生物分离工程精品课程

生物分离工程精品课程主讲：赵延斌

第一讲膜分离过程(membraneseparation)概述近20年发展起来的膜分离技术，已广泛用于生物工程、食品、医药、化工等工业生产及水处理等各个领域；膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层，允许某些组分透过而保留混合物中其它组分，从而达到分离目的的技术。膜分离技术它具有设备简单、操作方便、无相变、无化学变化、处理效率高和节省能量等优点，已作为一种单元操作日益受到人们极大重视。膜分离过程(membraneseparation)概述1925年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程在工业上得到应用30年代微孔过滤40年代渗析50年代电渗析60年代反渗透70年代超滤80年代气体分离90年代渗透汽化现代EDI技术膜分离过程(membraneseparation)概述1960年Loeb和Sourirajan制备出第一张具有高透水性和高脱盐率的不对称反渗透膜，是膜分离技术发展的一个里程碑。自此以后，不仅在膜材料范围上有了极大扩展，而且在制膜技术、组件结构及设备研制方面也取得了重大进展。膜分离过程(membraneseparation)概述★膜分离的特点①操作在常温下进行；②是物理过程，不需加入化学试剂；③不发生相变化（因而能耗较低）；④在很多情况下选择性较高；⑤浓缩和纯化可在一个步骤内完成；⑥设备易放大，可以分批或连续操作。因而在生物产品的处理中占有重要地位膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程的类型按分子或粒子大小分类按膜孔平均孔径，推动力和传递机制进行分类

对称膜与不对称膜有孔膜与无孔膜膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程的类型常见膜分离过程①微滤（Microfiltration，MF）②超滤（Ultrafiltration，UF）③反渗透（Reverseosmosis，RO）④透析（Dialysis，DS）⑤电渗析（Electrodialysis，ED）⑥渗透气化（Pervaporation，PV）膜分离过程(membraneseparation)膜分离法与物质大小（直径）的关系膜分离过程的类型膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程的类型有关微米的一组数据1μm=10-3mm

人发直径70-80μm裸眼可见最小颗粒40μm金属颗粒50μm酵母菌3μm假单胞菌0.3μm小RNA病毒0.03μm膜分离过程(membraneseparation)＜0.5离子、分子量＜100的有机物溶解扩散渗透蒸发＜0.5离子、分子量＜100的有机物溶解扩散反渗透＜２离子、分子量＜100的有机物溶解扩散纳滤2~501000~1000,000Da的大分子体积大小超滤50~100000.05~10μm的固体粒子体积大小微滤＞10000固体粒子体积大小粒子过滤孔径/nm分离对象分离机理膜过程各种膜分离范围膜分离过程的类型膜分离过程(membraneseparation)浓度梯度电位差浓度梯度压力（1~10MPa)压力（0.2~1MPa)压力（0.05~0.5MPa)驱动力醇与水分离，乙酸与水分离，有机溶剂脱水，有机液体混合物分离（如脂烃与芳烃的分离等小分子有机物与水的分离致密膜或复合膜渗透蒸发苦咸水、海水淡化，纯水制备，锅炉给水，生产工艺用水离子脱除、氨基酸分离离子交换膜电渗析除去小分子有机物或无机离子，奶制品脱盐，蛋白质溶液脱盐等小分子有机物和无机离子的去除对称的或不对称的膜透析低浓度乙醇浓缩，糖及氨基酸浓缩，苦咸水、海水淡化，超纯水制备小分子溶质脱除与浓缩带皮层的不对称膜、复合膜（＜１nm)反渗透溶液除菌、澄清，注射用水制备，果汁澄清、除菌，酶及蛋白质分离、浓缩与纯化，含油废水处理，印染废水处理，乳化液分离、浓缩等细粒子胶体去除可溶性中等或大分子分离不对称微孔膜（１~５0nm)超滤溶液除菌、澄清，果汁澄清、细胞收集、水中颗粒物去除清毒、澄清、细胞收集对称微孔膜（0.05~10μm)微滤示例应用对象膜结构名称几种主要膜分离技术特征膜分离过程的类型膜分离过程(membraneseparation)1.微滤膜分离过程的类型膜分离过程(membraneseparation)2.超滤膜分离过程的类型膜分离过程(membraneseparation)3.反渗透膜分离过程的类型膜分离过程(membraneseparation)微滤、超滤、纳滤和反渗透膜分离过程的类型膜分离过程(membraneseparation)电渗析分离原理示意图膜分离过程的类型膜分离过程(membraneseparation)电渗淅器是利用离子交换膜的选择透过性进行工作，电渗淅器主要组成部分是离子交换膜。分为阳膜，阴膜。阳膜只充许阳离子通过而阴离子被阻挡；阴膜只充许阴离子通过而阳离子被阻挡。膜分离过程的类型膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程的类型膜分离过程(membraneseparation)渗透蒸发渗透蒸发原理它是利用膜与被分离有机液体混合物中各组分的亲合力不同，而有选择性地优先吸附溶液某一组分，及各组分在膜中扩散速度不同，来达到分离的目的。因此它不存在蒸馏法中的共沸点的限制，可连续分离、浓缩，直至得到纯有机物。渗透蒸发膜分离过程的类型膜分离过程(membraneseparation)分离过程是用一张渗透蒸发膜,将进料液相和透过气相分隔开,并在气相侧抽真空或通以惰性气流,把渗透组分的蒸气压控制到接近零,液相中产生的化学位梯度作为传质推动力的膜分离过程。渗透蒸发原理示意图膜分离过程的类型膜分离过程(membraneseparation)透析膜分离过程的类型膜分离过程(membraneseparation)利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜，将含有高分子溶质和其它小分子溶质的溶液；与水溶液，或缓冲液分隔；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（如无机盐）透向右侧，右侧的水透向左侧，这就是透析。右侧纯水或缓冲溶液称为透析液；所用的亲水膜称为透析膜；透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的形式移动。透析原理图膜分离过程的类型水分子大分子小分子透析膜膜分离过程(membraneseparation)透析法的应用膜分离过程的类型膜分离过程(membraneseparation)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，主要用于大分子溶液的脱盐。由于透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量很小，不适于大规模生物分离过程、但在实验室中应用较多。17.2膜的制造膜的制造膜分离过程(membraneseparation)要求：（1）透过速度（2）选择性（3）机械强度（4）稳定性膜材料膜的制造膜分离过程(membraneseparation)微滤膜材料：聚偏氟乙烯，聚丙烯，硝酸纤维，醋酸纤维

