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1、第六章膜分离技术在生物工程中的应用第1页，共41页，编辑于2022年，星期三前言膜是具有选择性分离功能的材料。利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。它与传统过滤的不同在于，膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。膜的孔径一般为微米级，依据其孔径的不同（或称为截留分子量），可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，根据材料的不同，可分为无机膜和有机膜，无机膜主要还只有微滤级别的膜，主要是陶瓷膜和金属膜。有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。第2页，共41页，编辑于2022年，星
2、期三第一节概述概念：以半透膜为选择障碍层，允许某些组分透过而保留混合物中的其他组分，从而达到分离目的的技术。优点：要求了解：各种膜分离技术分离机理及分离范围（表，表）第3页，共41页，编辑于2022年，星期三膜分离技术的优点：处理效率高，设备易于放大；可在室温或低温下操作，适宜于热敏感物质分离；化学与机械强度最小，减少失活；无相变，省能；选择性好，可在分离、浓缩的同时达到部分纯化的目的；选择合适膜与操作参数，可得到较高的回收率；系统可密闭循环，防止外来污染；不外加化学物，透过液可循环使用，降低了成本，并减少了对环境的污染。第4页，共41页，编辑于2022年，星期三第二节：分离原理、膜种类一、膜
3、分离技术：、微滤：原理为粒子体积大小的不同,即利用筛分原理分离、截留直径为0.0510m大小的粒子的膜分离技术，采用膜孔径为0.0510m，采用压力为0.050.5MPa.与前一章分类不同,标准不同?第5页，共41页，编辑于2022年，星期三第6页，共41页，编辑于2022年，星期三第7页，共41页，编辑于2022年，星期三、超滤：原理:主要是利用筛分原理,有些情况下也受粒子电荷性质及膜电荷特性的相互影响.主要分离30001000000Da的可溶性大分子物质,对应孔径为0.0010.05m,压力为0.11MPa.第8页，共41页，编辑于2022年，星期三3、反渗透：在高于溶液渗透压的压力作用下
4、，只有溶液中的水透过膜，而所有溶液中的大分子、小分子有机物及无机盐全被截留。理想的反渗透膜应被认为是无孔的，它分离的原理是溶解扩散（或毛细孔流学说）。膜孔径为0.11nm，采用压力为110MPa.第9页，共41页，编辑于2022年，星期三第10页，共41页，编辑于2022年，星期三4.电渗透：通过在电位差下用荷电膜从水溶液中分离离子的过程.原理是:阴、阳离子交换膜被交替排列在正负极之间形成许多独立的小单元，当含离子溶液在电场下通过这些单元时，有些单元里的离子可透过正负交换膜进入另一单元而使该单元里形成脱盐水，有些单元里正负离子因电场作用和膜电荷排斥作用而留在单元里，加上从别的单元透过来的离子而
5、在该单元中形成浓盐水。第11页，共41页，编辑于2022年，星期三第12页，共41页，编辑于2022年，星期三5、渗透蒸发：原理：利用膜与被分离有机液体混合物中各组分的亲和力不同而选择地优先吸附溶液中某一组分及各组分在膜中扩散速度不同来达到分离的目的，不存在蒸馏法中的共沸点限制，可连续分离、浓缩，直至得到纯化产物。第13页，共41页，编辑于2022年，星期三第14页，共41页，编辑于2022年，星期三二、膜材料与膜种类按荷电性：中性膜、荷电膜；按亲疏水性：亲水膜、疏水膜；第15页，共41页，编辑于2022年，星期三第三节浓差极化与膜污染及清洗方法研究浓差极化：指在分离过程中，料液中的溶剂在压力
6、驱动下透过膜，溶质被截留，于是在膜表面与临近膜面区域浓度越来越高。在浓度梯度作用下，溶质由膜面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶剂透过量下降。溶剂向膜面流动引起溶质向膜面的流动，这种流动如果与浓度梯度所驱动的溶质向本体溶液扩散的速度平衡时，在膜面附近就形成一个稳定的浓度梯度区，这一区域就称为浓度极化边界层，这一现象称为浓差极化。浓差极化是一个可逆的过程；第16页，共41页，编辑于2022年，星期三膜污染：物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可
7、逆变化的现象。膜污染与浓差极化很难区别，互相联系；但却是完全不同的二个概念问题：1、膜污染与浓差极化的主要区别？2、物料开始与膜接触就意味着膜污染开始发生第17页，共41页，编辑于2022年，星期三膜污染控制1、膜材料的选择：一般讲，亲水性膜及膜材料电荷与溶质相同的膜较耐污染。预处理：用小分子化合物对膜进行预处理，小分子必须对膜分离特性不产生很大影响，如表面活性剂；或利用改性法在膜表面引入亲水基团；或用复合膜手段复合一层亲水性分离层；或采用阴极喷镀法在超滤膜表面镀一层碳。第18页，共41页，编辑于2022年，星期三2、膜孔径或截留分子量的选择：孔径与待分离物质尺寸相近时容易造成堵塞；不同分离对
