生物工程下游技术膜过滤法

膜过滤法指以压力为推动力，依靠膜的选择性，将液体中的组分进行分离的方法，包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）四种过程。四种过程的共同点：膜的制造方法基本类似，结构类似，操作方式也类似。四种过程的不同之处：适用范围不同微滤0.02～10μm超滤0.001～0.02μm或1000～300,000Dalton纳滤200～1000Dalton或1mm反渗透350Dalton膜过滤法的核心是膜，膜必须是半透膜，即能透过一种物质而阻碍另一种物质。操作在常温下进行；是物理过程，不需加入化学试剂；不发生相变化，能耗较低；在很多情况下选择性较高；浓缩和纯化可在一个步骤内完成；设备易放大，可以分批或连续操作。膜过滤法的特点一、膜材料和膜的制造膜的制造方法包括膜材料，都是各公司的专利。制造膜的高分子材料很多，在工业上用得最广的是醋酸纤维素和聚砜。（1）醋酸纤维素的特点有一定的亲水性，膜截留能力强，透过速度大，适宜于制备反渗透膜，也可制备超滤和微滤膜，制造较易，原料来源丰富。缺点：最高使用温度为30℃，最适操作pH范围为4～6（酸性下分子中糖苷键水解，碱性下脱去乙酰基）；易与氯作用，使用寿命降低；纤维素骨架易受细菌侵袭，难以贮存。1.膜材料（2）聚砜的特点稳定性好，憎水性强。使用温度可高达75℃，使用pH范围为1～13，耐氯性好，可长期贮存，符合超滤膜的要求，但不能制成反渗透膜。缺点：允许的操作压力较低。（3）其他膜材料用于制造MF膜的聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚丙稀、聚氯乙烯、聚碳酸酯；用于制造UF膜的聚丙稀腈、再生纤维素、聚醚砜；用于制造RO膜的芳香聚酰胺等。2.膜的制造不对称膜通常用相转变法制造将高聚物溶于一种溶剂中；将得到溶液浇注成薄膜；将薄膜浸入沉淀剂（通常为水或水溶液）中，均匀的高聚物溶液分离成两相，一相富含高聚物的凝胶，形成膜的骨架，另一相为富含溶剂的液相，形成膜中空隙。步骤二、表征膜性能的参数孔的特征（孔径、孔分布和孔隙度）截断分子量水通量抗压能力pH适用范围对热和溶剂的稳定性三、渗透压和浓差极化现象1.渗透压影响和反渗透半透膜两侧的液体的化学位能差——渗透压2.浓差极化当溶剂透过膜，而溶质留在膜上，因而使膜面浓度增大，并高于主体中浓度，这种浓度差导致溶质自膜面反扩散至主体中，这种现象称为浓差极化。随着浓缩倍数的提高，浓差极化现象也愈严重，膜的过滤强度也相应降低四、影响超滤速度的各种因素在超滤中，为减少浓差极化，通常采用错流操作。膜两侧的压力进料浓度温度流速五、膜的污染污染——膜在使用中，尽管操作条件保持不变，但通量仍逐渐降低的现象。污染原因：膜与料液中某一溶质的相互作用；吸附在膜上的溶质和其它溶质的相互作用。污染必须通过清洗的办法才能消除。经清洗后如纯水通量达到或接近原来水平，则认为污染已消除。1.减轻膜污染的方法预处理将料液经过一预过滤器，以除去较大的粒子；调节料液的pH远离等电点可使蛋白质吸附作用减弱；加入络合剂如EDTA可防止钙离子等沉淀。改变膜的表面性质机械方法化学方法起溶解作用的物质：酸、碱、酶（蛋白质）、鳌合剂，表面活性剂。起切断离子结合作用的方法：改变离子强度、pH、电位。起氧化作用的物质：过氧化氢、次氯酸盐起渗透作用的物质：磷酸盐、聚磷酸盐。加海绵球，增大流速，逆洗（对中空纤维超滤器），脉冲流动，超声波等膜清洗后，如暂时不用，应储存在清水中，并加些甲醛，以防止细菌生长。六、超滤器的型式及其适用范围目前生产的超滤器都由模件（Module）构成一个良好的超滤器模件应具备下列条件：膜面切线方向的速度相当快，或者较高的剪切率，以减少浓差极化；单位体积中所含膜面积比较大；容易拆洗和更换新膜；保留体积小，无死角。市售的超滤器大致有四种型式：管式、中空纤维式、螺旋卷绕式和平板式。型式优点缺点管式易清洗，无死角，适宜于处理含固体较多的料液，单根管子可以调换保留体积大，单位体积中所含过滤面积较小，压力降大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，操作压力较低，动力消耗较低料液需要预处理，单根纤维损坏时需调换整个模件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，压力降大，易污染，清洗困难平板式保留体积小，能量消耗界于管式和螺旋卷绕式死体积大动态压力过滤器，由内外两圆筒组成，圆筒上复有超滤膜，内圆筒在旋转，以减少浓差极化，适宜于过滤悬浮液。七、操作方式间歇操作连续操作浓缩模式透析过滤模式单级操作多级操作产品在系统中停留时间较短，对热敏或剪切力敏感的产品有利，主要用于大规模生产，如奶制品工业中。平均通量较高，所需膜面积较小，装置简单，成本较低，适用于药物和生物制品中。八、膜过程的应用膜过程的应用范围很广，例如纯水制造、工业废水处理和在食品、牛乳、生物技术工业中回收有价值的产品等。反渗透主要用于海水、苦咸水脱盐，纯水制造以及小分子产品的浓缩等；微过滤主要用于在某些产品的最后成品阶段，去除一些所夹带的微细异物；超滤在生物技术中应用最广，主要用于血浆制品、疫苗、酶、发酵产品和一些注射剂的去热原等，以及基因工程产品和单克隆抗体的回收。1.小分子产品的生产抗生素生产中，如果产品分子量在1000以下，可以有效利用MWCO为10000的超滤膜除去热原（脂多糖类物质）。2.大分子产品的生产如为胞内酶，应先收集细胞。超滤是收集细胞的一种较好方法。中空纤维超滤器对收集E.coli、B.subtilus、Pse