第六章膜分离过程.ppt

1、1、第6章膜分离、2、生物分离过程的一般流程、原料液、细胞分离(离心、过滤)、细胞内产物、路径1、路径2、细胞破碎、碎片分离、路径1a、路径1b、澄清液细胞外产物溶解(盐酸胍、尿素添加)、复原性、3、主要内容、6.0概述6.1影响膜过滤的各种因素6.6膜过滤装置的型号及其适用范围6.8操作方法6.9膜过滤技术的应用、4、6.0概述，人认识到膜的功能是从1748年开始的，膜分离是为人服务的1960年Loeb和Sourirajan首次创造了具有高透水性和高脱盐率的非对称膜，它是膜分离技术发展的一个里程碑。 5、膜分离技术、概念：半透膜作为选择障碍层，利用膜的选择性(孔径的大小)，以膜两侧存在的能量

2、差为推进力，允许某种成分透过，残留混合物中的其他成分，达到分离目的的技术。 6，6，1925年以来，几乎每10年就有一个新的膜工艺被工业化得到，应用30年代微过滤40年代透析50年代反渗透70年代纳过滤80年代纳过滤90年代渗透气化，概括地说，7，膜分离的特征操作在常温下进行。 不添加化学试剂的物理过程。不发生相变(因此功耗低)通常选择性高的浓缩和精制可以在一个工序中进行的设备容易扩大，可以分批或连续操作。 因此，在生物制品的处理中占有重要地位，概述如下： 8、膜分离技术的重要性，膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化的功能，并结合简单、易于控制、高效、节能的特点，选择合适的膜分离技术进行过滤、沉淀、

3、萃取、吸附等多种传统膜分离技术受到各国重视：国际学术界一致认为“掌握膜技术的人掌握了化学工业的未来”。 膜分离技术在短时间内迅速发展，近30年来膜分离技术广泛应用于食品、医药、化工及水处理等各个领域。 产生巨大的经济效益和社会效益，已成为目前分离科学中最重要的手段之一。 概论，9，膜的分类，孔径的大小别：微过滤器，超滤膜，反渗透膜，纳滤膜膜构造别：对称性膜，非对称膜，复合膜材料别：合成有机聚合物膜，无机材料膜多孔膜和致密膜：前者微过滤器，超滤膜，纳滤膜DS ) 超滤，超滤，超滤，超滤，超滤， NF )反渗透阻止分子量：微滤器0.0210m透析3000 Dalton数万Dalton超滤50 nm

4、100 nm或500050万Dalton纳滤器2001000 Dalton或1 nm反渗透200 Dalton 膜分离法与物质大小(直径)的关系，概述，6.1膜材料与膜的制备，14，膜材料的特性，对于不同种类的膜有一个基本要求：耐压：膜孔径小，为了保持高生产率必须施加高压力。 一般模具操作的压力范围为0.10.5MPa，反渗透膜的压力更高，约110化学相容性：保持膜的稳定性的生物相容性：防止生物高分子变性的低成本，16，(1)膜材料，不同材料天然高分子膜合成有机高分子膜无机材料膜，17，天然高分子膜醋酸纤维，硝酸纤维和再生纤维素其中醋酸纤维膜除盐能力强，经常作为反渗透膜使用，也可以作为微过滤器

5、和超过滤膜使用。 最高使用温度和pH的范围有限，一般使用温度低于4550、pH38。 18、醋酸纤维的特点：渗透速度大，阻盐能力强，原料丰富的不耐温(30) pH范围窄，洗涤困难，有氯作用，寿命低，微生物侵袭适合作为反渗透膜19、高分子膜聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯腈聚烯类及含氟材料的种类：任意的纤维素酯系纤维素酯膜缩合系聚合物(聚砜系)聚烯烃及其共聚物脂肪族或芳香族聚酰胺系聚合物全氟磺酸共聚物或全氟羧酸共聚物聚碳酸酯温度范围宽(2)pH范围宽(3)耐氯性强(21 )芳香族聚酰胺类，聚酰胺含有酰胺基(-CO-NH-)，亲水性好，且机械稳定性、热稳定性和水解稳定性好，是最典型的反渗透膜材料之一

