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1、关于膜分离法及其在关于膜分离法及其在生物工程中的应用生物工程中的应用第一页，本课件共有66页2本章主要内容本章主要内容一、概述一、概述二、膜分离过程类型及膜材料二、膜分离过程类型及膜材料三、膜组件三、膜组件四、浓差极化与膜污染及清洗方法四、浓差极化与膜污染及清洗方法五、膜分离法的应用五、膜分离法的应用第二页，本课件共有66页3膜分离法及其在生物工程中的应用膜分离法及其在生物工程中的应用概概 述述近近2020年发展起来的膜分离技术，已广泛年发展起来的膜分离技术，已广泛用于生物工程、食品、医药、化工等工用于生物工程、食品、医药、化工等工业生产及水处理等各个领域；业生产及水处理等各个领域；膜分离技术
2、膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层，是用半透膜作为选择障碍层，允许某些组分透过而保留混合物中其它允许某些组分透过而保留混合物中其它组分，从而达到分离目的的技术。组分，从而达到分离目的的技术。第三页，本课件共有66页4膜分离的特点膜分离的特点操作在常温下进行操作在常温下进行,设备简单、操作方便；设备简单、操作方便；是物理过程，不需加入化学试剂；是物理过程，不需加入化学试剂；不发生相变化（因而能耗较低）；不发生相变化（因而能耗较低）；在很多情况下选择性较高；在很多情况下选择性较高；浓缩和纯化可在一个步骤内完成；浓缩和纯化可在一个步骤内完成；设备易放大，可以分批或连续操作。设备易放大，可以分批或连续
3、操作。因而在生物产品的处理中占有重要地位因而在生物产品的处理中占有重要地位膜分离法及其在生物工程中的应用膜分离法及其在生物工程中的应用概概 述述第四页，本课件共有66页5膜膜的的定定义义：膜膜可可定定义义为为两两相相之之间间的的不不连连续续区区间间。可可以以是是气相、液相和固相。注意与相气相、液相和固相。注意与相“界面界面”区别区别。广广义义指指的的“膜膜”是是指指分分隔隔两两相相界界面面，并并以以特特定定的的形形式式限限制制和和传传递递各各种种化化学学物物质质。膜膜的的厚厚度度应应在在0.5mm0.5mm以以下下，否则不能称其为膜。否则不能称其为膜。可以是：均相的或非均相的；可以是：均相的或
4、非均相的；对称的或非对称的；对称的或非对称的；中性的或荷电的；中性的或荷电的；固体的或液体的。固体的或液体的。膜分离法及其在生物工程中的应用膜分离法及其在生物工程中的应用概概 述述第五页，本课件共有66页6膜的分类膜的分类对称膜对称膜 结构与方向无关的膜。结构与方向无关的膜。非对称膜非对称膜 致密的分离层和多孔支撑层致密的分离层和多孔支撑层复合膜复合膜 选择性膜层沉积于具有微孔的底膜（支撑选择性膜层沉积于具有微孔的底膜（支撑层）表面上。层）表面上。荷电膜荷电膜 即离子交换膜，是一种对称膜即离子交换膜，是一种对称膜微孔膜微孔膜 孔径为孔径为0.05-20um的膜。的膜。动态膜动态膜 在多孔介质（
5、如陶瓷管）上沉积一层颗粒在多孔介质（如陶瓷管）上沉积一层颗粒物（氧化锆）作为有选择作用的膜，此沉积层与溶物（氧化锆）作为有选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡。液处于动态平衡。第六页，本课件共有66页7图图1 对称膜对称膜 图图2 非对称膜非对称膜第七页，本课件共有66页8膜分离法及其在生物工程中的应用膜分离法及其在生物工程中的应用 膜分离过程类型及膜材料膜分离过程类型及膜材料一、膜分离过程的类型一、膜分离过程的类型 常见膜分离过程常见膜分离过程微滤（微滤（Microfiltration，MF）超滤（超滤（Ultrafiltration，UF）反渗透（反渗透（Reverse osmosis
