第十一章 膜分離技術(shù)

第十一章膜分離技術(shù)

第十一章

膜分離技術(shù)概述第一節(jié)膜分離技術(shù)與分離膜第二節(jié)膜分離過程與分離機(jī)理第三節(jié)膜分離技術(shù)的關(guān)鍵第四節(jié)膜分離技術(shù)的應(yīng)用與實例第五節(jié)新型膜分離技術(shù)簡介概述膜分離現(xiàn)象廣泛存在于自然界中。膜分離的過程在我國的利用可追溯到2000多年以前，當(dāng)時在釀造、烹飪、煉丹和制藥等過程中就有“莞蒲厚灑”，“弊簞淡鹵”及“海井”的海水淡化等記載。由于受到人類認(rèn)識能力和當(dāng)時科技條件的限制，在其后漫長歷史進(jìn)程中對膜技術(shù)的理論研究和技術(shù)應(yīng)用并沒有得到實質(zhì)性的突破。1960年美國加利福尼亞大學(xué)的Loeb和Sourirajan研制出第一張可實用的反滲透膜，膜分離技術(shù)才進(jìn)入了大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用時代。目前，膜分離作為一致新型的分離技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生物產(chǎn)品、醫(yī)藥、食品、生物化工等領(lǐng)域、是藥物生產(chǎn)過程中制水、澄清、除菌、精制純化以及濃縮等加工過程的重要手段。本章主要討論制藥工業(yè)中一些常用膜分離過程的工作原理、傳質(zhì)機(jī)理、分離效果、裝置及應(yīng)用情況。掌握內(nèi)容：膜分離過程基本原理和特點；膜的分類和特點；幾種膜組件的特點；膜性能的評價方法；膜污染的危害和控制方法；滲透現(xiàn)象和濃差極化現(xiàn)象對膜過程的影響第一節(jié)膜分離技術(shù)與分離膜一、膜分離的特點及分類

膜分離過程是指利用天然的或合的、具有選擇透過性的薄膜作為分離介質(zhì)，在濃度差、壓力差等作用下，使混合液體或氣體混合物中的某一或某些組分選擇性地透過膜，已達(dá)到分離、分級、提純或濃縮目的。1、膜分離的特點（1）以具有選擇透過性的膜分隔兩相界面，被膜分隔的兩相之間依靠不同組分透過膜得速率差來實現(xiàn)組分分離。（2）膜分離過程無相變發(fā)生，能耗低，無需外加物質(zhì)，對環(huán)境無二次污染之憂。（3）分離過程通常在溫和條件下完成，適用于熱敏性藥物的分離、分級、濃縮。（4）膜組件結(jié)構(gòu)緊湊，處理系統(tǒng)集成化、操作方便；處理過程能耗較低、單機(jī)分離效率高、無污染等優(yōu)點。

不足之處：在膜使用過程中不可避免地產(chǎn)生濃差極化、膜污染等現(xiàn)象，從而影響膜的使用壽命，增加操作費用2、膜的分類根據(jù)驅(qū)動力的不同，膜分離過程大致分為三類：壓力

驅(qū)動膜過程，濃度差驅(qū)動膜分離過程和電力驅(qū)動膜過程。其中壓力驅(qū)動膜過程又進(jìn)一步分為：微濾、超濾、納濾和反滲透。

隨著膜制備技術(shù)的不斷提高，膜分離吉利的研究不斷深入以及分離技術(shù)與其他技術(shù)的廣泛結(jié)合，膜分離技術(shù)得到了迅速發(fā)展，逐漸成為藥物分離和純化的重要方法。二、分離膜膜是指分隔兩相界面并以特定的形式限制和傳遞各種物質(zhì)的分離介質(zhì)。（一）膜的種類和結(jié)構(gòu)1、膜的種類根據(jù)來源不同可分為：天然膜和合成膜。根據(jù)相態(tài)不同合成膜可分為：固體膜、液體膜和氣體膜，目前大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的是固體膜。根據(jù)材質(zhì)不同固體膜可分為：有機(jī)膜和無機(jī)膜；按結(jié)構(gòu)又分為致密膜和多孔膜。根據(jù)膜的電荷情況可分為荷電膜和非荷電膜。荷電膜結(jié)構(gòu)中載有固定的正電荷或負(fù)電荷。包括離子交換膜、反滲透膜和納濾膜。離子交換膜又分為陰離子交換膜和陽離子交換膜。2、膜的結(jié)構(gòu)根據(jù)膜的斷面結(jié)構(gòu)及制備過程可分為對稱膜、不對稱膜和復(fù)合膜。