超滤膜：聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维反渗透膜：醋酸纤维素衍生物，聚醚，聚酰胺天然材料：各种纤维素衍生物人造材料：各种合成高聚物特殊材料：复合膜，无机膜,不锈钢膜，陶瓷膜对称膜和不对称膜示意图膜的制造膜分离过程(membraneseparation)膜的制造不对称膜的过滤作用膜分离过程(membraneseparation)膜的制造纤维素分子膜分离过程(membraneseparation)醋酸纤维特点：膜的制造膜分离过程(membraneseparation)①透过速度大②截留盐的能力强③易于制备④来源丰富⑤不耐温（30℃）⑥pH范围窄，清洗困难⑦与氯作用，寿命降低⑧微生物侵袭⑨适合作反渗透膜聚砜构造膜的制造膜分离过程(membraneseparation)聚砜膜的特点膜的制造膜分离过程(membraneseparation)（1）温度范围广（2）pH范围广（3）耐氯能力强（4）孔径范围宽（5)操作压力低（6）适合作超滤膜芳香聚酰胺类膜的制造膜分离过程(membraneseparation)聚酰胺膜膜的制造膜分离过程(membraneseparation)（1）耐热（2）pH范围广（3）寿命较长（4）不耐氯相转变制膜膜的制造膜分离过程(membraneseparation)不对称膜通常用相转变法(phaseinversionmethod)制造，其一般步骤如下：1．将高聚物溶于一种溶剂中；2．将得到溶液浇注成薄膜（如欲制造中孔纤维膜，则需用特制的喷丝头）；3．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，一相为富含高聚物的凝胶，形成膜的骨架，而另一相为富含溶剂的液相，形成膜中空隙。近年来开发的新型膜材料膜的制造膜分离过程(membraneseparation)①聚氨基葡糖②在高分子材料中加入低分子液晶材料制成复合膜；③无机多孔膜；④功能高分子膜；⑤纳米过滤膜。⑥不锈钢膜除此以外，改革膜体结构，加强“超薄膜”和“复合膜”的研究也是当前发展的新动向。17.3浓差极化与膜污染及清洗方法膜分离过程(membraneseparation)浓差极化与膜污染及清洗方法在膜分离过程中，浓差极化与膜污染是经常发生的两种现象，也是影响膜分离技术在某些方面应用的拦路虎。什么是浓差极化?膜分离过程(membraneseparation)在分离过程中，料液中溶剂在压力驱动下透过膜，溶质被截留，于是在膜表面与临近膜面区域浓度越来越高。在浓度梯度作用下，溶质由膜面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶液透过流量下降。溶剂向膜面流动(对流)引起溶质向膜面流动，当溶质向膜面的流动速度与浓度梯度使溶质向本体溶液扩散速度达到平衡时，在膜面附近存在一个稳定的浓度梯度区，这一区域称为浓度极化边界层，这一现象称为浓差极化。浓差极化与膜污染及清洗方法膜污染膜分离过程(membraneseparation)是指处理物料中的微粒，胶体或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附，沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象，膜污染与浓差极化有内在联系，尽管很难区别，但是概念上截然不同。浓差极化与膜污染及清洗方法膜污染的控制方法膜分离过程(membraneseparation)浓差极化与膜污染及清洗方法有多种，可以通过控制膜污染影响因素，大大减少膜污染的危害，延长膜的有效操作时间，减少清洗频率，提高生产能力和效率，因此在用微滤，超滤分离，浓缩细胞，菌体或大分子产物时，必须注意以下几点:膜污染的控制方法膜分离过程(membraneseparation)浓差极化与膜污染及清洗方法①进料液的预处理；②选择合适的膜材料；③改善操作条件。17.4分离机理膜分离过程(membraneseparation)分离机理毛细管流动模型

溶解扩散模型

优先吸附模型分离机理膜分离过程(membraneseparation)分离机理膜分离过程(membraneseparation)当压力有变化时，化学位公式如下：

式中

－膜相中组分i的偏摩尔体积

p0－标准态压力

将式（17－6）代入式（17－5）中，得分离机理(17-6)

膜分离过程(membraneseparation)由上式可见，推动力包括两项，即浓度梯度和压力梯度。对于稀溶液来说，溶剂(通常为水)的浓度改变很小，因而可只考虑压力的影响。相反，对溶质来说，一般截留率较高，浓度改变较大，压力项与浓度项相比可以忽略。

于是对溶剂(组分1)可得：

分离机理17-817-717-9体积通量为膜分离过程(membraneseparation)符号说明膜分离过程(membraneseparation)分离机理式中Jν－体积通量Δx－膜的厚度M1－溶剂（水）的分子量ρ－溶剂的密度Δp为膜两侧压力差ΔΠ为膜两侧渗透压差对溶质（组分2）来说，其摩尔通量为17-1017-11分离机理膜分离过程(membraneseparation)溶解扩散模型适用于均匀的膜，能适合无机盐的反渗透过程，但对有机物常不能适用。就这些方面说来，优先吸附－毛细孔流动模型比较优越。按式（17－10），并考虑到J2＝Jv

