第四章膜分离1剖析.

《第四章膜分离1剖析.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章膜分离1剖析.（37页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第四章 膜分离,一、 学习目的与要求 在掌握各种膜分离方法和原理的基础上，进一步了解膜特性及操作特点和影响膜分离速度的因素以及膜分离过程。清楚膜分离法在生物产物回收和纯化方面的应用。 二、 学习指南 （一） 各种膜分离法及其原理（重点） 理解：微滤、超滤、反渗透、透析、电渗析和渗透汽化等方法的原理 应用：掌握各种膜的应用范围 （二） 膜及其特性（次重点） 识记：膜材料选择标准 理解：膜结构特性，特别是对称和不对称膜的结构特点 应用：通过水通量的不同选择适当的膜材料,（三） 操作特性（重点） 识记：浓度极化、凝胶极化概念 理解：超滤膜的分子截留作用 应用：了解实际膜分离过程中影响截留率的因素 （

2、四） 影响膜分离速度的因素（次重点） 理解：操作形式、流速、压力以及料液浓度对分离速度的影响 （五） 应用：掌握膜分离方法在菌体细胞分离、小分子发酵产物的回收、蛋白质类生物大分子的浓缩和部分分级纯化方面的应用,概述,1.膜分离技术发展的历史： 膜分离技术发展可分为三个阶段： 50年代以前为奠定基础阶段 60年代和70年代为发展阶段 80年代至今为发展深化阶段,目前，研制和开发出的分离膜及应用技术有：,2.膜分离技术在分离工程中的重要作用及 存在问题 优点： 膜分离技术在分离物质过程中不涉及相变，对能量要求低，因此和蒸馏、结晶、蒸发等需要输入能量的过程有很大差异； 膜分离的条件一般都较温和，对于

3、热敏性物质复杂的分离过程很重要。 这两个因素使得膜分离成为生化物质分离的合适方式。 操作方便、结构紧凑、维修费用低、易于自动化。 因而是现代分离技术中一种效率较高的分离手段，在生化分离工程中具有重要作用。,缺点： 在操作中膜面会发生污染，使膜性能降低，故有必要采用与工艺相适应的膜面清洗方法； 从膜性能来看，其耐药性、耐热性、耐溶剂能力都是有限的，故适用范围受限制； 单独采用膜分离技术效果有限，因此往往都将膜分离工艺与其他分离工艺组合起来使用。,定义: 膜分离是利用具有一定选择性透过特性的过滤介质进行物质的分离纯化的一种手段。 分类: 在生物分离领域应用的膜分离法包括微滤、超滤、反渗透、透析、电

4、渗析和渗透气化等。,第一节 各种膜分离法及其原理,各种膜分离法的原理和应用范围,在生物技术中应用的膜分离过程，根据推动力本质的不同，可具体分为四类： 以静压力差为推动力的过程: 微滤、超滤和 反渗透 以蒸汽分压差为推动力的过程: 膜蒸馏和渗透蒸发（渗透气化） 以浓度差为推动力的过程: 透析 以电位差为推动力的过程: 电渗析,1.以静压力差为推动力的膜分离过程,1.1 反渗透（RO膜）,渗透压差 影响因素： A、膜的选择性。 B、压力的选择性。压力越高，透过液中溶质的浓度越低。因此，提高反渗透的压力有利于实现溶质的高度浓缩，或提高海水淡化质量。,应用： A、海水淡化， B、超纯水制备， C、抗生

5、素和氨基酸等浓缩， D、回收有机溶剂，如乙醇、丁醇和 丙醇等。,1.2 超滤和微滤,超滤 原理：筛分 操作：一般采用切向流体，以减少固相沉积。膜两侧的渗透压很小，操作压在0.1-1.0MPa。 优点：A、消除了滤饼的阻力，过滤效率高；B、超滤回收率高；C、滤液的质量好；D、减少处理步骤,计算: Carman-Kozeny方程 意义： Jv与压力差p成正比，与滤液的粘度成反比，这是分析超滤过程的理论基础。 应用：A、高分子溶质之间，以及高分子与小分子溶质之间的分离； B、Pro浓缩; C、病毒的分离和富积; D、回收细胞，处理胶体悬浮液。,微滤,原理：筛分，同一般过滤有很大重叠。 操作：同一般过

6、滤。膜两侧的渗透压可忽略，操作 压在0.05-0.5Mpa。 用途：除去0.1um10um的颗粒，用于细胞、细菌、 细胞器的分离。 计算: 同上 意义： Jv与压力差p成正比，与滤液的黏度成反比， 这是分析微滤过程的理论基础,1.3 各种膜分离（静压力差）的比较,2.以浓度差为推动力的膜分离过程,透析 原理：浓差扩散,操作：,用途： A、人工肾，腹膜透析； B、样品脱电解质； C、浓缩富积； D、气体分离(利用透析袋对不同气体的通透性) 优点： A、方法和设备简单； B、实验室最常用的样品脱盐方法 缺点： A、透析的速度缓慢； B、溶质稀释。,电渗析 原理：利用分子的荷电性质和分子大小的差别进

