《药物分离与纯化技术》课件-第七章 膜分离概述与膜分离过程

在线开放课程药物分离技术DrugSeparationTechnology化学工程学院知识目标：1.了解膜的概念、特点与分类

2.掌握膜性能参数指标（膜通量、截留率、截留分子量和分离因子）

3.掌握透析、微滤、超滤、纳滤与反渗透膜分离

能力目标：1.能够依据膜的截留曲线判断膜的性能2.能够根据料液性质与膜性能参数选择合适的分离膜

素质目标：1.培养精雕细琢的职业素质2.弘扬精益求精的工匠精神热烈欢迎各位领导和老师莅临指导！膜分离概述01膜的简介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”黎念之(1932.12--)美籍华人化学工程专家，美国工程院院士、中国科学院外籍院士1990年，当选为美国工程院院士。1996年，当选为中国台湾“中央研究院”院士。1998年，当选为中国科学院外籍院士。

1998年，我国政府授予他外国专家友谊奖。2000年，获得了被誉为化学工业界诺贝尔奖的普金奖章(PerkinMedal)，他

是迄今为止全球惟一获此殊荣的华人。2001年，荣获了世界化工大会授予的终身成就奖。2015年1月，获得2014年度中华人民共和国国际科学技术合作奖。膜科学的主要奠基人之一膜药品生产医疗应用中药提取除菌生物质利用生物医药水处理与环保能源食品石油化工电子冶金膜生物反应器海水淡化工业废水处理城市废水资源化传统工业洁净燃烧膜的应用分离：将混合物分成两种或多种目的产物；浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因此需要除去溶剂（截留物为产物）；纯化：除去杂质；反应促进：把化学反应或生化反应的产物连续取出，能提高反应速率或提高产品质量。膜的用途两种工艺比较膜分离工艺活性炭吸附发酵药液酸化离子交换板框过滤浓缩结晶离心药物板框过滤浓缩结晶发酵药液酸化离心药物

膜过滤

离交吸附传统工艺利用膜的选择性（孔径大小），在膜两侧的推动力（压力差、浓度差、电位差等）作用下，混合物各组分选择性地透过膜，从而达到分离、纯化和浓缩目的一种技术。02膜分离技术概念03膜分离特点与传统的分离操作相比，膜分离具有以下特点：（1）膜分离是一个高效分离过程，可以实现高纯度的分离；（2）大多数膜分离过程不发生相变化，因此能耗较低；（3）膜分离通常在常温下进行，特别适合处理热敏性物料；（4）膜分离设备本身没有运动的部件，可靠性高，操作、维护都十分方便。04膜分离分类01.膜材料02.膜结构03.膜分离推动力对称膜非对称膜有机膜材料无机膜材料压力差浓度差电位差温度差01膜材料分类有机高聚物膜：纤维素类、聚砜类、聚酰胺类、聚乙烯醇类、聚酯类、含氟高聚物等无机分离膜：陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分子筛炭膜等天然物质的衍生物(醋酸或硝酸纤维素膜)人造物质(聚砜膜,聚酰胺类,聚乙烯醇类)02膜结构分类对称膜：又称为均质膜，是一种均匀的薄膜，膜两侧截面的结构及形态完全相同。包括致密的无孔膜和对称的多孔膜两种。——传质阻力由膜的总厚度决定，降低膜的厚度可以提高透过速率。非对称膜：横断面具有不对称结构。包括一体化非对称膜和复合膜两类。——分离效能主要或完全由很薄的皮层决定，传质阻力小，其透过速率较对称膜高得多。对称膜非对称膜多孔膜无孔膜致密皮层多孔支撑层一体化膜复合膜致密皮层03膜分离推动力分类压力差浓度差电位差温度差微滤超滤纳滤反渗透渗析（透析）电渗析渗透气化电渗析采用带电的离子交换膜，在电场作用下膜能允许阴、阳离子通过，可用于溶液去除离子。渗透汽化是在膜两侧浓度差的作用下，原料液中的易渗透组分通过膜并汽化，从而使原液体混合物得以分离的膜过程。渗透气化推动力除了有温度差外，还有压力差。05

