膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用

關(guān)于膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用2本章主要內(nèi)容一、概述二、膜分離過程類型及膜材料三、膜組件四、濃差極化與膜污染及清洗方法五、膜分離法的應(yīng)用第2頁,共66頁，2024年2月25日，星期天3膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用

——概述近20年發(fā)展起來的膜分離技術(shù)，已廣泛用于生物工程、食品、醫(yī)藥、化工等工業(yè)生產(chǎn)及水處理等各個(gè)領(lǐng)域；膜分離技術(shù)是用半透膜作為選擇障礙層，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)。第3頁,共66頁，2024年2月25日，星期天4★膜分離的特點(diǎn)①操作在常溫下進(jìn)行,設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便；②是物理過程，不需加入化學(xué)試劑；③不發(fā)生相變化（因而能耗較低）；④在很多情況下選擇性較高；⑤濃縮和純化可在一個(gè)步驟內(nèi)完成；⑥設(shè)備易放大，可以分批或連續(xù)操作。因而在生物產(chǎn)品的處理中占有重要地位膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用

——概述第4頁,共66頁，2024年2月25日，星期天5膜的定義：膜可定義為兩相之間的不連續(xù)區(qū)間?？梢允菤庀?、液相和固相。注意與相“界面”區(qū)別。廣義指的“膜”是指分隔兩相界面，并以特定的形式限制和傳遞各種化學(xué)物質(zhì)。膜的厚度應(yīng)在0.5mm以下，否則不能稱其為膜?？梢允牵壕嗟幕蚍蔷嗟?；對(duì)稱的或非對(duì)稱的；中性的或荷電的；固體的或液體的。膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用

——概述第5頁,共66頁，2024年2月25日，星期天6膜的分類對(duì)稱膜結(jié)構(gòu)與方向無關(guān)的膜。非對(duì)稱膜致密的分離層和多孔支撐層復(fù)合膜選擇性膜層沉積于具有微孔的底膜（支撐層）表面上。荷電膜即離子交換膜，是一種對(duì)稱膜微孔膜孔徑為0.05-20um的膜。動(dòng)態(tài)膜在多孔介質(zhì)（如陶瓷管）上沉積一層顆粒物（氧化鋯）作為有選擇作用的膜，此沉積層與溶液處于動(dòng)態(tài)平衡。第6頁,共66頁，2024年2月25日，星期天7圖1對(duì)稱膜圖2非對(duì)稱膜第7頁,共66頁，2024年2月25日，星期天8膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用

——膜分離過程類型及膜材料一、膜分離過程的類型常見膜分離過程①微濾（Microfiltration，MF）②超濾（Ultrafiltration，UF）③反滲透（Reverseosmosis，RO）④透析（Dialysis，DS）⑤電滲析（Electrodialysis，ED）⑥滲透氣化（Pervaporation，PV）第8頁,共66頁，2024年2月25日，星期天9膜分離法與物質(zhì)大小（直徑）的關(guān)系一、膜分離過程的類型膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用

——膜分離過程類型及膜材料第9頁,共66頁，2024年2月25日，星期天10膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用

——膜分離過程類型及膜材料第10頁,共66頁，2024年2月25日，星期天11＜0.5

離子、分子量＜100的有機(jī)物

溶解擴(kuò)散

滲透蒸發(fā)＜0.5

離子、分子量＜100的有機(jī)物

溶解擴(kuò)散

反滲透＜２

離子、分子量＜100的有機(jī)物

溶解擴(kuò)散

納濾2～501000~1000,000Da的大分子

體積大小

超濾50～100000.05~10μm的固體粒子

體積大小

微濾＞10000固體粒子

體積大小

粒子過濾孔徑/nm分離對(duì)象

分離機(jī)理

膜過程膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用

——膜分離過程類型及膜材料各種膜分離技術(shù)分離范圍第11頁,共66頁，2024年2月25日，星期天12膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用

——膜分離過程類型及膜材料第12頁,共66頁，2024年2月25日，星期天131.微濾一、膜分離過程的類型第13頁,共66頁，2024年2月25日，星期天142.超濾一、膜分離過程的類型第14頁,共66頁，2024年2月25日，星期天153.反滲透一、膜分離過程的類型第15頁,共66頁，2024年2月25日，星期天16微濾、超濾、納濾和反滲透一、膜分離過程的類型第16頁,共66頁，2024年2月25日，星期天174、電滲析分離原理示意圖

