膜分离技术课件

1、,膜分离技术 1膜过滤技术 2膜渗滤技术 3膜超滤技术,概论 1膜的概念 广义的说，凡是能阻截溶液中的一部分物质通过，同时又能使另一部分物质通过所使用的材料，统称为膜。主要包括沙滤、纤维滤、板滤、布滤、纸滤、膜滤等。 2膜分离技术 利用膜的特性对物质进行分离的方法，统称之为膜分离技术。主要包括膜过滤技术、膜渗滤技术、膜超滤技术等,第一节 膜过滤技术 1.1过滤作用 过滤技术是一种最简单、最常用的分离方法，是利用多孔物质为筛板阻截部分物质通过，主要用于悬浮液的分离。当悬浮液流过筛扳时，根据筛板孔径的大小只允许液体和小于筛板孔径的颗粒物通过筛板，大于筛板孔径的颗粒物被阻截在筛板之上。因此，它属于固

2、体微粒和液体进行分离的一种技术，是溶解物和不容物的分离。在生化制备，制药工业，化学工业和实验室常用的一种重要的分离手段。,1.2过滤速度 过滤技术主要是截留不溶物，过滤的速度一般是以单位时间内、单位面积流出的液体体积来计算的，过滤速度的快慢，与筛板的孔径大小、滤饼厚度、滤液粘度、温度和压力等诸多因素有关。过滤速度（v）与相关因素用公式简单表示为：,过滤速度(v) = nd4p0 / (12l) （1） n: 过滤面积上的滤饼毛细孔道数 d: 毛细管孔道直径(m) p0: 毛细管孔道两端的压强降(kg/m2) : 毛细管孔道弯曲程度校正系数 : 滤液的粘度(kgsec/m2) l: 滤饼厚度(m

3、),公式(1)只是从理论上解释了过滤速度与相关因素的关系。 实际上滤饼孔道的情况很复杂, n、d、 难于准确测定。用上式只能反映各因子的相互关系及各因子所起的作用。不能准确计算出试验的过滤速度。例如，过滤速度与操作压成正比，从理论上说增加操作压就会提高过滤速度。但是在增加操作压的同时又降低了滤饼毛道的孔径，当液体流过时受到的阻力更大，导致液体的流量减少，反而降低了流速。所以有时在强调某一种因素时不能忽略另一种因素的影响。提高过滤速度要根据情况确定，例如悬浮液太稠，可以稀释，粘度太大，可提高温度等。,1.3过滤装置 过滤装置很多，根据滤材分类主要有滤纸、尼龙布、玻璃纤维、烧结玻璃、白金网等。过滤

4、装置有工业生产大型设备，也有实验室使用的小型漏斗，有用于过滤溶液中的悬浮物。液有用于过滤溶液中的细菌。实验室常用的几种装置如如图1所示。,实验室常用的过滤装置 a. 常压装置: 常压过滤利用有限的重力差，液体沿毛细管空隙渗滤。适于悬浮液中的颗粒较小，弹性较大的物质分离。 b. 减压装置: 减压过滤实在筛板之下具有负压装置，过滤效率相对比较高。适于悬浮液中的颗粒较大，可形状好、大小均匀、具有一定的刚性物质分离。 c. 加压装置：加压过滤实在筛板之上施加正压装置，过滤效率比较高。适于悬浮液中的颗粒较大，可形状好、大小均匀、具有一定的刚性物质分离。,1.4影响因素 (1) 液体粘度：溶液粘度越大，在

5、液体流过过滤饼毛道和筛孔时受到的阻力大，流速越慢 (2) 温度: 温度的变化直接影响滤液的粘度。温度高，粘度低，滤速快，否则相反。 (3) 滤材: 滤材的毛细管越长，管径越细，数目越少，滤速慢，否则越快。 (4) 压差: 一般情况，滤液的压差越大，滤速越快，否则慢 (5) 滤渣: 滤渣厚度越厚，滤速越慢；滤渣颗粒越大，滤速越快；滤渣弹性越大，滤速越慢,1.5提高滤速的措施 (1) 选择合适的过滤介质: 滤纸, 滤布，滤板，玻璃纤维等。 (2) 增大过滤的表面积: 折叠滤纸，增大滤版面积。 (3) 添加助滤剂: 硅藻土，沸石，活性炭等。 (4) 增加过滤推动力: 筛板上面加压，筛板下面减压。 (