對稱膜和不對稱膜示意圖

（二）膜材料膜的斷面結(jié)構(gòu)示意圖目前使用的分離膜大體上分為三類：天然高分子膜、合成高分子膜和無機(jī)膜。前兩者合稱為有機(jī)高分子膜。分離過程中對膜的要求是：具有良好的成膜性、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)穩(wěn)定性，耐酸、堿和微生物侵蝕及耐氧化性能。1、有機(jī)膜材料（1）天然高分子膜天然高分子膜主要為纖維素的衍生物，是應(yīng)用最早，也是目前應(yīng)用最多的膜材料。主要用于反滲透、超濾、微濾，在氣體分離和滲透汽化中也有應(yīng)用。如乙酸纖維、硝酸纖維等，在注射針劑中藥液除菌過濾使用的大多是乙酸纖維膜。（2）合成有機(jī)高分子膜合成高分子膜材料應(yīng)用最多，主要有聚砜、聚酰亞胺、芳香聚酰胺、聚丙烯晴、聚烯烴、聚乙烯醇、尼龍、聚碳酸酯等。目前，芳香聚酰胺和雜環(huán)類膜材料主要用于反滲透和納濾。聚酰亞胺已用于超濾、反滲透和氣體分離膜的制備。聚砜是超濾、微濾膜的重要材料，由于抗壓密性和抗氧化性強(qiáng)，也是良好的復(fù)合膜支撐材料，但其疏水性使膜的透水性差。常用的有機(jī)高分子膜材料見書P245表11-2。2、無機(jī)膜材料無機(jī)膜包括陶瓷膜、微孔玻璃膜、金屬膜和碳分子篩膜。在注射針劑生產(chǎn)過程中，提高藥業(yè)的澄明度多采用陶瓷膜。

電鏡下的陶瓷膜孔第二節(jié)膜分離過程與分離機(jī)理

膜分離過程是以選擇性透過膜為分離介質(zhì)。當(dāng)膜兩側(cè)存在某種推動力（如壓力差、濃度差、電位差等）時，原料側(cè)組分選擇性的透過膜，以達(dá)到分離、提純的目的。不同的膜過程使用的膜不同，推動力也不同。根據(jù)推動力不同，膜過程可分為四大類：（1）以壓力差為推動力（壓力驅(qū)動）的過程；（2）以電位差為推動力（電位驅(qū)動）的過程；（3）以濃度差為推動力（濃度差驅(qū)動）的過程；（4）以蒸汽分壓差為推動力（蒸汽分壓驅(qū)動）的過程。不同的膜分離過程往往有不同的分離機(jī)制，即使同一個分離過程也有不同的機(jī)理模型。一、壓力驅(qū)動膜分離過程

目前已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化的以壓力差為推動力的膜過程有：微濾、超濾、納濾和反滲透。微濾（MF）是一種與粗濾相似的膜分離過程。微孔濾膜具有比較整齊的、均勻的多孔結(jié)構(gòu)。又稱為精過濾。微濾的分離機(jī)理