在電位差下用荷電膜從水溶液中分離離子的過程。

陽膜只充許陽離子通過而陰離子被阻擋；

陰膜只充許陰離子通過而陽離子被阻擋。

一、膜分離過程的類型電位差第17頁,共66頁，2024年2月25日，星期天18

電滲器是利用離子交換膜的選擇透過性進(jìn)行工作，電滲析器主要組成部分是離子交換膜。分為陽膜，陰膜。一、膜分離過程的類型第18頁,共66頁，2024年2月25日，星期天19一、膜分離過程的類型5、滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)原理它是利用膜與被分離有機(jī)液體混合物中各組分的親合力不同，而有選擇性地優(yōu)先吸附溶液某一組分，及各組分在膜中擴(kuò)散速度不同，來達(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。

分離過程是用一張滲透蒸發(fā)膜,將進(jìn)料液相和透過氣相分隔開,并在氣相側(cè)抽真空或通以惰性氣流,把滲透組分的蒸氣壓控制到接近零,液相中產(chǎn)生的化學(xué)位梯度作為傳質(zhì)推動(dòng)力的膜分離過程。第19頁,共66頁，2024年2月25日，星期天20滲透蒸發(fā)原理示意圖一、膜分離過程的類型第20頁,共66頁，2024年2月25日，星期天21透析原理圖膜分離過程的類型

6、透析水分子大分子小分子透析膜由于膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度不同，在濃差的作用下，左側(cè)高分子溶液中的小分子溶質(zhì)（如無機(jī)鹽）透向右側(cè)，右側(cè)的水透向左側(cè)，這就是透析。透析過程中透析膜內(nèi)無流體流動(dòng)，溶質(zhì)以擴(kuò)散的形式移動(dòng)。第21頁,共66頁，2024年2月25日，星期天22二、膜的材料分離膜按荷電性分為中性膜、荷電膜；按材料親疏水性可分為親水膜與疏水膜。對(duì)膜一般要求：（1）透過速度（2）選擇性（3）機(jī)械強(qiáng)度（4）穩(wěn)定性微濾膜材料：聚偏氟乙烯，聚丙烯，硝酸纖維，醋酸纖維

超濾膜：聚砜，硝酸纖維，醋酸纖維反滲透膜：醋酸纖維素衍生物，聚醚，聚酰胺天然材料：各種纖維素衍生物人造材料：各種合成高聚物特殊材料：復(fù)合膜，無機(jī)膜,不銹鋼膜，陶瓷膜第22頁,共66頁，2024年2月25日，星期天23目前市售商品膜組件主要有管式、平板式、螺旋卷式和中空纖維(毛細(xì)管)式等四種，其中管式和中空纖維式膜組件根據(jù)操作方式不同，又分為內(nèi)壓式和外壓式。膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用

——膜組件第23頁,共66頁，2024年2月25日，星期天241.管式膜組件

管式膜組件是將膜固定在內(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。第24頁,共66頁，2024年2月25日，星期天25

管式膜組件的內(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。但是管式膜組件單位體積的過濾表面積(即比表面積)在各種膜組件中最小，這是它的主要缺點(diǎn)。第25頁,共66頁，2024年2月25日，星期天262.平板膜組件平板膜組件由多枚圓形或長(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。第26頁,共66頁，2024年2月25日，星期天27第27頁,共66頁，2024年2月25日，星期天283.螺旋卷式膜組件螺旋卷式膜組件如圖所示。將兩張平板膜固定在多孔性濾液隔網(wǎng)上(隔網(wǎng)為濾液流路)，兩端密封。兩張膜的上下分別襯設(shè)一張料液隔網(wǎng)(為料液流路)，卷繞在空心管上，空心管用于濾液的回收。螺旋卷式膜組件的比表面積大，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。第28頁,共66頁，2024年2月25日，星期天29第29頁,共66頁，2024年2月25日，星期天30第30頁,共66頁，2024年2月25日，星期天314.中空纖維(毛細(xì)管)式膜組件中空纖維或毛細(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。嚴(yán)格地講，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。由于兩種膜組件的結(jié)構(gòu)基本相同，故一般將這兩種膜裝置統(tǒng)稱為中空纖維膜組件。有內(nèi)壓式和外壓式兩種操作。第31頁,共66頁，2024年2月25日，星期天32外壓式膜組件結(jié)構(gòu)內(nèi)壓式膜組件結(jié)構(gòu)第32頁,共66頁，2024年2月25日，星期天33膜分離的特點(diǎn)?①操作在常溫下進(jìn)行,設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便；②是物理過程，不需加入化學(xué)試劑；③不發(fā)生相變化（因而能耗較低）；④在很多情況下選擇性較高；⑤濃縮和純化可在一個(gè)步驟內(nèi)完成；⑥設(shè)備易放大，可以分批或連續(xù)操作。因而在生物產(chǎn)品的處理中占有重要地位第33頁,共66頁，2024年2月25日，星期天34常見膜分離過程?①微濾（Microfiltration，MF）②超濾（Ultrafiltration，UF）③反滲透（Reverseosmosis，RO）④透析（Dialysis，DS）⑤電滲析（Electrodialysis，ED）⑥滲透氣化（Pervaporation，PV）第34頁,共66頁，2024年2月25日，星期天35目前膜組件主要那幾種形式？有管式、平板式、螺旋卷式和中空纖維(毛細(xì)管)式等四第35頁,共66頁，2024年2月25日，星期天36膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用