膜性能膜通量截留率MWCO截留率为90%时所对应的分子量截留分子量分离因子

透过性能分离性能分离性能选择性能（1）膜通量（透过速率）式中J—膜通量，m3/m2.h；W—透水量，m3；A—膜的有效面积,m2；t—时间，h；

（2）截留率

100％截留率表示溶质全部被膜截留，此为理想的半渗透膜；0％截留率则表示全部溶质透过膜，无分离作用。0％<R<100％式中——原料中溶质的浓度，kg/m3；——渗透物中溶质的浓度，kg/m3。（3）截留分子量(Molecularweightcut-off,MWCO)或(Molecularmasscut-off,MMCO)截留曲线:通过测定相对分子量不同物质的截留率，可获得溶质相对分子质量与膜的截留率之间关系的曲线。截留分子量是指截留率为90%时所对应的分子量。A膜B膜1031041053×1046×10410.90.5R0MWCO

表明两组分的透过速率相差越大，膜的选择性越好，分离程度越高；（4）膜分离因子式中——原料中组分A与组分B的摩尔分率；——透过物中组分A与组分B的摩尔分率。膜分离因子的大小反映该膜分离体系的分离效果→1，则表明膜没有分离能力。常见的膜分离过程01引入01.浓度差02.压力差03.电位差04.温度差微滤超滤纳滤反渗透透析（渗析）电渗析渗透气化（同时有压力差推动力）02浓度差为推动力的膜分离过程-----透析（渗析）透析：溶质分子在浓度差推动下扩散透过半透膜的过程。半透膜袋样液，如含盐的蛋白质、胶体等蒸馏水或缓冲溶液（透析液）透析示意图特点：小分子或离子通过膜

大分子不能通过膜应用：制备或提纯生物大分子时，除去小分子物质及其杂质，脱盐。在透析的同时，还伴有渗透，这是溶剂透过膜的迁移，与透析方向相反。透析后发胀状态半透膜袋蛋白质溶液透析液磁力转子磁力搅拌器透析半透膜形式透析袋透析管实验室透析袋操作透析操作辅材透析夹子透析操作与方法半透膜可制成管状，按需要截取一定长度，将一端封闭后，装入需要透析的试样溶液后，放入盛有溶剂的透析缸中。商品透析管常涂有甘油以防干裂，也可能含有其他微量杂质。

