制藥設(shè)備與工程設(shè)計(jì)第12章膜分離設(shè)備

第12章膜分離設(shè)備（P136）12.1

膜分離原理及特點(diǎn) 12.2

膜組件 12.3

膜分離在制藥工業(yè)中的應(yīng)用

1壓力12.1

膜分離原理及特點(diǎn)膜是一種起分子級(jí)分離過(guò)濾作用的介質(zhì)，當(dāng)溶液或混和氣體與膜接觸時(shí)，在壓力下，或電場(chǎng)作用下，或溫差作用下，某些物質(zhì)可以透過(guò)膜，而另些物質(zhì)則被選擇性的攔截，從而使溶液中不同組分，或混和氣體的不同組分被分離，這種分離是分子級(jí)的分離。2

膜分離技術(shù)是用半透膜作為選擇障礙層，允許某些組份透過(guò)而保留混和物中其他組份，從而達(dá)到分離目的的技術(shù)總稱。壓力12.1

膜分離原理及特點(diǎn)3發(fā)酵液中可能存在的主要成分組份

分子量（D）

尺寸大?。╪m）酵母和真菌

103~104

細(xì)菌

300~104

膠體

100~103

病毒

30~300

蛋白質(zhì)

104~106

2~10

多糖

104~106

2~10

酶

104~106

2~10

抗體

300~103

0.6~1.2

單糖

200~400

0.8~1.0

有機(jī)酸

100~500

0.4~0.8

無(wú)機(jī)離子

10~100

0.2~0.44各種分離法及適用范圍5各種膜分離技術(shù)分離范圍膜過(guò)程分離機(jī)理

分離對(duì)象

孔徑（nm）粒子過(guò)濾體積大小

固體粒子

>10000

微濾體積大小

0.05~10μm的固體粒子

50~10000

超濾體積大小

1000~1000000道爾頓

2~50

的大分子，膠體

納濾溶解擴(kuò)散

離子、分子量<100的有機(jī)物

<2

反滲透溶解擴(kuò)散

離子、分子量<100的有機(jī)物

<0.5

滲透蒸發(fā)溶解擴(kuò)散

離子、分子量<100的有機(jī)物

<0.5

6微濾分離原理利用篩分原理，分離、截留直徑為0.05m到10m大小的粒子，即微濾膜的孔徑為0.05m到10m。采用壓力為0.05～0.5MPa。7超濾分離原理超濾的分離原理也可基本理解為篩分原理，但在有些情況下受到粒子荷電性及其與荷電膜相互作用的影響。它可分離分子量從1000到1000000道爾頓的可溶性大分子物質(zhì)，對(duì)應(yīng)孔徑為20~500埃（0.002m到0.05m）。采用壓力為0.1~1MPa。8反滲透分離原理

在高于溶液滲透壓的壓力作用下，只有溶液中的水透過(guò)膜，而所有溶液中大分子、小分子有機(jī)物及無(wú)機(jī)鹽全被截留住。理想的反滲透膜應(yīng)被認(rèn)為是無(wú)孔的，它分離的基本原理是溶解擴(kuò)散（也有毛細(xì)孔流學(xué)說(shuō)）?！澳た讖健睘?到10埃。采用壓力為1～10MPa.9電滲析分離原理10滲透汽化分離原理

它的基本原理是利用膜與被分離有機(jī)液體混和物中各組份的親合力不同而有選擇地優(yōu)先吸附溶解某一組份，及各組份在膜中擴(kuò)散速度不同來(lái)達(dá)到分離的目的，因此它不存在蒸餾法中的共沸點(diǎn)的限制，可連續(xù)分離、濃縮，直至得到純有機(jī)物。1112膜分離特點(diǎn)★

處理效率高，設(shè)備易于放大；★可在室溫或低溫下操作，適宜于熱敏感物質(zhì)分離濃縮；★化學(xué)與機(jī)械強(qiáng)度最小，減少失活；★

無(wú)相轉(zhuǎn)變，省能；★

有相當(dāng)好選擇性，可在分離、濃縮的同時(shí)達(dá)到部分純化目的；★選擇合適膜與操作參數(shù)，可得到較高回收率；★系統(tǒng)可密閉循環(huán)，防止外來(lái)污染；★

不外加化學(xué)物，透過(guò)液（酸、堿或鹽溶液）可循環(huán)使用，降低了成本，并減少對(duì)環(huán)境的污染。13膜分離也有很多缺點(diǎn)，比如膜面易發(fā)生污染，膜分離性能降低，故需采用與工藝相適應(yīng)的膜面清洗方法；穩(wěn)定性、耐藥性、耐熱性、耐溶劑能力有限，故使用范圍有限；單獨(dú)的膜分離技術(shù)功能有限，需與其他分離技術(shù)連用。14

膜分離技術(shù)的重要性評(píng)論

美國(guó)官方文件曾說(shuō)"18世紀(jì)電器改變了整個(gè)工業(yè)進(jìn)程，而20世紀(jì)膜技術(shù)將改變整個(gè)面貌”，又說(shuō)“目前沒(méi)有一種技術(shù)，能像膜技術(shù)這么廣泛地被應(yīng)用”。

國(guó)外有關(guān)專家夸大地把膜技術(shù)的發(fā)展稱為“第三次工業(yè)革命”