6、，RO）透析（透析（Dialysis，DS）电渗析（电渗析（Electrodialysis，ED）渗透气化（渗透气化（Pervaporation，PV）第八页，本课件共有66页9膜分离法与物质大小（直径）的关系膜分离法与物质大小（直径）的关系一、膜分离过程的类型一、膜分离过程的类型膜分离法及其在生物工程中的应用膜分离法及其在生物工程中的应用 膜分离过程类型及膜材料膜分离过程类型及膜材料第九页，本课件共有66页10膜分离法及其在生物工程中的应用膜分离法及其在生物工程中的应用 膜分离过程类型及膜材料膜分离过程类型及膜材料第十页，本课件共有66页110.5 离子、分子量离子、分子量100的有机物的有
7、机物 溶解扩散溶解扩散 渗透蒸发0.5 离子、分子量离子、分子量100的有机物的有机物 溶解扩散溶解扩散 反渗透 离子、分子量离子、分子量100的有机物的有机物 溶解扩散溶解扩散 纳滤25010001000,000Da的大分子的大分子 体积大小体积大小 超滤5010000 0.0510m的固体粒子的固体粒子 体积大小体积大小 微滤10000固体粒子固体粒子 体积大小体积大小 粒子过滤孔径孔径/nm分离对象分离对象 分离机理分离机理 膜过程膜过程膜分离法及其在生物工程中的应用膜分离法及其在生物工程中的应用 膜分离过程类型及膜材料膜分离过程类型及膜材料各种膜分离技术分离范围各种膜分离技术分离范围第
8、十一页，本课件共有66页12膜分离法及其在生物工程中的应用膜分离法及其在生物工程中的应用 膜分离过程类型及膜材料膜分离过程类型及膜材料第十二页，本课件共有66页131.微滤微滤一、膜分离过程的类型一、膜分离过程的类型第十三页，本课件共有66页142.2.超滤超滤一、膜分离过程的类型一、膜分离过程的类型第十四页，本课件共有66页153.3.反渗透反渗透一、膜分离过程的类型一、膜分离过程的类型第十五页，本课件共有66页16微滤、超滤、纳滤和反渗透微滤、超滤、纳滤和反渗透一、膜分离过程的类型一、膜分离过程的类型第十六页，本课件共有66页174、电渗析分离原理示意图、电渗析分离原理示意图在电位差下用荷
9、电膜从水溶液中分离离子的过程。在电位差下用荷电膜从水溶液中分离离子的过程。阳膜只充许阳离子通过而阴离子被阻挡；阳膜只充许阳离子通过而阴离子被阻挡；阴膜只充许阴离子通过而阳离子被阻挡。阴膜只充许阴离子通过而阳离子被阻挡。一、膜分离过程的类型一、膜分离过程的类型电位差电位差第十七页，本课件共有66页18 电渗器是利用离子交换膜的选择透过性进行工作，电渗器是利用离子交换膜的选择透过性进行工作，电渗析器主要组成部分是离子交换膜。分为阳膜，阴电渗析器主要组成部分是离子交换膜。分为阳膜，阴膜。膜。一、膜分离过程的类型一、膜分离过程的类型第十八页，本课件共有66页19一、膜分离过程的类型一、膜分离过程的类型
10、5、渗透蒸发、渗透蒸发渗透蒸发原理渗透蒸发原理 它是利用膜与被分离有机液体混合物中各组分的它是利用膜与被分离有机液体混合物中各组分的亲合亲合力不同力不同，而有选择性地优先吸附溶液某一组分，及各组，而有选择性地优先吸附溶液某一组分，及各组分在膜中分在膜中扩散速度扩散速度不同，来达到不同，来达到分离分离的目的。因此它的目的。因此它不存在蒸馏法中的共沸点的限制，可连续分离、浓缩，不存在蒸馏法中的共沸点的限制，可连续分离、浓缩，直至得到纯有机物。直至得到纯有机物。分离过程是用一张渗透蒸发膜分离过程是用一张渗透蒸发膜,将进料液相和透过气将进料液相和透过气相分隔开相分隔开,并在气相侧抽真空或通以惰性气流并
11、在气相侧抽真空或通以惰性气流,把渗把渗透组分的蒸气压控制到接近零透组分的蒸气压控制到接近零,液相中产生的化学液相中产生的化学位梯度作为传质推动力的膜分离过程。位梯度作为传质推动力的膜分离过程。第十九页，本课件共有66页20渗透蒸发原理示意图渗透蒸发原理示意图一、膜分离过程的类型一、膜分离过程的类型第二十页，本课件共有66页21透析原理图透析原理图膜分离过程的类型膜分离过程的类型 6、透析、透析水分子水分子大分子大分子小分子小分子透析膜透析膜由于膜两侧的溶质由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差浓度不同，在浓差的作用下，左侧高的作用下，左侧高分子溶液中的小分分子溶液中的小分子溶质（如无机盐）子溶质（如