7、行分离,3.以电位差为推动力的膜分离过程,用途：样品快速脱盐。 关键部件:离子交换膜 用途：A、海水淡化，B、苦水淡化， C、血浆、IgG、其他蛋白质的分离， D、氨基酸和有机酸分离纯化。 优点：可大规模生产 缺点：能耗高,以蒸汽分压差为推动力的膜分离过程有两种，膜蒸馏和渗透蒸发（渗透气化）。 4.1 渗透气化,4.以蒸汽分压差为推动力的膜分离过程,原理： 疏水膜的一侧通入料液，另一侧（透过侧）抽真空或通入惰性气体，使膜两侧产生溶质分压差。在分压差的作用下，料液中的溶质溶于膜内，扩散通过膜，在透过侧发生气化，气化的溶质被膜装置外设置的冷凝器冷凝回收。因此渗透气化法根据溶质间透过膜的速度不同，使

8、混合物得到分离。,膜与溶质的相互作用决定溶质的渗透速度，根据相似相溶的原理，疏水性较大的溶质易溶于疏水膜，因此渗透速度高，在透过一侧得到浓缩。气化所需的潜热用外部热源供给。 与反渗透相比，渗透气化过程中溶质发生相变，透过侧溶质以气体状态存在，因此消除了渗透压的作用，从而使渗透气化在较低的压力下进行，适于高浓度混合物的分离。渗透气化法利用溶质之间膜透过性的差别，特别适用于共沸物和挥发度相差较小的双组分溶液的分离。,应用：从水-乙醇混合液制无水乙醇 。 利用渗透气化法浓缩乙醇，由于膜的选择性透过乙醇的特性，可消除共沸现象，得到高浓度乙醇。,1. 膜的定义 膜:在一定流体相中，有一薄层凝聚相物质，把

9、流体相分隔成为两部分，这一薄层物质称为膜。 膜本身是均匀的一相或是由两相以上凝聚物质所构成的复合体。 被膜分隔开的流体相物质是液体或气体。 膜的厚度在0.5mm以下，否则就不称为膜。,第二节 膜及其特性,2.膜材料 生物分离过程常用的膜分离技术为超滤、微滤和反渗透。为实现高效率的膜分离操作，对膜材料有如下要求： 起过滤作用的有效膜厚度小，超滤和微滤膜的 开孔率高，过滤阻力小； 膜材料为惰性，不吸附溶质（蛋白质、细胞 等），从而使膜不易污染，膜孔不易堵塞；,适用的pH和温度范围广，耐高温灭菌， 耐酸碱清洗剂，稳定性高，使用寿命长； 容易通过清洗恢复透过性能； 满足实现分离目的的各种要求，如对菌

10、体细胞的截留、对生物大分子的通透性或 截流作用等。 目前市售膜的种类很多，主要有天然高分子、合成高分子和无机材料。,2.1 天然高分子材料 种类：纤维素衍生物，如醋酸纤维、硝酸纤维 和再生纤维 优点：醋酸纤维的阻盐能力最强，常用于反渗 透膜，也可作超滤膜和微滤膜；再生纤 维素可用于制造透析膜和微滤膜。 缺点：醋酸纤维膜最高使用温度和pH范围有 限，在45-50C，pH3-8。,2.2 合成高分子材料 种类：聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯晴、 聚烯类和含氟聚合物，其中，聚砜最常 用，用于制造超滤膜。 优点：耐高温(70-80C，可达125C)，pH1-13， 耐氯能力强，可调节的孔径宽(1-20

11、nm)； 聚酰胺膜的耐压较高，对温度和pH稳定性 高，寿命长，常用于反渗透。 缺点：但聚砜的耐压差，压力极限在0.5-1.0MPa。,2.3 无机材料 种类：陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。目前实用化 有孔径0.1um微滤膜和截留10kD的超滤膜， 其中以陶瓷材料的微滤膜最常用。多孔陶瓷膜主 要利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧 结而成，膜厚方向上不对称 优点：机械强度高、耐高温、耐化学试剂和有机溶剂。 缺点：不易加工，造价高。,2.4 复合材料 种类：如将含水金属氧化物（氧化锆）等胶体微 粒或聚丙烯酸等沉淀在陶瓷管的多空介质 表面形成膜，其中沉淀层起筛分作用。 优点：此膜的通透性大，通

12、过改变pH值容易形 成和除去沉淀层，清洗容易。 缺点：稳定性差。,3. 膜的结构特性 3.1 孔道结构 早期的膜多为对称膜，即膜截面的膜厚度方向上孔道结构均匀，如图所示。,缺点：对称膜的传质阻力大，透过通量低，流速 低，易堵塞，易污染，清洗困难。 不对称膜解决了上述对称膜的弊端。 不对称膜主要有起膜分离作用的表面活性层 (0.20.5)和起支撑强化作用的惰性层(50-100)构成。惰性层孔径很大，对透过流体无阻力。由于 不对称膜起膜分离作用的表面活性层很薄，孔径微细，因此透过通量大、膜孔不易堵塞、容易清洗。用于超滤和反渗透膜多为不对称膜。,图a所示的不对称膜为指状结构，多用于超滤膜; 而反渗透膜的结构多为海绵状，如图b。 高分子微滤膜以对称膜为主，新型无机陶瓷微滤膜多为不对称膜。,3.2 膜的孔道特性 膜的孔道特性包括孔径、孔径分布和孔隙率。 超滤和微滤膜的孔径、孔径分布和孔隙率可通过电子显微镜直接观察测定。 微滤膜的最大孔径还可以通过泡点法测量，计算最大孔径的公式： 因为亲水膜可以被水完全润湿，所以，,4. 水通量,定义：在一定条件下(一般为0.1MPa，温度 20C)，单位时间单位膜面积的水通 量(m3m-2h-1) 意义：A、对同类膜，孔径越大， 水通量越大； B、水通量并不能完全衡量和预测实 际料液的透过流通量,