则可得到截留R的关系式：分离机理17-12膜分离过程(membraneseparation)优先吸附－毛细孔流动模型（Preferential-capillaryflowmodel）膜分离过程(membraneseparation)分离机理由Sourirajan于1963年建立。他认为用于水溶液中脱盐的反渗透膜是多孔的并有一定亲水性，而对盐类有一定排斥性质。在膜面上始终存在着一层纯水层，其厚度可为几个水分子的大小（见图17－9a）。在压力下，就可连续地使纯水层流经毛细孔。从图17-9b可想象如果毛细孔直径恰等于2倍纯水层的厚度，则可使纯水的透过速度最大，而又不致令盐从毛细孔中漏出，即同时达到最大程度的脱盐。Sourirajan根据这一想法，成功地选择了膜材料，合成了一定孔径的膜，以满足应用于不同系统的需要。图17-9优先吸附毛细孔流动模型分离机理(a)膜表面对水的优先吸附压力主体溶液界面膜分离过程(membraneseparation)(b)在膜表面处的流动分离机理膜分离过程(membraneseparation)水在膜中的迁移膜分离过程(membraneseparation)分离机理溶质在膜中的迁移系服从Fick定律

Jw=AΔp=A{p–[Π(xA2)–Π(xA3)]}（17-13）式中Jw：水的摩尔通量，

P操作压力，A：纯水透过系数，它表征膜的空隙度，与膜的种类无关；

xA2：溶质在高压侧膜面上液体中的浓度，摩尔分数；xA3：溶质在透过液中的浓度，摩尔分数。在稀溶液中，渗透压服从vańtHoff方程式：膜分离过程(membraneseparation)分离机理Пi=φRTCi式中Ci：摩尔浓度，φ：渗透压系数，非理想溶液的校正系数。但在实际应用中，把上式改写为下列形式，更为方便：

Пi=B'ixi分离机理溶质在膜中的迁移：式中：高压侧膜面上浓度；：低压侧膜面上浓度。膜分离过程(membraneseparation)假定Ki为溶质在液相与膜相之间的分配系数

即=Ki；=Ki，代入上式中可得

分离机理称为溶质迁移参数。对于一定的膜-溶剂-溶质系统，当操作压力一定时，在相当大的浓度和流速范围内是一常数，所以可用来预测不同条件下膜的性能。膜分离过程(membraneseparation)表征膜性能的参数分离机理膜分离过程(membraneseparation)表征膜性能的参数有孔的特征、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等。制造商通常提供这些数据，见表17-1表17-1中所列水通量数据采用纯水在一定条件下（0.35MPa，25℃）进行试验得到。17.截留率和截断分子量膜分离过程(membraneseparation)分离机理膜对溶质的截留能力以截留率R（rejection）来表示，其定义为

R＝1－Cp／Cb１７－１式中Cp和Cb分别表示在某一瞬间，透过液（Permeate）和截留液的浓度。如R＝1，则Cp＝0，表示溶质全部被截留；如R＝0，则Cp＝Cb，表示溶质能自由透过膜。对于超滤膜，制造商在出厂前通常用已知分子量的各种物质进行试验，测定其截留率。得到的截留率与分子量之间的关系称为截断曲线（图17-7）。但到目前为止，对试验条件尚无统一规定。质量好的膜，应有陡直的截断曲线，可使不同分子量的溶质分离完全；反之，斜坦的截断曲线会导致分离不完全。MWCO与孔径的关系分离机理MWCO（球状蛋白质）近似孔径（nm)1000210000510000012100000029膜分离过程(membraneseparation)陡直斜坦相对分子质量截留率截断曲线分离机理膜分离过程(membraneseparation)影响截留率的因素膜分离过程(membraneseparation)分离机理分子的形状吸附作用温度流速pH离子强度（影响蛋白构象)孔道特征膜分离过程(membraneseparation)分离机理孔径（泡点法）孔径分布空隙度孔道特征

孔径、孔径分布和空隙度膜分离过程(membraneseparation)分离机理孔径常用泡点法（bubble-pointmethod）测定，对微孔膜尤为适用。将膜表面复盖一层溶剂（通常为水），从下面通入空气，逐渐增大空气的压力，当有稳定的气泡冒出时，称为泡点。由泡点的压力，根据下式，即可计算出孔径：

