膜分离技术及其应用

膜分离技术及其应用制作者：夏提古丽·塔西买买提艾地热斯·麦麦提依明专业：生药学目录一、膜分离技术的定义二、膜分离技术的发展历史与现状三、膜的定义及分类四、膜分离技术的原理及特点五、常见的膜分离技术六、膜分离技术在药物研究中的应用七、膜分离技术的注意事项及其存在的问题八、展望一、膜分离技术的定义

膜分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过天然的或人工合成的半透膜时，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂实现选择性分离，分级，提纯，和富集的技术。定义

二、膜分离的发展历史与现状1748年AbbleNelkt发现水能自然地扩散到装有酒精的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象；1827年Dutrochet引入名词渗透（Osmosis）；1861年Schmidt提出超滤概念；1864年Traube成功研制了人类历史上第一张人造膜（亚铁氰化铜膜）；1918年Zsigmondy提出了商品微滤膜的制备方法，并将其应用于微生物、微粒等方面的分离和富集；1950年W.Juda成功研制了第一张具有实用价值的离子交换膜；二、膜分离的发展历史与现状

1960年Loeb和Sourirajan研制出第一张不对称的醋酸纤维素反渗透膜，导致了膜分离技术进入了实用和装置的研制阶段；1967年以后在美国、丹麦、日本等国出现了多家膜及其组件的生产厂家，逐渐开始了膜分离技术的规模应用。我国1958年开始研究离子交换膜和电渗析，1966年开始研究RO、UF、MF、液膜、气体分离等膜分离过程应用与开发研究。80年代后期又陆续开展了渗透汽化、膜萃取、膜蒸馏和膜反应等新膜过程的研究，并着手进行膜技术的推广应用工作。膜分离发展过程和趋势可用？高增长低增长透析微滤超滤反渗透电渗析控制释放气体分离渗透汽化双极膜液膜膜反应器闸膜活化传递二、膜分离的发展历史与现状

膜分离技术的发展现状

随着我国膜科学技术的发展，相应的学术、技术团体也相继成立。它们的成立为规范膜行业的标准、促进膜行业的发展起着举足轻重的作用。半个世纪以来，膜分离完成了从实验室到大规模工业应用的转变，成为一项高效节能的新型分离技术。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。

由于膜分离技术本身具有的优越性能，故膜过程已经得到世界各国的普遍重视。在能源紧张、资源短缺、生态环境恶化的今天，产业界和科技界把膜过程视为二十一世纪工业技术改造中的一项极为重要的新技术。

80年代以来我国膜技术跨入应用阶段，同时也是新膜过程的开发阶段。在这一时期，膜技术在食品加工、海水淡化、纯水、超纯水制备、医药、生物、环保等领域得到了较大规模的开发和应用。并且，在这一时期，国家重点科技攻关项目和自然科学基金中也都有了膜的课题。膜料液水小分子大分子渗透液定义：

具有选择性分离的功能薄膜材料。

“21世纪的多数工业中，膜技术扮演着战略的角色”“谁掌握了膜技术，谁就掌握了21世纪的未来”三、膜的定义及分类1.膜的简介特征：具有选择性分离的功能薄膜材料，以及以其为核心的装置、过程、工艺的集成与应用特点：无相变、低能耗高效率、污染小工艺简单、操作方便便于与其它技术集成2.膜的特征与特点3.膜的分类膜合成膜生物膜夜膜固膜乳状液膜-球形液膜带支撑层的液膜有机膜无机膜-多孔膜无孔膜-不对称膜多孔膜荷电膜不荷膜电不对称膜对成膜不对称膜对成膜

液膜的概念

液膜是一层很薄的液体膜。它能把两个互溶的、但组成不同的溶液隔开，并通过这层液膜的选择性渗透作用实现物质的分离。根据形成液膜的材料不同，液膜可以是水性的，也可是溶剂型的。液膜的特点：

