膜分离技术学习笔记-适合医药、生工

膜分离膜：一种或两种流体相之间加入一层薄的凝聚相物质。将流体相分割成两部分，这一薄层物质称为膜。膜的厚度一般为0.5mm以下。膜是由均一的单相或由两相以上聚合物构成的复合体，稳定存在于流体相之间。 膜具有选择透过性，并在两侧形成独立的相界面，并可使两相之间发生传质作用。对称膜膜截面的膜厚方向上孔道分布均匀。对称膜的传质阻力大，透过量低，并且容易污染，清洗困难。不对称膜起膜分离作用的表面活性层：膜层很薄，孔径微细，通透量过大，膜孔不易堵塞，易清洗。起支撑强化作用的情性膜：惰性层孔径较大，对流体透过无阻力。第一节、膜技术1.膜技术的概念：在一定推动力(压力等)的作用下，依靠膜的选择性(孔径、静电力等)将液体中的组分进行分离或浓缩的方法。2.膜分离过程的原理：选择性膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力时，由于溶液中各组分透过膜的迁移速率不同，从而达到混合物分离，并实现产物的提取、浓缩、纯化等目的。通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为下游。膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的。3.常见膜分离类型：①微滤(Microfiltration,MF)②超滤(Ultrafiltration,UF)③纳滤④反渗透(Reverseosmosis，RO)⑤透析(Dialysis,DS)⑥电渗析(Electrodialysis,ED)过程微滤超滤纳滤反渗透(无孔膜)分离目的溶液脱脱粒子溶液脱大分子大分子溶液脱小分子大分子分级溶剂脱有机组分脱高价离子脱色、浓缩溶剂脱溶质含小分子溶质溶液浓缩透过组分溶液、气体小分子溶液溶剂低价小分子溶质溶剂截留组分0.02μm-10μm粒子1nm~20mm大分子溶质lnm以上溶质0.1nm-1nm小分子溶质透过组分在料液中的含量少量小分子溶质少量大分子溶质大量溶剂少量小分子溶质大量溶剂低价小分子溶质大量溶剂膜类型多孔膜非对称膜非对称膜/复合膜非对称膜/复合膜进料、透过物的物态液体或气体液体液体液体简图(1)微滤利用筛分原理，分离、截留直径为0.02μm到1μm大小的粒子，即微滤膜的孔径为0.02μm到10μm。采用压力为0.05~0.5Mpa。主要在细胞收集、液-固分离等方面使用分离机制：①物质在膜表面及微孔内的吸附截留（深层过滤)②架桥截留（滤饼层过滤）③膜表面的机械截留(筛分作用)(2)超滤超滤是一项分子级膜分离手段，以压力差为推动力将不同分子量的物质进行选择性分离。它可分离分子量从3kDa~1000kDa的可溶性大分子物质，对应孔径为1nm到20nm。采用压力为0.1~IMPa，用途广泛。应用：①大分子物质的脱盐和浓缩，以及大分子物质溶剂系统的交换平衡②大分子物质的分级分离③生化制剂或其它制剂的去热源超滤原理一般认为超滤是一种筛分过程。超滤膜表面分布有一定大小和形状的孔，在一定的压力作用下，含有大、小分子溶质的溶液流过超滤膜表面时，溶剂和小分子物质(如无机盐类)透过膜，而大分子溶质(如蛋白质)则被截留在膜上。实际应用中发现，不仅是膜表面的孔的大小对分离有影响，膜表面的化学特性对大分子溶质的截留也有着重要的作用。超滤膜对溶质的截留作用主要有以下方面：机械截留作用：指膜具有截留比它孔径大或与孔径相当的颗粒的作用。物理作用或吸附截留作用：包括吸附和电性能的影响。架桥作用：通过电镜可以观察到，在微孔滤膜孔的入口处，微粒因架桥作用同样也可以被截留。膜内部截留：指将微粒截留在膜内部而不是在膜表面。不同材料的膜具有不同的溶剂及环境耐受性，也具有不同的滤过速度和分离选择性，适用的分离范围和使用对象也不一样。常用的超滤仪无搅拦式超滤装置、搅拌或振动式装置(3)纳滤以压力差为推动力的膜分离过程，以表面带有静电基团的微孔复合膜(膜孔径1-2nm)为过滤介质，操作压力高(1-3MPa)，可截留分子量200-1000的小分子化合物及多价盐等，可将浓缩和脱盐合为一体。分离机制：①根据筛分效应对不带电荷的物质进行截留；②对电解质的分离根据道南效应：电荷排斥。