d＝4γCOSθ／P（17-3）式中d为孔径，γ为液体的表面张力，θ为液体与膜间的接触角，P为泡点压力。由式（17-3）可见，对于较大的孔，泡点压力较低，因此用泡点法测得的是最大孔径。孔径和孔径分布也可直接用电子显微镜观察得到，特别是微孔膜，其孔隙大小在电镜的分辨范围内。完整性试验膜分离过程(membraneseparation)分离机理本法用于试验膜和组件是否完整或渗漏，某些厂商规定新膜要通过该项试验。将超滤器保留液出口封闭，透过液出口接上一倒置的滴定管。自料液进口处通入一定压力的压缩空气，当达到稳态时，测定气泡逸出速度，如大于规定值，表示膜不合格。完整性试验流程图分离机理试验组件和膜是否完整膜分离过程(membraneseparation)思考题膜分离过程(membraneseparation)分离机理1理解概念：截留分子量，截留率，体积浓缩倍数。2微滤，超滤，反渗透分离技术在分子尺寸上有何区别？3影响截留率的因素有哪些？4毛细管流动模型，溶解扩散模型，和优先吸附模各适用于解释哪些膜过程?分离机理第二讲膜分离过程(membraneseparation)微滤、超滤、纳滤和反渗透分离机理膜分离过程(membraneseparation)17.3.4纳滤膜分离过程(membraneseparation)分离机理１.纳滤膜分离技术的特点20世纪80年代末期，随着新的制膜方法（如界面聚合法）的出现和制膜工艺的不断改进，一批新型复合膜（疏松型反渗透膜和致密型超滤膜）得以问世，并受到人们的极大关注，现在人们习惯上将该类膜称为纳滤（nanofiltration,NF）膜。纳滤膜分离技术的特点1膜分离过程(membraneseparation)分离机理①纳滤膜分离过程中无任何化学反应；②无需加热，无相变；③不会破坏生物活性，不会改变风味、香味，因而被越来越广泛地应用于超纯水的制备和食品、医药等行业中的各种分离和浓缩过程。纳滤膜分离技术的特点2膜分离过程(membraneseparation)分离机理作为一种新型分离技术，纳滤在其分离应用中表现出两个显著特征：①其截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间，为200~2000；②纳滤膜对无机盐有一定的截留率，因为它的表面层由聚电解质所构成，对离子有静电相互作用。纳滤膜分离技术的特点3膜分离过程(membraneseparation)分离机理从结构上看纳滤膜大多是复合膜，即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同。根据其第一个特征，推测纳滤膜的表面分离层可能拥有１nm左右的微孔结构，故称“纳滤”。书上讲：由于其截留率大于95%的最小分子约为１nm,故称之为纳滤膜。肽和氨基酸的分离膜分离过程(membraneseparation)分离机理１.道南（Donnan）效应离子和荷电膜之间的作用即相同电荷排斥而相反电荷吸引的作用。氨基酸和多肽带有如羧基或氨基等离子官能团，在等电点时是中性的，当高于或低于等电点时带负电荷或正电荷。由于一些纳滤膜带有静电官能团，基于静电相互作用，对离子有一定的截留率，可用于分离氨基酸和多肽。纳滤膜截留氨基酸与多肽机理示意图分离机理膜分离过程(membraneseparation)肽和氨基酸的分离膜分离过程(membraneseparation)分离机理基于上述原理，Tsuru等通过调节pH值，进行了某些多肽和氨基酸的混合体系的纳滤分离实验。Garem等利用无机和高分子复合型的纳滤膜进行了九种氨基酸和三种多肽的分离实验，探讨了这种方法的可行性。纳滤膜应用时注意的一些问题膜分离过程(membraneseparation)分离机理纳滤膜由于截留分子量介于超滤与反渗透之间，同时还存在Donnan效应，因此对低分子量有机物和盐的分离有很好的效果，并具有不影响分离物质的生物活性、节能、无公害等特点，在食品工业、发酵工业、制药工业、乳品工业等行业越来越广泛的运用。纳滤膜应用时注意的一些问题①膜污染问题②为满足食品和医药行业对卫生的要求膜要经常的杀菌、清洗等处理。17.4传递理论膜分离过程(membraneseparation)传递理论①浓差极化一凝胶层模型（concentrationPolarization-gellayermodel）②阻力模型（resistancemodd）③管状收缩效应(TubularPincheffect)的影响浓差极化边界层中的浓度分布传递理论膜分离过程(membraneseparation)凝胶层的形成传递理论膜分离过程(membraneseparation)①浓差极化一凝胶层模型（concentrationPolarization-gellayermodel）膜分离过程(membraneseparation)传递理论当溶剂透过膜而溶质留在膜上，因而使膜面上溶质浓度增大，这种现象称为浓差极化，对通量的影响很大。在反渗透中，膜面上溶质浓度大，渗透压高，致使有效压力差降低，而使通量减小。在超滤和微滤中，处理的是高分子或胶体溶液，浓度高时会在膜面上形成凝胶层，增大了阻力而使通量降低。要减少浓差极化，通常采用错流操作。因深层过滤中液体主体流动方向和透过液一致，使截留溶质愈来愈多，而在错流过滤中，两者互相垂直，截留溶质为切向流所带走。要减少浓差极化，通常采用错流操作传递理论进料膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)传递理论根据流体力学，在膜面附近始终存在着一层边界层，当发生浓差极化后，浓度在边界层中的分布见上图。膜面上浓度Cw大于主体浓度Cb，溶质向主体反扩散。

在边界层中取一微元薄层，对此微元薄层作物料衡算。当达到稳态后，流出微元薄层的溶质通量保持不变，并等于透过膜的通量Ji=JvCp。随主体流动进入微元薄层的速度JvC应等于透过膜的通量与反扩散速度之和，故有随主体流动进入微元薄层的速度JvC应等于透过膜的通量与反扩散速度之和，故有利用边界条件，当x＝0时，C=Cw；当x=δ时，C=Cb，将上式积分，并得到令Km＝D/δ为传质系数，上式成为传递理论膜分离过程(membraneseparation)如果溶质完全被截留，Cp=o上式就可以写成

