第十章 膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)膜分離技術(shù)概念：用半透膜作為選擇障礙層，利用膜的選擇性（孔徑大?。阅さ膬蓚?cè)存在的能量差作為推動力，允許某些組分透過而保留混合物中其它組分，從而達(dá)到分離目的的技術(shù)。概述人類認(rèn)識到膜的功能源于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稱膜，是膜分離技術(shù)發(fā)展的一個里程碑。常見膜分離方法按分離粒子大小分類：透析（Dialysis，DS）微濾（Microfiltration，MF）超濾（Ultrafiltration，UF）納濾（Nanofiltration，NF）反滲透（Reverseosmosis，RO）概述截留分子量：微濾0.02～10μm透析0.5-10nm，3000D～幾萬D超濾10nm～100nm或5000～50萬Dalton納濾1nm或200～1000Dalton反滲透200Dalton膜分離法與物質(zhì)大?。ㄖ睆剑┑年P(guān)系概述RONFUFMFF海水脫鹽淡化醫(yī)藥工業(yè)的純化水、注射用水生物大分子物質(zhì)的濃縮與純化人工腎透析過濾除菌（溶液、空氣）應(yīng)用范圍1.高效：由于膜具有選擇性，它能有選擇性地透過某些物質(zhì)，而阻擋另一些物質(zhì)的透過。選擇合適的膜，可以有效地進(jìn)行物質(zhì)的分離，提純和濃縮。2.節(jié)能：多數(shù)膜分離過程在常溫下操作，被分離物質(zhì)不發(fā)生相變,是一種低能耗，低成本的單元操作。3.過程簡單、容易操作和控制。4.不污染環(huán)境。特點(diǎn)（優(yōu)勢）本章內(nèi)容第一節(jié)透析第二節(jié)超濾技術(shù)第三節(jié)微孔膜過濾技術(shù)第一節(jié)透析一、概述1.原理：透析是采用半透膜作為濾膜,使試樣中的小分子經(jīng)擴(kuò)散作用不斷透出膜外,而大分子不能透過被保留在透析袋內(nèi)，從而達(dá)到大小分子分離的一種膜過濾方法。0.5-10nm，3000D～幾萬D蛋白質(zhì)、無機(jī)鹽

無機(jī)鹽緩沖液透析原理圖水分子大分子小分子透析膜2.應(yīng)用透析法在臨床上常用于腎衰竭患者的血液透析。在生物分離方面，常用于除去蛋白或核酸樣品中的鹽、變性劑、還原劑之類的小分子雜質(zhì)。由于透析過程以濃差為傳質(zhì)推動力，膜的透過通量很小，不適于大規(guī)模生物分離過程，而在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用較多。二、透析膜1.透析材料：獸類的膀胱、硝酸纖維素膜、玻璃紙。人工透析膜多為纖維素的衍生物。2.用于透析的半透膜應(yīng)具備的條件：（1）在溶劑中能形成分子篩狀多孔薄膜，只允許小分子溶質(zhì)通過，而阻止大分子（如蛋白質(zhì)）通過；（2）化學(xué)惰性；在水、鹽溶液、稀酸或稀堿溶液中穩(wěn)定；（3）良好的物理性能：有一定的機(jī)械強(qiáng)度和良好的再生性能（1）透析袋預(yù)處理：用50%乙醇慢慢煮沸一小時，再分別用50%乙醇、0.01mol/L碳酸氫納溶液、0.001mol/LEDTA溶液依次洗滌，最后用蒸餾水洗滌三次；（2）透析前，對裝有試液的透析袋檢查是否有泄漏；（3）透析袋裝一半左右，防止膜外溶劑因濃度差滲入將袋漲裂或過度膨脹使膜孔徑改變；（4）袋要扎緊以防流失。（5）熱敏性物質(zhì)應(yīng)置4℃冰箱透析以防變性。（6）攪拌；定期或連續(xù)更換外部溶劑可提高透析效果。（7）透析袋的保存：短時間，儲存于4℃蒸餾水中，長時間，洗凈后置于甘油中（防菌）3.透析過程注意點(diǎn)：二、透析方法及裝置

1旋轉(zhuǎn)透析器

2平面透析器

3連續(xù)透析器

4淺流透析器第二節(jié)超濾技術(shù)