12、无机盐）透向透向右侧，右侧的右侧，右侧的水水透向透向左侧，这左侧，这就是透析。就是透析。透析过程中透析透析过程中透析膜内无流体流动，膜内无流体流动，溶质以扩散的形溶质以扩散的形式移动。式移动。第二十一页，本课件共有66页22二、膜的材料二、膜的材料分离膜按荷电性分分离膜按荷电性分为中性膜、荷电膜；为中性膜、荷电膜；按材料亲疏水性可按材料亲疏水性可分为亲水膜与疏水分为亲水膜与疏水膜。膜。对膜一般要求：对膜一般要求：（1）透过速度）透过速度（2）选择性）选择性（3）机械强度机械强度（4）稳定性稳定性微滤膜材料：微滤膜材料：聚偏氟乙烯，聚丙聚偏氟乙烯，聚丙烯，硝酸纤维，醋酸纤维烯，硝酸纤维，醋酸纤维
13、超滤膜：超滤膜：聚砜，硝酸纤维，醋酸聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维纤维反渗透膜反渗透膜：醋酸纤维素衍生物，醋酸纤维素衍生物，聚醚聚醚，聚酰胺，聚酰胺天然材料：天然材料：各种纤维素衍生物各种纤维素衍生物人造材料：人造材料：各种合成高聚物各种合成高聚物 特殊材料：特殊材料：复合膜，无机膜复合膜，无机膜,不不锈钢膜，陶瓷膜锈钢膜，陶瓷膜第二十二页，本课件共有66页23目前市售商品膜组件主要有管式、平板式、螺旋卷目前市售商品膜组件主要有管式、平板式、螺旋卷式和中空纤维式和中空纤维(毛细管毛细管)式等四种，其中管式和中空式等四种，其中管式和中空纤维式膜组件根据操作方式不同，又分为内压式和纤维式膜组件根据操作方
14、式不同，又分为内压式和外压式。外压式。膜分离法及其在生物工程中的应用膜分离法及其在生物工程中的应用 膜膜 组组 件件第二十三页，本课件共有66页241.管式膜组件管式膜组件 管式膜组件是将膜固定在内径管式膜组件是将膜固定在内径1025mm，长长约约3m的圆管状多孔支撑体上构成的，的圆管状多孔支撑体上构成的，l020根管根管式膜并联，或用管线串联，收纳在筒状容器内式膜并联，或用管线串联，收纳在筒状容器内即构成管式膜组件。即构成管式膜组件。第二十四页，本课件共有66页25 管式膜组件的内径较大，结构简单，适合于管式膜组件的内径较大，结构简单，适合于处理悬浮物含量较高的料液，分离操作完处理悬浮物含量
15、较高的料液，分离操作完成后的清洗比较容易。但是管式膜组件单成后的清洗比较容易。但是管式膜组件单位体积的过滤表面积位体积的过滤表面积(即比表面积即比表面积)在各种膜在各种膜组件中最小，这是它的主要缺点。组件中最小，这是它的主要缺点。第二十五页，本课件共有66页262.平板膜组件平板膜组件平板膜组件由多枚圆形或长方形平板膜平板膜组件由多枚圆形或长方形平板膜以以1mm左右的间隔重叠加工而成，膜间衬左右的间隔重叠加工而成，膜间衬设多孔薄膜，供料液或滤液流动。平板膜设多孔薄膜，供料液或滤液流动。平板膜组件比管式膜组件比表面积大得多。组件比管式膜组件比表面积大得多。第二十六页，本课件共有66页27第二十七
16、页，本课件共有66页283.螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件 螺旋卷式膜组件如图所示。将两张平板螺旋卷式膜组件如图所示。将两张平板膜固定在多孔性滤液隔网上膜固定在多孔性滤液隔网上(隔网为滤液流隔网为滤液流路路)，两端密封。两张膜的上下分别衬设一，两端密封。两张膜的上下分别衬设一张料液隔网张料液隔网(为料液流路为料液流路)，卷绕在空心管上，卷绕在空心管上，空心管用于滤液的回收。空心管用于滤液的回收。螺旋卷式膜组件的比表面积大，结构简螺旋卷式膜组件的比表面积大，结构简单，价格较便宜。但缺点是处理悬浮物浓度单，价格较便宜。但缺点是处理悬浮物浓度较高的料液时容易发生堵塞现象。较高的料液时容易发生堵塞现象。