Cw/Cb称为极化模数（polarizationmodulus）或在超滤中，当膜面浓度增大到某一值时，溶质成最紧密排列，或析出形成凝胶层，此时膜面浓度达到极大值CG。传递理论膜分离过程(membraneseparation)凝胶层形成前后通量JV与主体浓度logCb的关系传递理论通量膜分离过程(membraneseparation)②阻力模型（resistancemodd）传递理论和通常的过滤操作一样，把通量Jv表示成推动力和阻力之比：在反渗透中，通常不形成滤饼，RC可以忽略：在超滤或微滤中，渗透压可以忽略不计：膜分离过程(membraneseparation)Rm可以用新膜，以水进行试验求得Ｒc膜面上滤饼的阻力计算对于不可压缩滤饼，根据Carman-Kozeny方程式，Rc可写成：对于可压缩滤饼、β滤饼的压缩性指数（对不可压缩滤饼，β＝0；对完全可压缩滤饼β＝1，通常在0.1～0.8之间，W：单位体积料液中所含有的颗粒重量，Vt：到某一瞬间，滤液的总体积，F：膜面积，：α为常数，与滤饼性质有关。如果膜的阻力可以忽略传递理论膜分离过程(membraneseparation)传递理论由上式可见，单位面积的处理量与Jv成反比。这个关系在实用上有一定的意义。如要求体积流速（m3/h）一定，则在膜阻塞前所能处理的总体积和膜面积之平方成正比。因而膜面积增大1倍（投资费用增加1倍）．处理量可增加到4倍，膜的更换费用可减少一半。单位面积的处理量与Jv成反比。膜分离过程(membraneseparation)③管状收缩效应(TubularPincheffect)的影响膜分离过程(membraneseparation)传递理论人们发现，在胶体溶液的超滤或微滤中，实际通量要比用浓差极化一凝胶层模型估算的要大得多。原因就是－管状收缩效应胶体溶液在管中流动时，颗粒有离开管壁向中心运动的趋向，称为管状收缩效应。由于这个现象，使膜面上沉积的颗粒具有向中心横向移动的速度，使膜面污染程度减轻，通量增大。管状收缩效应膜分离过程(membraneseparation)传递理论实验结果和理论分析表明，横向移动速度VL和轴向速度u的平方成正比，而和管径r的立方成反比：

上式实际上表示VL和r３成反比，因此处理浑浊液体时，窄通道超滤器是有吸引力的。传递理论常规过滤错流过滤膜分离过程(membraneseparation)17.5膜过滤装置的型式及其适用范围膜分离过程(membraneseparation)膜过滤装置型式的及其使用范围目前生产的膜过滤装置都由模件(Module)构成，所以研究装置的性能只要研究模件的性能即可。一个良好的模件应具备下列条件：1．膜面切线方向的速度相当快，或有较高的剪切率，以减少浓差极化；2．膜的装载密度，即单位体积中所含膜面积比较大；3．拆洗和膜的更换比较方便，4．保留体积小，且无死角。常见的膜过滤装置有甲种类型：①管式②中空纤维式③平板式④卷式（螺旋式）膜分离过程(membraneseparation)膜过滤装置型式的及其使用范围平板式构造膜过滤装置型式的及其使用范围管式膜组件的构造简图膜分离过程(membraneseparation)管式构造2膜过滤装置型式的及其使用范围膜分离过程(membraneseparation)卷式超滤筒的构造膜过滤装置型式的及其使用范围膜分离过程(membraneseparation)膜过滤装置型式的及其使用范围膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)膜过滤装置型式的及其使用范围动态压力过滤器操作：由内筒和外筒组成，内筒以2000-3000r/min旋转，造成料液的切向流动，消除浓差极差应用：MF、UF、RO、酶反应等优点：A、无浓差极差，局部混合十分好，B、高渗透流，高的酶传递性。缺点：单位体积的过滤面积小，放大困难。 动态压力过滤器膜过滤装置型式的及其使用范围膜分离过程(membraneseparation)各种模件性能比较膜过滤装置型式的及其使用范围管式中孔纤维式板式卷式单位膜面积的成本更换膜的费用(不包括人工)通量高低较高装载密度(单位体积内的膜面积)能耗抗污染性差(20-30m2/m3大高很好低中等最高低最低高中等/低(由于不能耐压,一般流速低,在滞流下操作)很好(16000-30000m2/m3)(400-600m2/m3)(800-1000m2/m3)低低差好/一般中等中等好/一般好/一般中等中等好最高/较高较高保留体积膜分离过程(membraneseparation)各种模件性能比较膜过滤装置型式的及其使用范围管式中空纤维式板式卷式单位膜面积的成本高低最高低更换膜的费用（不包括人工）低中等最低高通量较高中等/低（由于不能耐压，一般流速低，在滞流下操作）最高/较高较高装载密度（单位体积内的膜面积）差（20~30m2/m3）很好（16000~30000m2/m3）好/一般（400~600m2/m3）好800~1000m2/m3）保留体积大低中等中等能耗高低中等中等抗污染性很好差好/一般好/一般膜分离过程(membraneseparation)17.6影响膜过滤的各种因素膜分离过程(membraneseparation)影响膜过滤的各种因素讨论各种操作条件的影响①压力②浓度③温度④流速⑤其它因素①压力影响膜过滤的各种因素p1p2P０在错流操作中，要区别两种压力差（见上图）。一种为通道两端压力差P=P1-P2，是保留液在系统中进行循环的推动力；另一种为膜两侧平均压力差膜分离过程(membraneseparation)在反渗透中通量与截留率随压力的变化影响膜过滤的各种因素水通量渗透压截留率液质截留率＝100%水通量或截留率△Ｐ膜分离过程(membraneseparation)在超滤中膜两侧压力差△Ｐt对通量和截留率的影响影响膜过滤的各种因素流速增大温度升高料液浓度降低△ＰabC通量Jv截留率ＲH2O上图中还表示出当流速增大、温度升高和料液浓度降低时，极限通量增大在超滤中，压力升高引起膜面浓度升高，则透过膜的溶质也增大，因而截留率减小