——濃差極化與膜污染及清洗方法一、濃差極化現(xiàn)象：在膜分離過程中，膜表面上溶質(zhì)濃度高于主體溶質(zhì)濃度的現(xiàn)象。是一個(gè)可逆過程，只有膜分離運(yùn)行過程才發(fā)生。濃差極化的產(chǎn)生：溶劑向膜面流動(dòng)引起溶質(zhì)向膜面流動(dòng)，當(dāng)溶質(zhì)向膜面的流動(dòng)速度與濃度梯度使溶質(zhì)向本體溶液擴(kuò)散速度達(dá)到平衡時(shí)，膜面形成一個(gè)穩(wěn)定的濃度梯度區(qū)。第36頁,共66頁，2024年2月25日，星期天37濃差極化導(dǎo)致膜的透過量降低。通過減小料液中溶質(zhì)濃度，改善膜面流體力學(xué)條件，可以減輕濃差極化度。第37頁,共66頁，2024年2月25日，星期天38二、膜污染定義:膜在使用中，雖然操作條件保持不變，但通過量仍逐漸降低的現(xiàn)象稱為膜污染。污染的原因：附著層：濾餅：料液中懸浮物在膜面的堆積。凝膠：溶解性有機(jī)物濃縮后粘附于膜面。水垢：溶解性無機(jī)物生成的水垢軟附于膜面。吸附層：膠體物質(zhì)或微生物的吸附。堵塞：料液中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子吸附、沉積在膜表面或膜孔中，造成膜孔徑變小或堵塞。第38頁,共66頁，2024年2月25日，星期天39膜污染與濃差極化的區(qū)別：膜污染引起通量衰減是不可逆的（必須通過清洗的辦法才能消除），而濃差極化是可逆的（變更操作條件可使?jié)獠顦O化消除）。第39頁,共66頁，2024年2月25日，星期天40膜污染可使膜的滲透量下降，且可使膜發(fā)生劣化，導(dǎo)致膜的使用壽命縮短。減輕膜污染的方法：①進(jìn)料液的預(yù)處理，達(dá)到膜組件的進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)。5-10μm的過濾器——除去膠體、固懸物、鐵銹等絮凝、PH值——除去一些污染物第40頁,共66頁，2024年2月25日，星期天41②改善膜的性質(zhì)（表面性質(zhì)如表面極性和電荷性）如研制蛋白質(zhì)難吸附的膜（表面添加具有OH-或磺酸基等親水基的材料）。改善流體力學(xué)條件：通道結(jié)構(gòu)等③改善操作條件。如適當(dāng)提高水溫加速分子擴(kuò)散；調(diào)pH值遠(yuǎn)離蛋白的等電點(diǎn)。第41頁,共66頁，2024年2月25日，星期天42膜污染處理：經(jīng)清洗后，如純水的水通量達(dá)到或接近原來水平，則認(rèn)為污染已消除。物理清洗方法：靜置浸泡加高流速水沖洗；采用泡沫塑料軟球或海棉球擦洗；反沖洗；超聲波法等?；瘜W(xué)清洗：起溶解作用的物質(zhì)：酸、堿、酶、表面活性劑、分散劑等；切斷離子結(jié)合作用的方法：改變離子強(qiáng)度、pH等；起氧化作用的物質(zhì)：過氧化氫、次氯酸鹽等。起滲透作用的物質(zhì)：磷酸鹽等。第42頁,共66頁，2024年2月25日，星期天43膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用