17、第二十八页，本课件共有66页29第二十九页，本课件共有66页30第三十页，本课件共有66页314.4.中空纤维中空纤维(毛细管毛细管)式膜组件式膜组件 中空纤维或毛细管膜组件由数百至数百中空纤维或毛细管膜组件由数百至数百万根中空纤维膜固定在圆筒形容器内构成。万根中空纤维膜固定在圆筒形容器内构成。严格地讲，内径为严格地讲，内径为404080um80um的膜称中空纤维的膜称中空纤维膜，而内径为膜，而内径为0.250.252.5mm2.5mm的膜称毛细管膜。的膜称毛细管膜。由于两种膜组件的结构基本相同，故一般将这由于两种膜组件的结构基本相同，故一般将这两种膜装置统称为中空纤维膜组件。两种膜装置统称为
18、中空纤维膜组件。有内压式和外压式两种操作。有内压式和外压式两种操作。第三十一页，本课件共有66页32外压式膜组件结构外压式膜组件结构内压式膜组件结构内压式膜组件结构第三十二页，本课件共有66页33膜分离的特点膜分离的特点?操作在常温下进行操作在常温下进行,设备简单、操作方便；设备简单、操作方便；是物理过程，不需加入化学试剂；是物理过程，不需加入化学试剂；不发生相变化（因而能耗较低）；不发生相变化（因而能耗较低）；在很多情况下选择性较高；在很多情况下选择性较高；浓缩和纯化可在一个步骤内完成；浓缩和纯化可在一个步骤内完成；设备易放大，可以分批或连续操作。设备易放大，可以分批或连续操作。因而在生物产
19、品的处理中占有重要地位因而在生物产品的处理中占有重要地位第三十三页，本课件共有66页34常见膜分离过程常见膜分离过程?微滤（微滤（Microfiltration，MF）超滤（超滤（Ultrafiltration，UF）反渗透（反渗透（Reverse osmosis，RO）透析（透析（Dialysis，DS）电渗析（电渗析（Electrodialysis，ED）渗透气化（渗透气化（Pervaporation，PV）第三十四页，本课件共有66页35目前膜组件主要那几种形式？目前膜组件主要那几种形式？有管式、平板式、螺旋卷式和中空纤维有管式、平板式、螺旋卷式和中空纤维(毛细毛细管管)式等四式等四第三
20、十五页，本课件共有66页36膜分离法及其在生物工程中的应用膜分离法及其在生物工程中的应用浓差极化与膜污染及清洗方法浓差极化与膜污染及清洗方法一、浓差极化现象：一、浓差极化现象：在膜分离过程中，膜表面上溶质在膜分离过程中，膜表面上溶质浓度高于主体溶质浓度的现象。是一个可逆过程，只浓度高于主体溶质浓度的现象。是一个可逆过程，只有膜分离运行过程才发生。有膜分离运行过程才发生。浓差极化的产生：浓差极化的产生：溶剂向膜面流动引起溶质向膜面流动，当溶溶剂向膜面流动引起溶质向膜面流动，当溶质向膜面的流动速度与浓度梯度使溶质向本体溶液扩散速度达到质向膜面的流动速度与浓度梯度使溶质向本体溶液扩散速度达到平衡时，
21、膜面形成一个稳定的浓度梯度区。平衡时，膜面形成一个稳定的浓度梯度区。第三十六页，本课件共有66页37浓差极化导致膜的透过量降低。浓差极化导致膜的透过量降低。通过减小料液中溶质浓度，改善膜面流体通过减小料液中溶质浓度，改善膜面流体力学条件，可以减轻浓差极化度。力学条件，可以减轻浓差极化度。第三十七页，本课件共有66页38二、膜污染二、膜污染定定义义:膜膜在在使使用用中中，虽虽然然操操作作条条件件保保持持不不变变，但但通通过过量量仍仍逐渐降低的现象称为膜污染。逐渐降低的现象称为膜污染。污染的原因：污染的原因：附着层：附着层：滤饼：料液中悬浮物在膜面的堆积。滤饼：料液中悬浮物在膜面的堆积。凝胶：溶解