(Ultrafiltrationtechnology)一、超濾的特征

定義：超過濾(簡稱超濾)是一項(xiàng)分子級膜分離手段，以壓力差為推動力將不同分子量的物質(zhì)進(jìn)行選擇性分離。一般用于液相分離，也可用于氣相分離。其截?cái)喾肿恿恳话銥?000到50萬，孔徑為幾十nm，操作壓0.2-0.6MPa。

蛋白酶液恒流泵平板式超濾膜△P出背壓閥超濾過程示意圖：△P進(jìn)透出液截留液當(dāng)溶液體系經(jīng)由水泵進(jìn)入超濾器時，在濾器內(nèi)的超濾膜表面發(fā)生分離，溶劑（水）和其它小分子量溶質(zhì)透過具有不對稱微孔結(jié)構(gòu)的濾膜，大分子溶質(zhì)和微粒（如蛋白質(zhì)、病毒、細(xì)菌、膠體等）被濾膜阻留，從而達(dá)到分離、提純和濃縮產(chǎn)品的目的。二、超濾膜（一）超濾膜的構(gòu)造各向同性膜：膜的厚度較大，孔隙為一定直徑的圓柱形。

各向異性膜：膜質(zhì)分為兩層：功能層和支持層。喇叭口濾膜：孔隙不是圓柱體，而是梯形圓臺

（二）超濾膜的選用超濾的選用應(yīng)注意：1分子量截留值：阻留率達(dá)90%以上的最小被截留物質(zhì)的分子量。2流動速率：在一定壓力下每分鐘通過單位面積膜的液體量來表示。3其他（1）操作溫度（2）化學(xué)耐受性（3）膜的吸附性質(zhì)（4）膜的無菌處理三、超濾過程和裝置（一）濃差極化現(xiàn)象外源壓力迫使分子量較小的溶質(zhì)通過薄膜，大分子被截留于膜表面，并逐漸形成濃度梯度，這就是濃差極化現(xiàn)象。造成：流速下降、影響膜的選擇性、甚至堵塞克服極化的措施：震動、攪拌、錯流、切流。（二）實(shí)驗(yàn)用超濾器（1）無攪拌式裝置（2）攪拌或震動式裝置（3）小棒超濾器（4）淺道系統(tǒng)超濾裝置（5）中空纖維超濾濃差極化嚴(yán)重，流速慢，需較大壓力，適用于濃縮少量稀溶液無攪拌式裝置攪拌可加快膜面大分子擴(kuò)散作用攪拌或震動式裝置用于實(shí)驗(yàn)室中處理少量濃度較稀的大分子樣液，可以同時處理多個試樣小棒超濾器可用于大分子混合物的分級分離，以及細(xì)菌、病毒、熱原的濾除，也可用于大分子溶液的濃縮、脫鹽淺道系統(tǒng)超濾裝置流速高，適用于工業(yè)中生產(chǎn)中空纖維超濾（三）工業(yè)用超濾裝置設(shè)計(jì)要求：有效過濾面積大支撐裝置強(qiáng)度大極化現(xiàn)象小典型裝置：板式、管式、螺旋卷式、中空纖維截留液透過液料液膜支撐板隔板平板式膜組件內(nèi)壓管式：多孔管膜料液外壓管式：料液內(nèi)壓式：膜涂在管內(nèi)，料液由管內(nèi)走；外壓式：膜涂在管外，料液由管外間隙走。管式膜組件管式膜結(jié)構(gòu)圖管式圖

各種膜組件的結(jié)構(gòu)示意圖（四）影響超濾流速和選擇性的因素溶質(zhì)分子性質(zhì)：大小、形狀和帶電性質(zhì)。超濾膜的性質(zhì)：孔徑、結(jié)構(gòu)、吸附性。超濾裝置和操作：膜或組合膜的構(gòu)造、超濾器的結(jié)構(gòu)以及操作壓力、攪拌情況.液體物料的溫度、粘度、pH、離子強(qiáng)度。

