第八章膜过滤法

第八章膜过滤法

MembraneFiltrationProcess1膜分离的概念利用膜的选择性(孔径大小)，以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。2主要内容概述膜分离过程的类型膜及其组件压力特性浓差极化膜的污染膜的截留能力过程条件3膜科学的发展史4人类认识到膜的功能源于1748年，然而用于为人类服务是近几十年的事。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膜，是膜分离技术发展的一个里程碑。51925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年代微滤40年代透析50年代电渗析60年代反渗透70年代超滤80年代纳滤90年代渗透汽化68.1概述膜分离技术特点不发生相变，能耗低；是物理过程，不需加入化学试剂；常温下进行，条件比较温和，适用范围广，特别适用于对热敏感的物质如果汁、酶、药品等的分离、浓缩与富集；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。；分离装置简单，操作方便，易自控、维修。因而在生物产品的处理中占有重要地位7存在的问题膜面会发生污染、膜面清洗方法;目前膜的性能，其耐药性、耐热性、耐溶剂能力都是有限的，故使用范围受限;膜分离工艺与其他分离工艺的结合。88.2膜分离过程的类型膜分离过程是一种物质被透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径的大小而达到物质分离的目的，故可按分离粒子或分子的大小予以分类98.2膜分离过程的类型108.2膜分离过程的类型以静压力差为推动力的过程；以蒸气分压差为推动力的过程；以浓度差为推动力的过程；电位差为推动力的过程118.2.1以静压力差为推动力的过程微滤(Microfiltration)是以静压差为推动力，利用筛网状过滤介质膜的“筛分”作用进行分离的膜过程，其原理与普通过滤相类似。在静压差的作用下，小于膜孔的粒子通过滤膜，大于膜孔的粒子被截留于膜面上。12微滤Microfiltration微孔膜平均孔径0.02-10µm，能截留直径0.05-10µm的微粒或分子量大于106的高分子。原料液在压差作用下，其中水(包括尺寸小于膜孔的大分子和微粒)透过膜孔流到膜的低压侧，为透过液。大于膜孔的大分子和微粒被截留，从而达到分离的目的。因此微滤对微粒的截留机理是筛分作用。决定膜的分离效果是膜的物理结构，孔的大小和形状。13超滤Ultrafiltration超滤所分离的组分直径为0.001～0.02µm，相对分子质量大于500的大分子和胶体，这种液体的渗透压很小，可忽略。超滤可分离溶液中的大分子、胶体、蛋白质和微粒等。所用的膜常为非对称膜。微孔过滤膜一般为对称膜。14超滤超滤的分离机理与微滤相似，主要有：在表面和微孔内吸附在孔中停留（阻塞）在膜表面的机械截留（筛分）一般认为超滤是一种筛分过程，可以用微孔模型表示超滤的传递过程。聚合物膜的化学性质对膜的分离特性影响不大。15反渗透（ReverseOsmosis）反渗透是正常渗透的逆过程，即浓溶液中的溶剂通过膜向稀溶液流动。如下图所示当盐水一侧施加压力大于水的渗透压时，盐水中的水则透过半透膜，从而获得淡水。反渗透膜的透过机理，目前仍未成熟。168.2.1以静压力差为推动力的过程微滤特别适用于微生物、细胞碎片、微细沉淀物和其他在“微米级”范围的粒子如DNA和病毒等的截留和浓缩。超滤适用于分离、纯化和浓缩一些大分子物质，如在溶液中或与亲和聚合物相连的蛋白质(亲和超滤)、多糖、抗生素以及热原，也可以用来回收细胞和处理胶体悬浮液。反渗透海水脱盐、超纯水制备，从发酵液中分离溶剂如乙醇、丁醇和丙酮以及浓缩抗生素、氨基酸等。17图4膜过滤与常规过滤的膜孔径范围188.2.2以蒸气分压差为推动力的过程膜蒸馏是在不同温度下分离两种水溶液的膜过程，已经用于高纯水的生产，溶液脱水浓缩和挥发性有机溶剂的分离，如丙酮和乙醇等。使用的膜是疏水性微孔膜。渗透蒸发是以蒸气压差为推动力的过程，但是在过程中使用的是致密(无孔)的聚合物膜。液体扩散能否透过膜取决于它们在膜材料中的扩散能力。198.2.3以浓度差为推动力的过程渗析最主要的应用是血液(人工肾)的解毒，也用在实验室规模的酶的纯化上，使用的是微孔膜如胶膜管。酶的传统纯化办法是使用渗析袋，从样品中除去无用的低相对分子质量溶质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浓度高，渗透压的结果导致水向渗透袋内迁移，体积增加，所以渗透在除去多余的低相对分子质量溶质的同时，引进了一个新的缓冲溶液。208.2.4以电位差为推动力的膜分离过程离子交换膜电渗析(EDTM)离子在电势的驱动下，通过选择性渗透膜，从一种溶液向另一种溶液迁移。用于该过程的膜，只有共价结合的阴或阳离子交换基团。阴离子交换膜只能透过阴离子，阳离子交换膜则只能透过阳离子。将离子交换膜浸入电解质溶液，并在膜的两侧通以电流时，则只有与膜上固定电荷相反的粒子才能通过膜。218.3膜及其组件

