膜分离法及其在生物工程中的应用

关于膜分离法及其在生物工程中的应用2本章主要内容一、概述二、膜分离过程类型及膜材料三、膜组件四、浓差极化与膜污染及清洗方法五、膜分离法的应用第2页,共66页，2024年2月25日，星期天3膜分离法及其在生物工程中的应用

——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。第3页,共66页，2024年2月25日，星期天4★膜分离的特点①操作在常温下进行,设备简单、操作方便；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法及其在生物工程中的应用

——概述第4页,共66页，2024年2月25日，星期天5膜的定义：膜可定义为两相之间的不连续区间。可以是气相、液相和固相。注意与相“界面”区别。广义指的“膜”是指分隔两相界面，并以特定的形式限制和传递各种化学物质。膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜。可以是：均相的或非均相的；对称的或非对称的；中性的或荷电的；固体的或液体的。膜分离法及其在生物工程中的应用

——概述第5页,共66页，2024年2月25日，星期天6膜的分类对称膜结构与方向无关的膜。非对称膜致密的分离层和多孔支撑层复合膜选择性膜层沉积于具有微孔的底膜（支撑层）表面上。荷电膜即离子交换膜，是一种对称膜微孔膜孔径为0.05-20um的膜。动态膜在多孔介质（如陶瓷管）上沉积一层颗粒物（氧化锆）作为有选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡。第6页,共66页，2024年2月25日，星期天7图1对称膜图2非对称膜第7页,共66页，2024年2月25日，星期天8膜分离法及其在生物工程中的应用

——膜分离过程类型及膜材料一、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）第8页,共66页，2024年2月25日，星期天9膜分离法与物质大小（直径）的关系一、膜分离过程的类型膜分离法及其在生物工程中的应用

——膜分离过程类型及膜材料第9页,共66页，2024年2月25日，星期天10膜分离法及其在生物工程中的应用

——膜分离过程类型及膜材料第10页,共66页，2024年2月25日，星期天11＜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

膜过程膜分离法及其在生物工程中的应用

——膜分离过程类型及膜材料各种膜分离技术分离范围第11页,共66页，2024年2月25日，星期天12膜分离法及其在生物工程中的应用

——膜分离过程类型及膜材料第12页,共66页，2024年2月25日，星期天131.微滤一、膜分离过程的类型第13页,共66页，2024年2月25日，星期天142.超滤一、膜分离过程的类型第14页,共66页，2024年2月25日，星期天153.反渗透一、膜分离过程的类型第15页,共66页，2024年2月25日，星期天16微滤、超滤、纳滤和反渗透一、膜分离过程的类型第16页,共66页，2024年2月25日，星期天174、电渗析分离原理示意图

在电位差下用荷电膜从水溶液中分离离子的过程。

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。

一、膜分离过程的类型电位差第17页,共66页，2024年2月25日，星期天18

电渗器是利用离子交换膜的选择透过性进行工作，电渗析器主要组成部分是离子交换膜。分为阳膜，阴膜。一、膜分离过程的类型第18页,共66页，2024年2月25日，星期天19一、膜分离过程的类型5、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。

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。第19页,共66页，2024年2月25日，星期天20渗透蒸发原理示意图一、膜分离过程的类型第20页,共66页，2024年2月25日，星期天21透析原理图膜分离过程的类型

6、透析水分子大分子小分子透析膜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。透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的形式移动。第21页,共66页，2024年2月25日，星期天22二、膜的材料分离膜按荷电性分为中性膜、荷电膜；按材料亲疏水性可分为亲水膜与疏水膜。对膜一般要求：（1）透过速度（2）选择性（3）机械强度（4）稳定性微滤膜材料：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，陶瓷膜第22页,共66页，2024年2月25日，星期天23目前市售商品膜组件主要有管式、平板式、螺旋卷式和中空纤维(毛细管)式等四种，其中管式和中空纤维式膜组件根据操作方式不同，又分为内压式和外压式。膜分离法及其在生物工程中的应用

——膜组件第23页,共66页，2024年2月25日，星期天241.管式膜组件

管式膜组件是将膜固定在内径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。第24页,共66页，2024年2月25日，星期天25

