超滤膜分离技术介绍

关于超滤膜分离技术介绍超滤膜分离技术简介超滤（简称UF）：是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体进行分离的物理筛分过程。其分子切割量一般为1000到50万，孔径为10-100nm。超滤技术是nm数量级进行选择性滤过的分离技术，广泛应用于医药、化学、机械、电子、环保、食品等领域。第2页,共46页，2024年2月25日，星期天1.天然药物、注射液的精制2.蛋白、酶、核酸、多糖类药物的浓缩分离3.蛋白质和酶类制剂的超滤脱盐4.不同分子量生化药物的分级分离和纯化5.不能消毒灭菌的制剂超滤除菌6.酒类、饮料的超滤，提高澄清度7.电子工业中高纯水的制备8.环保工程中排放水的处理和回收有用物质第3页,共46页，2024年2月25日，星期天超滤膜分离技术特点相对其他分离方法，具有以下特点：1.操作条件温和，无相变化2.不需加热，不需添加任何化学试剂3.操作简单，滤膜可反复多次使用4.可有效滤除药液中微粒、胶体、大分子物质5.可滤除细菌、热原6.能耗少，工艺流程短第4页,共46页，2024年2月25日，星期天超滤基本原理溶液体系经加压泵通过超滤膜，在压力作用下在超滤膜表面发生分离，溶剂和其他小分子溶质通过滤膜，大分子溶质和微粒（蛋白质、病毒、细菌、胶体等）被滤膜阻留，从而达到分离、提纯和浓缩的目的。第5页,共46页，2024年2月25日，星期天附图：超滤示意图第6页,共46页，2024年2月25日，星期天超滤膜的结构特点超滤膜上微孔具有不对称结构，在滤膜的工作面上有一层极薄的致密层，该层上微孔孔径一般小于20-150A，下部为结果相对疏松的支撑层，空隙大于150A。超滤膜的锥形非对称膜结构，可使得以液体在分离过程中大分子溶质随溶液切向流经膜表面时，由于液体的快速流动使得这些物质既不能进入膜面的第7页,共46页，2024年2月25日，星期天致密细孔，引起膜的内堵塞，又不会停留在膜面形成表面的堵塞，而小分子物质和溶剂则可在压力驱动下穿过致密层的微孔后，即能顺利穿过下部的疏松支撑层，进入膜的另一侧，从而使超滤膜在连续运行过程中保持相对较为恒定的通透量及分离效果。第8页,共46页，2024年2月25日，星期天附图：锥形结构超滤膜示意图第9页,共46页，2024年2月25日，星期天基本概念超滤膜孔径规格：非尺寸大小为指标，以分子量截留值为指标。分子量截留值：当溶液中溶质的分子量超过该数值时，采用此膜进行超滤，该溶质可基本被阻留。第10页,共46页，2024年2月25日，星期天截留值的意义：截留值为1万的膜应可将溶液中1万分子量以上的溶质绝大多数（90％以上）截留在膜前。但是实际上溶质分子能否通过或者通过多少，还与分子形态、溶液条件及膜孔径的分布差异等有关，即相同分子量的物质被截留的百分率并不完全相同。故而，截留值只是一个名义值，实际工作时还会因为不同溶液而有所差异。第11页,共46页，2024年2月25日，星期天超滤及普通滤过的不同相对普通滤过的差异：名称普通滤过超滤

孔径微米级纳米级孔结构直孔不对称孔分离对象固-液液-液过滤方式静态压滤错流加压反复使用复杂或者不可可重复使用第12页,共46页，2024年2月25日，星期天几个滤过精度的概念：高效滤纸过滤：30-80um垂熔玻璃滤过：1.5-30um微滤滤过精度：0.02-14um超滤滤过精度：10-100nm第13页,共46页，2024年2月25日，星期天显著不同点：浓度极化现象浓度极化是指不以浓度差为推动力的传质过程中出现的浓度分布现象，分为两种情况：1.对于一般溶液，在超滤过程中溶剂透过膜时所挟带的溶质由于膜的拦阻在膜前累积，形成高浓度区，这些溶质以浓度差为推动力，借浓度差扩散的方式返回料液主体，从而降低了膜的截留性能。第14页,共46页，2024年2月25日，星期天2.