6、，但不耐氯的是醋焊剂大、有操作压力要求的目前实用化无机膜主要是孔径0.1 m以上的微过滤器和陷阱相对分子量10 kD以上的超滤膜，其中陶瓷材料的微过滤器最为常用。 多孔质陶瓷膜主要使用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向不对称。 无机膜的特点是机械强度高、耐高温、耐化学药品性试剂和耐有机溶剂，但具有加工困难、成本高的缺点。 23、膜材料-不同的膜分离技术，透析：醋酸纤维，聚丙烯腈，聚酰胺，微过滤器：硝酸/醋酸纤维，聚氟乙烯，聚丙烯，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乙烯醇、聚丙烯酰胺、24、(二)薄膜的制造可以通过将薄膜浸渍在将(1)透过速度(2)选择

7、性(3)机械强度(4)稳定性、25、相变制膜、2得到的溶液注入到薄膜中的3沉淀剂(通常为水或水溶液)中，将均匀的高分子溶液、26、27、6.2膜性能的残奥仪、28、膜性能的残奥仪、分子量水通量孔的阻隔特征pH适用范围抗压能力热和溶剂稳定性等厂商通常提供这些数据，29、1 .阻隔率和阻隔分子量，对膜溶质的阻隔能力是阻隔率R(rejection R1 如果Cp0是表示溶质全部被捕获的R0，则Cp Cb表示溶质能够自由透过膜。 切断、30、曲线，将得到的陷阱率与分子量的关系称为切断曲线。 优质膜需要陡直的切割曲线，不同分子量的溶质分离可以完全相反，斜坦的切割曲线分离不完全。 31，1 .分子形状：线

8、状分子比球行分子低，线状分子容易透过。 2、吸附作用：膜吸附作用影响较大，溶质吸附在膜孔壁上，降低膜孔的有效直径。 3 .其他高分子溶质的影响：像材料液一样存在2种高分子溶质，其阻止率与单独存在的阻止率不同。 影响阻挡率的因素，32，MWCO和孔径，阻挡分子量：(molecular weight cut-off，MWCO )可以根据相当于一定阻挡率(通常为90或95 )的切断分子量来估计细孔的大小。、33、水通量：纯水在一定压力、温度(0.35MPa、25 )下进行试验，透水速度L/hm2。 JW=W/A t W透水量、a膜的有效面积、t时间同类膜、孔径、水通量Jw。 由于水的通过量Jw会使膜

9、表面堆积大分子溶质，降低过滤速度(纯水通过量的约10% )，因此从不能表示处理大分子材料液的透过速度的Jw的数值可以知道膜的污垢和清洗是否彻底。 2、水通量、34、3细孔的特征。 包括细孔径、细孔径分布和细孔度。 孔径：最大孔径和平均孔径。 孔径分布：膜中一定大小的孔的体积在孔整体的体积中所占的百分率孔径分布比宽度窄的良好的孔隙率：指孔在膜整体中所占的体积百分率。 35，4膜的寿命，(1)膜的压实作用随着压力，膜的水通量随着运行时间的延长而逐渐降低。 薄膜的外观厚度减少1/2-1/3，薄膜从半透明变为透明。 表示膜的内部构造发生了变化。 与高分子材料的可塑性有关。 引起压实的主要因素有：操作压

10、力、温度控制压实现象、操作压力和温度支撑层需要高耐压的温度材料、36、(2)膜的水解作用乙酸纤维素为有机酯系化合物，乙酰基以酯的形式与纤维素分子结合，比较容易水解，尤其是酸碱强的溶液水解的结果是醋酸基脱离，阻止率降低。 控制进料、pH值和温度。 (37 )、(3)膜的浓极化提高了渗透压，降低了透水量。 降低膜的阻止率。 发生结垢现象，引起物理堵塞，失去膜透水能力。 38、6.3各种膜分离技术及分离机理，39、微过滤、超滤、纳滤、反渗透相同点：以膜两侧的压力差为推动力的体积大小进行分离的薄膜的制造方法、结构、操作方法相似。 微过滤、超滤、纳滤、反渗透的区别：膜孔径：微过滤0.1-10m超滤0.0