管式膜组件的内径较大，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。但是管式膜组件单位体积的过滤表面积(即比表面积)在各种膜组件中最小，这是它的主要缺点。第25页,共66页，2024年2月25日，星期天262.平板膜组件平板膜组件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。第26页,共66页，2024年2月25日，星期天27第27页,共66页，2024年2月25日，星期天283.螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件如图所示。将两张平板膜固定在多孔性滤液隔网上(隔网为滤液流路)，两端密封。两张膜的上下分别衬设一张料液隔网(为料液流路)，卷绕在空心管上，空心管用于滤液的回收。螺旋卷式膜组件的比表面积大，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。第28页,共66页，2024年2月25日，星期天29第29页,共66页，2024年2月25日，星期天30第30页,共66页，2024年2月25日，星期天314.中空纤维(毛细管)式膜组件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。严格地讲，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。由于两种膜组件的结构基本相同，故一般将这两种膜装置统称为中空纤维膜组件。有内压式和外压式两种操作。第31页,共66页，2024年2月25日，星期天32外压式膜组件结构内压式膜组件结构第32页,共66页，2024年2月25日，星期天33膜分离的特点?①操作在常温下进行,设备简单、操作方便；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第33页,共66页，2024年2月25日，星期天34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）第34页,共66页，2024年2月25日，星期天35目前膜组件主要那几种形式？有管式、平板式、螺旋卷式和中空纤维(毛细管)式等四第35页,共66页，2024年2月25日，星期天36膜分离法及其在生物工程中的应用

——浓差极化与膜污染及清洗方法一、浓差极化现象：在膜分离过程中，膜表面上溶质浓度高于主体溶质浓度的现象。是一个可逆过程，只有膜分离运行过程才发生。浓差极化的产生：溶剂向膜面流动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，膜面形成一个稳定的浓度梯度区。第36页,共66页，2024年2月25日，星期天37浓差极化导致膜的透过量降低。通过减小料液中溶质浓度，改善膜面流体力学条件，可以减轻浓差极化度。第37页,共66页，2024年2月25日，星期天38二、膜污染定义:膜在使用中，虽然操作条件保持不变，但通过量仍逐渐降低的现象称为膜污染。污染的原因：附着层：滤饼：料液中悬浮物在膜面的堆积。凝胶：溶解性有机物浓缩后粘附于膜面。水垢：溶解性无机物生成的水垢软附于膜面。吸附层：胶体物质或微生物的吸附。堵塞：料液中的微粒、胶体粒子或溶质大分子吸附、沉积在膜表面或膜孔中，造成膜孔径变小或堵塞。第38页,共66页，2024年2月25日，星期天39膜污染与浓差极化的区别：膜污染引起通量衰减是不可逆的（必须通过清洗的办法才能消除），而浓差极化是可逆的（变更操作条件可使浓差极化消除）。第39页,共66页，2024年2月25日，星期天40膜污染可使膜的渗透量下降，且可使膜发生劣化，导致膜的使用寿命缩短。减轻膜污染的方法：①进料液的预处理，达到膜组件的进水标准。5-10μm的过滤器——除去胶体、固悬物、铁锈等絮凝、PH值——除去一些污染物第40页,共66页，2024年2月25日，星期天41②改善膜的性质（表面性质如表面极性和电荷性）如研制蛋白质难吸附的膜（表面添加具有OH-或磺酸基等亲水基的材料）。改善流体力学条件：通道结构等③改善操作条件。如适当提高水温加速分子扩散；调pH值远离蛋白的等电点。第41页,共66页，2024年2月25日，星期天42膜污染处理：经清洗后，如纯水的水通量达到或接近原来水平，则认为污染已消除。物理清洗方法：静置浸泡加高流速水冲洗；采用泡沫塑料软球或海棉球擦洗；反冲洗；超声波法等。化学清洗：起溶解作用的物质：酸、碱、酶、表面活性剂、分散剂等；切断离子结合作用的方法：改变离子强度、pH等；起氧化作用的物质：过氧化氢、次氯酸盐等。起渗透作用的物质：磷酸盐等。第42页,共66页，2024年2月25日，星期天43膜分离法及其在生物工程中的应用