膜分离过程(membraneseparation)②浓度影响膜过滤的各种因素CG膜面浓度膜分离过程(membraneseparation)影响膜过滤的各种因素当以微滤过滤菌体时，通量与浓度的关系不同于超滤。在谷氨酸发酵液的微滤中，开始时通量下降很快，可能是由于膜面的污染；然后有一段区域，通量变化较小，可能由于管状收缩效应引起通量的增加和浓度增大引起的降低互相对消；最后通量急剧降低，见图在谷氨酸发酵液中的微滤中通量黏度菌体浓度膜分离过程(membraneseparation)③温度膜分离过程(membraneseparation)影响膜过滤的各种因素在超滤或微滤中，一般说来，温度升高都会导致通量增大，因为温度升高使粘度降低和扩散系数增大。所以操作温度的选择原则是：在不影响料液和膜的稳定性范围内，尽量选择较高的温度。由于水的粘度每升高1℃约降低2.5％，所以，一般可认为，每升高1℃，通量约增加3％。④流速0.83湍流滞流膜分离过程(membraneseparation)影响膜过滤的各种因素根据浓差极化一凝胶层模型，流速增大，可使通量增大。对于超滤，通常在略低于极限通量的条件下操作。在滞流时，InJv对Inu的关系图上，直线的斜率为1／3；而在湍流时，斜率为0.83。在以微滤过滤菌体时，斜率可在1.0～2.0之间。虽然增大流速有明显的优点，但需考虑下列各点：1．只有当通量为浓差极化所控制时，增大流速才会使通量增加，2．增大流速会使膜两侧平均压力差减小，因为流经通道的压力降增大3．增大流速，使剪切力增加，对某些蛋白质不利；4．动力消耗增加。⑤其它因素膜分离过程(membraneseparation)影响膜过滤的各种因素在反渗透中特别要注意不要使溶解度小的溶质析出和不要含胶体粒子，以免污染膜。在超滤中，通常当pH在蛋白质的等电点时，通量最低。当有盐类存在时，一般使通量降低。当料液中含＜0.1μm的微细粒子时，会使通量降低，最好用预过滤除去。如果含＞1μm的坚硬粒子，通常会使通量增大。

pH有时也会对截留率有影响。例如在极端pH下超滤蛋白质时，常使截留率增大，这是由于吸附在膜上蛋白质和溶液中蛋白质带相同电荷而互相排斥的缘故。极化边界产生影响膜过滤的各种因素极化边界层的产生超滤液超滤液截留液出口膜膜膜分离过程(membraneseparation)克服浓差极化的方法影响膜过滤的各种因素浓差极化的减少降低压力降低膜表面的浓度降低溶质在料液中的浓度垂直于膜的混合低浓度因子提高固体粒子反向质量传递排除膜表面的浓集物桨式混合器静态混合器边界层减薄机械清洗高速度梯度短的液流周期增加扩散细的通道移动膜移动液体提高温度膜分离过程(membraneseparation)渗透通量与操作参数间的关系影响膜过滤的各种因素膜分离过程(membraneseparation)17.7膜的污染(fouling)膜分离过程(membraneseparation)膜的污染（fouling)原因：膜的劣化：化学，物理，生物污垢：吸附，堵塞防止方法预处理开发抗污染膜加大流速化学清洗物理清洗17.8操作方法膜分离过程(membraneseparation)膜的污染（fouling)①分批操作②透析过滤(diafiltration)③连续操作超滤微滤分批浓缩膜的污染（fouling)浓缩模式和透析过滤模式（在浓缩模式中，不断加入水或缓冲液，如虚线所示，即成为透析过滤模式）膜分离过程(membraneseparation)分批操作中，见上图料液一次加入储槽中，以泵进行循环，同时有透过液流出，浓度逐渐增加，称为浓缩模式。一般说来，循环液(保留液)的体积流速应为透过液的10倍以上，以便其以高速流过膜面。膜两侧的压力差由背压阀调节。通常将背压调至零，以使循环速度增大，但同时使膜两侧压力差降低，故存在一最适的背压，使通量达到最大。在分批操作中最终浓度ＣF根据实验数据，绘出1/Jv对1/C关系，以图解积分求得膜的污染（fouling)膜分离过程(membraneseparation)透析过滤小分子溶质残留率：大分子溶质残留率：膜分离过程(membraneseparation)膜的污染（fouling)在分批操作中，小分子和溶剂透过膜，而大分子在保留液留中，浓度逐渐增大，而通量逐渐降低，最后操作无法进行。若需进一步将小分子除去，可以补充加入水，继续进行超滤。通常的操作方式为连续地加入水，其量恰与透过液相等，保留液体积始终保持不变。连续操作膜的污染（fouling)膜分离过程(membraneseparation)中空纤维的应用方式膜的污染（fouling)膜分离过程(membraneseparation)17.9中空纤维超滤器模件的操作和清洗方式膜的污染（fouling)超滤液保留液透过液超滤循环清洗清洗液出口清洗液入口清洗液出口逆洗清洗液入口清洗液出口膜分离过程(membraneseparation)17.10膜分离法的应用膜分离法的应用膜分离过程(membraneseparation)17-10膜生物分离法的应用膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用浓缩大分子纯化去杂质（植物成分）抗生素去热原（卷曲霉素）滤过除菌膜生物反应器17.10.1微生物菌体分离膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用对于发酵的胞外产物，首先要除去悬浮的微生物、离子与胶体。