8.3.1膜的定义和类型膜的定义在一定流体相中，有一薄层凝聚相物质，把流体分割成为两部分，这一薄层物质称为膜。膜是均匀的一相或由两相以上凝聚物质所构成的复合体。膜的厚度在0.5mm以下。膜的类型有孔膜和无孔膜（形态学）膜对称性各向同性膜和各向异性膜（不对称膜）膜材料22238.3.2膜组件由膜、固定膜的支撑体、间隔物以及收纳这些部件的容器构成的一个单元称为膜组件或膜装置，模件。聚合膜主要有两种形式平板式和管式膜组件主要有四种形式平板式管式螺旋卷式中空纤维式24平板膜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1mm左右的间隔重叠加工而成，膜间衬设多孔薄膜，供料液或滤液流动。平板膜组件比管式膜组件比表面积大得多。25管式膜组件将膜固定在内径10～25mm，长约3m的圆管状多孔支撑体上构成的，l0～20根管式膜并联，或用管线串联，收纳在筒状容器内即构成管式膜组件。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。但是管式膜组件比表面积在各种膜组件中最小。26螺旋卷式膜组件将两张平板膜固定在多孔性滤液隔网上，两端密封。两张膜的上下分别衬设一张料液隔网，卷绕在空心管上，空心管用于滤液的回收。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液时容易发生堵塞现象。27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(内径为40～80um的膜称中空纤维膜，而内径为0.25～2.5mm的膜称毛细管膜)。毛细管膜的耐压能力在1.0MPa以下，主要用于超滤和微滤；中空纤维膜的耐压能力较高，常用于反渗透。28动态压力过滤器轴向旋转过滤器由内、外两个不锈钢圆筒组成，圆筒上覆有膜，内筒以2000~3000r/min旋转，使液体处于运动状态。适于处理悬浮液。29308.4压力特性微滤是生物技术中重要的膜分离过程。跨膜压力与错流速率有关。318.5浓差极化浓差极化指在超滤过程中，由于水透过膜，因而在膜表面的溶质浓度增高，形成梯度，在浓度梯度的作用下，溶质与水以相反方向扩散，在达到平衡状态时，膜表面形成溶质浓度分布边界层，它对水的透过起着阻碍作用。328.5浓差极化33浓差极化透过快的组分透过慢的组分推动力膜浓度极化示意图348.6膜的污染膜使用中最大的问题是膜污染。指随着操作时间的增加，处理物料中的微粒、大分子、胶粒或其他溶质分子，由于与膜存在物理化学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，使膜透过流速的迅速下降，溶质的截留率也明显下降。358.6膜的污染膜污染的表现一是膜通量下降；二是通过膜的压力和膜两侧的压差逐渐增大；三是膜对生物分子的截留性能改变。膜污染与浓差极化在概念上不同，浓差极化加重了污染，但浓差极化是可逆的，即变更操作条件可使之消除，而污染是不可逆的，必须通过清洗的办法，才能消除。污染是由膜的劣化和水生物污垢所引起的。36膜的劣化是由于膜本身的不可逆转的质量变化而引起的膜性能变化；

水生物污垢是由于形成吸着层和堵塞等外因而引起膜性能变化。378.6膜的污染防止污染预处理开发抗污染的膜加大供给液的流速清洗（净洗法）化学洗涤物理洗涤38化学法常用的清洗剂有：1．NaOH：发酵工业中用得很普遍，浓度为0.1～1.0M。它能水解蛋白质，皂化脂肪和对某些生物高分子起溶解作用。2．酸：如HNO3、H3PO4和HCI。用于去除无机污染物，如钙和镁盐。对不锈钢装置不能用HCI。柠檬酸对含铁污染物有效。3．表面活性剂：主要对生物高分子、油脂等起乳化、分散、干扰细菌在膜上的粘附。常用的SDS和TritonX-100，有较好的去蛋白质和油脂等作用。394．氧化剂：氯有较强的氧化能力。当NaOH或表面活性剂不起作用时，可以用氯，其用量为10-6mg/L活性氯，其最适pH为10～11。5．酶：酶本身是蛋白质，能用其他清洗剂就酶。但如要去除多糖时，淀粉酶有一定作用的。6．有机溶剂：由于有机溶剂对膜和装置有不良作用，因而很少采用。20-50％乙醇可用于膜装置的灭菌和去除油脂或硅氧烷消泡剂，但使用时系统必须符合防爆要求。化学法常用的清洗剂有：40海绵球擦洗热水法反冲洗和循环清洗物理法：418.7膜过滤理论超-微滤膜的性能微孔模型Hagen-Poiseuille定律质量传递模型凝胶极化模型阻力模型428.8膜的截留能力表观截留率δ表=(cb-cf)/cbcb和cf分别为主体溶质浓度和透过溶质浓度。

δ=(cm-cf)/cmcm为膜表面溶质浓度。截断曲线截留率与分子量之间的关系曲线

438.9过程条件超-微滤的工作模式可分为浓缩、透析和纯化三种。441.分批浓缩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。一般循环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，应兼顾循环速度增大和通量。452透析过滤在分批操作中，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，其量与透过液相等，保留液体积始终保持不变。透析过滤模式:料液中不断加入水或缓冲液，如虚线所示，即成为透析过滤模式）46膜分离过程在生物工程中的应用过程应用对象实例微滤