——膜分离的应用膜分离技术在纯净水处理中的应用膜分离技术在电子工业用水中的应用膜分离技术在给水及循环水处理中的应用超滤技术除热原超滤技术澄清药酒和中药制剂超滤技术在轻工、食品中的应用膜分离技术在生物化工中的应用超滤技术在膜生物反应器中的应用第43页,共66页，2024年2月25日，星期天44一、膜分离技术在纯净水处理中的应用超纯水制备装置：中空纤维超滤组件，除去微生物、胶体和大分子物质。一般的纯净水：反渗透设备（复合膜组件），可除去98%的无机盐、有机物、胶体及细菌、热原、病毒等。第44页,共66页，2024年2月25日，星期天45二、膜分离技术在电子工业用水中的应用电子元件生产：需高纯水用来清洗或配制各种溶液，不同的电子元件，对纯水的不同用途，对水质的要求不同。如：电解容器生产中，要用纯水清洗（不能含有离子）。电子管生产中，要用纯水配液。生产一个显像管需用纯水80kg。微电子工业中要用高纯水和超纯水清洗硅片。300-378L/每块第45页,共66页，2024年2月25日，星期天46三、膜分离技术在给水及循环水处理中的应用

应用于发电厂。锅炉内外给水处理等。

技术：RO、活性炭过滤等。四、超滤技术除热原热原：细胞内毒素，是细胞新陈代谢和细菌死后分解的产物。热原的效能：对人注射后，15min-8h会发生冷感、寒战、体温升高，出冷汗等，甚至休克死亡，还会引起白血球下降。第46页,共66页，2024年2月25日，星期天47高压消毒对热原无用：热原具很强的耐热性，180-200℃加热2h或250℃加热30min才可彻底破坏，115℃消毒15min热原降效25%。传统用过滤加活性炭吸附除去针剂用水中的热原。现在有一种超滤膜，可一次除去热原。热原分子大小2-10nm，分子量20000-1000000之间，一般用截留分子量6000左右的膜。第47页,共66页，2024年2月25日，星期天48五、药酒和中药制剂的澄清

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。第48页,共66页，2024年2月25日，星期天49六、超滤技术在轻工、食品中的应用主要集中在：果汁的澄清、浓缩；乳制品的浓缩、纯化；生物制品的浓缩；饮用水的制备；酱油以及米醋的澄清、浓缩除浊；发酵工业中发酵液的纯化；酒制品的纯化和澄清。第49页,共66页，2024年2月25日，星期天50超滤技术分离、浓缩与纯化酶制剂：传统：离心除菌—多次硫酸铵沉淀—透析—脱盐等（费时、手续繁杂、回收率低）超滤技术：发酵液吸附—洗脱—超滤脱盐—超滤浓缩—有机溶剂沉淀）例如：将仅有4-6酶活单位/毫升、比活为0.64的青霉素酰化酶发酵液吸附洗脱，然后用超滤分离浓缩、脱盐，可得到>200酶活单位/毫升，比活力>20的酶溶液，酶回收>80%，时间仅为一天。传统方法需一周时间，回收率仅为30-50%。第50页,共66页，2024年2月25日，星期天51七、膜分离技术在生物化工中的应用

生物化工中，膜分离主应用于分离、浓缩、分级与纯化生物产品。第51页,共66页，2024年2月25日，星期天521、微生物菌体分离

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。例如：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谷氨酸含量浓缩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。第52页,共66页，2024年2月25日，星期天532、超滤亲和纯化超滤技术优点和亲和技术优点结合起来的一种分离技术。亲合阶段：用大分子亲和欲分离的生物产品分子，形成高分子复合物。洗涤阶段：用超滤膜进行超滤，将复合物截留，得到纯化。解离阶段：加入低分子亲和基团或改变溶液条件，如pH等，复合物解离。超滤，产品透过膜。再生阶段：使大分子亲和基团复性，再用。第53页,共66页，2024年2月25日，星期天54需考虑几点：大分子亲和基团要尽量选择尺寸较大的，因而可以对应选大孔径的膜，缩短洗涤时间。在保持复合物截留率的前提下尽量用高透水量的膜。亲和结合强度也要适中。第54页,共66页，2024年2月25日，星期天55第55页,共66页，2024年2月25日，星期天563、膜生物反应器膜生物反应器（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。

第56页,共66页，2024年2月25日，星期天57

中空纤维膜生物反应器培养基废物◆高分子产物（单抗）细胞膜第57页,共66页，2024年2月25日，星期天58中空纤维膜生物反应器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体内侧，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。第58页,共66页，2024年2月25日，星期天59外循环式膜生物反应器第59页,共66页，2024年2月25日，星期天60外循环式膜生物反应器★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