日本則把膜技術(shù)作為21世紀(jì)的基盤(pán)技術(shù)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。

在1987年日本東京國(guó)際膜與膜過(guò)程會(huì)議上，明確指出“在21世紀(jì)多數(shù)工業(yè)中，膜過(guò)程扮演著戰(zhàn)略的角色”。

世界著名的化工與膜專家，美國(guó)國(guó)家工程院院士，北美膜學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)黎念之博士在1994年應(yīng)邀訪問(wèn)我國(guó)化工部及所屬大學(xué)時(shí)說(shuō)：“要想發(fā)展化工就必須發(fā)展膜技術(shù)”。

他也非常贊同國(guó)際上流行的說(shuō)法“誰(shuí)掌握了膜技術(shù)，誰(shuí)就掌握了化工的未來(lái)”。15常用的膜材料纖維素、聚砜、聚酰胺、聚酯等有機(jī)：無(wú)機(jī)：金屬、陶瓷等膜的種類很多，可分為有機(jī)高分子膜和無(wú)機(jī)膜兩類。目前在制藥工業(yè)生產(chǎn)中使用最為廣泛的是聚砜(PS)類材料，約占32％；纖維素材料中的醋酸纖維素(CA)和三醋酸纖維素(CTA)分別占13％和7％；聚丙烯腈(PAN)占6％；無(wú)機(jī)膜占22％；其他的膜材料約為20％。16中空纖維超濾膜結(jié)構(gòu)示意圖17中空纖維超濾膜結(jié)構(gòu)單內(nèi)皮層雙皮層18單內(nèi)皮層中空纖維超濾膜結(jié)構(gòu)19膜組件◆膜分離裝置：膜組件、泵過(guò)濾器、閥、儀表及管路等構(gòu)成?！?/p>

膜組件：是一種將膜以某種形式組裝在一個(gè)基本單元設(shè)備內(nèi)，然后在外界驅(qū)動(dòng)力作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)混合物中各組分分離的器件，它又被稱為膜器件或簡(jiǎn)稱膜分離器?！?/p>

膜器件主要型式：板框式、圓管式、螺旋卷式、中空纖維式和毛細(xì)管式。20表12-1各種類型膜組件的主要特征膜組件類型板框式圓管式螺旋卷式中空纖維毛細(xì)纖維生產(chǎn)成本/（$/m2）①100~30050~20030~1005~2020~100裝填密度低低適中高適中抗污染能力好很好適中很差好產(chǎn)生壓降適中低適中高適中適合高壓操作可以，有一定困難可以，有一定困難適合適合不適合限于專門(mén)類型的膜非非非是是①以聚砜為標(biāo)準(zhǔn)聚合物的估計(jì)價(jià)格。21性能良好的膜器件應(yīng)達(dá)到的要求：1、對(duì)膜能提供足夠的機(jī)械支撐并可使高壓原料液（氣）和低壓透過(guò)液（氣）嚴(yán)格分開(kāi)。2、在能耗最小的條件下，使原料液（氣）在膜面上的流動(dòng)狀態(tài)均勻合理，以減少濃差極化。3、具有盡可能高的裝填密度（即單位體積的膜組件中填充較多的有效膜面積）并使膜的安裝和更換方便。4、裝置牢固、安全可靠、價(jià)格低廉和容易維護(hù)。22膜膜組件：膜、膜的支撐體或連接物，與膜器件中流體分布有關(guān)的流道、膜的密封，外殼或外套以及外接口等。膜分離過(guò)程實(shí)質(zhì)：小分子物質(zhì)透過(guò)膜，而大分子物質(zhì)或固體粒子被阻擋。膜分離的推動(dòng)力：濃度差、壓力差、電位差等2312.2.1

板框式膜組件板和框堆積而成隔板膜支撐板膜板框式膜組件主要是由許多板和框堆積組裝在一起而得名，其外觀很像普通的板框式壓濾機(jī)。所不同的是后者用的過(guò)濾介質(zhì)為帆布、棉餅等，而前者用的是膜。2412.2.1

板框式膜組件一、特點(diǎn)：（1）組裝比較簡(jiǎn)單（2）操作比較方便（3）膜的機(jī)械強(qiáng)度隔板膜支撐板膜應(yīng)用：超濾、微濾、反滲透、滲透氣化和電滲析25二、類型與結(jié)構(gòu)（1）系緊螺栓式板框膜組件圓形承壓板多孔支撐板膜經(jīng)黏結(jié)密封構(gòu)成濾板26（2）耐壓容器式板框膜組件27（3）折疊式膜組件特點(diǎn)：?jiǎn)挝惑w積中的膜面積大，因而過(guò)濾效率高。2812.2.2

圓管式膜組件圓管式膜組件是指在圓筒狀支撐體的內(nèi)側(cè)或外側(cè)刮制上半透膜而得的圓管形分離膜，其支撐體的構(gòu)造或半透膜的刮制方法隨處理原料液的輸入方式及透過(guò)液的導(dǎo)出方式而異。在所有膜組件中，圓管式膜組件的表面積／體積比是最低的。管式膜組件主要應(yīng)用于超濾（UF），微濾（MF）和單級(jí)反