传质推动力大，速率高，且试剂消耗量少，这对于传统萃取工艺中试剂昂贵或处理能力大的场合具有重要的经济意义。

液膜的选择性好，分离效果显著，往往只能对某种类型的离子或分子的分离具有选择性。最大缺点是强度低，破损率高，难以稳定操作，而且过程与设备复杂。4.液膜液膜的组成与类型（1）液膜的组成膜溶剂：有机溶剂或水,构成膜的基体表面活性剂：控制液膜的稳定性添加剂/流动载体：提高膜的选择性,实现分离传质的关键因素（2）液膜的类型

从形状来分类，可将液膜分为支撑型液膜和球形液膜两类，后者又可分为单滴型液膜和乳液型液膜两种。4.液膜支撑型液膜

把微孔聚合物膜浸在有机溶剂中，有机溶剂即充满膜中的微孔而形成液膜。此类液膜目前主要用于物质的萃取。4.液膜乳液型液膜首先把两种互不相溶的液体在高剪切下制成乳液，然后再将该乳液分散在第三相（连续相），即外相中。乳状液滴内被包裹的相为内相，内、外相之间的部分是液膜。一般情况下乳液颗粒直径为0.1～1mm，液膜本身厚度为1～10mm。根据成膜材料也分为水膜和油膜两种。如图所示的是一种油膜，即W/O/W型乳液型液膜。它是由表面活性剂，流动载体和有机膜溶剂（如烃类）组成的。上述三种液膜中，乳液型液膜的传质比表面最大，膜的厚度最小，因此传质速度快，分离效果较好，具有较好的工业化前景。4.液膜单滴型液膜

其结构为单一的球面薄层，根据成膜材料可分为水膜和油膜两种。水膜，即O/W/O型，内、外相为有机物；油膜，即W/O/W型，内、外相为水溶液。这种单滴型液膜寿命较短，所以目前主要用于理论研究，尚无实用价值。4.液膜液膜分离原理及应用无载体液膜的分离机理①选择性渗透：分离物在液膜中的溶解度差异②化学反应：为提高富集的效果,可使待富集成分在内水相发生化学反应以降低其浓度,促使迁移不断进行。③萃取和吸附(a)选择性渗透液膜料液(b)滴内化学反应

RC液膜料液C+R→PR1液膜料液(c)膜中化学反应C+R1→P1(d)萃取和吸附液膜料液液膜料液4.液膜有载体膜的分离机理有载体液膜分离是靠加入的流动载体进行分离的。加入的流动载体与特定溶质或离子所生成的配合物必须溶于膜相,而不溶于邻接的两个溶液相。此载体在膜的一侧强烈地与特定离子配位,因而可以传递它。但在膜的另一侧只能很微弱地和特定溶质配位,因而可以释放它。这样,流动载体在膜内外两个界面之间来回地传递被迁移物质。液膜分离原理及应用4.液膜液膜分离技术应用领域（1）在生物化学中的应用在生物化学中，为了防止酶受外界物质的干扰而常常需要将酶“固定化”。利用液膜封闭来固定酶比其他传统的酶固定方法有如下的优点：①容易制备；②便于固定低分子量的和多酶的体系；③在系统中加入辅助酶时，无需借助小分子载体吸附技术（2）在医学中的应用液膜在医学上用途也很广泛。如液膜人工肺、液膜人工肝、液膜人工肾以及液膜解毒、液膜缓释药物等。目前，液膜在青霉素及氨基酸的提纯回收领域也较为活跃。（3）在萃取分离方面的应用液膜分离技术可用于萃取处理含铬、硝基化合物、含酚等的废水。4.液膜5.

固膜固膜的分类

固膜就结构而言可分为:对称膜，非对称膜和复合膜。(1)对称膜的二侧截面结构及形态相同，且孔径及孔径分布也基本一致，对称膜可以是琉松的微孔膜或致密的均相膜.(2)非对称膜由致密的表皮层和疏松的多孔支撑层组成，膜两侧截面的结构及形态不相同，且孔径与孔径分布也不一致.(3)复合膜

按膜的形状分为:平板膜、旋转式膜，管式膜和中空纤维膜固膜的分类：根据材料的不同可分为:有机膜:有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。可根据需求制成各种各样的膜，如亲水性或疏水性,不同截留分子量的膜产品等，从而得到快速发展.无机膜:无机膜主要是陶瓷膜和金属膜（金属氧化物），其过滤精度较低，选择性较小。但是热稳定性高，耐化学腐蚀，无老化问题，寿命长。可反相冲洗等优点5.

