酶工程4-5过滤与膜分离

1、l过滤：过滤：过滤是借助于过滤介质将不同大小、不同形过滤是借助于过滤介质将不同大小、不同形状的物质分离的技术过程。状的物质分离的技术过程。l过滤介质过滤介质多种多样多种多样, , 常用的有滤纸、滤布、纤维、常用的有滤纸、滤布、纤维、多孔陶瓷、烧结金属和各种高分子膜等多孔陶瓷、烧结金属和各种高分子膜等, , 可以根据可以根据需要选用。需要选用。l根据过滤介质的不同根据过滤介质的不同, , 过滤可以分为过滤可以分为膜过滤膜过滤和和非膜非膜过滤过滤两大类。其中两大类。其中粗滤粗滤和和部分微滤部分微滤采用高分子膜以采用高分子膜以外的物质作为过滤介质外的物质作为过滤介质, , 称为非膜过滤称为非膜过滤;

2、 ; 而而大部分大部分微滤微滤以及以及超滤、反渗透、透析、电渗析超滤、反渗透、透析、电渗析等采用各种等采用各种高分子膜为过滤介质高分子膜为过滤介质, , 称为膜过滤称为膜过滤, , 又称为又称为膜分离膜分离技术技术。类别类别截留的颗粒大小截留的颗粒大小截留的主要物质截留的主要物质过滤介质过滤介质粗滤粗滤2m酵母、霉菌、动酵母、霉菌、动物细胞、植物细物细胞、植物细胞、固形物等胞、固形物等滤纸、滤布、纤维多孔滤纸、滤布、纤维多孔陶瓷、烧结金属等陶瓷、烧结金属等微滤微滤0.22m细菌、灰尘等细菌、灰尘等微滤膜、微孔陶瓷微滤膜、微孔陶瓷超滤超滤200. 2m病毒、生物大分病毒、生物大分子等子等超滤膜超

3、滤膜反渗透反渗透 20生物小分子、盐、生物小分子、盐、离子离子反渗透膜反渗透膜表表4-4 过滤的分类及其特性过滤的分类及其特性根据过滤介质截留的物质颗粒大小不同根据过滤介质截留的物质颗粒大小不同, ,过滤可以分为过滤可以分为粗滤、微滤、超滤和反渗透等粗滤、微滤、超滤和反渗透等4 4大类。大类。l采用高分子膜以外的材料采用高分子膜以外的材料, , 如滤如滤纸、滤布、纤维、多孔陶瓷、烧纸、滤布、纤维、多孔陶瓷、烧结金属等作为过滤介质的分离技结金属等作为过滤介质的分离技术称为非膜过滤术称为非膜过滤, , 包括包括粗滤粗滤和和部部分微滤分微滤。 粗滤粗滤 概念：概念：借助于过滤介质截留悬浮液中直径大于

4、借助于过滤介质截留悬浮液中直径大于2m 的大的大颗粒颗粒, 使固形物与液体分离的技术称为粗滤。通常所说使固形物与液体分离的技术称为粗滤。通常所说的过滤就是指粗滤而言。的过滤就是指粗滤而言。 分离对象：分离对象：酵母、霉菌、动物细胞、植物细胞、培养基酵母、霉菌、动物细胞、植物细胞、培养基残渣及其他大颗粒固形物。残渣及其他大颗粒固形物。 过滤介质：过滤介质：滤纸、滤布、纤维、多孔陶瓷、烧结金属等。滤纸、滤布、纤维、多孔陶瓷、烧结金属等。 助滤剂：助滤剂：硅藻土、活性炭、纸粕等，能加快过滤速度硅藻土、活性炭、纸粕等，能加快过滤速度, 提高分离效果。提高分离效果。分类分类（推动力的产生条件不同）：（推

5、动力的产生条件不同）： 1）常压过滤常压过滤以液位差为推动力（重力的作用）以液位差为推动力（重力的作用）滤纸过滤、吊篮或吊袋过滤；优：设备简单, 操作方便易行。缺：过滤速度较慢, 分离效果较差, 难于大规模连续使用 2）加压过滤加压过滤以压力泵或压缩空气产生的压力为推动力以压力泵或压缩空气产生的压力为推动力添加助滤剂、降低悬浮液黏度、适当提高温度等措施, 均有利于加快过滤速度和提高分离效果。优点：设备比较简单, 过滤速度较快, 过滤效果较好。 3）减压过滤减压过滤真空过滤或抽滤，真空过滤或抽滤，是通过在过滤介质的下方抽真空的方法, 以增加过滤介质上下方之间的压力差, 推动液体通过过滤介质,而把

