第四章膜分離1

1、第四章 膜分離一、一、 學(xué)習(xí)目的與要求學(xué)習(xí)目的與要求在掌握各種膜分離方法和原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步了解膜特性及操作特點(diǎn)和影響膜分離速度的因素以及膜分離過(guò)程。清楚膜分離法在生物產(chǎn)物回收和純化方面的應(yīng)用。二、二、 學(xué)習(xí)指南學(xué)習(xí)指南（一） 各種膜分離法及其原理（重點(diǎn)）理解：微濾、超濾、反滲透、透析、電滲析和滲透汽化等方法的原理應(yīng)用：掌握各種膜的應(yīng)用范圍（二） 膜及其特性（次重點(diǎn)） 識(shí)記：膜材料選擇標(biāo)準(zhǔn)理解：膜結(jié)構(gòu)特性，特別是對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)應(yīng)用：通過(guò)水通量的不同選擇適當(dāng)?shù)哪げ牧?（三） 操作特性（重點(diǎn)）識(shí)記：濃度極化、凝膠極化概念理解：超濾膜的分子截留作用應(yīng)用：了解實(shí)際膜分離過(guò)程中影響截留率的因

2、素（四） 影響膜分離速度的因素（次重點(diǎn)）理解：操作形式、流速、壓力以及料液濃度對(duì)分離速度的影響（五） 應(yīng)用：掌握膜分離方法在菌體細(xì)胞分離、小分子發(fā)酵產(chǎn)物的回收、蛋白質(zhì)類(lèi)生物大分子的濃縮和部分分級(jí)純化方面的應(yīng)用概述 1.膜分離技術(shù)發(fā)展的歷史： 膜分離技術(shù)發(fā)展可分為三個(gè)階段： 50年代以前為奠定基礎(chǔ)階段 60年代和70年代為發(fā)展階段 80年代至今為發(fā)展深化階段 目前，研制和開(kāi)發(fā)出的分離膜及應(yīng)用技術(shù)有： 2.膜分離技術(shù)在分離工程中的重要作用及 存在問(wèn)題 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：膜分離技術(shù)在分離物質(zhì)過(guò)程中不涉及相變，對(duì)能量要求低，因此和蒸餾、結(jié)晶、蒸發(fā)等需要輸入能量的過(guò)程有很大差異；膜分離的條件一般都較溫和，對(duì)于

3、熱敏性物質(zhì)復(fù)雜的分離過(guò)程很重要。這兩個(gè)因素使得膜分離成為生化物質(zhì)分離的合適方式。操作方便、結(jié)構(gòu)緊湊、維修費(fèi)用低、易于自動(dòng)化。 因而是現(xiàn)代分離技術(shù)中一種效率較高的分離手段，在生化分離工程中具有重要作用。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：在操作中膜面會(huì)發(fā)生污染，使膜性能降低，故有必要采用與工藝相適應(yīng)的膜面清洗方法；從膜性能來(lái)看，其耐藥性、耐熱性、耐溶劑能力都是有限的，故適用范圍受限制；單獨(dú)采用膜分離技術(shù)效果有限，因此往往都將膜分離工藝與其他分離工藝組合起來(lái)使用。 定義: 膜分離是利用具有一定選擇性透過(guò)特性的過(guò)濾介質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)的分離純化的一種手段。 分類(lèi): 在生物分離領(lǐng)域應(yīng)用的膜分離法包括微濾、超濾、反滲透、透析、電滲析

4、和滲透氣化等。第一節(jié) 各種膜分離法及其原理各種膜分離法的原理和應(yīng)用范圍各種膜分離法的原理和應(yīng)用范圍 在生物技術(shù)中應(yīng)用的膜分離過(guò)程，根據(jù)推動(dòng)力本質(zhì)的不同，可具體分為四類(lèi)： 以靜壓力差為推動(dòng)力的過(guò)程: 微濾、超濾和 反滲透 以蒸汽分壓差為推動(dòng)力的過(guò)程: 膜蒸餾和滲透蒸發(fā)（滲透氣化） 以濃度差為推動(dòng)力的過(guò)程: 透析 以電位差為推動(dòng)力的過(guò)程: 電滲析1.以靜壓力差為推動(dòng)力的膜分離過(guò)程 1.1 反滲透（RO膜） 滲透壓差滲透壓差 影響因素： A、膜的選擇性。 B、壓力的選擇性。壓力越高，透過(guò)液中溶質(zhì)的濃度越低。因此，提高反滲透的壓力有利于實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)的高度濃縮，或提高海水淡化質(zhì)量。 BAaavRTln1應(yīng)用