11、1-0.1 m纳滤0.001-0.01m不足反渗透0.001m的分离粒子：微过滤捕集固体悬浮粒子，固液分离过程超滤、纳滤， 反渗透是分子水平分离的分理机理：微过滤，超滤和纳滤是捕集机理，筛分作用的反渗透机理是渗透现象的反过程压差：微过滤，超滤和纳滤的压力差大0.1-0.6 MPa，40，40 利用孔径一定、高分子溶质不能透过的亲水膜，将高分子溶质和其他含有小分子溶质的溶液与水溶液或缓冲液分离。 由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，高分子溶液中的小分子溶质(无机盐等)透过膜透过透析液，水透过高分子溶液，这就是透析。 透析中透析膜内没有流体流动，溶质以扩散的形式移动。 透析线路图、透析线路图

12、、透析线路图、透析线路图、透析线路图。 根据使用膜的孔径，可以分离浓缩大分子，除去中分子、小分子有机物、无机盐。 缺点：缓慢、处理量少的溶质被稀释。 43、A:透析膜中使用的高分子化合物可以在以下特征(1)使用的溶剂介质中形成具有一定孔径的分子筛样薄膜。 具有亲水性，只允许小分子溶质通过，阻止大分子溶质通过。 (2)化学惰性。 (3)具有良好的物理性能(具有强度和柔软性，可再生，易于多次重用)。44、B:常见的透析膜鸟类时囊、兽类膀胱、羊皮纸、玻璃纸、硝化纤维薄膜等可用于透析。 日常使用的透析膜可以用市售的玻璃纸(例如玻璃纸)进行筛选，也可以用硝酸纤维或醋酸纤维制造。 45、透析法的应用常用于

13、蛋白和核酸样品中的盐、改性剂、还原剂等小分子杂质的去除，有时也用于样品缓冲液的置换。透析过程以浓度差为传递推动力，故膜渗透量小，不适用于大规模生物分离过程，但多应用于实验室。 透析法在临床上常用于肾功能衰竭患者的血液透析。 46、47、透析袋透析旋转透析器概略图连续透析器模式图、48、2 .以微过滤器、多孔薄膜为过滤介质，以压力差为推进力，利用筛分原理分离不溶性粒子(0.1-10 m )的操作。 操作压力0.05-0.5 MPa。 49、微滤膜是从悬浊液中分离固体成分的方法，是根据原料液中的固体成分和溶液溶质的尺寸的不同而分离的方法，50、微滤膜通常使用孔径0.0210的微孔膜进行，优选使用直

14、径0.0110m的固体粒子或分子量超过1000 kDa的高分子材料液在压差的作用下流过微滤膜，材料液中的溶剂和溶质分子透过细孔形成透过液，而尺寸大于膜孔的固体成分被捕获，实现了材料液中的固体成分和溶液的分离。 微过滤器对微粒子的捕集也基于筛分作用，该膜的分离效果由膜的物理结构、孔的形状和大小决定。 操作压力差一般为0.010.2MPa。 51，微滤膜应用1 )去除水/溶液中的细菌和其他微粒2 )去除组织液、抗生素、血清、血浆蛋白等多种溶液中的菌体。 3 )去除饮料、酒类、酱油、醋等食品中的悬浮物、微生物、异味的杂质。 52、3 .超滤是以压力为推动力，在超滤膜的不同孔径分离液体中溶质的物理筛分过程。 其切断分子量一般为6000至50万，孔径为数十nm，操作压力为0.2-0.6MPa。 53、超滤定义为从高分子溶质间或高分子与小分子溶质间的分子量差中分离出来的方法。 54、超滤膜一般为非对称膜，具有小孔径(约20 nm )，可捕获分子量0.5kDa以上的溶质分子或生物高分子。 材料液在压力差的作用下，溶剂透过膜上的细孔形成透过液，而大分子溶质被捕获，实现了材料液中的大分子溶质与溶剂的分离。 超滤膜对溶质的捕集机理主要是筛分作用，超滤膜的膜孔大小