6、5)提高温度： 在样品不受破坏的情况下，体高滤液温度，减少滤液的粘滞力。 由于过滤技术是一种常规技术，在本章不详细的介绍了。,第二节 膜渗滤技术 2.1概况 膜分离技术是生物大分子分离技术中一个重要的组成部分，尤其是在生物大分子的规模化制备中有其独特作用。早在1861年Thomas Graham就利用简易的膜分离技术将大分子和无机盐进行初步分离。当时的膜材料主要是动物膜或动物胶.,膜分离技术来源于过滤技术，是借助半透膜相隔的不等渗的两相液体，利用具有不同截留分子量的半透膜，通过渗透压或外加一定工作压，使高渗溶液中的小分子穿过半透膜的膜孔进入低渗溶液一侧，生物大分子被截留在膜的高渗溶液一测。凡是

7、利用薄膜技术进行分离的方法，称之为膜分离技术。膜分离技术是大分子与小分子的分离，是一种微观的分子之间的分离技术。在实验室研究和工业化生产中应用越来越广泛。,2.2分离的原理 在一个有半透膜制成的透析袋内，装有大分子和小分子的混合物，将其放入低渗的溶液中，由于透析袋内的小分子的渗透压高于袋外的溶液，根据渗透压和分子自由扩散的原理，小分子可以自由通过半透膜向外扩散, 大分子受到半透膜孔径的影响不能自由通过，被截留在袋内的溶液中。随着时间的延长，小分子往外扩散的速度不断减慢，往内渗透的速度不断加快，半透膜内和半透膜外的渗透分子出进的速度趋于平衡。如果更换半透膜外的溶液，半透膜内和半透膜外的平衡被打破

8、，小分子又重新开始往外扩散直至第二次平衡。不断的更换半透膜外面的溶液，使半透膜外的溶液总是保持低渗状态，半透膜内的小分子不断的从半透膜内渗出，最终渗出小分子的极限趋于零，于是溶液中的小分子就可以基本分离出去。,实际工作中不可能使渗出的小分子达到零，但可以达到极小值。从理论上说，透析一次达到一次平衡，半透膜内的小分子的数量就递减一次，递减的量可以计算出来。例如，将100ml 1.0mol NaCl 溶液透析袋在1000ml的去离子水中透析，达到一次平衡后，袋内的NaCl 溶液浓度就相当于稀释10倍，,由此可以推算出每透析一次，达到一次平衡后，NaCl 溶液浓度降低一个数量级。但透析袋内小分子实际

9、的浓度总是高于理论计算值。每次达到的平衡只是基本平衡，透析袋内的小分子浓度总是略高于透析袋外的浓度，只能到一个近似值。除了计算之外，还可通过物理或化学方法直接检测半透膜外的小分子。如被透析的小分子是硫酸铵用氯化钡检测、氯化钠用硝酸银检测，氢离子或氢氧根离子用酸度计检测，肽类物质可以用紫外分光光度计检测等等。,2.3膜的性质 半透膜:除了动物膜外，还有由纤维素衍生物制成的羊皮纸，玻璃纸管状半透膜。半透膜在溶液中能迅速溶胀形成能让小于膜孔直径的小分子自由通过薄膜，具有化学稳定性和抗拉能力。不同型号的半透膜，溶胀后孔径的大小不同，可以截留不同大小的生物大分子。,2.4 分离方式 (1)自由扩散透析法