固膜根据孔径大小可以分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等，膜分离都采用错流过滤方式。目前已开发的在医药工业中应用的膜分离技术主要有：微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析等。此外，膜与其它分离过程的藕合技术，如膜蒸馏、膜萃取、渗透汽化等技术也有大量的研究文献5.

固膜固膜的分类：四、膜分离的原理及特点膜分离技术的原理膜分离的基本原理是较为简单的。膜分离过程为选择性透过膜为分离介质，利用膜对混合物各组分渗透性能的差异，实现对多组分混合物进行物理的分离，纯化和富集。当膜两侧存在一定的压差是，可使一部分溶剂与小于膜孔径的组分透过膜，而微粒，大分子，盐等被膜截留下来，从而达到分离的目的。四、膜分离的原理及特点

膜分离工艺的原理膜分离的基本工艺原理是较为简单的。在过滤过程中料液通过泵的加压，料液以一定流速沿着滤膜的表面流过，大于膜截留分子量的物质分子不透过膜流回料液罐，小于膜截留分子量的物质或分子透过膜，形成透析液。故膜系统都有两个出口，一是回流液（浓缩液）出口，另一是透析液出口。浓缩液进料液渗透液四、膜分离的原理及特点

膜通量（LMH）在单位时间（Hr）单位膜面积（m2）透析液流出的量（L）称为膜通量（LMH），即过滤速度。是一种基于粒子悬浊液在毛细管内流动的毛细管理论。水通量（Jw）和截留率（R）：JW=W/A.tR=C1-C2/C1W—透水量，A—膜的有效面积，t—时间c1—料液中溶质浓度，c2—透过液中溶质浓度四、膜分离的原理及特点

膜分离技术特点1.可常温操作，适于热敏感物质的分离，浓缩和纯化2.分离过程不发生相变化3.能耗低4.分离系数较大所以，膜分离技术是现代分离技术中一种效率较高的分离手段，可以部分取代传统的过滤，吸附，冷凝，重结晶，蒸馏和萃取等分离技术。四、膜分离的原理及特点

膜分离技术的工艺特点1）在常温下进行有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质，如抗生素等医药、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩2）无相态变化保持原有的风味，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/83）无化学变化典型的物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染四、膜分离的原理及特点

膜分离技术的工艺特点4）选择性好

可在分子级内进行物质分离，具有普遍滤材无法取代的卓越性能

5）适应性强

处理规模可大可小，可以连续也可以间隙进行，工艺简单，操作方便，易于自动化

6）能耗低

只需电能驱动，能耗极低，其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8五、常见的膜分离技术微滤

微滤是最早使用的膜技术,是以多孔薄膜为过滤介质,使不溶物浓缩过滤的操作。截留粒子的范围约为0.1~10Lm,目前常用的微滤膜有金属膜、无机陶瓷膜、高分子膜等。在工业中,微滤膜主要应用于截留颗粒物,液体的澄清以及大部分细菌的去除，并作为超滤、反渗透过程的前处理。特点

金属膜、无机膜具有耐高温，耐酸碱，耐有机溶剂等特点,较高分子膜有更广的应用范围,且易于再生,并可重复使用,但其价格较高。五、常见的膜分离技术超滤(UltraFiltratian,UF)

超滤是20世纪六七十年代发展起来的一种膜分离技术,以微孔滤膜(超滤膜)为过滤介质,在常温下,依靠一定的压力和流速,使药液流经膜表面,迫使低分子物质透膜,高分子物质被截留。超滤膜能截留分子量在上千至数十万的大分子。