為微濾的分離機(jī)理一般認(rèn)為屬于機(jī)械篩分，膜的物理結(jié)構(gòu)起決定性作用。微孔濾膜截留作用大體可分為以下兩類：膜的表面截留和膜內(nèi)部截留。聚四氟乙烯微濾膜電鏡照片微濾的應(yīng)用微濾在所有膜分離過程中應(yīng)用最普遍、銷售總額最大。制藥行業(yè)中的除菌過濾、中藥液體制劑澄清;中藥復(fù)方提取液的除雜，在不影響藥效的情況下具有較好的澄清除雜效果。（二）超濾超濾（UF）膜多為不對稱膜，操作靜壓差一般為0.1~0.5MPa，被分離組分直徑大約為0.01~0.1um，即截留組分的相對分子質(zhì)量介于500~1000000的大分子和膠體粒子。超濾的分離原理與微濾分離過程相似，超濾也是通過膜孔的篩分作用將料液中大于膜孔的大分子溶質(zhì)進(jìn)行截留，使這些溶質(zhì)與溶劑及小分子組分分離的膜分離技術(shù)。膜孔的大小和形狀對分離起主要作用，膜的化學(xué)性質(zhì)也是影響超濾分離的重要因素。超濾過程中溶質(zhì)的截留有三種方式：膜表面的機(jī)械截留，在膜孔中滯留而被去除或在膜表面及微孔內(nèi)的吸附。超濾的應(yīng)用超濾主要應(yīng)用于尺寸較大的分子、微粒與低分子物質(zhì)或溶劑分離過程。利用超濾膜“篩分”機(jī)理即膜孔徑大小特征將中藥體系中的有效組分或有效部位進(jìn)行分離提純，在中藥中日益受到青睞。其應(yīng)用包括三個方面：分離純化，有效去除非藥效成分；提高藥效成分濃度，減少劑量；制劑生產(chǎn)，包括制備注射液、口服液等。表11-3絮凝-超濾法和醇沉法處理刺五加提取液的比較（三）反滲透1、滲透和反滲透滲透：將溶劑和溶液用半透膜隔開，并且這種膜只能透過溶劑分子而不能透過溶質(zhì)分子。若膜兩側(cè)的靜壓力相等，將發(fā)生溶劑分子從溶劑側(cè)透過膜到溶液側(cè)的滲透現(xiàn)象。反滲透：當(dāng)膜兩側(cè)的靜壓差大于溶液的滲透壓時，溶劑分子將從溶質(zhì)濃度高的溶液側(cè)透過膜流向溶質(zhì)濃度低的溶劑側(cè)。反滲透過程必須滿足兩個條件：一是有一種選擇性和高透過率的選擇透過膜；二是操作壓力必須高于溶液的滲透壓。實際反滲透過程中，膜兩側(cè)的靜壓差還必須克服透過膜的阻力。

2.反滲透的分離機(jī)理

（1）溶解-擴(kuò)散理論Lonsdale和riley等人將反滲透膜的表面層設(shè)想為致密無孔，并假設(shè)溶劑和溶質(zhì)均溶解于非多孔膜表面層內(nèi)，溶解情況服從亨利定律，然后各自在濃度差或壓力差作用下擴(kuò)散通過膜，再從膜的另一側(cè)解吸出來。（2）優(yōu)先吸附-毛細(xì)孔流理論當(dāng)水溶液與高分子多孔膜接觸時，由于膜的化學(xué)性質(zhì)對溶質(zhì)排斥，對水分子優(yōu)先吸附，則在膜與溶液界面上形成一層純水層。在壓力作用下，優(yōu)先吸附的水通過膜就形成了脫鹽過程。純水層的厚度與溶液性質(zhì)和膜表面的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)膜表面毛細(xì)管直徑為純水層2倍（2-4個水分子層）時，對毛細(xì)管而言，能夠得到最大流量的純水，該孔徑被稱為“臨界孔徑”。3.反滲透的應(yīng)用反滲透的應(yīng)用領(lǐng)域已從早期的海水、苦咸水脫鹽淡化發(fā)展到化工、食品、制藥以及造紙工業(yè)中某些有機(jī)物及無機(jī)物的分離。反滲透技術(shù)在中草藥制劑的濃縮及回收中藥有效成分提取液中的溶劑等方面有很大的發(fā)展前景。（三）納濾納濾（NF）介于反滲透和超濾之間，是20世紀(jì)80年代初期繼反滲透之后開發(fā)出來的一種新型膜分離技術(shù)。納濾膜表面孔徑處于納米級范圍，其分離對象主要為粒徑尺寸在1nm左右的物質(zhì)，對相對分子質(zhì)量介于200~2000的有機(jī)物具有良好的截留性能，對單價離子和小分子物質(zhì)的截留率相對較低。操作壓力一般在1MPa。此外，荷電的納濾膜能根據(jù)離子的大小及價態(tài)的高低對低價離子和高價離子進(jìn)行分離。納濾膜的遷移機(jī)理尚未確定，目前大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為：納濾膜的分離作用主要是篩分效應(yīng)和Donnan效應(yīng)兩種特征。在分離濃度恒定的同電性離子時，納濾膜對價態(tài)低的、半徑小的離子有較低的截留率。而在處理不同自由離子時，膜對離子的截留率還與離子的濃度有關(guān)。主要應(yīng)用有：納濾精制低聚糖；對青霉素等抗生素進(jìn)行濃縮和純化等二、電力驅(qū)動膜分離過程以電位差為推動力的膜分離過程典型代表為電滲析（ED），電滲析是利用分子的荷電性質(zhì)和分子大小的差別進(jìn)行分離的膜分離法。電滲析的結(jié)構(gòu)和工作原理電滲析的應(yīng)用電滲析是一種相當(dāng)成熟的膜分離技術(shù)，主要用于海水的淡化、苦咸水除鹽、制備純水以及從體系中脫出電解質(zhì)等處理。此外，電滲析還可以在制藥行業(yè)中用于純水的制備。三、濃度差驅(qū)動膜分離過程