四、超濾的操作和應(yīng)用（一）超濾膜和超濾器的處理超濾膜不能干燥和受污染洗凈，除菌，操作正確可用1-2年，暫時不用時，保存于30%甘油甲醛等溶液中（二）過濾操作洗去保養(yǎng)液—超濾—洗滌—保養(yǎng)（三）應(yīng)用濃縮和脫鹽應(yīng)用最多不消耗試劑，無相轉(zhuǎn)移，可在低溫下進(jìn)行，簡便分級分離和純化串聯(lián)式超濾超濾分離與酶反應(yīng)連用廣泛用于纖維素糖化、蛋白酶對蛋白質(zhì)的水解、淀粉酶對淀粉的水解等分離。外循環(huán)式膜生物反應(yīng)器膜組件截留酶或微生物菌體,而使小分子產(chǎn)物透過。外循環(huán)式膜生物反應(yīng)器適用于連續(xù)微生物發(fā)酵和連續(xù)酶反應(yīng)過程。中空纖維膜生物反應(yīng)器◆培養(yǎng)基循環(huán)液高分子產(chǎn)物（單抗）細(xì)胞膜高分子產(chǎn)物（單抗）細(xì)胞膜小分子產(chǎn)物用于動物細(xì)胞培養(yǎng)，動物細(xì)胞生長于中空纖維膜組件的殼內(nèi)，小分子產(chǎn)物（廢棄物）不斷排出，新鮮的培養(yǎng)基連續(xù)灌注，可保證細(xì)胞長期穩(wěn)定并且高速度生產(chǎn)有用物質(zhì)。細(xì)胞密度可達(dá)109/cm3。是工業(yè)培養(yǎng)雜交瘤細(xì)胞生產(chǎn)單克隆抗體的主要方法之一。4除熱原熱源（pyrogen）又稱細(xì)菌內(nèi)毒素，是細(xì)菌新陳代謝和細(xì)菌死后分解的產(chǎn)物，主要成分是脂多糖、脂蛋白等，相對分子質(zhì)量較大。熱源的致熱效能很強(qiáng)，人比動物對熱源要敏感，在靜脈注射藥液時，如果將熱源帶進(jìn)血液，會對人體造成相當(dāng)大的危害。傳統(tǒng)的針劑除熱源的方法是活性炭吸附，造成產(chǎn)品損失。用超濾法可有效的除去熱源，如產(chǎn)品分子量1000以下，可用截留分子量1萬左右的膜比較合適。以多孔薄膜為過濾介質(zhì)，壓力差為推動力，利用篩分原理使不溶性粒子（0.1-10um）得以分離的操作。操作壓力0.05-0.5MPa。第三節(jié)微孔膜過濾技術(shù)一、微孔膜的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍特點(diǎn)：設(shè)備簡單操作簡便、快速分辨率高、重現(xiàn)性好一些膜具有結(jié)合生物大分子的特殊能力，用于特殊測定應(yīng)用范圍：0.01～0.05μm：噬菌體、病毒或大的膠體顆粒。0.1μm：試劑的超凈、分離沉淀和膠體懸液。0.2μm：高純水的制備、制劑除菌、細(xì)菌計(jì)數(shù)、空氣病毒定量測定等。0.45μm：水的超凈化處理、色譜分析時流動相的處理、放射免疫測定、光測介質(zhì)溶液的凈化以及鍋爐水中Fe(OH)3的分析等。