6、大颗粒截留的过滤方法。需配备有抽真空需配备有抽真空系统，压力差最高不超过系统，压力差最高不超过0. 1 M Pa，黏性不大物料的分离。，黏性不大物料的分离。微滤又称为微滤又称为微孔过滤微孔过滤。介质：介质：微孔陶瓷、烧结金属等作为过滤介质微孔陶瓷、烧结金属等作为过滤介质, , 也可采用微也可采用微滤膜为过滤介质进行膜分离。滤膜为过滤介质进行膜分离。分离对象：分离对象：主要用于细菌、灰尘等光学显微镜可以看到的主要用于细菌、灰尘等光学显微镜可以看到的物质颗粒的分离，截留的物质颗粒直径为物质颗粒的分离，截留的物质颗粒直径为0.20.22m 2m 。应用领域：应用领域：在无菌水、矿泉水、汽水等软饮料的

7、生产中广在无菌水、矿泉水、汽水等软饮料的生产中广泛应用。泛应用。概念：概念：借助一定孔径的高分子薄膜，将不同大小、形状、性质的颗粒或分子进行分离的技术。膜材质：膜材质：丙烯腈、醋酸纤维素、赛璐玢以及尼龙等高分子聚合物制成的高分子膜；也可用动物膜。薄膜的作用：薄膜的作用：是选择性地让小于其孔径的物质颗粒或分子通过, 而把大于其孔径的颗粒截留。l膜分离的分类：膜分离的分类： 根据物质颗粒或分子通过薄膜的原理和推动力的不同, 膜分离可以分为3 3大类大类。 加压膜分离加压膜分离 电场膜分离电场膜分离 扩散膜分离扩散膜分离（一）（一） 扩散膜分离扩散膜分离透析透析（半透膜半透膜）原理：是利用小分子物质

8、的原理：是利用小分子物质的扩散作用扩散作用, 不断透过不断透过半透膜半透膜扩散到膜外。而大扩散到膜外。而大分子被截留分子被截留, 从而达到分离效果。从而达到分离效果。 溶质分子溶质分子Y 从高浓度一侧通过膜向低浓度一侧移动从高浓度一侧通过膜向低浓度一侧移动蛋白质透析蛋白质透析1. 透析膜透析膜 商品透析膜大多制成管状商品透析膜大多制成管状 。 材质：动物膜、羊皮纸、火棉胶或赛璐玢等。材质：动物膜、羊皮纸、火棉胶或赛璐玢等。 1）透析膜的预处理：目的：）透析膜的预处理：目的：除杂质。除杂质。 2）透析袋的保存）透析袋的保存 ：防腐剂冷藏。：防腐剂冷藏。2.分离对象：分离对象： 主要用于酶等生物大

9、分子的分离纯化主要用于酶等生物大分子的分离纯化, , 从中除去无机盐等从中除去无机盐等小分子物质。小分子物质。3.优缺点：优缺点： 透析设备简单、操作容易；透析设备简单、操作容易； 透析时间较长透析时间较长, ,透析结束时透析结束时, ,透析膜内侧的保留液体积较大透析膜内侧的保留液体积较大, , 浓度较低浓度较低, , 难于工业化生产。难于工业化生产。4. 透析方法及装置透析方法及装置 透析袋透析简单装置。透析袋透析简单装置。A:A:透析夹，透析夹，B:B:透析，透析，C:C:透析示意图透析示意图 l原理：原理：是以薄膜两边的流体静压差为推动力的膜分是以薄膜两边的流体静压差为推动力的膜分离技术

10、。在静压差的作用下离技术。在静压差的作用下, , 小于孔径的物质颗粒穿小于孔径的物质颗粒穿过膜孔过膜孔, , 而大于孔径的颗粒被截留。而大于孔径的颗粒被截留。l分类：分类：根据所截留的物质颗粒的大小不同根据所截留的物质颗粒的大小不同, ,加压膜分加压膜分离可分为离可分为微滤微滤、超滤超滤和和反渗透反渗透等等3 3 种。种。 3 种种加压膜分离技术的比较加压膜分离技术的比较截留颗粒截留颗粒直径直径操作压力操作压力应用应用微滤微滤0.22 m0.1MPa除菌除菌超滤超滤20A 0.2 m0.10.7MPa分离病毒及生物大分分离病毒及生物大分子子反渗透反渗透20A0.7 13MPa分离各种离子和小分

11、分离各种离子和小分子物质；纯水制备子物质；纯水制备微滤微滤(Microfiltration，MF) ) 一种一种静态过滤静态过滤，随，随过滤时间延长，膜面上过滤时间延长，膜面上截流沉积不溶物，引起截流沉积不溶物，引起水流阻力增大，透水速水流阻力增大，透水速率下降，直至微孔全被率下降，直至微孔全被堵塞。堵塞。 过滤介质：微滤膜过滤介质：微滤膜无 流 动 操 作渗 透 液原 料 液超滤超滤 (Ultrafiltration, UF ) 一种一种动态过程动态过程，由泵提供推动力，在膜表，由泵提供推动力，在膜表面产生两个分力：一个是垂直于膜面的法向分面产生两个分力：一个是垂直于膜面的法向分力，使水分子