优点

除了能完成微滤的除颗粒、除菌、澄清作用外,还能除去微滤膜不能除去的病菌、热原、胶体和蛋白质等大分子化合物,主要用于物体的分离、提纯、浓缩。在医药行业中超滤膜是发展最快的膜分离技术。五、常见的膜分离技术

纳滤(NanoFiltratian,NF)纳滤是近年来国外发展起来的另一滤膜系列纳米过滤。它介于反渗透与超滤之间,能分离除去分子量为300~1000的小分子物质。特点

填补了由超滤和反渗透所留下的空白部分。纳滤膜集浓缩与透析为一体,可使溶质的损失达到最小。五、常见的膜分离技术

反渗透

(reverseosmosis,RO)

反渗透膜是从水溶液中除去无机盐及小分子物质的膜分离技术。反渗透膜所用的材料为有机膜特点膜仅能透过水等小分子物质,而截留各种无机盐、金属离子和分子。应用制备各种高品质的医用水注射用水、医用透析水、可代替离子交换树脂,主要用于水的脱盐纯化。五、常见的膜分离技术

自电渗析技术问世后，其在苦咸水淡化，饮用

水及工业用水制备方面展示了巨大的优势。

中草药有效成分的分离和精制：通过电渗析一般可以把中草药提取液分离分成无机阳离子和生物碱、无机阴离子和有机酸、中性化合物和高分子化合物三部分。

电渗析技术在食品工业、化工及工业废水的处理方面也发挥着重要的作用电渗析技术五、常见的膜分离技术电渗析(electro—osmosis)是利用荷电膜(离子子交换膜)对阴阳离子的选择性透过性质，在电位差推动力的作用下，使阴阳离子从水溶液中分离的一种分离方法，其原理当电解质水溶液被泵打入电渗析器时．在电场的作用下，阴离子透过阴离子交换膜(A)到达浓维室，阳离子通过阳离子膜(c)到达浓缩室。从而由与浓缩室相邻的室里得到除去离子以后的稀溶液。++++++阳极－－－－－－阴极Cl-Na＋阳膜阳极室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋浓缩室淡化室浓缩室阴极室阴膜阳膜阴膜五、常见的膜分离技术六、膜分离技术在中药研究开发中的应用用于提取天然药物有效成分天然药物通常含有生物碱、黄酮类、苷类、蒽醌酮类、蛋白质、多糖、鞣质、树脂、淀粉等,化学成分非常复杂。研究表明中药的活性成分分子量一般不超过1000,而无活性成分的分子量大多在50000以上。因此在中药提取和制剂过程中,对天然药物的不同分子量的成分进行分离,可以达到中药制剂高效、降低服用量的目的。膜分离技术正是利用膜孔径大小将中药成份进行分离。其中超滤技术在中医药领域应用比较广泛。主要涉及以下几个方面:提取天然药物有效成分,备中药注射剂、中药口服液、中药浸膏、中药药酒等。六、膜分离技术在中药研究开发中的应用用于制备中药口服液

中药口服液生产传统的工艺——水提醇沉法

不足之处：流程长,所得产品粘度大,还含有大量亚微粒、微粒和絮状物等杂质成品静置后易产生沉淀,影响产品质量。

原因在于口服液中大都含有鞣质,鞣质为水溶性的多酚类化合物,相对分子量为500~3000,它能同生物碱、蛋白质和多糖作用形成分子间氢键,生成不溶于水的沉淀物,使药液浑浊。将口服液用截留分子量为7000的膜进行超滤后,产品质量大为改观,不仅澄明度有所提高,口服液中有效成分的含量也有增加。六、膜分离技术在中药研究开发中的应用用于制备中药注射剂

目前临床应用的中药注射剂品种有1400多种,存在的主要问题是有效成分和含量不太明确,制剂纯度不够,致使某些产品质量不太稳定,澄清度不好,甚至出现过敏反应。多年的研究表明,超滤法制备某些中药注射液,效果优于传统的水醇法、醇水法、石硫醇法,可以有效地除去杂质和热原,提高产品的澄明度,减少不良反应,并有一定的脱色作用。六、膜分离技术在中药研究开发中的应用用于制备药酒