——膜分離的應(yīng)用膜分離技術(shù)在純凈水處理中的應(yīng)用膜分離技術(shù)在電子工業(yè)用水中的應(yīng)用膜分離技術(shù)在給水及循環(huán)水處理中的應(yīng)用超濾技術(shù)除熱原超濾技術(shù)澄清藥酒和中藥制劑超濾技術(shù)在輕工、食品中的應(yīng)用膜分離技術(shù)在生物化工中的應(yīng)用超濾技術(shù)在膜生物反應(yīng)器中的應(yīng)用第43頁,共66頁，2024年2月25日，星期天44一、膜分離技術(shù)在純凈水處理中的應(yīng)用超純水制備裝置：中空纖維超濾組件，除去微生物、膠體和大分子物質(zhì)。一般的純凈水：反滲透設(shè)備（復(fù)合膜組件），可除去98%的無機(jī)鹽、有機(jī)物、膠體及細(xì)菌、熱原、病毒等。第44頁,共66頁，2024年2月25日，星期天45二、膜分離技術(shù)在電子工業(yè)用水中的應(yīng)用電子元件生產(chǎn)：需高純水用來清洗或配制各種溶液，不同的電子元件，對(duì)純水的不同用途，對(duì)水質(zhì)的要求不同。如：電解容器生產(chǎn)中，要用純水清洗（不能含有離子）。電子管生產(chǎn)中，要用純水配液。生產(chǎn)一個(gè)顯像管需用純水80kg。微電子工業(yè)中要用高純水和超純水清洗硅片。300-378L/每塊第45頁,共66頁，2024年2月25日，星期天46三、膜分離技術(shù)在給水及循環(huán)水處理中的應(yīng)用

應(yīng)用于發(fā)電廠。鍋爐內(nèi)外給水處理等。

技術(shù)：RO、活性炭過濾等。四、超濾技術(shù)除熱原熱原：細(xì)胞內(nèi)毒素，是細(xì)胞新陳代謝和細(xì)菌死后分解的產(chǎn)物。熱原的效能：對(duì)人注射后，15min-8h會(huì)發(fā)生冷感、寒戰(zhàn)、體溫升高，出冷汗等，甚至休克死亡，還會(huì)引起白血球下降。第46頁,共66頁，2024年2月25日，星期天47高壓消毒對(duì)熱原無用：熱原具很強(qiáng)的耐熱性，180-200℃加熱2h或250℃加熱30min才可徹底破壞，115℃消毒15min熱原降效25%。傳統(tǒng)用過濾加活性炭吸附除去針劑用水中的熱原?，F(xiàn)在有一種超濾膜，可一次除去熱原。熱原分子大小2-10nm，分子量20000-1000000之間，一般用截留分子量6000左右的膜。第47頁,共66頁，2024年2月25日，星期天48五、藥酒和中藥制劑的澄清

藥酒和中藥制劑中存在有大量的鞣質(zhì)、蛋白質(zhì)、淀粉、樹脂等大分子物質(zhì)，是一種膠體溶液。這些大分子物質(zhì)既無藥效又難以去除。

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心采用超濾法去除藥酒和中藥制劑中的雜質(zhì)取得了很好的效果。透過液澄清透明，大分子雜質(zhì)全部去除，有效成分均可透過膜。第48頁,共66頁，2024年2月25日，星期天49六、超濾技術(shù)在輕工、食品中的應(yīng)用主要集中在：果汁的澄清、濃縮；乳制品的濃縮、純化；生物制品的濃縮；飲用水的制備；醬油以及米醋的澄清、濃縮除濁；發(fā)酵工業(yè)中發(fā)酵液的純化；酒制品的純化和澄清。第49頁,共66頁，2024年2月25日，星期天50超濾技術(shù)分離、濃縮與純化酶制劑：傳統(tǒng)：離心除菌—多次硫酸銨沉淀—透析—脫鹽等（費(fèi)時(shí)、手續(xù)繁雜、回收率低）超濾技術(shù)：發(fā)酵液吸附—洗脫—超濾脫鹽—超濾濃縮—有機(jī)溶劑沉淀）例如：將僅有4-6酶活單位/毫升、比活為0.64的青霉素?；赴l(fā)酵液吸附洗脫，然后用超濾分離濃縮、脫鹽，可得到>200酶活單位/毫升，比活力>20的酶溶液，酶回收>80%，時(shí)間僅為一天。傳統(tǒng)方法需一周時(shí)間，回收率僅為30-50%。第50頁,共66頁，2024年2月25日，星期天51七、膜分離技術(shù)在生物化工中的應(yīng)用