22、性有机物浓缩后粘附于膜面。凝胶：溶解性有机物浓缩后粘附于膜面。水垢：溶解性无机物生成的水垢软附于膜面。水垢：溶解性无机物生成的水垢软附于膜面。吸附层：胶体物质或微生物的吸附。吸附层：胶体物质或微生物的吸附。堵塞：堵塞：料液中的微粒、胶体粒子或溶质大分子吸附、沉积在膜表面料液中的微粒、胶体粒子或溶质大分子吸附、沉积在膜表面或膜孔中，造成膜孔径变小或堵塞。或膜孔中，造成膜孔径变小或堵塞。第三十八页，本课件共有66页39膜污染与浓差极化的区别：膜污染与浓差极化的区别：膜污染引起通量衰减是不可逆的（必膜污染引起通量衰减是不可逆的（必须通过清洗的办法才能消除），而浓须通过清洗的办法才能消除），而浓差极化
23、是可逆的（变更操作条件可使差极化是可逆的（变更操作条件可使浓差极化消除）。浓差极化消除）。第三十九页，本课件共有66页40膜污染可使膜的渗透量下降，且可使膜污染可使膜的渗透量下降，且可使膜发生劣化，导致膜的使用寿命缩短。膜发生劣化，导致膜的使用寿命缩短。减轻膜污染的方法：减轻膜污染的方法：进料液的预处理，进料液的预处理，达到膜组件的进水标准。达到膜组件的进水标准。5-10m的过滤器的过滤器除去胶体、固悬物、除去胶体、固悬物、铁锈等铁锈等絮凝、絮凝、PH值值除去一些污染物除去一些污染物第四十页，本课件共有66页41改善膜的性质（表面性质如表面极性和电改善膜的性质（表面性质如表面极性和电荷性）荷性
24、）如研制蛋白质难吸附的膜（表面添加具有如研制蛋白质难吸附的膜（表面添加具有OH-或磺酸基等亲水基的材料）。或磺酸基等亲水基的材料）。改善流体力学条件：通道结构等改善流体力学条件：通道结构等改善操作条件。改善操作条件。如适当提高水温加速分子扩散；调如适当提高水温加速分子扩散；调pH值远离值远离蛋白的等电点。蛋白的等电点。第四十一页，本课件共有66页42膜污染处理：膜污染处理：经清洗后，如纯水的水通量达到或经清洗后，如纯水的水通量达到或接近原来水平，则认为污染已消除。接近原来水平，则认为污染已消除。物理清洗方法：物理清洗方法：静置浸泡加高流速水冲洗；采用泡沫塑静置浸泡加高流速水冲洗；采用泡沫塑料软
25、球或海棉球擦洗；反冲洗；超声波法等。料软球或海棉球擦洗；反冲洗；超声波法等。化学清洗：化学清洗：起溶解作用的物质：酸、碱、酶、表面活性剂、分散起溶解作用的物质：酸、碱、酶、表面活性剂、分散剂等；剂等；切断离子结合作用的方法：改变离子强度、切断离子结合作用的方法：改变离子强度、pH等；等；起氧化作用的物质：过氧化氢、次氯酸盐等。起氧化作用的物质：过氧化氢、次氯酸盐等。起渗透作用的物质：磷酸盐等。起渗透作用的物质：磷酸盐等。第四十二页，本课件共有66页43膜分离法及其在生物工程中的应用膜分离法及其在生物工程中的应用膜分离的应用膜分离的应用膜分离技术在膜分离技术在纯净水处理纯净水处理中的应用中的应用
26、膜分离技术在膜分离技术在电子工业用水电子工业用水中的应用中的应用膜分离技术在膜分离技术在给水及循环水处理给水及循环水处理中的应用中的应用超滤技术超滤技术除热原除热原超滤技术超滤技术澄清药酒和中药制剂澄清药酒和中药制剂超滤技术在超滤技术在轻工、食品轻工、食品中的应用中的应用膜分离技术在膜分离技术在生物化工生物化工中的应用中的应用超滤技术在超滤技术在膜生物反应器膜生物反应器中的应用中的应用第四十三页，本课件共有66页44一、膜分离技术在纯净水处理中的应用一、膜分离技术在纯净水处理中的应用超纯水制备装置：超纯水制备装置：中空纤维超滤组件，除去微中空纤维超滤组件，除去微生物、胶体和大分子物质。生物、胶
27、体和大分子物质。一般的纯净水：一般的纯净水：反渗透设备（复合膜组件）反渗透设备（复合膜组件），可除去，可除去98%的无机盐、有机物、胶体及细菌、的无机盐、有机物、胶体及细菌、热原、病毒等。热原、病毒等。第四十四页，本课件共有66页45二、膜分离技术在电子工业用水中的应用二、膜分离技术在电子工业用水中的应用电子元件生产：电子元件生产：需高纯水用来清洗或配制需高纯水用来清洗或配制各种溶液，不同的电子元件，对纯水的不各种溶液，不同的电子元件，对纯水的不同用途，对水质的要求不同。同用途，对水质的要求不同。如：如：电解容器生产中，要用纯水清洗（不电解容器生产中，要用纯水清洗（不能含有离子）。电子管生产中