5、： A、海水淡化， B、超純水制備， C、抗生素和氨基酸等濃縮， D、回收有機(jī)溶劑，如乙醇、丁醇和 丙醇等。 1.2 超濾和微濾 超濾超濾 原理：篩分 操作：一般采用切向流體，以減少固相沉積。膜兩側(cè)的滲透壓很小，操作壓在0.1-1.0MPa。 優(yōu)點(diǎn)：A、消除了濾餅的阻力，過(guò)濾效率高；B、超濾回收率高；C、濾液的質(zhì)量好；D、減少處理步驟 計(jì)算: Carman-Kozeny方程 意義： Jv與壓力差p成正比，與濾液的粘度成反比，這是分析超濾過(guò)程的理論基礎(chǔ)。 應(yīng)用：A、高分子溶質(zhì)之間，以及高分子與小分子溶質(zhì)之間的分離； B、Pro濃縮; C、病毒的分離和富積; D、回收細(xì)胞，處理膠體懸浮液。 lSK

6、PJLv2022)1 ( 微濾微濾原理：原理：篩分，同一般過(guò)濾有很大重疊。 操作：操作：同一般過(guò)濾。膜兩側(cè)的滲透壓可忽略，操作 壓在0.05-0.5Mpa。 用途：用途：除去0.1um10um的顆粒，用于細(xì)胞、細(xì)菌、 細(xì)胞器的分離。計(jì)算計(jì)算: 同上意義：意義： Jv與壓力差p成正比，與濾液的黏度成反比， 這是分析微濾過(guò)程的理論基礎(chǔ) 1.3 各種膜分離（靜壓力差）的比較 2.以濃度差為推動(dòng)力的膜分離過(guò)程透析 原理：濃差擴(kuò)散 操作：用途： A、人工腎，腹膜透析； B、樣品脫電解質(zhì)； C、濃縮富積； D、氣體分離(利用透析袋對(duì)不同氣體的通透性) 優(yōu)點(diǎn)： A、方法和設(shè)備簡(jiǎn)單； B、實(shí)驗(yàn)室最常用的樣品脫

7、鹽方法 缺點(diǎn)： A、透析的速度緩慢； B、溶質(zhì)稀釋。 電滲析 原理：利用分子的荷電性質(zhì)和分子大小的差別進(jìn)行分離 3.以電位差為推動(dòng)力的膜分離過(guò)程用途：樣品快速脫鹽。 關(guān)鍵部件:離子交換膜 用途：A、海水淡化，B、苦水淡化， C、血漿、IgG、其他蛋白質(zhì)的分離， D、氨基酸和有機(jī)酸分離純化。 優(yōu)點(diǎn)：可大規(guī)模生產(chǎn) 缺點(diǎn)：能耗高 以蒸汽分壓差為推動(dòng)力的膜分離過(guò)程有兩種，膜蒸餾和滲透蒸發(fā)（滲透氣化）。4.1 滲透氣化 4.以蒸汽分壓差為推動(dòng)力的膜分離過(guò)程原理： 疏水膜的一側(cè)通入料液，另一側(cè)（透過(guò)側(cè)）抽真空或通入惰性氣體，使膜兩側(cè)產(chǎn)生溶質(zhì)分壓差。在分壓差的作用下，料液中的溶質(zhì)溶于膜內(nèi)，擴(kuò)散通過(guò)膜，在透過(guò)

8、側(cè)發(fā)生氣化，氣化的溶質(zhì)被膜裝置外設(shè)置的冷凝器冷凝回收。因此滲透氣化法根據(jù)溶質(zhì)間透過(guò)膜的速度不同，使混合物得到分離。 膜與溶質(zhì)的相互作用決定溶質(zhì)的滲透速度，根據(jù)相似相溶的原理，疏水性較大的溶質(zhì)易溶于疏水膜，因此滲透速度高，在透過(guò)一側(cè)得到濃縮。氣化所需的潛熱用外部熱源供給。 與反滲透相比，滲透氣化過(guò)程中溶質(zhì)發(fā)生相變，透過(guò)側(cè)溶質(zhì)以氣體狀態(tài)存在，因此消除了滲透壓的作用，從而使?jié)B透氣化在較低的壓力下進(jìn)行，適于高濃度混合物的分離。滲透氣化法利用溶質(zhì)之間膜透過(guò)性的差別，特別適用于共沸物和揮發(fā)度相差較小的雙組分溶液的分離。 應(yīng)用：從水-乙醇混合液制無(wú)水乙醇 。 利用滲透氣化法濃縮乙醇，由于膜的選擇性透過(guò)乙醇的

