极于主体浓度的现象称为浓度极化或浓差极化化(concentration polarization)(concentration polarization)。 3)3)间歇错流操作间歇错流操作 是将料液从储灌连续地泵送至超滤膜是将料液从储灌连续地泵送至超滤膜装置，然后再回到储灌。随着溶剂被装置，然后再回到储灌。随着溶剂被滤出，储灌中料液的液面下降，溶液滤出，储灌中

41、料液的液面下降，溶液浓度升高。浓度升高。 4)4)连续错流操作连续错流操作 连续错流操作包括单级错流操作和多级连续错连续错流操作包括单级错流操作和多级连续错流操作。单级连续操作是从储罐将加料液泵送流操作。单级连续操作是从储罐将加料液泵送至一个大的循环系统管线中，料液在这个大循至一个大的循环系统管线中，料液在这个大循环系统中通过泵提供动力，进行循环超滤后成环系统中通过泵提供动力，进行循环超滤后成为浓缩产品，慢慢从这个循环系统管线中连续为浓缩产品，慢慢从这个循环系统管线中连续地流出，这个过程中要保持进料和出料的流速地流出，这个过程中要保持进料和出料的流速相等。多级连续操作是采用两个或两个以上的相等

42、。多级连续操作是采用两个或两个以上的单级连续操作。单级连续操作。 3 3 超滤膜与膜材料超滤膜与膜材料 (1)(1)醋酸纤维素醋酸纤维素 这是研究最早的超滤膜，这是研究最早的超滤膜，是利用纤维素及其衍生物分子线性不容易弯曲是利用纤维素及其衍生物分子线性不容易弯曲的特点，来制备反渗透和超滤膜。具有亲水性的特点，来制备反渗透和超滤膜。具有亲水性好、通量大、工艺简单、成本低、无毒、操作好、通量大、工艺简单、成本低、无毒、操作范围窄、适用的范围窄、适用的pHpH范围窄范围窄(3(36)6)、容易被生物、容易被生物将解等特点。将解等特点。 (2)(2)聚砜类超滤膜聚砜类超滤膜 具有化学稳定性优异、具有化

43、学稳定性优异、适用的适用的pHpH范围宽范围宽(1(113)13)、耐热性好、耐酸碱、耐热性好、耐酸碱性好、抗氧化性和抗氯性能好等特点。适于制性好、抗氧化性和抗氯性能好等特点。适于制作超滤膜、微滤膜和复合膜的多孔支撑膜。作超滤膜、微滤膜和复合膜的多孔支撑膜。 (3)(3)聚丙烯腈膜聚丙烯腈膜 聚丙烯腈膜聚丙烯腈膜(PAN)(PAN)是常用来是常用来制备超滤膜的聚合物。通常引入乙酸乙烯酯或制备超滤膜的聚合物。通常引入乙酸乙烯酯或甲基丙烯酸甲酯的方法来增加它的柔韧性和亲甲基丙烯酸甲酯的方法来增加它的柔韧性和亲水性。水性。 (4)(4)聚酰胺类超滤膜聚酰胺类超滤膜 具体包括聚砜酰胺超具体包括聚砜酰胺

44、超滤膜、芳香聚酰胺膜。其中聚砜酰胺超滤膜有滤膜、芳香聚酰胺膜。其中聚砜酰胺超滤膜有耐高温、耐酸碱、耐有机溶剂等特性。芳香酰耐高温、耐酸碱、耐有机溶剂等特性。芳香酰胺膜具有高吸水性、良好的机械强度、好的热胺膜具有高吸水性、良好的机械强度、好的热稳定性、不耐氯离子和容易被污染等特点。稳定性、不耐氯离子和容易被污染等特点。(5)(5)其他类聚合物膜其他类聚合物膜 具体包括聚偏氟乙烯超具体包括聚偏氟乙烯超滤膜和再生纤维素膜等。聚偏氟乙烯超滤膜可滤膜和再生纤维素膜等。聚偏氟乙烯超滤膜可高温消毒、耐一般溶剂、耐游离氯等。高温消毒、耐一般溶剂、耐游离氯等。 (6)(6)复合超滤膜复合超滤膜 分别用不同材料制

45、成致密分别用不同材料制成致密层和多孔支撑层，从而使两者达到最优化。层和多孔支撑层，从而使两者达到最优化。 (7)(7)无机膜无机膜 通常具有非常好的化学稳定性，通常具有非常好的化学稳定性，热稳定性和机械稳定性，但使用有限。热稳定性和机械稳定性，但使用有限。 4 4 超滤分离系统超滤分离系统 1.1.前处理前处理 降低供给水的混浊度降低供给水的混浊度 悬浮物和交替物质的悬浮物和交替物质的去除去除 可溶性有机物的去处可溶性有机物的去处 微生物微生物( (细菌、细菌、藻类等藻类等) )去除去除 调整进水水质调整进水水质( (供水温度、供水温度、pH)pH)。 2.2.超滤系统工艺流程超滤系统工艺流程