(4)反渗透以压力差为推动力的膜分离过程，以非对称性微孔膜(膜孔径为0.5nm-10nm)为过滤介质，截留无机盐及分子量大于100的小分子化合物，而水分子可以透过。操作压力一般为1-10MPa，主要用于小分子有机物(糖、氨基酸、抗生素等)的浓缩，脱盐水。分离机制：当盐水侧所施加的压力大于渗透压时，盐水侧的溶剂将渗透到纯水侧，这就是反渗透。实现反渗透的条件：利用远大于渗透压的外压，使纯溶剂通过膜，而低分子量的化合物被截留。(5)透析采用半透膜作为滤膜，从而达到大小分子分离的一种膜分离方法。样品液主要成分是生物大分子，是分离过程中需要留下的部分，被称作“保留液”。“纯净”溶剂即水或缓冲液是供经薄膜扩散出来的小分子物质逗留的空间场所，或是提供平衡小分子的“仓库”，被称作“渗出液”透析常用设备-透析袋：早期用兽类的膀胱；现代主要用再生维素膜、纤维素酯膜等高分子聚合物。用于透析的半透膜应具备的条件①在溶剂中能形成分子筛状多孔薄膜，只允许小分子溶质通过，而阻止大分子(如蛋白质)通过；②化学惰性；在水、盐溶液、稀酸或稀碱溶液中稳定；③良好的物理性能；有一定的机械强度和良好的再生性能，可以重复使用。透析过程注意点①透析前，对装有试液的透析袋检查是否有泄漏；②透析袋装一半左右，防止膜外溶剂因浓度差渗入将袋涨裂或膨胀使膜孔径改变；③定期或连续更改外部溶剂可溶提高透析效果。透析法的应用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，不适用于大规模生物分离过程，但在实验室中应用较多。(6)电渗析利用离子交换膜和直流电场的作用，从水溶液和其他不带电组分中分离带点离子组分的一种电化学分离过程。离子交换膜：一种由功能高分子物质构成的薄膜状的离子交换树脂，分为阳离子交换膜和阴离子交换膜。离子交换膜之所以具有选择透过性，主要是由于膜上孔隙和离子基团的作用。含有小分子电解质(如氯化钠)的蛋白质溶液进行电渗析时，大分子蛋白质不能通过膜，但电解质却可以透过膜向两端的电极移动。常见膜分离方法的原理及应用范围方法传质推动力分离原理应用微滤压差(0.05-0.5MIPa)節分除菌、回收菌、分离病毒超滤压差(0.1-1.0MPa)筛分蛋白质、多肽和多糖的回收浓缩纳滤压差（0.5-2MPa)筛分+溶解扩散苦咸水脱盐、溶液浓缩反渗透压差（1.0-10MPa)溶解扩散盐、氨基酸、糖的浓缩透析浓度差扩散脱盐、除变性剂电渗析电位差离子交换脱盐、氨基酸和有机酸的分离4.膜分离的特点①操作在常温或低温下进行，适宜于热敏物质分离浓缩；②是物理过程，不需要加入化学试剂，透过液(酸、碱或盐溶液)可循环使用，降低了成本，并减少对环境的污染；③不发生相的变化(因而能耗较低)；④选择性较高；⑤过滤、浓缩和吸附可集成；⑥设备易放大，可以分批或连续操作。⑦膜结构类似但分离机理不同，选择合适的膜与操作参数，可得到较高回收率；⑧系统可密闭循环，防止外来污染。第二节、表征膜性能的参数1.膜孔道特征包括：孔径：反应孔的大小。最大孔径、平均孔径。孔径分布：是指膜中一定大小的孔的体积占整个孔体积的百分数。孔隙度：是指孔体积占整个膜体积的比。可直接用电镜检测(微孔膜)膜的完整性实验：用于检测膜或组件是否完整或渗漏。2.水通量(J)单位时间、单位膜面积透过的水的体积，一般采用纯水在0.35Mpa、25℃条件下进行实验而得到。J=V/StV为透过液的容积；S为膜的有效面积：t为时间①同类膜，孔径越大，水通量越大②水通量J不能代表处理大分子料液的透过速度，因为大分子溶质会沉积在膜表面，使滤速下降(约为纯水通量的10%)。③由J的数值可了解膜是否污染和清洗是否彻底。3.截留率σ超滤膜对溶质的截留能力用载留率σ来表示，σ=1-Cp/CB式中Cp和CB分别表示在某一瞬间，透过液和截留液的浓度。如果σ=1，则Cp=0，表示溶质全部被截留；如果σ=0，则Cp=CB，表示溶质能自由透过膜。4.截留分子量(MWCO)通过测定分子量不同的球形蛋白质或水溶性聚合物的截留率，可获得膜的截留率与溶质分子量之间的关系曲线，即截留曲线。一般截留率为90%或95%的溶质分子量定义为膜的截留分子量。SIWCO（球状蛋白质）近似孔径（nm）1000210,0005100,000121000.00028截留曲线得到的截留率与分子量之间的关系称为截留曲线。