目前，较好的固液分离方法是过滤或离心。采用超滤法去除谷氨酸发酵液中的菌体，不仅可以将发酵原液中固含量浓缩10倍，为菌体的再利用创造了条件；而且超滤透过液中谷氨酸含量、pH等理化指标与发酵液相同，但不含菌体，且蛋白含量很低，再利用等电点法提取谷氨酸时，收率可达到90.96%，比传统等电点法高7个百分点。17.10.2小分子产物的回收膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵产品的相对分子质量在2000以下，用超滤法可从发酵液中回收这些小分子产物，然后利用反渗透法进行浓缩和除去更小的杂质。17.10.3除热原膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用热源（pyrogen）又称细菌内毒素，是细菌新陈代谢和细菌死后分解的产物，主要成分是脂多糖、脂蛋白等，相对分子质量较大。热源的致热效能很强，人比动物对热源要敏感，在静脉注射药液时，如果将热源带进血液，会对人体造成相当大的危害。传统的针剂用水除热源的方法是过滤加活性炭吸附，此法并不可靠。在医药工业上用超滤法制造无菌水。热源物质分子大小为2~10nm，分子量为20000~1000000，用截留分子量6000左右的膜比较合适。17.10.4蛋白质的回收与脱盐膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用根据蛋白质的相对分子质量，选择适当的超滤膜，可进行蛋白质的浓缩和脱盐。由于超滤膜的孔径有一定的分布范围，用超滤进行蛋白质的分级分离时，蛋白质之间的分子量需相差10倍以上，否则难以分离。17.10.5药酒和中药制剂的澄清膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用药酒和中药制剂中存在有大量的鞣质、蛋白质、淀粉、树脂等大分子物质，是一种胶体溶液。这些大分子物质既无药效又难以去除。中国科学院生态环境研究中心采用超滤法去除药酒和中药制剂中的杂质取得了很好的效果。透过液澄清透明，大分子杂质全部去除，有效成分均可透过膜。17.7.6膜生物反应器膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用膜生物反应器（Membranebioreactor,MBR）是膜分离过程与生物反应过程耦合的生物反应装置，可应用于动植物细胞的高密度培养、微生物发酵和酶反应过程。中空纤维膜生物反应器膜分离法的应用培养基循环液◆高分子产物（单抗）细胞膜膜分离过程(membraneseparation)中空纤维膜生物反应器膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用上图为中空纤维膜生物反应器，用于动物细胞培养，细胞密度可达109/cm3,而利用一般的培养器细胞密度只能达到106~107/cm3。在培养过程中，动物细胞生长于中空纤维膜组件的壳程，小分子产物（废弃物）不断排出，新鲜的培养基连续灌注，可保证细胞长期稳定并且高速度生产有用物质。利用中空纤维膜生物反应器培养杂交瘤细胞是工业生产单克隆抗体的主要方法之一。外循环式膜生物反应器膜分离法的应用膜分离过程(membraneseparation)外循环式膜生物反应器膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用★上图是生物反应器与膜分离装置分体设置的外循环式膜生物反应器。外部膜组件截留酶或微生物菌体，而使小分子产物透过。外循环式膜生物反应器是一种连续全混釜型反应器（CSTR），适用于连续微生物发酵和连续酶反应过程。★它还适用淀粉和纤维素等高分子物质的酶解。★由于高分子底物和酶被超滤膜完全截留，所以可提高反应的转化率和酶的使用效率。外循环式膜生物反应器膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用外循环式膜生物反应器也适用于其它酶反应过程的连续操作，相当于一种固定化酶反应器。★利用膜生物反应器进行连续酶反应时，选用的超滤膜需对酶有足够大的截留率。思考题：膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用１膜生物分离法有哪些应用？２膜污染是哪些途径造成？如何有效防止和清除膜污染？膜过滤法