膜分离技术用于药酒生产可提高药酒的澄明度。钱百炎等用超滤工艺纯化了虫草补酒等5种药酒,结果表明:1.处理前后组成无明显变化;2.除菌率达100%;3.澄明度提高,且产品贮存1a后稳定；4.能耗降低。史国富等采用膜分离技术进行制备中华鹿龟神酒的工艺研究,结果表明,采用膜分离技术制备中药勾兑酒,对提高成品酒的内在质量、稳定性和澄明度有良好效果,提高了中药保健酒的质量、营养及功能,增强了市场竞争力。六、膜分离技术在中药研究开发中的应用中药提取过程中常规除杂

常规除杂采用膜分离技术可除去中药中的一些大分子杂质,如多糖、蛋白、鞣质以及热原等.SHI等将超滤膜用于精制金茂降糖片的原料药黄连、金银花,获得了不错的精制效果;韩光等将微滤技术应用于精制何首乌水提液,微滤前为浑浊溶液,微滤后为澄清溶液,透过液固体去除率为67.9%、二苯乙烯苷含量是水提取液中的2.04倍.六、膜分离技术在中药研究开发中的应用制备中药浸膏

用膜技术制备的中药浸膏可以克服用传统方法所制备的中药浸膏崩解缓慢的缺点,所得浸膏体积为原来的20%~30%,使内服固体剂型药量减少,同时可提高浸膏中有效成分的含量.董洁等用0.2Lm的无机陶瓷膜对黄芩、陈皮等7种中药水提液微滤后,其主要指标性成分在固含物中的相对含量提高了4%~9%;郭立玮等用多孔树脂吸附和超滤法联用精制六味地黄丸,得到的提取物重量只有原药材的4.0%,而70%~76%的有效成分被富集,上述例子表明膜分离技术在制备中药浸膏上有着良好的应用前景.六、膜分离技术在中药研究开发中的应用中药提取液浓缩

通常中药提取液中的目标产物浓度很稀,往往要大比例浓缩和干燥才能获取产品,而采用膜技术可以去除大量水及无机盐类,实现中药提取液的浓缩.Ran等选择纳滤膜浓缩凉茶,提取液可溶性固形物从1.5%~2%提高到15%,加水稀释复原后风味、色泽、有效成分含量基本没有变化,提高了产品的收率和质量;孙维广等用膜浓缩夏桑菊提取液,浓缩液的相对密度达1.05~1.2,绿原酸和熊果酸的转移率(分别96.61%,84.39%)皆高于醇沉及加热浓缩的传统提取工艺六、膜分离技术在中药研究开发中的应用中药提取液浓缩

通常中药提取液中的目标产物浓度很稀,往往要大比例浓缩和干燥才能获取产品,而采用膜技术可以去除大量水及无机盐类,实现中药提取液的浓缩.Ran等选择纳滤膜浓缩凉茶,提取液可溶性固形物从1.5%~2%提高到15%,加水稀释复原后风味、色泽、有效成分含量基本没有变化,提高了产品的收率和质量;孙维广等用膜浓缩夏桑菊提取液,浓缩液的相对密度达1.05~1.2,绿原酸和熊果酸的转移率(分别96.61%,84.39%)皆高于醇沉及加热浓缩的传统提取工艺七、膜分离技术应用的注意事项及其存在的问题膜材料的选择膜孔径或截留分子量的选择膜结构选择组件结构选择溶液pH控制溶液温度影响溶质浓度，料液流速与压力的控制1.注意事项2.存在的主要问题：材料方面的问题目前可供选择的膜材料的品种偏少，膜孔径分布宽，分离性能还不是十分理想。再则，影响分离的因素较多。选择膜材料和分离工艺时还必须对具体的分离体系作大量的实验。浓差极化问题在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面上，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高。这种在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象称