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，坦途的截断曲线会导至分离不完全。影响截留率的因素①分子形状：线性分子容易透过：②吸附作用：溶质吸附于膜孔壁上，降低膜孔有效直径③大分子溶质影响：若同时存在两种大分子溶质，大分子溶质在膜表面积聚，小分子透过，分子量相差10倍以上。④温度和浓度：温度上升，黏度下降，截留率下降⑤错流速度：错流速度增大，截留率减小，因为浓差极化作用减小。⑥pH、离子强度：影响蛋白质分子构型，影响截留率。第三节、分离机制1.毛细管流动模型针对超滤和微滤，是简单的筛分过程溶质或悬浮物料按大小不同而分离，比膜孔径小的物质和溶剂(水)一起通过膜，而较大的物质则被截留。膜是多孔性的，膜内有很多孔道，水以滞留方式在孔道内流动，因而服从Hagen-Poiseuille方程。J=J:通量ε:膜的孔隙度D:圆柱形孔道的直径L：膜的有效厚度∆p：膜两侧压力差μ：上式适用于圆柱形毛细管，但实际情况比较复杂，孔道可能是死孔道，即一端是封闭的，孔道大小也不均匀，因而适用于填床的Carman-Kozeny公式比较符合实际情况。J=k':与孔结构有关的无因次常数S0:意义：通量J与压力差∆p2.溶解扩散模型反渗透：假定溶剂或溶质分子首先溶解在膜中(溶解)溶解于膜表层中的液体在化学位差推动力的作用下，向另一侧扩散(扩散)适合于均匀膜、无机盐的反渗透(脱水)Fick定律：在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量(扩散通量J)与该截面处的浓度梯度成正比，也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大。J=D：扩散系数(m2/s)C：扩散物质的体积浓度∂C/“-”：表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩散组元由高浓度区向低浓度区扩散3.优先吸附-毛细孔流理论水溶液中脱盐的反渗透是多孔的，并具有一定的亲水性，在膜上面始练吸附着一层纯水层，其厚度为几个水分子大小，在压力下，就可连续使纯水层流经毛细孔。纯水层厚度：t=若毛细孔直径等于2倍纯水层的厚度，则可使纯水的透过速度最大，而盐又不能漏出，即达到最大程度脱盐，此时的毛细孔径称为“临界孔径”。4.纳滤模型纳滤膜：截留率大于95%的最小分子约为1nm称之为纳滤膜。驱动力：筛分、电位驱动5.浓差极化-凝胶模型当溶剂透过膜，而溶质留在膜上时，它使得膜面上溶质浓度增大，高于主体中的溶质浓度，这种现象称为浓差极化。浓差极化对通量影响很大，实际操作中尽量减小浓差极化作用。反渗透:膜面上溶质浓度大，渗透压高，致使有效压力差降低，通量减小：超滤和微滤:高分子和胶体溶液，浓度高时会在膜上形成凝胶层，增大了阻力而使通量降低，称为凝胶极化。稳态操作下，溶质的透过通量与边界层向膜面传送溶质通量和向主体溶液扩散通量间达到物料平衡，积分后可得：J=KJ：通量D：溶质的扩散系数δ：边界层厚度Cs：膜面浓度Cb:主体浓度Cp:透过液浓度浓差极化现象的后果：膜面附近浓度升高，膜两侧渗透压差增大，有效压差减小，透过通量降低：膜面附近浓度超过溶解度时，析出溶质，形成凝胶层，此时通量为：

J=CG:凝胶层浓度溶质截留特性的改变：C其中，Cp<Cp’减小浓差极化的措施：①错流；②进料流速增大；③湍流程度提高，设备改进；④提高操作温度6.阻力模型考虑到类似滤饼等阻力的影响，单位面积的处理量与水通量呈反比。实际应用中，膜面积增大1倍，处理量增大4倍，膜的更换费用减少一半。增大膜面积7.管状收缩效应在胶体溶液的超滤和微滤中，实际通量要比用浓差极化-凝胶层模型估算的要大得多。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。处理浑浊液体时，窄通道超滤器可取。第五节、影响膜的因素一、影响膜的因素膜的化学性质蛋白质类和溶液的pH无机盐温度料液浓度、流速、压力(一)膜的化学性质膜的亲疏水性、荷电性影响膜与不同溶液间相互作用的大小。一般静电相互作用较易预测，而亲疏水性却很难预测。尤其对生物发酵系统，其组成极为复杂，必须对不同对象用各种膜进行实验选择。