第八章膜過濾法

第八章膜過濾法

MembraneFiltrationProcess1膜分離的概念利用膜的選擇性(孔徑大小)，以膜的兩側(cè)存在的能量差作為推動(dòng)力，由于溶液中各組分透過膜的遷移率不同而實(shí)現(xiàn)分離的一種技術(shù)。2主要內(nèi)容概述膜分離過程的類型膜及其組件壓力特性濃差極化膜的污染膜的截留能力過程條件3膜科學(xué)的發(fā)展史4人類認(rèn)識(shí)到膜的功能源于1748年，然而用于為人類服務(wù)是近幾十年的事。1960年Loeb和Sourirajan制備出第一張具有高透水性和高脫鹽率的不對(duì)稱膜，是膜分離技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑。51925年以來，差不多每十年就有一項(xiàng)新的膜過程在工業(yè)上得到應(yīng)用30年代微濾40年代透析50年代電滲析60年代反滲透70年代超濾80年代納濾90年代滲透汽化68.1概述膜分離技術(shù)特點(diǎn)不發(fā)生相變，能耗低；是物理過程，不需加入化學(xué)試劑；常溫下進(jìn)行，條件比較溫和，適用范圍廣，特別適用于對(duì)熱敏感的物質(zhì)如果汁、酶、藥品等的分離、濃縮與富集；濃縮和純化可在一個(gè)步驟內(nèi)完成；設(shè)備易放大，可以分批或連續(xù)操作。；分離裝置簡(jiǎn)單，操作方便，易自控、維修。因而在生物產(chǎn)品的處理中占有重要地位7存在的問題膜面會(huì)發(fā)生污染、膜面清洗方法;目前膜的性能，其耐藥性、耐熱性、耐溶劑能力都是有限的，故使用范圍受限;膜分離工藝與其他分離工藝的結(jié)合。88.2膜分離過程的類型膜分離過程是一種物質(zhì)被透過或被截留于膜的過程，近似于篩分過程，依據(jù)濾膜孔徑的大小而達(dá)到物質(zhì)分離的目的，故可按分離粒子或分子的大小予以分類98.2膜分離過程的類型108.2膜分離過程的類型以靜壓力差為推動(dòng)力的過程；以蒸氣分壓差為推動(dòng)力的過程；以濃度差為推動(dòng)力的過程；電位差為推動(dòng)力的過程118.2.1以靜壓力差為推動(dòng)力的過程微濾(Microfiltration)是以靜壓差為推動(dòng)力，利用篩網(wǎng)狀過濾介質(zhì)膜的“篩分”作用進(jìn)行分離的膜過程，其原理與普通過濾相類似。在靜壓差的作用下，小于膜孔的粒子通過濾膜，大于膜孔的粒子被截留于膜面上。12微濾Microfiltration微孔膜平均孔徑0.02-10μm，能截留直徑0.05-10μm的微?；蚍肿恿看笥?06的高分子。原料液在壓差作用下，其中水(包括尺寸小于膜孔的大分子和微粒)透過膜孔流到膜的低壓側(cè)，為透過液。大于膜孔的大分子和微粒被截留，從而達(dá)到分離的目的。因此微濾對(duì)微粒的截留機(jī)理是篩分作用。決定膜的分離效果是膜的物理結(jié)構(gòu)，孔的大小和形狀。13超濾Ultrafiltration超濾所分離的組分直徑為0.001～0.02μm，相對(duì)分子質(zhì)量大于500的大分子和膠體，這種液體的滲透壓很小，可忽略。超濾可分離溶液中的大分子、膠體、蛋白質(zhì)和微粒等。所用的膜常為非對(duì)稱膜。微孔過濾膜一般為對(duì)稱膜。14超濾超濾的分離機(jī)理與微濾相似，主要有：在表面和微孔內(nèi)吸附在孔中停留（阻塞）在膜表面的機(jī)械截留（篩分）一般認(rèn)為超濾是一種篩分過程，可以用微孔模型表示超濾的傳遞過程。聚合物膜的化學(xué)性質(zhì)對(duì)膜的分離特性影響不大。15反滲透（ReverseOsmosis）反滲透是正常滲透的逆過程，即濃溶液中的溶劑通過膜向稀溶液流動(dòng)。如下圖所示當(dāng)鹽水一側(cè)施加壓力大于水的滲透壓時(shí)，鹽水中的水則透過半透膜，從而獲得淡水。反滲透膜的透過機(jī)理，目前仍未成熟。168.2.1以靜壓力差為推動(dòng)力的過程微濾特別適用于微生物、細(xì)胞碎片、微細(xì)沉淀物和其他在“微米級(jí)”范圍的粒子如DNA和病毒等的截留和濃縮。超濾適用于分離、純化和濃縮一些大分子物質(zhì)，如在溶液中或與親和聚合物相連的蛋白質(zhì)(親和超濾)、多糖、抗生素以及熱原，也可以用來回收細(xì)胞和處理膠體懸浮液。反滲透海水脫鹽、超純水制備，從發(fā)酵液中分離溶劑如乙醇、丁醇和丙酮以及濃縮抗生素、氨基酸等。17圖4膜過濾與常規(guī)過濾的膜孔徑范圍188.2.2以蒸氣分壓差為推動(dòng)力的過程膜蒸餾是在不同溫度下分離兩種水溶液的膜過程，已經(jīng)用于高純水的生產(chǎn)，溶液脫水濃縮和揮發(fā)性有機(jī)溶劑的分離，如丙酮和乙醇等。使用的膜是疏水性微孔膜。滲透蒸發(fā)是以蒸氣壓差為推動(dòng)力的過程，但是在過程中使用的是致密(無孔)的聚合物膜。液體擴(kuò)散能否透過膜取決于它們?cè)谀げ牧现械臄U(kuò)散能力。198.2.3以濃度差為推動(dòng)力的過程滲析最主要的應(yīng)用是血液(人工腎)的解毒，也用在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的酶的純化上，使用的是微孔膜如膠膜管。酶的傳統(tǒng)純化辦法是使用滲析袋，從樣品中除去無用的低相對(duì)分子質(zhì)量溶質(zhì)和置換存在于滲透液中的緩沖液，由于在樣品中鹽和有機(jī)溶劑的濃度高，滲透壓的結(jié)果導(dǎo)致水向滲透袋內(nèi)遷移，體積增加，所以滲透在除去多余的低相對(duì)分子質(zhì)量溶質(zhì)的同時(shí)，引進(jìn)了一個(gè)新的緩沖溶液。208.2.4以電位差為推動(dòng)力的膜分離過程離子交換膜電滲析(EDTM)離子在電勢(shì)的驅(qū)動(dòng)下，通過選擇性滲透膜，從一種溶液向另一種溶液遷移。用于該過程的膜，只有共價(jià)結(jié)合的陰或陽離子交換基團(tuán)。陰離子交換膜只能透過陰離子，陽離子交換膜則只能透過陽離子。將離子交換膜浸入電解質(zhì)溶液，并在膜的兩側(cè)通以電流時(shí)，則只有與膜上固定電荷相反的粒子才能通過膜。218.3膜及其組件