10、 根据样液的体积裁取一段管状半透膜，放入蒸馏水中溶胀一段时间，在半透膜一端泳透析夹夹死或用线绳捆紧制成一个盲端的圆形口袋，把样液转移到袋内，然后将袋上端用同样的方式捆紧，放入蒸馏水或低渗溶液中透析。由于透析袋内的溶液渗透压高，小分子自由扩散到低渗溶液中，大分子被阻止在袋内。当袋内的小分子与袋外小分子趋于平衡时，更换一次蒸馏水，又产生了新的渗透压差，小分子继续往外扩散，如此重复几次，就可以将大分子和小分子分离。自由扩散式透析法见图2所示。,(2) 搅拌透析 搅拌透析的方式与自由扩散式相似，前者在透析容器下面安装一个电磁搅拌器，透析容器内的蒸馏水在电磁搅拌的作用下，形成一个涡旋流，自由扩散出来的下

11、分子很快被分散到整个容器中，使透析袋外周始终保持低渗状态，克服了无搅拌形成的浓度梯度，自由扩散，达到的平衡时间长等不足，节省透析时间提高透析效率。旋转透析式如图3所示。,(3)连续流透析 连续流透析是将需要透析的样液装入透析袋内，悬挂在空中，利用重力差，透析袋内的小分子挤出透析膜外，然后通过蠕动泵将蒸馏水输送到透析袋的顶端，蒸馏水沿透析袋的四周往下淋洗，并将渗出的小分子带走。这种透析方式不但能使透析袋外周始终保持低渗状态，而且还有效的防止溶剂分子进入透析袋内，起到浓缩作用。如图4所示。,(4) 反流透析 反流透析是使样液和蒸馏水在半透膜的两侧缓缓流动，两相溶液都处于动态透析状态，既有较大的透析

12、面积，又能使膜内外的浓度差达到最大限度，提高了透析的效率。这种装置是将需要透析的样液由输液泵从膜内的底部注入，流向向上，蒸馏水从膜外的顶部注入，流向向下。使膜两侧分别形成不同流向的、不等渗的容液，克服了透析袋内外两相容所形成的浓度差，极大的提高了透析的效率。但是这种析装置操作比较麻烦。透析方式如图5所示。,(5)减压透析 减压透析是将溶胀好的透析袋上口与一个漏斗相连，透析袋的下端穿过抽滤瓶的橡皮塞孔，袋与漏斗的接口位于橡皮塞孔内，挤紧，待的下端用线绳坤紧。然后把橡皮塞将抽滤瓶口塞紧，透析袋内位于抽滤瓶中，把需要透析的样液装入漏斗中，抽真空，透析袋内的样液受负压的影响加速往外渗透，提高透析的效率

13、。这种透析装置不但能够透析，而且还能进行浓缩。尤其适用于体积大浓度稀的样液。如图6所示。,(6)电透析 在透析膜的两侧施加电压,使电离的小分子朝着某方向运动,并通过半透膜的小孔移出膜外.透析袋内的大分子不能通过摸孔而留在袋内.,第三节 膜超滤技术 3.1概念 超滤技术是综合了过滤和透析技术的优点而发展起来的一种高效分离技术，是脱盐、浓缩、生物大分子的分级分离常用的方法，在生物制品、食品、制药工业生产中占有重要地位。,3.2原理 超滤技术的原理和一般的透析技术一样，主要依赖于被分离物质分子的大小，形状和性质的区别。在一定的压力差下，膜内的小分子能通过具有一定孔径的特制薄膜渗透到膜外, 阻止大分子

14、通过, 使大小不同的分子达到分离的目的。超滤技术实际上是一种高压渗透法。加压的方法有两种，一种是通过膜内施加正压，另一种在膜外施加负压。超滤技术根据施加的压力和膜平均孔径的不同，可以分为微孔过滤、超滤和反渗透三种。技术参数列在表7-1。,3.3超滤的装置与工作原理 超滤装置是在一个密闭的容器中进行，以压缩空气为动力，推动容器内的活塞前进，使样液形成内压，容器底部设有坚固的膜板。小于膜板孔径直径的小分子，受压力的作用被挤出膜扳外，大分子被截留在膜板之上。超滤开始时，由于溶质分子均运的分布在溶液中。超滤的速度比较快，但是，随着小分子的不断排出，大分被截留堆积在膜表面，浓度越来越高，自下而上形成浓度