(二)蛋白种类与溶液pH值不同蛋白质特性也不同，所以较难预测该因素的影响。对于荷电膜而言，当蛋白荷电性与膜固定离子电性相同时，污染程度较小；pH对蛋白在水中溶解性及构象有很大的影响，在pI时蛋白溶解度最低、通量最低，但吸附量最高，即膜污染最严重：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相互排斥的缘故。(三)无机盐无机盐通过两条途径对膜污染产生重大影响无机盐复合物会在膜表面或膜孔直接沉淀，或使膜对蛋白质的吸附增强而污染膜：无机盐改变可溶液离子强度，影响到蛋白质的溶解性、构象与悬浮状态，使沉积的沉积层的疏密程度改变，因此对膜的透水率产生影响。(四)温度的影响一般来说，温度升高都会导致通量增大，因为温度升高使黏度降低和扩散系数增大。由于水的黏度每升高1℃，约降低2.5%，所以，一般可认为，每升高1℃，通量约增加3%。(五)料液浓度、流速与压力的影响1.浓度在超滤中间歇操作(浓缩模式)：Cb上升，J下降透析过滤或连续操作：料液浓度Cb基本不变，所以J也不变。J=CG：膜面浓度达到极大值Cb：主体浓度2.流速：错流过滤增大料液流速会减小浓差极化层厚度，从而使通量增大；流速增大可使传质系数增大，从而使通量增大。3.压力J=当压力较低时，通量J较小，膜面上尚未形成浓差极化层，此时J与膜两侧的压力差△P成正比。当压力逐渐增大时，膜面上开始形成浓差极化层，J随△P而增大的速度开始减慢。当压力继续增大时，浓差极化层浓度达到凝胶层浓度，J不随△P而改变。二、膜过滤装置膜组件：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构件，是膜分离的基本单元设备。原料液以一定的流速流入膜组件，由于其中某一组分更容易透过膜，所以进入膜组件的物流通过膜组件以后分为两股，即渗透液和截留液。膜过滤装置类型：(a)板式、(b)管式、(c)卷式、(d)中空纤维式板式膜组件平板式：由滤板、滤膜透过水膜、刚性支持板交替重系紧螺栓叠组装在一起。改进的膜透过水平板式组件由膜、间隔器、膜交替重叠组装。优点缺点构造简单，死体积小，膜片易更换；流道的截面积大，线速度较高，不易被异物堵塞；密封边界长，内部压力损失大；制造成本高。管式膜组件在圆筒状多孔支撑体的内侧或外侧刮制上一层半透膜而得到的圆管形分离膜，再将一定数量的这种膜管以一定方式联成一体而组成。料液以平行于膜面的方式流过膜的孔道向外渗透。内压式：膜涂在管内，料液由管内走，透过膜的渗透溶液在管外侧被收集。外压式：膜涂在管外，料液由管外间隙走，渗透溶液则由管外侧渗透通过膜进入多孔支撑管内。优点缺点流动状态好，膜污染少；安装、清洗、换膜、维修方便；能处理含有悬浮固体的溶液。管式膜的制备条件较难控制：单位体积内有效膜表面小；制造成本高。卷式膜组件按膜、多孔支撑体、膜、原水侧隔网依次叠合，紧密的卷绕于中央渗透管，再装进圆柱形压力容器里，构成一个膜组件。优点缺点结构紧凑，单位体积内的有效膜面积大；制备成本较低，目前应用最广泛。容易被污染，不适合处理含有悬浮固体的料液；清洗困难。中空纤维式膜组件由大量极细的空心膜管(膜丝)和固定端及外壳组成，其本身不需要支撑材料即可耐受较高的压力，具有很高的填充密度，具有极大的膜面积。中空纤维膜组件的最大特点是单位装填膜面积比所有其他组件大，最高可达到30000m2/m2中空纤维膜组件也可分为外压式和内压式。优点缺点可耐受较大的压力；单位体积内有效膜面积最大；结构轻便，制造成本低；反冲洗容易，清洗效果好。膜管使用中容易破裂(断丝)，易被污染。组件性能比较板式管式卷式中空纤维式填充密度30-50030-200200-800500-9000承压性能低/高高高中等抗污染性能中等很好差中等膜清洗简单简单一般简单相对造价高高中等低主要应用UF、MF、NF、RONF、UF、MFRO、UF、MFRO三、超滤过程的操作方式连续操作间歇操作：分批浓缩模式、透析过滤模式在整个操作时间内的平均浓度较低，平均通量较高，所需膜面积较小，装置简单，成本较低；需要较大的储槽，适用于规透过液模较小，药物和生物制品中。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，容易实现自动化，主要用于大规模生产连续操作中，级数