28、，要用纯水能含有离子）。电子管生产中，要用纯水配液。生产一个显像管需用纯水配液。生产一个显像管需用纯水80kg。微电子工业微电子工业中要用高纯水和超纯水清洗硅中要用高纯水和超纯水清洗硅片。片。300-378L/每块每块第四十五页，本课件共有66页46三、膜分离技术在给水及循环水处理中的应用三、膜分离技术在给水及循环水处理中的应用 应用于发电厂。锅炉内外给水处理等。应用于发电厂。锅炉内外给水处理等。技术：技术：RO、活性炭过滤等。、活性炭过滤等。四、超滤技术除热原四、超滤技术除热原热原：热原：细胞内毒素，是细胞新陈代谢和细菌死后分细胞内毒素，是细胞新陈代谢和细菌死后分解的产物。解的产物。热原的效
29、能：热原的效能：对人注射后，对人注射后，15min-8h会发生冷感、会发生冷感、寒战、体温升高，出冷汗等，甚至休克死亡，还寒战、体温升高，出冷汗等，甚至休克死亡，还会引起白血球下降。会引起白血球下降。第四十六页，本课件共有66页47高压消毒对热原无用：高压消毒对热原无用：热原具很强的耐热热原具很强的耐热性，性，180-200加热加热2h或或250 加热加热30min才可彻底破坏，才可彻底破坏，115 消毒消毒15min热原降效热原降效25%。传统用传统用过滤加活性炭吸附过滤加活性炭吸附除去针剂用水中除去针剂用水中的热原。现在有一种的热原。现在有一种超滤膜超滤膜，可一次除去，可一次除去热原。热原
30、。热原分子大小热原分子大小2-10nm，分子量，分子量20000-1000000之间，一般用截留分子量之间，一般用截留分子量6000左右左右的膜。的膜。第四十七页，本课件共有66页48五、药酒和中药制剂的澄清五、药酒和中药制剂的澄清 药酒和中药制剂药酒和中药制剂中存在有大量的鞣质、蛋白质、中存在有大量的鞣质、蛋白质、淀粉、树脂等大分子物质，是一种胶体溶液。这些淀粉、树脂等大分子物质，是一种胶体溶液。这些大分子物质既无药效又难以去除。大分子物质既无药效又难以去除。中国科学院生态环境研究中心中国科学院生态环境研究中心采用超滤法去除采用超滤法去除药酒和中药制剂中的杂质取得了很好的效果。透药酒和中药制
31、剂中的杂质取得了很好的效果。透过液澄清透明，大分子杂质全部去除，有效成分过液澄清透明，大分子杂质全部去除，有效成分均可透过膜。均可透过膜。第四十八页，本课件共有66页49六、六、超滤技术在轻工、食品中的应用超滤技术在轻工、食品中的应用主要集中在：主要集中在：果汁的澄清、浓缩；果汁的澄清、浓缩；乳制品的浓缩、纯化；乳制品的浓缩、纯化；生物制品的浓缩；生物制品的浓缩；饮用水的制备；饮用水的制备；酱油以及米醋的澄清、浓缩除浊；酱油以及米醋的澄清、浓缩除浊；发酵工业中发酵液的纯化；发酵工业中发酵液的纯化；酒制品的纯化和澄清。酒制品的纯化和澄清。第四十九页，本课件共有66页50超滤技术分离、浓缩与纯化酶
32、制剂：超滤技术分离、浓缩与纯化酶制剂：传统：传统：离心除菌离心除菌多次硫酸铵沉淀多次硫酸铵沉淀透析透析脱盐脱盐等（费时、手续繁杂、回收率低）等（费时、手续繁杂、回收率低）超滤技术：超滤技术：发酵液吸附发酵液吸附洗脱洗脱超滤脱盐超滤脱盐超滤超滤浓缩浓缩有机溶剂沉淀）有机溶剂沉淀）例如：例如：将仅有将仅有4-6酶活单位酶活单位/毫升、比活为毫升、比活为0.64的青的青霉素酰化酶发酵液吸附洗脱，然后用霉素酰化酶发酵液吸附洗脱，然后用超滤分离超滤分离浓缩、浓缩、脱盐，可得到脱盐，可得到200酶活单位酶活单位/毫升，比活力毫升，比活力20的的酶溶液，酶回收酶溶液，酶回收80%，时间仅为一天。，时间仅为一