以濃度差為推動力的膜分離過程主要是滲析，也叫透析。在滲析中料液和滲析液分別從膜兩側(cè)通過，料液和滲析液中的小分子溶質(zhì)在膜兩側(cè)濃度梯度的推動下，通過膜擴(kuò)散相互交換。由于各組分的分子大小和溶解度不同，使得不同溶質(zhì)的擴(kuò)散速率也不同，通過選擇適當(dāng)膜孔徑的滲析膜可實現(xiàn)分子大小不同組分分離目的。在實際中常用來脫除混合溶液中的低分子量組分，達(dá)到濃縮的目的。滲析在醫(yī)療上主要用于血液透析。由于滲析過程傳質(zhì)推動力是膜兩側(cè)溶液中組分的濃度差，受體系條件限制，處理效率低，選擇性不高，故在工業(yè)上應(yīng)用不多。僅用于從血清蛋白和疫苗中脫除鹽和其他低分子溶質(zhì)，降低啤酒的醇含量以及在實驗室用于粗酶提純等。第三節(jié)膜分離過程中的關(guān)鍵技術(shù)一、膜的性能參數(shù)表征膜的性能參數(shù)主要有：膜的孔道特征、膜的荷電性與親水性能、膜的截留率與截留分子量、膜的滲透通量等，同時還應(yīng)有膜的使用溫度范圍、PH范圍、抗壓能力和對溶劑穩(wěn)定性等參數(shù)。膜的選擇性和滲透通量是以壓力為驅(qū)動力膜分離過程兩個非常重要的技術(shù)指數(shù)。膜的選擇性常用截留率R0來表征，表達(dá)式為R0=1-cp/cm由于cm不易測得，通常用料液濃度cb替代，此時截留率為表觀截留率RR=1-cp/cb膜的滲透通量J代表了膜的處理能力，即溶劑通過膜的速率水通量或膜通量J=V/St二、膜的污染與清洗（一）膜的污染和劣化在膜分離的過程中，由于溶劑和小分子溶質(zhì)大量透過膜，大分子溶質(zhì)被截留在膜表面積累，當(dāng)濃度高于主體料液濃度時將引發(fā)這些溶質(zhì)從膜的表面向主體料液擴(kuò)散，這一現(xiàn)象稱為濃差極化。這一現(xiàn)象幾乎存在于所有的膜分離過程中，出現(xiàn)的時間取決于料液的性質(zhì)、膜性能及操作條件。膜污染就是指由于膜表面形成了吸附層或膜孔賭塞等外部因素導(dǎo)致膜性能下降的現(xiàn)象。不同的膜分離過程，膜的污染程度和造成原因也不同。微濾膜的膜污染主要是由顆粒在膜孔徑內(nèi)堵塞和在膜表面形成凝膠層造成的；超濾膜所遇到的污染問題主要是由濃度極化造成的；反滲透和納濾為無孔膜，污染主要是溶質(zhì)在膜表面吸附和沉積作用造成的。膜劣化是指膜材質(zhì)自身發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的變化，從而導(dǎo)致膜性能改變。導(dǎo)致膜劣化的原因可分為化學(xué)、物理及生物三個方面。（二）膜的清洗當(dāng)膜的滲透通量降低到一定值后，生產(chǎn)能力下降、能耗增大，必須對膜組件的進(jìn)行清洗或更換。因此膜清洗是恢復(fù)膜的分離性能、延長膜的使用壽命的重要操作。常用的清洗方法有：水力清洗、機(jī)械清洗、電清洗和化學(xué)清洗四種。水力清洗有低壓高速沖洗、反沖洗、低壓水與空氣混合沖洗等多種方式。沖洗液可以是去離子水或透過液。這種沖洗方式對膜孔堵塞和膜表面因凝膠層壓實形成的濾餅等污染比較有效。機(jī)械清洗用海綿球清洗或刷洗，通常用于超濾和微濾的內(nèi)壓管式膜組件。該法幾乎能去除全部的軟質(zhì)垢，對于硬質(zhì)垢的清洗可能會造成膜表面損傷。電清洗通過對膜施加電場力，使帶電粒子或分子沿電場方向遷移達(dá)到清洗的目的。該法適用于荷電膜且裝置上配有電極的場合，如電滲析?；瘜W(xué)清洗它是減輕膜污染的最重要的方法之一。選用一定的化學(xué)試劑，對膜組件進(jìn)行浸泡或采用物理清洗的方法在膜表面循環(huán)清洗。（三）膜的污染和劣化預(yù)防方法料液的預(yù)處理預(yù)處理是預(yù)防污染的有效措施之一。對于具體的膜分離過程，可選用殺菌、調(diào)節(jié)PH，預(yù)先脫除粗大顆粒物等多種預(yù)處理方法。操作方式的優(yōu)化