15、梯度，这时超滤速度就会逐渐减慢，这种现象称为浓度极化现象。为了克服浓度极化现象，增加流速，设计了四种超滤装置。,(1)无搅拌式超滤: 这种装置比较简单，只是在密闭的容器中施加一定压力，使小分子和溶剂分子积压出膜外，无搅拌装置浓度极化较为严重，只适合于浓度较稀的小量超滤。装置的基本结构与工作原理见图7所示。,(2)搅拌式超滤 搅拌式超滤是将超滤装置位于电磁搅拌器之上，超滤容器内放入一支磁棒。在超滤时向容器内施加压力的同时开动磁力搅拌器，小分子溶质和溶剂分子被排出膜外，大分子向滤膜表面堆积时，被电磁搅拌器分散到溶液中。不容易产生浓度极化现象，提高了超滤的速度。装置的基本结构与工作原理见图8所示。,

16、(3)中空纤维超滤 中空纤维超滤是在一支空心柱内装有许多的中空纤维毛细管，两端相通，管的内径一般在0.2mm左右，有效面积可以达到1.0cm2，每一根纤维毛细管像一个微型透析袋，极大的增大了渗透的表面积，提高了超滤的速度。中空纤维超滤是以液压为动力，通蠕动泵或液压泵将需要超滤的样液注入每一根中空纤维管内。当样液经压力泵以较高的流速送入每根膜细管时，样液从底部往上端流出，经过流量阀时，阀门只打开一部分（是全流速的1/4-2/3左右），流速减慢，中空纤维管内产生很大的内压，一部分溶质小分子和溶剂分子被挤出管外，一部分溶质小分子和溶剂携带着大分子通过流量阀，回流到储液瓶，与剩余的样液混合，完成一次超

17、滤。混合后的样液再次经液压泵送入中空纤维管内超滤。每经过一次循环，分离出去一部分溶质小分子和溶剂分子，大分子不断被浓缩。如果要将大分子和小分子分离比较完全，可将浓缩液稀释若干倍后再次超滤。,中空纤维超滤主要适用于脱盐、浓缩、样品分级分离等。装置的基本结构与工作原理见图9所示。,(4)模块式超滤技术,3.4几种超滤装置性能的比较 将上述几种超滤装置的性能归纳比较，,3.5分级分离 可以采用不同截留分子量的中空纤维超滤柱，进行分级分离。目前额定截留分子量的中空纤维超滤柱截留有3000、5000、 10000、 30000、60000 Da等。 如果超滤物质分子量为5000、20000、35000D

18、a，先用截留分子量30000 Da的中空纤维柱超滤，滤出液再用截留分子量10000 Da的中空纤维柱超滤，滤出液再用截留分子量3000 Da的中空纤维柱超滤。,3.6 中空纤维柱的选择及使用 (1) 中空纤维柱的选择：一般选择低于样截留分子量的20%膜进行超滤 例如超滤物质分子量为6000Da, 最好选用截留量为5000以下的膜超滤. 因为蛋白质分子一般都是柔性的，会有20%-30%的样品分子透过。也就是有20%-30%的样品损失。 (2) 流速: 在一定的压力下， 一般每分钟通过单位面积的液体量来表示. (采用液体为纯水)，不同的膜有不同的要求， (3) 中空纤维柱的保存：中空纤维柱一般可以

19、连续使用1-2年。若暂时不用，可在1%甲醛或5%甘油中保存, 防止细菌生长和干燥。,3.7影响超滤的几个因素 (1) 溶质的分子性质: 主要包括分子量，形状，带电性等。 (2) 溶质浓度: 浓度越高，流速越慢，不利于超滤.。这种情况下，可以先稀释，再超滤. (3) 压力: 一般情况，压力越大, 流速越高, 但浓度极化现象越严重, 这是一对矛盾，可适当控制液压和样品浓度，如果样液浓度高，压力适当低一些，以防止过早出现浓度极化现象。样液浓度低，压力适当高一些。 (4) 温度: 温度升高, 可以降低溶液粘度, 有利于超滤. 但对于生物活性物质来说, 一般都要求在低温下(4)超滤, 因此，生物活性物质不能同过升温来提高超滤速度。,3.8超滤的应用 (1) 分级分离: 根据被分离物质分子量的大小不同, 选择不同截留