33、天。传统方法需一周时间，回收率仅为传统方法需一周时间，回收率仅为30-50%。第五十页，本课件共有66页51七、膜分离技术在生物化工中的应用七、膜分离技术在生物化工中的应用 生物化工中，膜分离主应用于分离、浓生物化工中，膜分离主应用于分离、浓缩、分级与纯化生物产品。缩、分级与纯化生物产品。第五十一页，本课件共有66页521 1、微生物菌体分离、微生物菌体分离 对于发酵的胞外产物，首先要除去悬浮的对于发酵的胞外产物，首先要除去悬浮的微生物、离子与胶体。目前，较好的固液分离微生物、离子与胶体。目前，较好的固液分离方法是过滤或离心。方法是过滤或离心。例如：采用超滤法去除谷氨酸发酵液中的例如：采用超滤
34、法去除谷氨酸发酵液中的菌体，不仅可以将发酵原液中谷氨酸含量浓缩菌体，不仅可以将发酵原液中谷氨酸含量浓缩1010倍，为菌体的再利用创造了条件；而且超滤透过倍，为菌体的再利用创造了条件；而且超滤透过液中谷氨酸含量、液中谷氨酸含量、pHpH等理化指标与发酵液相同，等理化指标与发酵液相同，但不含菌体，且蛋白含量很低，再利用等电点法但不含菌体，且蛋白含量很低，再利用等电点法提取谷氨酸时，收率可达到提取谷氨酸时，收率可达到90.96%90.96%，比传统等电，比传统等电点法高点法高7 7个百分点。个百分点。第五十二页，本课件共有66页532 2、超滤亲和纯化、超滤亲和纯化超滤技术优点和亲和技术优点结合起来
35、超滤技术优点和亲和技术优点结合起来的一种分离技术。的一种分离技术。亲合阶段：亲合阶段：用大分子亲和欲分离的生物产品用大分子亲和欲分离的生物产品分子，形成高分子复合物。分子，形成高分子复合物。洗涤阶段：洗涤阶段：用超滤膜进行超滤，将复合物截留，用超滤膜进行超滤，将复合物截留，得到纯化。得到纯化。解离阶段：解离阶段：加入低分子亲和基团或改变溶液条加入低分子亲和基团或改变溶液条件，如件，如pH等，复合物解离。超滤，产品透过膜。等，复合物解离。超滤，产品透过膜。再生阶段：再生阶段：使大分子亲和基团复性，再用。使大分子亲和基团复性，再用。第五十三页，本课件共有66页54需考虑几点：需考虑几点：大分子亲和
36、基团要尽量选择尺寸较大的，大分子亲和基团要尽量选择尺寸较大的，因而可以对应选大孔径的膜，缩短洗涤时因而可以对应选大孔径的膜，缩短洗涤时间。间。在保持复合物截留率的前提下尽量用高透在保持复合物截留率的前提下尽量用高透水量的膜。水量的膜。亲和结合强度也要适中。亲和结合强度也要适中。第五十四页，本课件共有66页55第五十五页，本课件共有66页563 3、膜生物反应器、膜生物反应器膜生物反应器（膜生物反应器（Membrane Membrane bioreactor,MBRbioreactor,MBR）是膜分离过程与生）是膜分离过程与生物反应过程耦合的生物反应装置，可物反应过程耦合的生物反应装置，可应用
37、于动植物细胞的高密度培养、微应用于动植物细胞的高密度培养、微生物发酵和酶反应过程。生物发酵和酶反应过程。第五十六页，本课件共有66页57 中空纤维膜生物反应器中空纤维膜生物反应器培养基培养基废物废物高分子产物（单抗）高分子产物（单抗）细胞细胞膜膜第五十七页，本课件共有66页58中空纤维膜生物反应器中空纤维膜生物反应器上图为中空纤维膜生物反应器，用于动物细胞培上图为中空纤维膜生物反应器，用于动物细胞培养，细胞密度可达养，细胞密度可达10109 9/cm/cm3 3,而利用一般的培养器而利用一般的培养器细胞密度只能达到细胞密度只能达到10106 6-10-107 7/cm/cm3 3 。在培养过程
38、中，。在培养过程中，动物细胞生长于中空纤维膜组件的壳体内侧，动物细胞生长于中空纤维膜组件的壳体内侧，小小分子产物（废弃物）不断排出，新鲜的培养基分子产物（废弃物）不断排出，新鲜的培养基连续灌注，连续灌注，可保证细胞长期稳定并且高速度生可保证细胞长期稳定并且高速度生产有用物质。利用中空纤维膜生物反应器培养产有用物质。利用中空纤维膜生物反应器培养杂交瘤细胞杂交瘤细胞是工业生产单克隆抗体的主要方法是工业生产单克隆抗体的主要方法之一。之一。第五十八页，本课件共有66页59外循环式膜生物反应器外循环式膜生物反应器第五十九页，本课件共有66页60外循环式膜生物反应器外循环式膜生物反应器上图是生物反应器与膜