对于浓溶液，浓度极化现象使膜表面的溶液浓度增高，由于蛋白、多糖等有亲水基团的大分子溶质在膜表面可形成凝胶层，起到次级膜的作用，对溶剂的流动产生阻力。此时增加压力并不能增加超滤溶剂的通量，只能使凝胶层加厚，所增加的压力都消耗于克服增厚的凝胶层的流动阻力。一般可采用强化搅拌、提高流速、薄层层流等措施降低边界层和凝胶层的厚度，提高溶剂通量。第15页,共46页，2024年2月25日，星期天超滤设备的类型1.静止型：静态操作，浓度极化显著2.搅拌型：搅拌操作，可减轻浓度极化3.错流湍动型：液体高速流过膜面，减轻浓度极化4.错流薄层层流型：采用结构变化限制边界层厚度以减轻浓度极化由于工业化生产中需要较大的膜面积，一般采用后2种类型超滤设备。第16页,共46页，2024年2月25日，星期天附图：不同类型超滤设备示意图：静态超滤第17页,共46页，2024年2月25日，星期天搅拌型超滤第18页,共46页，2024年2月25日，星期天错流薄层层流型超滤第19页,共46页，2024年2月25日，星期天错流湍动型超滤第20页,共46页，2024年2月25日，星期天超滤膜设备的组成超滤膜设备由超滤泵、粗滤设备、超滤膜组件及管道构成。超滤膜组件有板式膜、中空纤维膜、卷式膜、管式膜等类型。目前具用板式膜及中空纤维膜使用的经验。应用中空纤维膜根据药液流向的不同，分为内压式超滤及外压式超滤。第21页,共46页，2024年2月25日，星期天中空纤维膜内压式及外压式工作原理内压式膜组件工作原理第22页,共46页，2024年2月25日，星期天外压式膜组件工作原理第23页,共46页，2024年2月25日，星期天中空纤维膜内压式设备简图：第24页,共46页，2024年2月25日，星期天中空纤维膜外压式设备简图：第25页,共46页，2024年2月25日，星期天超滤膜材质及常规工作参数膜材料：聚砜、聚醚砜、醋酸纤维素、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、磺化聚砜、聚酰亚胺、ＰＤＣ聚砜、聚砜酰胺、等。超滤膜pH使用范围2-13（聚砜膜）1-14（聚醚砜膜）工作温度5-45℃工作压力0.1-0.2MPa超滤速度与膜面积及工作压力等相关第26页,共46页，2024年2月25日，星期天超滤膜组件外壳常用材料：ABS工程塑料、不锈钢、有机玻璃等。第27页,共46页，2024年2月25日，星期天超滤膜优劣的评判1.强度及韧性2.耐酸碱能力3.耐温范围4.抗污染能力5.微孔均匀程度6.通透量第28页,共46页，2024年2月25日，星期天影响超滤效果的因素1.浓度：浓度低的药液较浓度高的药液不易形成凝胶层，超滤速度快。2.分子形状和大小：分子量小的溶质超滤速度快，相同分子量的溶质球状分子比链状分子容易通过超滤膜。3.药液流动速度：增加膜面药液的流动可提高料液与膜面之间边界层中溶质的扩散，可使其返回料液，提高超滤速度，但是膜的截留性能降低。第29页,共46页，2024年2月25日，星期天4.药液温度：药液温度低，粘度大，超滤速度较慢。5.粘度:药液粘度高，超滤速度慢，在可能的温度范围内应升高温度，以降低粘度。6.压力：增加压力不一定都能使超滤速度加快，只有在药液浓度较小时，增加压力可提高超滤速度。7.pH值：一些蛋白质溶液在等电点附近滤速慢，应该调节pH偏离等电点。第30页,共46页，2024年2月25日，星期天8.溶质的溶解度：溶解度低的容易形成凝胶层，因而滤速慢。9.溶质间的相互作用：溶液中同时含有多种溶质时，大分子物质可能形成次级膜而影响小分子的通过；溶液中含有表面活性物质时，可使得聚集的分子囊束分散，从而使截留下降，提高滤速。第31页,共46页，2024年2月25日，星期天超滤膜设备的使用须知1.对水质的要求:色度小于5，浊度小于3mg/L,粒径小于2um，pH2-13，温度5-45℃。清洗用水可用超滤水、注射用水、纯化水2.