膜過程中膜污染的防治及滲透通量的強(qiáng)化可通過操作方式的優(yōu)化來實現(xiàn)。例如控制初始滲透通量；反向操作模式等。

膜組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化膜分離過程設(shè)計中，膜組件內(nèi)流體力學(xué)條件的優(yōu)化，即預(yù)先選擇料液操作流速和膜滲透通量，并考慮到所需動力等。膜組件的清洗針對膜污染產(chǎn)生的原因，可以在膜分離過程完成后采用合適的清洗方式對已經(jīng)污染的膜進(jìn)行清洗再生，恢復(fù)膜通量。在進(jìn)行清洗時大多采用整體清洗的方式，即直接對膜組件進(jìn)行清洗而不必將膜和組件分開。此外，縮短膜的清洗周期、選擇抗污染性能強(qiáng)的膜對膜污染防治也非常重要。三、膜組件任何一個膜分離過程，不僅需要具有優(yōu)良分離特性的膜，還需要結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定的膜分離裝置。安裝膜的最小單元被稱為膜組件。膜組件的設(shè)計遵循兩種膜構(gòu)型設(shè)計：平板膜和管式膜。1.板框式膜組件板框式膜組件結(jié)構(gòu)類似板框式壓濾機(jī)，基本部件包括：平板膜、支撐盤和間隔盤。2.卷式膜組件由于卷式膜組件結(jié)構(gòu)簡單、造價低、裝填密度高，同時具有一定的抗污染性，盡管具有不易清洗的缺點，但還是取得了很大的成功。3.管式膜組件有內(nèi)壓式和外壓式兩種。管式膜組件的優(yōu)點是對料液預(yù)處理要求不高，可用于處理高濃度懸浮液。缺點是設(shè)備運行和投資費用較高，膜的裝填密度不高。4.中空纖維膜組件中空纖維膜組件也有外壓式和內(nèi)壓式兩種。通常內(nèi)壓式有利于保護(hù)具有選擇性的膜表層，而外壓式可以獲得更大的膜面積且易于清洗。四、膜分離過程中的影響因素影響膜分離的因素有很多，需要從料液的性質(zhì)到清洗等各個方面，下面主要介紹操作參數(shù)對膜分離過程的影響：1.操作壓力的影響微濾和超濾的膜通量及納濾和反滲透的溶劑通量在污染較輕的情況下都隨著壓力的增大而升高；隨著膜表面濃差極化的形成，滲透通量增長的速度開始變緩2.料液濃度和流速的影響料液濃度增加，黏度增大，膜表面流動的邊界層增厚。這不利于膜表面的傳質(zhì)過程，易導(dǎo)致濃差極化。膜流速升高有利于減小濃差極化的影響，使過濾阻力下降。3.溫度的影響一方面，溫度