9、特性，可消除共沸現(xiàn)象，得到高濃度乙醇。 1. 1. 膜的定義膜的定義 膜:在一定流體相中，有一薄層凝聚相物質(zhì)，把流體相分隔成為兩部分，這一薄層物質(zhì)稱(chēng)為膜。 膜本身是均勻的一相或是由兩相以上凝聚物質(zhì)所構(gòu)成的復(fù)合體。 被膜分隔開(kāi)的流體相物質(zhì)是液體或氣體。 膜的厚度在0.5mm以下，否則就不稱(chēng)為膜。第二節(jié) 膜及其特性 2.2.膜材料膜材料 生物分離過(guò)程常用的膜分離技術(shù)為超濾、微濾和反滲透。為實(shí)現(xiàn)高效率的膜分離操作，對(duì)膜材料有如下要求： 起過(guò)濾作用的有效膜厚度小，超濾和微濾膜的 開(kāi)孔率高，過(guò)濾阻力??； 膜材料為惰性，不吸附溶質(zhì)（蛋白質(zhì)、細(xì)胞 等），從而使膜不易污染，膜孔不易堵塞； 適用的pH和溫度范圍

10、廣，耐高溫滅菌， 耐酸堿清洗劑，穩(wěn)定性高，使用壽命長(zhǎng)； 容易通過(guò)清洗恢復(fù)透過(guò)性能； 滿足實(shí)現(xiàn)分離目的的各種要求，如對(duì)菌 體細(xì)胞的截留、對(duì)生物大分子的通透性或 截流作用等。 目前市售膜的種類(lèi)很多，主要有天然高分子、合成高分子和無(wú)機(jī)材料。 2.1 天然高分子材料天然高分子材料種類(lèi)：種類(lèi)：纖維素衍生物，如醋酸纖維、硝酸纖維 和再生纖維 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：醋酸纖維的阻鹽能力最強(qiáng)，常用于反滲 透膜，也可作超濾膜和微濾膜；再生纖 維素可用于制造透析膜和微濾膜。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：醋酸纖維膜最高使用溫度和pH范圍有 限，在45-50C，pH3-8。 2.2 合成高分子材料種類(lèi)：聚砜、聚酰胺、聚酰亞胺、聚丙烯晴、 聚烯類(lèi)和含

11、氟聚合物，其中，聚砜最常 用，用于制造超濾膜。 優(yōu)點(diǎn)：耐高溫(70-80C，可達(dá)125C)，pH1-13， 耐氯能力強(qiáng)，可調(diào)節(jié)的孔徑寬(1-20nm)； 聚酰胺膜的耐壓較高，對(duì)溫度和pH穩(wěn)定性 高，壽命長(zhǎng)，常用于反滲透。 缺點(diǎn)：但聚砜的耐壓差，壓力極限在0.5-1.0MPa。 2.3 無(wú)機(jī)材料種類(lèi)：陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼和碳素等。目前實(shí)用化 有孔徑0.1um微濾膜和截留10kD的超濾膜， 其中以陶瓷材料的微濾膜最常用。多孔陶瓷膜主 要利用氧化鋁、硅膠、氧化鋯和鈦等陶瓷微粒燒 結(jié)而成，膜厚方向上不對(duì)稱(chēng) 優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、耐化學(xué)試劑和有機(jī)溶劑。 缺點(diǎn)：不易加工，造價(jià)高。 2.4 復(fù)合材料

12、種類(lèi)：如將含水金屬氧化物（氧化鋯）等膠體微 ?；蚓郾┧岬瘸恋碓谔沾晒艿亩嗫战橘|(zhì) 表面形成膜，其中沉淀層起篩分作用。 優(yōu)點(diǎn)：此膜的通透性大，通過(guò)改變pH值容易形 成和除去沉淀層，清洗容易。 缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差。 3. 膜的結(jié)構(gòu)特性3.1 孔道結(jié)構(gòu) 早期的膜多為對(duì)稱(chēng)膜，即膜截面的膜厚度方向上孔道結(jié)構(gòu)均勻，如圖所示。 缺點(diǎn)：對(duì)稱(chēng)膜的傳質(zhì)阻力大，透過(guò)通量低，流速 低，易堵塞，易污染，清洗困難。 不對(duì)稱(chēng)膜解決了上述對(duì)稱(chēng)膜的弊端。 不對(duì)稱(chēng)膜主要有起膜分離作用的表面活性層 (0.20.5)和起支撐強(qiáng)化作用的惰性層(50-100)構(gòu)成。惰性層孔徑很大，對(duì)透過(guò)流體無(wú)阻力。由于 不對(duì)稱(chēng)膜起膜分離作用的表面活性層很薄，孔徑微細(xì)，因此透過(guò)通量大、膜孔不易堵塞、容易清洗。用于超濾和反滲透膜多為不對(duì)稱(chēng)膜。 圖a所示的不對(duì)稱(chēng)膜為指狀結(jié)構(gòu)，多用于超濾膜; 而反滲透膜的結(jié)構(gòu)多為海綿狀，如圖b。 高分子微濾膜以對(duì)稱(chēng)膜為主，新型無(wú)機(jī)陶瓷微濾膜多為不對(duì)稱(chēng)膜。 3.2 膜的孔道特性膜的孔道特性 膜的孔道特性包括孔徑、孔徑分布