12、透过膜面，另一个是于膜面平行力，使水分子透过膜面，另一个是于膜面平行的切向力，把膜面截流物冲掉。的切向力，把膜面截流物冲掉。浓溶液浓溶液超滤膜超滤膜超滤液超滤液原液原液超滤原理的示意图超滤原理的示意图超滤浓缩装置超滤浓缩装置 作用：作用：在一定压力下使溶液中大分子滞留，而小分子及溶剂滤过在一定压力下使溶液中大分子滞留，而小分子及溶剂滤过的方法。的方法。结构：结构：由两层组成。由两层组成。表层表层厚度厚度0.10.15m,5m,孔径有多种规格孔径有多种规格, ,从从202020002000组成系列产品组成系列产品, , 可根据需要选择。可根据需要选择。基层厚度基层厚度为为200200250m,2

13、50m,强度较高强度较高, , 使用时要将表层面向待超滤的物料溶液。使用时要将表层面向待超滤的物料溶液。流率：流率：膜的透过性一般以流率表示。膜的透过性一般以流率表示。 流率是指每平方厘米的膜每分钟透过的流体的量。超滤时流率是指每平方厘米的膜每分钟透过的流体的量。超滤时流率一般为流率一般为0.015.0ml/(cm2min)。膜的孔径大。膜的孔径大, , 流率也大。流率也大。 影响流率的因素：影响流率的因素：膜孔径的大小（膜孔径的大小（主因主因），颗粒的形状（），颗粒的形状（球球形的透过性好形的透过性好）与大小）与大小, 溶液浓度溶液浓度, 操作压力操作压力, 温度和搅拌等。温度和搅拌等。用途

14、：用途：超滤法在蛋白质（酶）溶液除盐、浓缩及分离纯化中有广超滤法在蛋白质（酶）溶液除盐、浓缩及分离纯化中有广泛的应用。泛的应用。超滤膜超滤膜反渗透反渗透（Reverse osmosis，RO） 半 透 膜图 1 4 - 3 利用反渗透膜选择利用反渗透膜选择性地只能透过溶剂性地只能透过溶剂( (通通常是水常是水) )的性质，对溶的性质，对溶液施加压力，使溶剂通液施加压力，使溶剂通过反渗透膜而从溶液中过反渗透膜而从溶液中分离出来的过程。分离出来的过程。Reverse Osmosis (RO)Nanofiltration (NF)Ultrafiltration (UF)Microfiltration

15、 (MF)Membrane Filtration微粒微粒胶体胶体 是在半透膜的两侧分别装上正、负电极。在是在半透膜的两侧分别装上正、负电极。在电场作用下电场作用下, , 小分子的带电物质或离子向着与其小分子的带电物质或离子向着与其本身所带电荷相反的电极移动本身所带电荷相反的电极移动, , 透过半透膜透过半透膜, , 而而达到分离的目的。达到分离的目的。 分类：分类：电渗析电渗析和和离子交换膜电渗析离子交换膜电渗析（1）电渗析：）电渗析： 用用两块半透膜两块半透膜将透析槽分隔成将透析槽分隔成 3 3个室个室, , 在两块膜之间的在两块膜之间的中心室中心室通入待分离的混合溶液通入待分离的混合溶液,

16、 , 在在两侧室两侧室中中装入水或缓冲液装入水或缓冲液并分别接上正、负电极并分别接上正、负电极, ,接正电极的称为阳极槽接正电极的称为阳极槽, , 接负电极接负电极的称为阴极槽。接通直流电源后的称为阴极槽。接通直流电源后, , 中心室溶液中的阳离子向中心室溶液中的阳离子向负极移动负极移动, , 透过半透过半透膜到达阴极槽透膜到达阴极槽, , 而阴离子则向正极而阴离子则向正极移动移动, , 透过半透膜透过半透膜移向阳极槽移向阳极槽, , 大于大于半透膜孔径的物质半透膜孔径的物质分子则被截留在中分子则被截留在中心室中心室中。从而达到。从而达到分离。分离。主要用途：主要用途：酶液或其他溶液的脱盐、海水淡化、纯水制备酶液或其他溶液的脱盐、海水淡化、纯水制备以及其他带电荷小分子的分离。以及其他带电荷小分子的分离。（2）离子交换膜电渗析）离子交换膜电渗析 用用离子交换膜离子交换膜代替一般代替一般电渗析电渗析的半透膜。的半透膜。 选择选择透过性：透过性：比