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1、第三章 膜分离技术 v 膜分离技术是指利用具有一定膜孔和选择透过特性的天然 或人工合成的分离膜，在某种推动力（浓度差、压力差、 电位差等）的作用下，来实现物质的分离纯化或浓缩的一 种操作技术。 *生命科学学院 生物科学51班2 第三章 膜分离技术 膜分离基本技术 透 析 技 术 超 滤 技 术 微 滤 技 术 1 2 3 4 其它膜分离技术 5 第一节 膜分离基本技术 v膜分离技术发展 n20世纪30年代人们利用半透性纤维素膜开创了近代工 业膜分离技术的应用。 n20世纪60年代以后，不对称膜制造技术取得了很大进 展，包括微滤、超滤、反渗透、电渗析、透析等的生 物技术迅速发展，膜分离技术在生物
2、物质的分离纯化 过程中得到了越来越广泛的应用，而且随着膜材料科 学和分离技术的进步，像液膜分离技术、液膜分离萃 取技术、纳米分离技术等相继问世。 *南京农业大学 生命科学学院3*3南京农业大学 生命科学学院 第一节 膜分离基本技术 v 膜分离与常规的分离技术相比 n具有无相变化、能耗低、过程简单、不污染环境等 优点 n特别适用于生物物质、酶制剂及同分异构体等的分 离。 *南京农业大学 生命科学学院4 膜纵切面模式图 第一节 膜分离基本技术 v膜分离技术分类 n膜分离技术主要包括透析、超滤、微滤、电渗析、反 渗透等。各种膜分离过程的类型及特征如下表所示： *南京农业大学 生命科学学院5*5南京农
3、业大学 生命科学学院 第一节 膜分离基本技术 v膜分离过程的推动力是静压差、浓度差或者电位差， 有的分离过程可能是几种推动力都兼而有之。 v膜在分离过程中有三种功能： n物质的识别与透过，这是使混合物各组分之间实现分 离的内在因素 n界面作用，以膜为界面将透过液和保留液分为互不混 合的两相 n反应场作用，膜表面及孔内表面含有与特性溶质有相 互作用能力的官能团，通过物理作用、化学反应或生 化反应提高膜分离的选择性和分离速度。 *南京农业大学 生命科学学院6*6南京农业大学 生命科学学院 第一节 膜分离基本技术 v分离膜 v分离膜应具备的基本条件为：好的选择透过性；良好 的分离性能（即截留率高，透
4、过率大）；理化性能良 好；污染小，使用寿命长；价廉易得。 v各种分离膜按所使用的材质不同可分为无机材料膜和 有机材料膜。 n无机材料膜有陶瓷膜和不锈钢膜， n有机膜多为合成高分子材料膜，主要有纤维素类、聚 矾类、聚烯烃类、聚酞胺类和芳香杂环类等。 *南京农业大学 生命科学学院7*7南京农业大学 生命科学学院 第一节 膜分离基本技术 v分离膜 v分离膜的性能参数主要有：孔道特征、渗透通量、截 留率和截留相对分子质量等。 v孔道特征包括 n孔径大小，孔径大小用最大孔径和平均孔径来描述 n孔径分布，孔径分布指各种孔径的孔占全部孔的体积分 数。 n孔隙率，孔隙率是指孔体积占膜总体积的百分数。 *南京农
5、业大学 生命科学学院8*8南京农业大学 生命科学学院 *南京农业大学 生命科学学院9 分离膜的孔径与种类 第一节 膜分离基本技术 v分离膜的性能参数 v渗透通量又称透水率或水通量，它是指在一定条件之 下（一般压力为0.1 MPa，温度为20），单位时间透 过单位膜的溶剂体积。 n渗透通量表征膜的处理力的大小，取决于膜的孔隙率、 孔径等物理特性和温度、压力差、浓度等操作条件。水 通量即为膜的纯水渗透通量。 v截留相对分子质量指膜所能截留的截留率大于90%的溶 质的相对分子质量。 n根据截留相对分子质量的大小可以估计膜的平均孔径。 *南京农业大学 生命科学学院10*10南京农业大学 生命科学学院