预处理：用50%乙醇慢慢煮沸一小时，再分别用50%乙醇、0.01mol/L碳酸氢纳溶液、0.001mol/LEDTA溶液依次洗涤，最后用蒸馏水洗涤三次；

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过度膨胀使膜孔径改变；（3）搅拌，定期或连续更换外部溶剂可提高透析效果。透析应用血液透析原理示意图医生给病人透析透析器血液透析机血液回流身体血液输至仪器03压力差为推动力的膜分离过程-----微滤、超滤、纳滤和反渗透微滤超滤纳滤反渗透截留分子量推动力膜孔径应用0.1-10μm1nm以下1-100nm1-2nm1000-300000100-100040-500截留悬浮物以及大分子量胶体，除菌以及回收菌蛋白质、多肽和多糖的回收以及浓缩，去除病毒盐、氨基酸、糖的浓缩制药纯水制造30万以上0.05～0.5MPa0.1～1.0MPa1.0～10MPa1.0～5.0MPa小分子有机物的浓缩去除二价盐或多价盐四种膜分离的截留特性微滤超滤纳滤反渗透悬浮颗粒、胶体颗粒以及细菌大分子有机物功能性糖类、色素、多肽等小分子有机物或多价盐单价盐水半透膜纯水浓水渗透水位上升的高度半透膜渗透现象反渗透现象渗透压渗透：当溶液与纯溶剂被半透膜隔开，纯溶剂通过半透膜进入溶液侧使溶液浓度变低的现象。反渗透：如果加在溶液侧的压力超过渗透压，溶液中的溶剂分子就会进入纯溶剂内。膜组件01膜组件概念膜组件：将膜、固定膜的支撑材料、间隔物或管式外壳等组装成的一个单元。膜分离设备（装置）：膜组件、泵、过滤器、仪表、阀门及管路等组成。复杂的膜分离设备（装置）02膜组件的类型板框式螺旋卷式管式中空纤维式1.板框式膜组件平板膜、支撑板、间隔装置。三种部件相互交替、重叠、压紧。（1）基本部件渗透液渗透液膜渗透液流道原料液原料液流道浓缩液挡板（2）特点优点：①组装比较简单，可以简单地增加膜的层数以提高处理量；②操作比较方便。缺点：①板框式膜组件组装零件太多；②装填密度低；③膜的机械强度要求较高。装填密度：单位体积膜组件的有效膜面积2.螺旋卷式膜组件构成：两层膜三边封口，构成信封状膜袋，膜袋内填充多孔支撑层，一层膜袋衬一层隔网，从膜袋开口端开始绕多孔中心管卷绕而形成螺旋卷式膜器件。（1）基本部件膜、多孔支撑层、原料水隔网、多孔中心管密封密封多孔透水材料膜上下两层密封膜袋结构示意图螺旋卷式膜组件一叶膜袋结构示意图外壳原料侧间隔器渗透物侧间隔器渗透物截留物箭头表示渗透液流向密封密封多孔透水材料膜上下两层密封间隔器（2）工作过程（3）特点①结构紧凑，装填密度高②安装、操作方便③制作工艺复杂，膜清洗困难原料从端部进入组件后，在隔网中的流道沿平行于中心管方向流动，而透过物进入膜袋后旋转着沿螺旋方向流动，最后汇集在中心收集管中再排出，浓液则从组件另一端排出。进水口耐压容器连接器膜组件密封圈端盖透过液浓缩液（4）卷式膜组件的结构与组装卷式膜安装示意图卷式膜内部结构连接器膜组件3.管式膜组件管状膜、圆筒形支撑体、管束板、

不锈钢外壳、端部密封（1）基本部件（3）类型与结构管式膜组件分为内压型和外压型两种。管式膜组件又分为单管式和管束式两种。内压型外压型单管式管束式内压单管式膜组件内压管束式膜组件（2）特点①流动状态好，流速易控制；②结构简单，容易清洗，安装、操作方便；③耐高压，无死角，适宜于处理高黏度及固体含量较高的料液，比其他形式应用更为广泛。④装填密度较小，单位体积内有效膜面积小；管式膜组件工作过程4.中空纤维式膜组件（1）基本构成①中空纤维膜将膜材料制成外径为80～400μm、内径为40～100μm的空心管，即为中空纤维膜。②中空纤维膜组件将大量的中空纤维一端封死，另一端用环氧树脂浇注成管板，装在圆筒形压力容器中，就构成了中空纤维膜组件。中空纤维膜组件（2）中空纤维膜组件工作过程料液从中空纤维组件的一端流入,沿纤维外侧平行于纤维束流动,透过液则渗透通过中空纤维壁进入内腔,然后从纤维在环氧树脂的固封头的开端引出,原液则从膜组件的另一端流出。中空纤维膜组件示意图中空纤维膜组件实物图（2）中空纤维膜组件分类①内压式料液从空心纤维管内流过，透过液经纤维管膜流出管外，这是常用的操作方式。②

外压式料液从一端经分布管在纤维管外流动，透过液则从纤维膜管内流出。（3）特点①结构紧凑，无需支撑体，装填密度很高；②清洗困难；③中空纤维膜一旦损坏无法维修，只能更换膜组件；④液体在管内流动时阻力很大，易阻塞。(4)中空纤维膜设备操作

①操作过程过滤、浓缩→反洗→清洗→正洗②操作注意事项中空纤维组件必须在湿态下使用与保存。长期停用时，用0.5%甲醛或次氯酸钠水溶液保存。练习题1.在下列膜组件中，表面积/体积比是最低的是（），表面积/体积比是最高的是（

）。

A.管式膜组件B.螺旋卷式膜组件

C.中空纤维式膜组件D.板框