39、分离装置上图是生物反应器与膜分离装置分体设置分体设置的外循的外循环式膜生物反应器。外部膜组件截留酶或微生物环式膜生物反应器。外部膜组件截留酶或微生物菌体，而使小分子产物透过。外循环式膜生物反菌体，而使小分子产物透过。外循环式膜生物反应器是一种应器是一种连续连续全混釜型反应器（全混釜型反应器（CSTRCSTR），适用），适用于连续于连续微生物发酵微生物发酵和和连续酶反应连续酶反应过程。过程。它还适用它还适用淀粉和纤维素淀粉和纤维素等高分子物质的酶解。等高分子物质的酶解。由于高分子由于高分子底物和酶底物和酶被超滤膜完全截留，所以可提被超滤膜完全截留，所以可提高反应的转化率和酶的使用效率。高反应的转
40、化率和酶的使用效率。第六十页，本课件共有66页61膜反应器的优点膜反应器的优点固液分离效率高；固液分离效率高；系统微生物浓度、容积负荷高；系统微生物浓度、容积负荷高；有利于去除难降解的生物大分子；有利于去除难降解的生物大分子；保证系统对废物有较高的去除率；保证系统对废物有较高的去除率；耐冲击负荷：处理液量大小波动对去除效果影响不大。耐冲击负荷：处理液量大小波动对去除效果影响不大。出水水质好。出水水质好。SS：悬浮物；：悬浮物；COD:化学需氧量化学需氧量 表示水中有机物的污染程度。表示水中有机物的污染程度。BOD：生化需氧量：水中所含有机物被微生物生：生化需氧量：水中所含有机物被微生物生化降解
41、时所消耗的氧气量。化降解时所消耗的氧气量。第六十一页，本课件共有66页62思考题思考题1.何谓膜分离？主要有那几种膜分离方法？何谓膜分离？主要有那几种膜分离方法？2.简简述述微微滤滤、超超滤滤膜膜、反反渗渗透透膜膜在在膜膜材材料料、结结构构、性能、分离机理及其应用等方面的异同点性能、分离机理及其应用等方面的异同点3.何何谓谓浓浓差差极极化化现现象象？它它是是如如何何影影响响膜膜分分离离的的？减减少少浓差极化现象的措施？浓差极化现象的措施？4.膜的清洗方法有那几种？膜的清洗方法有那几种？第六十二页，本课件共有66页63何谓膜分离？主要有那几种膜分离方法？何谓膜分离？主要有那几种膜分离方法？膜分离
42、技术是用半透膜作为选择障碍层，允膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层，允许某些组分透过而保留混合物中其它组分，许某些组分透过而保留混合物中其它组分，从而达到分离目的的技术。从而达到分离目的的技术。常见膜分离过程常见膜分离过程微滤（微滤（Microfiltration，MF）超滤（超滤（Ultrafiltration，UF）反渗透（反渗透（Reverse osmosis，RO）透析（透析（Dialysis，DS）电渗析（电渗析（Electrodialysis，ED）渗透气化（渗透气化（Pervaporation，PV）第六十三页，本课件共有66页64简述微滤、超滤膜、反渗透膜在膜材料、结简述微滤、
43、超滤膜、反渗透膜在膜材料、结构、性能、分离机理及其应用等方面的异同构、性能、分离机理及其应用等方面的异同点点?第六十四页，本课件共有66页65何谓浓差极化现象？它是如何影响膜分离何谓浓差极化现象？它是如何影响膜分离的？减少浓差极化现象的措施？的？减少浓差极化现象的措施？在膜分离过程中，膜表面上溶质浓度高于在膜分离过程中，膜表面上溶质浓度高于主体溶质浓度的现象。是一个可逆过程，主体溶质浓度的现象。是一个可逆过程，只有膜分离运行过程才发生。只有膜分离运行过程才发生。使膜的透过量下降。使膜的透过量下降。通过减小料液中溶质浓度，改善膜面流体通过减小料液中溶质浓度，改善膜面流体力学条件，可以减轻浓差极化度。力学条件，可以减轻浓差极化度。第六十五页，本课件共有66页感谢大家观看第六十六页，本课件共有66页