46、 超滤系统工艺流程设计有多种多样，按运行方超滤系统工艺流程设计有多种多样，按运行方式分为循环式、连续式和部分循环连续式。按式分为循环式、连续式和部分循环连续式。按组件组合排列形式分为一级一段、一级多段和组件组合排列形式分为一级一段、一级多段和多级等。多级等。 5 5 超滤的应用超滤的应用 1.1.在水处理中的应用在水处理中的应用 2.2.在食品及发酵工业中的应用在食品及发酵工业中的应用 1)1)在乳品工业中的应用在乳品工业中的应用 2)2)大豆蛋白的制备大豆蛋白的制备 3.3.在生物工程与医药工业中的应用在生物工程与医药工业中的应用 1)1)医药用水的制备医药用水的制备 2)2)生物制品的精制

47、与提纯生物制品的精制与提纯 6 6 超滤膜污染的防治超滤膜污染的防治 膜的污染是指膜过滤的过程中，被处理物料膜的污染是指膜过滤的过程中，被处理物料中的颗粒、胶体离子或溶质大分子与膜发生中的颗粒、胶体离子或溶质大分子与膜发生物理化学或机械的相互作用，从而吸附、沉物理化学或机械的相互作用，从而吸附、沉积在膜表面或膜孔内，使膜孔径变小或堵塞，积在膜表面或膜孔内，使膜孔径变小或堵塞，使膜的透过流量与分离特性发生不可逆的变使膜的透过流量与分离特性发生不可逆的变化。污染使膜的渗透通量和截留率降低，影化。污染使膜的渗透通量和截留率降低，影响分离过程。响分离过程。 1.1.选择合适的膜材料选择合适的膜材料 膜

48、的亲疏水性和荷电性会影响膜的污染程度膜的亲疏水性和荷电性会影响膜的污染程度 用表面活性剂等小分子化合物预处理膜面，用表面活性剂等小分子化合物预处理膜面，使膜覆盖一层保护膜；使膜覆盖一层保护膜；增加膜的亲水性，可增加膜的亲水性，可在膜表面改性引入亲水基团，也可用复合膜手在膜表面改性引入亲水基团，也可用复合膜手段复合一层亲水性分离层。段复合一层亲水性分离层。 2.2.膜孔径或截留相对分子质量的选择膜孔径或截留相对分子质量的选择 离子或溶质尺寸与膜孔相近时容易堵塞膜孔离子或溶质尺寸与膜孔相近时容易堵塞膜孔 3.3.膜结构的选择膜结构的选择 不对称结构膜较耐污染不对称结构膜较耐污染 4.4.组件结构选

49、择组件结构选择 毛细管式荷薄层管道式组件可减少污染毛细管式荷薄层管道式组件可减少污染 5.5.溶液中盐浓度的影响溶液中盐浓度的影响 一是盐会强烈的吸附到膜面上；二是无机盐改一是盐会强烈的吸附到膜面上；二是无机盐改变溶液的离子强度，影响溶质的溶解度、分散变溶液的离子强度，影响溶质的溶解度、分散性、构型与悬浮状态，使得形成的沉积层疏密性、构型与悬浮状态，使得形成的沉积层疏密程度改变。程度改变。 6.pH6.pH pHpH的改变不仅改变蛋白质的带电状态，也改变的改变不仅改变蛋白质的带电状态，也改变膜的性质，从而影响吸附，是膜污染的主要控膜的性质，从而影响吸附，是膜污染的主要控制因素。制因素。 7.7

50、.温度温度 温度上升，料液的粘度下降，有利于扩散，但温度上升，料液的粘度下降，有利于扩散，但温度上升会导致料液中某些组分的溶解度下降温度上升会导致料液中某些组分的溶解度下降 大多数超滤的应用温度范围大多数超滤的应用温度范围30306060。 8.8.膜面粗糙度膜面粗糙度 膜面光滑不容易污染，粗糙容易污染。膜面光滑不容易污染，粗糙容易污染。 9.9.其他影响因素其他影响因素 一般地，溶液与膜一般地，溶液与膜接触时间接触时间越长，越容易产生越长，越容易产生污染；污染；压力与流速压力与流速越大，越不容易产生污染；越大，越不容易产生污染；溶液浓度溶液浓度越大，越容易造成膜的吸附污染。越大，越容易造成膜