初次使用时前处理：放掉超滤膜组件中的保护液，泵入清洗水超滤10min，压力不大于0.15MPa；采用0.2％-0.5％氢氧化钠溶液循环清洗30min，浓缩液口排液量应略大于超滤口第32页,共46页，2024年2月25日，星期天采用注射用水清洗超滤组件40min以上，浓缩液口排液量应略大于超滤口。排尽组件内水液，即可正常使用。3.设备运行的注意事项：3.1开机前须将超滤口及浓液口（回液口）完全打开后方可启动加料泵，缓缓开启进液口，组件内充满药液后，调整回液口至工作压力。3.2工作压力保持在0.1-0.2MPa第33页,共46页，2024年2月25日，星期天3.3停机前10min将回液口全开，关闭超滤口，进行等压冲洗，以便使膜表面残留物清除干净，停机后关闭所有阀门。4.清洗：当遇到下列情况时需要停止使用实行清洗：a.进液压力明显增高，超滤出液流量明显减少b.用于生物、生化、发酵等单元操作完成5.清洗方法：等压清洗：以料液泵为动力，全开浓液口，全关超滤口，循环冲洗膜面残留杂质。第34页,共46页，2024年2月25日，星期天洗涤完毕后开启排水口，排尽洗涤液。反清洗：一般适用于内压式超滤膜组件。采用注射用水或者超滤水作为清洗液，以料液泵为动力将清洗液从超滤液出口进入组件，自浓缩液口排出。使用压力须小于0.05MPa。化学清洗：清除膜表面的残留物、细菌、胶体。具体如下：a.以0.2％-0.5％氢氧化钠溶液浸泡2h，循环清洗1小时。第35页,共46页，2024年2月25日，星期天b.以0.2％-0.5％盐酸溶液浸泡2h，循环清洗1小时。c.用注射用水或超滤水清洗超滤膜组件至排出液pH6-7清洗液分别用分析纯试剂氢氧化钠及盐酸以注射用水或超滤水配制。6.设备保养：a.间断使用的保养：停止使用三天以内，可将超滤组件加满注射用水，每天换水一次。第36页,共46页，2024年2月25日，星期天b.长期停用的保养：配制2％戊二醛（或者双氧水、甲醛）和5％甘油的混合水溶液注满超滤组件。环境温度低于0℃时可适当增加甘油比例。c.超滤组件严禁溶液冻结，不得脱水保存，不可长时间用有机溶剂浸泡。第37页,共46页，2024年2月25日，星期天实际应用的部分超滤经验1.超滤膜的选择根据目标成分具体情况及超滤目的进行，分子量不是判断超滤膜可用与否的唯一标准。2.超滤膜的通透量均是在纯水条件下工作曲线制订的，选择超滤膜时考虑实际应用时药液的多种溶质、浓度、粘度等多方面影响适当放大。第38页,共46页，2024年2月25日，星期天3.除溶质分子大小、形状外，药液浓度对超滤速度及成分转移率的影响较为显著。药液过浓，超滤速度极慢且由于提高超滤压力或者超滤时间较长，超滤液中杂质较多。4.超滤过程中药液流速提高对超滤速度与超滤液有效成分的纯度具有改善作用。超滤初期及全过程的多次循环洗膜操作可降低超滤膜的堵塞状况。5.中空纤维膜具有污染严重难清洗的缺点。第39页,共46页，2024年2月25日，星期天实际应用过程中应注意操作中的多次循环洗膜、超滤结束后等压冲洗以及立即进行水洗、碱洗。一般碱洗后以碱液浸泡后再洗涤1-2遍方可干净。6.超滤对树脂、热原的去除效果与不同截留分子量以及超滤参数相关。截留分子量小，对热原、树脂的截留良好；超滤时压力过大或药液浓度过大，树脂可能未完全除尽。超滤去除微粒、脱色、脱盐、提高澄明度效果良好。第40页,共46页，2024年2月25日，星期天7.超滤膜的堵塞，分为超滤膜空隙内的溶质吸附和堵塞及超滤膜表面浓度极化凝胶层和溶质吸附几种形式，简单的等压循环冲洗以及化学洗涤可明显改善膜表面的堵塞状况，多次化学洗涤及反洗操作（中空纤维膜）可确保膜内残留物的基本清除。8.超滤过程中有效成分及杂质成分的转移情款并不相同，超滤初期及末期超滤液纯度发生改变，一般初期纯度高于末期纯度。小试至第41页,共46页，2024年2月25日，星期天中试处方量差异较大时超滤参数不可线性放大。