8.3.1膜的定義和類型膜的定義在一定流體相中，有一薄層凝聚相物質(zhì)，把流體分割成為兩部分，這一薄層物質(zhì)稱為膜。膜是均勻的一相或由兩相以上凝聚物質(zhì)所構(gòu)成的復(fù)合體。膜的厚度在0.5mm以下。膜的類型有孔膜和無孔膜（形態(tài)學(xué)）膜對(duì)稱性各向同性膜和各向異性膜（不對(duì)稱膜）膜材料22238.3.2膜組件由膜、固定膜的支撐體、間隔物以及收納這些部件的容器構(gòu)成的一個(gè)單元稱為膜組件或膜裝置，模件。聚合膜主要有兩種形式平板式和管式膜組件主要有四種形式平板式管式螺旋卷式中空纖維式24平板膜組件與板式換熱器或加壓葉濾機(jī)相似，由多枚圓形或長(zhǎng)方形平板膜以1mm左右的間隔重疊加工而成，膜間襯設(shè)多孔薄膜，供料液或?yàn)V液流動(dòng)。平板膜組件比管式膜組件比表面積大得多。25管式膜組件將膜固定在內(nèi)徑10～25mm，長(zhǎng)約3m的圓管狀多孔支撐體上構(gòu)成的，l0～20根管式膜并聯(lián)，或用管線串聯(lián)，收納在筒狀容器內(nèi)即構(gòu)成管式膜組件。內(nèi)徑較大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合于處理懸浮物含量較高的料液，分離操作完成后的清洗比較容易。但是管式膜組件比表面積在各種膜組件中最小。26螺旋卷式膜組件將兩張平板膜固定在多孔性濾液隔網(wǎng)上，兩端密封。兩張膜的上下分別襯設(shè)一張料液隔網(wǎng)，卷繞在空心管上，空心管用于濾液的回收。比表面積大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格較便宜。但缺點(diǎn)是處理懸浮物濃度較高的料液時(shí)容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。27中空纖維或毛細(xì)管膜組件由數(shù)百至數(shù)百萬根中空纖維膜固定在圓筒形容器內(nèi)構(gòu)成(內(nèi)徑為40～80um的膜稱中空纖維膜，而內(nèi)徑為0.25～2.5mm的膜稱毛細(xì)管膜)。毛細(xì)管膜的耐壓能力在1.0MPa以下，主要用于超濾和微濾；中空纖維膜的耐壓能力較高，常用于反滲透。28動(dòng)態(tài)壓力過濾器軸向旋轉(zhuǎn)過濾器由內(nèi)、外兩個(gè)不銹鋼圓筒組成，圓筒上覆有膜，內(nèi)筒以2000~3000r/min旋轉(zhuǎn)，使液體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。適于處理懸浮液。29308.4壓力特性微濾是生物技術(shù)中重要的膜分離過程?？缒毫εc錯(cuò)流速率有關(guān)。318.5濃差極化濃差極化指在超濾過程中，由于水透過膜，因而在膜表面的溶質(zhì)濃度增高，形成梯度，在濃度梯度的作用下，溶質(zhì)與水以相反方向擴(kuò)散，在達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，膜表面形成溶質(zhì)濃度分布邊界層，它對(duì)水的透過起著阻礙作用。328.5濃差極化33濃差極化透過快的組分透過慢的組分推動(dòng)力膜濃度極化示意圖348.6膜的污染膜使用中最大的問題是膜污染。指隨著操作時(shí)間的增加，處理物料中的微粒、大分子、膠?；蚱渌苜|(zhì)分子，由于與膜存在物理化學(xué)作用或機(jī)械作用而引起的，在膜表面或膜孔內(nèi)吸附沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜透過流速的迅速下降，溶質(zhì)的截留率也明顯下降。358.6膜的污染膜污染的表現(xiàn)一是膜通量下降；二是通過膜的壓力和膜兩側(cè)的壓差逐漸增大；三是膜對(duì)生物分子的截留性能改變。膜污染與濃差極化在概念上不同，濃差極化加重了污染，但濃差極化是可逆的，即變更操作條件可使之消除，而污染是不可逆的，必須通過清洗的辦法，才能消除。污染是由膜的劣化和水生物污垢所引起的。36膜的劣化是由于膜本身的不可逆轉(zhuǎn)的質(zhì)量變化而引起的膜性能變化；