8、象的最适孔径膜的选择要通过实验来获得；第19页，共41页，编辑于2022年，星期三3、膜结构选择：通常原则是选择不对称结构膜较耐污染。4、组件结构选择：毛细管式与薄流道式组件设计可以使料液高速流动，剪切力较大，有利于减少粒子或大分子溶质在膜面沉积，减少浓差极化或凝胶层的形成。第20页，共41页，编辑于2022年，星期三5、溶液pH控制：溶液pH对蛋白质在水中溶解性，荷电性及构型有很大影响。在等电点时蛋白质在膜上的吸附量最高，膜的透水量最低，因此一般将pH调至远离等电点的位置。第21页，共41页，编辑于2022年，星期三6、溶液中盐浓度的影响：无机盐复合物会在膜表面或膜孔内直接沉积，或使膜对蛋白
9、质的吸附增强而污染膜；无机盐还可改变溶液离子强度，影响到蛋白质溶解性、构型与悬浮状态，使形成的沉积层疏密程度改变，从而影响膜的透水性。第22页，共41页，编辑于2022年，星期三7、溶液温度影响：一般情况下，温度升高，黏度下降，透水率提高；但并不是一定的。8、溶质浓度，料液流速与压力的控制：溶质浓度一定时，要选择合适的压力和料液流速，避免形成凝胶层。压力和流速并不是越大越好。第23页，共41页，编辑于2022年，星期三第四节清洗方法清洗过程中主要考虑二个因素：膜的化学特性；污染物的特性；第24页，共41页，编辑于2022年，星期三第五节膜分离技术应用1、在纯净水处理中的应用：超滤和反渗透2、在
10、电子工业用水中的应用：3、给水及循环水处理中的应用：4、除菌除热源：5、澄清药酒和中药制剂：6、轻工、食品：7、在生物化工中的应用：第25页，共41页，编辑于2022年，星期三家用纯水器膜反应器用于水处理第26页，共41页，编辑于2022年，星期三杯式超滤器-中科院上海应用物理研究所第27页，共41页，编辑于2022年，星期三膜分离技术在生物化工中的应用微生物的分离与收集：离心和过滤仍然是主要的方式；错流过滤、超滤方法是未来的发展方向；第28页，共41页，编辑于2022年，星期三超滤分离流程图第29页，共41页，编辑于2022年，星期三超滤亲和纯化：将超滤技术优点和亲和技术优点结合起来的一种分
11、离技术。具有分离纯度高和易于大规模工业化的优点。其原理是：亲和结合，利用与待分离物质有亲和力的大分子物质亲和结合待分离物质；洗涤：选择合适的超滤膜进行透滤；解离：使大分子亲和复合物分离，选用合适膜进行超滤使待分离物质透过膜并进一步浓缩；再生：使大分子亲和基再生并进入下一轮超滤亲和过程。第30页，共41页，编辑于2022年，星期三超滤亲和分离技术要点：大分子亲和基要尽量选择分子尺寸大的；控制合适的超滤时间；亲和结合的强度要适中；第31页，共41页，编辑于2022年，星期三膜反应器概念：用膜将酶或微生物限制在一定的范围，并将之应用于生物反应中，这样的装置就叫膜反应器。用于水处理的膜反应器第32页，
12、共41页，编辑于2022年，星期三连续搅拌式膜反应器从结构和操作方式上可分为死端池（DESC）、循环流动型反应器、阻塞流式中空纤维反应器。第33页，共41页，编辑于2022年，星期三死端池浓差极化严重，分离速度慢，酶活反应效率低。第34页，共41页，编辑于2022年，星期三循环流动型：反应器与分离器是分开的，具有更大的适应性；可用于基质分子量也产物分子量在同一数量级时；可以任意调节反应器与分离器大小之比；有较大生产能力；第35页，共41页，编辑于2022年，星期三中空纤维膜反应器：催化剂装填浓度可以很高；有很大的传质表面积；很易清洗更换第36页，共41页，编辑于2022年，星期三常见膜及其构件
13、和设备中空纤维超滤器第37页，共41页，编辑于2022年，星期三常见膜及其构件和设备三达膜科技（厦门）有限公司三达膜科技（厦门）有限公司纳滤技术与纳滤设备纳滤技术与纳滤设备八十年代初期，美国科学家研究了一种薄层复合膜，它能使90%的NaCl透析，而99%的蔗糖被截留。显然，这种膜既不能称之为反渗透膜（因为不能截留无机盐），也不属于超滤膜的范畴（因为不能透析低分子量的有机物）。由于这种膜在渗透过程中截留率大于95%的分子约为1纳米，因而它被命名为“纳滤膜（Nanofiltration）”。在上世纪90年代以来，才有了商品纳滤膜的生产，并且其应用范围日益广泛。第38页，共41页，编辑于2022年，
14、星期三常见膜及其构件和设备反渗透（RO）水处理设备作为纯净水过滤生产的专用设备，在水过滤时利用反渗透膜的选择性透过原理，通过设备的高压泵对经过反渗透膜的原水施加一定压力，在压力作用下原水中的水分子可以透过膜而渗析出来，而其他无机盐、微生物与有机物等却由于反渗透膜对这些物质的截留特性而不能透过膜，从而可以获得纯净的无离子水。第39页，共41页，编辑于2022年，星期三常见膜及其构件和设备金属膜系统可以在比较苛刻的工艺条件下达到优良的分离性能和多年的可靠过滤。可以在较宽的化学条件、压力和温度范围内运行。具有较优良的机械强度和稳定性，在使用过程中不易破裂。第40页，共41页，编辑于2022年，星期三常见膜及其构件和设备无机膜具有耐高温、耐化学腐蚀、机械强度高、抗微生物能力强、渗透量大、可清洗性强、孔径分布窄、分离性能好和使用寿命长等特点，目前已在化工与石油化工、食品、生物和医药等领域分离工艺获得成功应用。第41页，共41页，编辑于2022年，星期三