6、第一节 膜分离基本技术 v分离膜的性能参数 v截留率是指对于一定相对分子质量的物质，膜能截留 的程度，其定义式为： nR 截留率，% nb主体料液浓度，kg/m3 np透过液浓度，kg/m3 n100% 截留率表示溶质全部被膜截留，此为理想的半渗透膜；0截 留率则表示溶质全部透过膜，无分离作用，通常截留率在0-l00% 之间。 *南京农业大学 生命科学学院11*11南京农业大学 生命科学学院 第一节 膜分离基本技术 v 膜组件是膜分离装置的核心，它是由过滤膜、支撑材料、 间隔器及外壳等部分组装而成的。 n膜组件可和其他部分构成膜分离系统，实现膜分离操作 ，达到一定的分离要求。 v 膜组件的类型
7、 n主要有板式膜、管式膜、卷式膜和中空纤维式膜。 v 在膜分离系统中待分离的料液用给料泵输送入膜组件，在 膜组件中料液则被分离成截留物（或称保留液）和透过液 。截留物根据需要或开路循环入料槽或闭路循环入膜组件 ，同时有截留物的取出。 *南京农业大学 生命科学学院12*12南京农业大学 生命科学学院 第二节 透析技术 v透析（dialysis）是应用的最早的膜分离技术 v 1861年Thomas Graham首次利用来源于动物的半透膜分离 出多糖、蛋白质溶液中的无机盐。 v 作用机理：用高分子溶质不能透过的亲水膜将含有高分子 溶质和其他小分子溶质的溶液与纯水（或缓冲溶液）分开 ，在浓度差的作用下
8、，高分子溶液中的小分子溶质（如无 机盐）透向水侧，水则向高分子溶液一侧透过。 *南京农业大学 生命科学学院13*13南京农业大学 生命科学学院 第二节 透析技术 v 透析膜一般为5-l0 nm的亲水膜，如纤维素膜、聚丙烯睛膜 和聚酚膜等。 v 溶质在浓度差的推动下，以扩散的形式移动。 v 摩尔渗透通量为： N = K0(c1-c2) nN摩尔渗透通量，mol/(sm2) nc1，c2分别为膜两侧的浓度，mol/m3 nK0包括膜内扩散和膜两侧表面液膜传质阻力在内的总传 质系数，1/s *南京农业大学 生命科学学院14*14南京农业大学 生命科学学院 第二节 透析技术 *南京农业大学 生命科学学
9、院15*15南京农业大学 生命科学学院 v 透析最主要的应用： n血液的解毒（如肾衰竭和尿毒症患者的血液透析） n实验室规模的蛋白质分离纯化，如脱盐（去除蛋白质大分子 溶液中的小分子盐）、去除水溶性有机溶剂和置换缓冲液等 ，即从样品中除去相对分子质量小的溶质和置换存在于透析 液中的缓冲液。 v 透析操作简单易行，如蛋白质的传统纯化方 法是使用透析袋，将待分离液盛于透析袋内 ，把透析袋置于透析外液（即水或缓冲液） 中，如图所示。 n右图所示透析膜的渗透通量很小，不适于大 规模的生物分子分离。 第二节 透析技术 *南京农业大学 生命科学学院16*16南京农业大学 生命科学学院 v常用透析方法和装置
10、 1. 自由扩散透析法 v 准备透析袋，检查透析袋是否有泄漏。过后即可装入待透析样 品，封好两端，置于盛有足够量的透析外液的容器（如大烧杯 、量筒等）内透析。当袋内、外小分子趋于平衡时，更换透析 外液，又产生新的 渗透压差，小分子 继续向外扩散，如 此多次重复，就可 以将大分子和小分 子分离。 第二节 透析技术 *南京农业大学 生命科学学院17*17南京农业大学 生命科学学院 v常用透析方法和装置 2. 搅拌透析法 v 此法与自由扩散透析法相似，不同的是搅拌透析法需要在透析 容器下面安装一个磁力搅拌器，在电磁搅拌下，使自由扩散出 来的小分子很快被分散到整 个容器中。透析袋外周始终 保持低渗状态
11、，克服无搅拌 形成的浓度梯度大、有自由 扩散以及达到平衡时间长等 不足，缩短透析时间，提高 透析效率。 第三节 超滤技术 v 超滤（ultrafiltration）技术是综合了过滤和透析技术的优点 而发展起来的一种高效分子分离技术，是生物大分子脱盐 、浓缩、分级分离常用的方法。超滤是以0.1-1 MPa的静压 差为传质推动力，利用不对称膜的筛分性质，来截留1-20 nm的大分子溶质的膜分离过程。 *南京农业大学 生命科学学院18*18南京农业大学 生命科学学院 第三节 超滤技术 v超滤技术的原理 n超滤主要用于处理不含固形成分的料液，与一般的透析技术 一样，主要依赖于被分离物质相对分子质量的大