第三讲膜分离法的应用膜分离过程(membraneseparation)微滤、超滤、纳滤和反渗透膜分离法的应用膜分离过程(membraneseparation)分离机理膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用①毛细管流动模型

②溶解扩散模型

③优先吸附-毛细孔流动模型传递理论膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用①浓差极化一凝胶层模型（concentrationPolarization-gellayermodel）②阻力模型（resistancemodel）③管状收缩效应(TubularPincheffect)的影响膜过滤装置的型式及其适用范围膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用常见的膜过滤装置有四种类型：

①管式

②中空纤维式③平板式

④卷式（螺旋式）组件的进出料示意图膜分离法的应用多通道组件组件外壳渗透液原料液渗透液渗余液渗透液垫圈膜分离过程(membraneseparation)膜组件的流体流动导向膜分离法的应用完全和搅拌混匀并流交叉流渗透物进料渗透物进料逆流渗透物进料渗透物进料自由流出渗透物进料膜分离过程(membraneseparation)影响膜过滤的各种因素膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用讨论各种操作条件的影响①压力②浓度③温度④流速⑤其它因素膜分离法的应用膜分离法的应用膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用1.亲和膜分离技术的应用2.膜分离技术在制药工业中的应用3.陶瓷膜技术的应用4.膜分离组合技术的应用①亲和膜分离技术膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用亲和膜分离技术是一项新兴的技术，兼有膜分离和亲和色谱的优点，可有效地进行生物产品的分离和纯化。随着生物工程和生命科学的迅速发展，对生物大分子分离纯化的要求越来越苛刻。为获得高纯度、高质量、低成本的生物产品，突破传统的分离方法，寻找一种既经济又有效的新型分离途径已成为迫切需要。亲和膜分离技术膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用在传统的研究中，膜分离和亲和分离是2个平行发展的研究方向，在生物分子的分离和纯化方面各具特色，但也存在着一些不可克服的技术缺陷。膜分离过程设备简单，易于放大，成本低，分离速度快，可连续操作；而亲和分离的选择性和特异性较强。由膜与亲和分离相结合的亲和膜分离技术，可发挥2者的特色，具有处理量大、选择性强、易于放大等显著优点。1.生物分子分离与纯化膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用特点：生物体可以合成纯化学法难以制备的化合物，然而其合成产物的浓度往往很低(一般质量分数<0．01％)，且成分极其复杂。要求：高处理量、高纯化比和低产物损失率。亲和色谱能提供高纯化比，但其处理量小，过程速率低；膜分离过程则处理量大，产物损失率低．解决方案：亲和膜分离技术就是兼有两者的优势的一种有效的生物分离技术。亲和膜的作用机理膜分离法的应用亲和膜的作用机理膜相担体膜分离过程(membraneseparation)2.亲和膜及其分离特征膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用配基与生物分子之间的特异性作用力。制备主要包括2步：(1)活化载体：即通过适当的化学反应，在膜表面接上可反应的官能团或者是一定长度的“间隔臂”。常用的亲和膜载体材料有：脂族烃类(聚乙烯、聚丙烯)，芳香族共聚物(聚碳酸酯、聚砜、聚醚砜)，脂族聚酰胺(尼龙6、尼龙66)，以及一些特殊的聚合物，如聚乙烯醇、纤维素。(2)偶联配基：常用的配基可以分为特异性配基(如抗原一抗体、酶和底物等)和非特异性配基(活性染粒、氨基酸、金属离子)．配基与底物常用的结合方法有：溴化氢法、环氧法、羰基二咪唑法、高碘酸盐法、碳二亚胺法、金属螯合法。操作方式膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用连接上的配基用于亲和膜用于分离时，主要的操作方式有：①亲和微滤②亲和超滤这种方式既具有分离目标生物分子的作用，又可以去除部分溶剂，达到浓缩的目的。亲和膜组件的形式膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用亲和膜按形状可分为板式、圆盘式、中空纤维式，其中前两种统称为平板亲和膜。平板亲和膜可将膜片一层层叠加起来，组成膜堆或膜柱，其优点是自上而下比较均一，结构简单，成本低，缺点是单位体积内所占的膜面积小，放大时操作压降较大．中空纤维亲和膜单位体积内的面积大，放大时可通过增加纤维数来实现，不会增加操作压降，因而便于实现连续、自动、规模化操作．中空纤维亲和膜的主要缺点是，由于在膜管轴向与径向上存在流速分布，流速不同会导致亲和吸附的不均匀。基膜材料的开发与应用膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用在亲和膜材料的选用方面，纤维素、壳聚糖、聚偏氟乙烯、尼龙等应用较多。比较典型的如用丝光处理后的纤维素膜亲和纯化木瓜蛋白酶和胰蛋白酶抑制剂，用壳聚糖膜纯化小麦胚芽中的麦胚凝集素；以聚偏氟乙烯为基膜材料，用金属离子作配基，纯化肝细胞生长因子；用尼龙膜固定不同配基，分离免疫球蛋白。亲和膜的制备方法与结合机理膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用将水解后的尼龙66微孔膜用二溴丙烷活化，接上己二胺作间隔臂，再用戊二醛法固载上组氨酸，制得的亲和膜可成功地去除氨基酸注射液、牛血清蛋白、溶菌酶等医药制剂中的内毒素，去除率在90％以上；耦合上含丰富羟基的多糖类物质如葡聚糖、纤维素、淀粉、HEC(羟甲基纤维素)等，形成亲水表面层，制成复合膜。采用酰化一胺化和氯甲基化一胺化等途径对聚砜膜进行改性，在芳环上引入末端氨基，制得的亲和超滤膜已被用于胰蛋白酶的固载化和对其抑制剂的亲和分离。尼龙66微孔膜亲和膜的制备方法膜分离法的应用膜分离过程(membraneseparation)膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用①理想基膜的研制，包括基膜材料与基膜结构。对基膜材料的亲水与疏水性，耐碱、耐酸、耐溶剂性，足够的抗压与耐摩性等；基膜的孔结构、孔径分布、表面可反应基团数等。②特异性配基筛选和固定化，根据被结合目标分子的特性，开展特种软件进行分子设计，弄清配基与目标分子之间的相互作用机理．筛选或制备出特异性配基，并通过合适的方法将其固定在膜上。③研究复杂体系的亲和纯化模型，模型确定亲和纯化的操作条件，使生产达到最优化，从而最大限度地利用膜上配基、增加产率及活性收率。④采用微处理器来控制其操作过程，实现亲和膜分离过程吸附、清洗、洗脱、再生的自动化。发展前景膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用①开展功能基团或生物分子与目标分子间的相互作用、分子识别与特异性结合机制、生物催化转化与降解、以及药物分子的控释机制等的研究．②敏感与智能材料的合成技术研究．③分子识别膜、免疫膜、分子印迹膜、化学阀膜等基于分子识别机理的亲和膜研制．④相应亲和膜的组器，包括生物传感器探头的开发研究．⑤有害、有毒物质的检测，生物产品的提取与纯化等应用研究．发展前景膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用相信，随着相关学科的迅速发展，亲和膜技术将能取得突破性的进展，特别是在生化产物的提取与纯化、制剂与血液的脱毒，在疾病预防与环境监测等方面充分发挥其优势，满足人们对该技术的需求与期望。②.膜分离技术在制药工业中的应用膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用膜分离技术在制药工业中的应用包括生物发酵制药、中药生产和现代生物技术等。膜分离技术在抗生素、半合成抗生素、维生素和氨基酸生产中尤其常见。随着膜材料、膜组件和膜设备的不断改进，膜分离技术在制药工业中将扮演越来越重要角色。膜分离过程(membraneseparation)膜分离法的应用分离、纯化和浓缩部分在制药产品的总成本中占相当高的比例，应用现代分离、纯化和浓缩工艺是提高制药工业经济效益或减少投资的重要途径。膜分离过程通常在常温下操作无相变，