水生物污垢是由于形成吸著層和堵塞等外因而引起膜性能變化。378.6膜的污染防止污染預(yù)處理開發(fā)抗污染的膜加大供給液的流速清洗（凈洗法）化學(xué)洗滌物理洗滌38化學(xué)法常用的清洗劑有：1．NaOH：發(fā)酵工業(yè)中用得很普遍，濃度為0.1～1.0M。它能水解蛋白質(zhì)，皂化脂肪和對(duì)某些生物高分子起溶解作用。2．酸：如HNO3、H3PO4和HCI。用于去除無機(jī)污染物，如鈣和鎂鹽。對(duì)不銹鋼裝置不能用HCI。檸檬酸對(duì)含鐵污染物有效。3．表面活性劑：主要對(duì)生物高分子、油脂等起乳化、分散、干擾細(xì)菌在膜上的粘附。常用的SDS和TritonX-100，有較好的去蛋白質(zhì)和油脂等作用。394．氧化劑：氯有較強(qiáng)的氧化能力。當(dāng)NaOH或表面活性劑不起作用時(shí)，可以用氯，其用量為10-6mg/L活性氯，其最適pH為10～11。5．酶：酶本身是蛋白質(zhì)，能用其他清洗劑就酶。但如要去除多糖時(shí)，淀粉酶有一定作用的。6．有機(jī)溶劑：由于有機(jī)溶劑對(duì)膜和裝置有不良作用，因而很少采用。20-50％乙醇可用于膜裝置的滅菌和去除油脂或硅氧烷消泡劑，但使用時(shí)系統(tǒng)必須符合防爆要求?；瘜W(xué)法常用的清洗劑有：40海綿球擦洗熱水法反沖洗和循環(huán)清洗物理法：418.7膜過濾理論超-微濾膜的性能微孔模型Hagen-Poiseuille定律質(zhì)量傳遞模型凝膠極化模型阻力模型428.8膜的截留能力表觀截留率δ表=(cb-cf)/cbcb和cf分別為主體溶質(zhì)濃度和透過溶質(zhì)濃度。

δ=(cm-cf)/cmcm為膜表面溶質(zhì)濃度。截?cái)嗲€截留率與分子量之間的關(guān)系曲線

438.9過程條件超-微濾的工作模式可分為濃縮、透析和純化三種。441.分批濃縮料液一次加入儲(chǔ)槽中，以泵進(jìn)行循環(huán)，同時(shí)有透過液流出，濃度逐漸增加，稱為濃縮模式。一般循環(huán)液的體積流速應(yīng)為透過液的10倍以上，以便其以高速流過膜面。膜兩側(cè)的壓力差由背壓閥調(diào)節(jié)，應(yīng)兼顧循環(huán)速度增大和通量。452透析過濾在分批操作中，小分子和溶劑透過膜，而大分子在保留液留中，濃度逐漸增大，而通量逐漸降低，最后操作無法進(jìn)行。若需進(jìn)一步將小分子除去，可以補(bǔ)充加入水，繼續(xù)進(jìn)行超濾。通常的操作方式為連續(xù)地加入水，其量與透過液相等，保留液體積始終保持不變。透析過濾模式:料液中不斷加入水或緩沖液，如虛線所示，即成為透析過濾模式）46膜分離過程在生物工程中的應(yīng)用過程應(yīng)用對(duì)象實(shí)例微濾