51、的吸附污染。5.5 透析技术透析技术 根据筛分和吸附扩散的原理，利用膜两侧的浓根据筛分和吸附扩散的原理，利用膜两侧的浓度差使小分子溶质通过膜进行交换，而大分子度差使小分子溶质通过膜进行交换，而大分子被截流的膜分离过程。被截流的膜分离过程。 透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。在生物分离方面，主要用于生物大分子溶液的在生物分离方面，主要用于生物大分子溶液的脱盐。由于透析过程以浓差为传质推动力，膜脱盐。由于透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过通量很小，不适于大规模生物分离过程，的透过通量很小，不适于大规模生物分离过程，而在实验室中应用较多。而在实验室

52、中应用较多。透析 透析是一个浓度平衡过程透析是一个浓度平衡过程, ,即能通过半透膜的即能通过半透膜的小分子由浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散小分子由浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散. . 用半透膜制成一个袋，用半透膜制成一个袋，往这个袋里注入淀粉往这个袋里注入淀粉胶体胶体10mL10mL和食盐溶液和食盐溶液5mL5mL的混合液体，然后的混合液体，然后如右图所示用线把半如右图所示用线把半透膜袋透膜袋 的上口缚好，的上口缚好，系在玻璃棒上，并把系在玻璃棒上，并把它悬挂在盛有蒸馏水它悬挂在盛有蒸馏水的烧杯里。的烧杯里。如图所示，利用具有一定孔径大小、高分子溶质如图所示，利用具有一定孔径大小、高分子溶质不

53、能透过的亲水膜将含有高分子溶质和其他小分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子溶质的溶液( (左侧左侧) )与纯水或缓冲液与纯水或缓冲液( (右侧右侧) )分隔，分隔，由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，左侧高分子溶液中的小分子溶质左侧高分子溶液中的小分子溶质( (例如无机盐例如无机盐) )透透向右侧，右侧中的水透向左侧，这就是透析。向右侧，右侧中的水透向左侧，这就是透析。图图透析原理透析原理透析原理透析原理 图所示的透析操作中，通常将右侧纯水或缓冲图所示的透析操作中，通常将右侧纯水或缓冲液称为透析液，所用亲水膜称为透析膜。透析

54、液称为透析液，所用亲水膜称为透析膜。透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的形过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的形式移动，摩尔透过通量式移动，摩尔透过通量N为为其中，其中， K0为包括膜内扩散和膜两侧表面液膜传为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，质阻力在内的总传质系数， c1和和c2分别为膜两分别为膜两侧的溶质浓度。侧的溶质浓度。N=K0(c1c2) 透析原理透析原理透析膜一般为孔径透析膜一般为孔径5 510nm10nm的亲水膜，例的亲水膜，例如纤维素膜、聚丙烯氰膜和聚酰胺膜等。如纤维素膜、聚丙烯氰膜和聚酰胺膜等。生化实验室中生化实验室中一般使用一般使用580mm的透

55、析袋的透析袋，将料液装入透析袋中，封口后浸入到透析将料液装入透析袋中，封口后浸入到透析液中，一定时间后即可完成透析，必要时液中，一定时间后即可完成透析，必要时需更换透析液。处理量较大时，为提高透需更换透析液。处理量较大时，为提高透析速度，常使用比表面积较大的析速度，常使用比表面积较大的中空纤维中空纤维膜组件。膜组件。从样品中脱盐和置换存在于渗透液中的从样品中脱盐和置换存在于渗透液中的缓冲液，由于在样品中盐和有机溶剂的缓冲液，由于在样品中盐和有机溶剂的浓度高，透析的结果导致水向透析袋内浓度高，透析的结果导致水向透析袋内迁移，体积增加，所以透析在除去多余迁移，体积增加，所以透析在除去多余的低相对分

56、子质量溶质的同时，引进了的低相对分子质量溶质的同时，引进了一个新的缓冲溶液。一个新的缓冲溶液。注意事项：注意事项： 装袋前要对袋查漏，以防样品流失。装袋前要对袋查漏，以防样品流失。 密封时透析袋内样品表面应留有一定的空间，密封时透析袋内样品表面应留有一定的空间，并排除空气，保证样品在袋内能适当流动。并排除空气，保证样品在袋内能适当流动。 袋要扎紧以防流失。袋要扎紧以防流失。 热敏性物质应置热敏性物质应置4冰箱透析以防变性。冰箱透析以防变性。 应经常更换透析液应经常更换透析液(4h)，并不断搅拌。，并不断搅拌。 透析时间不能过长，以免样品漏掉，一般透析时间不能过长，以免样品漏掉，一般24h以以后即可检查透析效果。后即可检查透析效果。 要用相应的方法检查透析是否完全，如要用相应