二、微孔濾膜(一)微孔濾膜的種類（了解）再生纖維素纖維素酯膜:硝酸纖維素酯膜.醋酸纖維素酯膜.混合纖維素酯膜

聚四氟乙烯膜聚氯乙烯膜超細(xì)玻璃纖維濾膜（三）微孔濾膜的性質(zhì)與檢測1孔徑孔徑的均一程度，一般相當(dāng)均一膜孔徑檢測方法：氣泡壓力法、細(xì)菌過濾法(最大孔徑)、水流量法(平均孔徑)、2孔隙率一般較高，達(dá)80%-90%3厚度及重量一般厚度120μm-150μm，密度小4阻力和流速阻力小，防顆粒堵塞，膜表面堆積。三、微孔濾膜過濾設(shè)備和操作設(shè)備：注射式過濾器、玻璃濾器、平板濾器、筒式濾器等。1過濾系統(tǒng)的嚴(yán)密性2濾膜的濕潤3過濾速度4過濾系統(tǒng)的清洗和消毒5串濾技術(shù)操作與注意事項(xiàng)四、微孔膜過濾的應(yīng)用（一）在生化中的應(yīng)用1溶液澄清2結(jié)合測定3蛋白質(zhì)及核酸含量測定（二）在制藥工業(yè)中的應(yīng)用1藥液中微粒及細(xì)菌的濾除2抗生素的無菌檢驗(yàn)2.反滲透原理：根據(jù)溶液的吸附擴(kuò)散原理，以壓力差為主要推動力的膜過程。在濃溶液一側(cè)施加一外加壓力[（1000-10000）KPa]，當(dāng)此壓力大于溶液的滲透壓時，就會迫使溶液中的溶劑反向透過孔徑為0.1-1nm的非對稱膜流向稀溶液一側(cè)。反滲透法滲透和反滲透應(yīng)用：從水溶液中分離出水苦咸水與海水淡化純水生產(chǎn)廢水處理低分子量物質(zhì)水溶液的濃縮如氨基酸，抗生素、維生素等的濃縮儀器工業(yè)中液體食品（牛奶、果汁等）的部分脫水納濾膜大多從反滲透膜衍化而來。納濾(NF，Nanofiltration)是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動膜分離過程。原理：篩分作用：納濾膜能截留易透過超濾膜的那部分溶質(zhì)，同時又可使被反滲透膜所截留的鹽透過荷電效應(yīng)：納濾膜常帶電荷，荷電納濾膜可通過靜電斥力排斥溶液中與膜上所帶電荷相同的離子1.納濾納濾膜分離機(jī)理示意圖＋＋－－納濾膜技術(shù)的特點(diǎn)：具有離子選擇性：由于在膜上或膜中常帶有荷電基團(tuán)，通過靜電相互作用，可實(shí)現(xiàn)不同價(jià)態(tài)離子的分離，故有時也稱“選擇性”反滲透（SelectiveRO）操作壓力低：通常比反滲透低，由于所施加的跨膜壓差比用反滲透達(dá)到同樣的滲透能量所必須施加的壓差低，有時也稱“低壓反滲透”。納濾應(yīng)用：

（1）小分子量的有機(jī)物質(zhì)的分離；（2）有機(jī)物與小分子無機(jī)物的分離；（3）溶液中一價(jià)鹽類與二價(jià)或多價(jià)鹽類的分離；（4）鹽與其對應(yīng)酸的分離。3.膜的污染(fouling)膜的污染大體可分為沉淀污染、吸附污染、生物污染1沉淀污染沉淀污染對RO和NF的影響尤為顯著。當(dāng)過濾液中鹽的濃度超過了其溶解度，就會在膜上形成沉淀或結(jié)垢。普遍受人們關(guān)注的污染物是鈣、鎂、鐵和其它金屬的沉淀物，如氫氧化物、碳酸鹽和硫酸鹽等。2吸附污染有機(jī)物在膜表面的吸附通常是影響膜性能的主要因素。隨時間的延長，污染物在膜孔內(nèi)的吸附或累積會導(dǎo)致孔徑減少和膜阻增大，這是難以恢復(fù)的。與膜污染相關(guān)的有機(jī)物特征包括它們對膜的親和性，分子量，功能團(tuán)和構(gòu)型。一般來講膜的親水性越強(qiáng)有機(jī)物不宜吸附。而疏水作用可增加其在膜上的積累，導(dǎo)致嚴(yán)重的吸附污染。膜的污染(fouling)3生物污染是指微生物在膜內(nèi)積累，從而影響系統(tǒng)性能的現(xiàn)象。膜組件內(nèi)部潮濕陰暗，是一個微生物生長的理想環(huán)境，微生物粘附和生長形成生物膜。老化生物膜主要分解成蛋白質(zhì)、核酸、多糖酯等，強(qiáng)烈吸附在膜面上引起膜表面改性。微生物生物膜，可直接(通過酶作用)或間接(通過局部pH或還原電勢作用)降解膜材料，造成膜壽命縮短，膜結(jié)構(gòu)完整性被破壞。

細(xì)菌對不同聚合物粘附速率大不相同。如聚酰胺膜比醋酸纖維素膜更易受細(xì)菌污染。所以，生物親和性被降低和易清洗的聚合物為材質(zhì)的分離膜，會阻礙生物膜的生長。膜的污染(fouling)防止膜污染的方法可以通過控制膜污染影響因素，減少膜污染的危害，延長膜的有效操作時間，減少清洗頻率，提高生產(chǎn)能力和效率，因此在用微濾，超濾分離，濃縮細(xì)胞，菌體或大分子產(chǎn)物時，必須注意以下幾點(diǎn):①進(jìn)料液的預(yù)處理：預(yù)過濾、pH及金屬離子控制；②選擇合適的膜材料：減輕膜的吸附；③改善操作條件：加大流速。膜污染的清洗方