12、小、形状和 性质的区别。 *南京农业大学 生命科学学院19*19南京农业大学 生命科学学院 n具有一定孔径的半透膜在一定 的压力下，半透膜内的小分子 能够通过膜孔渗透到膜外，大 分子不能通过，使大小不同的 分子达到分离的目的。 n超滤技术实际上是一种高压渗 透分离方法，是通过在膜内施 加正压或者在膜外施加负压使 小分子排出膜外。 第三节 超滤技术 v 超滤过程中，流体在膜的孔道内呈层流流动，超滤膜的孔 道结构十分复杂，孔径大小不均，其渗透通量须按以下方 程计算： nN 摩尔渗透通量，mol/(sm2) n 膜的孔隙率，% nL 滤液黏度，Pas nS0 孔道比表面积，m2/g v 根据公式可以
13、看出：超滤膜的摩尔渗透通量与压力差成正 比，与滤液的黏度成反比。 *南京农业大学 生命科学学院20*20南京农业大学 生命科学学院 nK 孔道结构有关的无量纲常数 nL 孔道长度，m np 滤液通过膜层时的压力差，Pa 第三节 超滤技术 v 超滤膜 v 超滤膜通常为不对称膜，即横断面具有不对称结构的膜， 如图所示。 n膜的表面有一层超薄层的致密皮层，起着膜的专一特性的作用； 其下是一层较厚的海绵状多孔性支撑层，支撑层决定着膜的渗透 通量，支撑层由锥形微孔组成为锥尖向上的锥形通道。这种不对 称膜很少会堵塞。 n超滤聚合膜主要由聚矾、硝酸纤维或醋酸纤维、再生纤维素，硝 化纤维素和丙烯酸组成。 *南
14、京农业大学 生命科学学院21*21南京农业大学 生命科学学院 第三节 超滤技术 v 超滤技术的应用： n大分子物质的脱盐和浓缩； n大分子溶剂系统的交换平衡； n小分子物质的纯化； n大分子物质的分级分离； n生化制剂或其他制剂的除菌过滤和去热原处理； n回收细胞和处理胶体悬浮液。 n在生化制药中可用来分离蛋白质、酶、核酸、多糖、多肤、 抗生素、病毒等。 v 超滤的优点： n没有相的转变，无需添加任何强烈的化学物质，可以在低温 下操作，过滤速度较快，便于无菌处理等。 *南京农业大学 生命科学学院22*22南京农业大学 生命科学学院 第三节 超滤技术 v 超滤的方式 n主要有无搅拌式和搅拌式超滤
15、、中空纤维超滤三种。前 两种装置比较简单，只是在密闭容器中施加一定压力， 使小分子和溶剂挤出膜外，下面主要介绍第三种方式。 v 中空纤维超滤的工作原理 n中空纤维超滤是在一支空心柱内装有许多的中空纤维毛细管 ，两端相通，管的内径一般在0.2mm 左右，有效面积可以达 到1.0cm2，每一根纤维毛细管都像一个微型透析袋，极大地 增大了渗透的表面积，提高了超滤的速度。 *南京农业大学 生命科学学院23*23南京农业大学 生命科学学院 第三节 超滤技术 v 中空纤维超滤的工作原理 n中空纤维超滤以液压泵为动力，将需要超滤的样液注入每一 根中空纤维毛细管内。当样液经压力泵以较高的流速送入每 根毛细管时
16、，样液从底部往上端流出，经过流量阀时，阀门 只打开一部分（是全流速的1/42/3左右），流速减慢，中 空纤维毛细管内产生很大的内压，一部分溶质小分子和溶剂 分子被挤出毛细管外，一部分溶质小分子和溶剂携带着大分 子通过流量阀，回流到贮液瓶，与剩余的样液混合，完成一 次超滤。混合后的样液再次经液压泵送入中空纤维毛细管内 超滤。每经过一次循环，分离出去一部分溶质小分子和溶剂 分子，大分子则不断被浓缩。如果要将大分子和小分子分离 得比较完全，可以将浓缩液稀释若干倍后再次超滤。 *南京农业大学 生命科学学院24*24南京农业大学 生命科学学院 第三节 超滤技术 v 中空纤维超滤的工作原理 n超滤开始时，由于溶质分子均匀地分布在溶液中，溶液浓度较稀， 超滤的速度比较快，但是随着小分子和溶剂不断排出，大分子的浓 度越来越高，膜表面被截留分子不断堆积，超滤速度就会逐渐减慢 ，这种现象称为浓度极化现象。 n适当降低压力、稀释样液，有利于延