生物化工中，膜分離主應(yīng)用于分離、濃縮、分級(jí)與純化生物產(chǎn)品。第51頁,共66頁，2024年2月25日，星期天521、微生物菌體分離

對(duì)于發(fā)酵的胞外產(chǎn)物，首先要除去懸浮的微生物、離子與膠體。目前，較好的固液分離方法是過濾或離心。例如：采用超濾法去除谷氨酸發(fā)酵液中的菌體，不僅可以將發(fā)酵原液中谷氨酸含量濃縮10倍，為菌體的再利用創(chuàng)造了條件；而且超濾透過液中谷氨酸含量、pH等理化指標(biāo)與發(fā)酵液相同，但不含菌體，且蛋白含量很低，再利用等電點(diǎn)法提取谷氨酸時(shí)，收率可達(dá)到90.96%，比傳統(tǒng)等電點(diǎn)法高7個(gè)百分點(diǎn)。第52頁,共66頁，2024年2月25日，星期天532、超濾親和純化超濾技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和親和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來的一種分離技術(shù)。親合階段：用大分子親和欲分離的生物產(chǎn)品分子，形成高分子復(fù)合物。洗滌階段：用超濾膜進(jìn)行超濾，將復(fù)合物截留，得到純化。解離階段：加入低分子親和基團(tuán)或改變?nèi)芤簵l件，如pH等，復(fù)合物解離。超濾，產(chǎn)品透過膜。再生階段：使大分子親和基團(tuán)復(fù)性，再用。第53頁,共66頁，2024年2月25日，星期天54需考慮幾點(diǎn)：大分子親和基團(tuán)要盡量選擇尺寸較大的，因而可以對(duì)應(yīng)選大孔徑的膜，縮短洗滌時(shí)間。在保持復(fù)合物截留率的前提下盡量用高透水量的膜。親和結(jié)合強(qiáng)度也要適中。第54頁,共66頁，2024年2月25日，星期天55第55頁,共66頁，2024年2月25日，星期天563、膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器（Membranebioreactor,MBR）是膜分離過程與生物反應(yīng)過程耦合的生物反應(yīng)裝置，可應(yīng)用于動(dòng)植物細(xì)胞的高密度培養(yǎng)、微生物發(fā)酵和酶反應(yīng)過程。

第56頁,共66頁，2024年2月25日，星期天57

中空纖維膜生物反應(yīng)器培養(yǎng)基廢物◆高分子產(chǎn)物（單抗）細(xì)胞膜第57頁,共66頁，2024年2月25日，星期天58中空纖維膜生物反應(yīng)器上圖為中空纖維膜生物反應(yīng)器，用于動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)，細(xì)胞密度可達(dá)109/cm3,而利用一般的培養(yǎng)器細(xì)胞密度只能達(dá)到106-107/cm3

。在培養(yǎng)過程中，動(dòng)物細(xì)胞生長(zhǎng)于中空纖維膜組件的殼體內(nèi)側(cè)，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(zhǎng)期穩(wěn)定并且高速度生產(chǎn)有用物質(zhì)。利用中空纖維膜生物反應(yīng)器培養(yǎng)雜交瘤細(xì)胞是工業(yè)生產(chǎn)單克隆抗體的主要方法之一。第58頁,共66頁，2024年2月25日，星期天59外循環(huán)式膜生物反應(yīng)器第59頁,共66頁，2024年2月25日，星期天60外循環(huán)式膜生物反應(yīng)器★上圖是生物反應(yīng)器與膜分離裝置分體設(shè)置的外循環(huán)式膜生物反應(yīng)器。外部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)器是一種連續(xù)全混釜型反應(yīng)器（CSTR），適用于連續(xù)微生物發(fā)酵和連續(xù)酶反應(yīng)過程。★它還適用淀粉和纖維素等高分子物質(zhì)的酶解?！镉捎诟叻肿拥孜锖兔副怀瑸V