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1、第四节 膜分离设备大豆分离蛋白传统生产工艺豆粕碱溶酸沉分离蛋白乳清废水（排放或末端处理）清洁生产工艺流程豆粕碱溶酸沉乳清超滤滤液纳滤滤液反渗透盐水排放回用水分离 蛋白质低分子 蛋白质低聚糖借助于一定孔径的薄膜，将不同大小、不同形 状和不同特性的物质颗粒或分子进行分离、提纯或 浓缩的新型分离技术。膜分离技术已被国际上公认为20 世纪末至21世纪中期最有发展前途， 甚至会导致一次工业革命的重大生产 技术，所以可以称为前沿技术，是世 界各国研究的热点。广泛应用于生物工程、化学、制药 、饮料、电力、冶金、海水淡化、资 源再生等领域。渗出液一、膜分离技术概述1、膜分离技术的地位和影响 l 美国官方文件曾
2、说“18世纪电器改变了整个工业进程， 而20世纪膜技术将改变整个面貌”，“目前没有一种技 术，能像膜技术这么广泛地被应用”l 日本和欧洲则把膜技术作为21世纪的基盘技术进行研 究和开发。 l “谁掌握了膜技术，谁就掌握了化学工业的未来”- Norman N. Li，美国科学院院士，著名华裔科学家。 l 膜分离已得到广泛应用。21世纪是工业生物技术的世 纪，膜技术将扮演重要角色。2、膜分离技术优点 占地少，处理效率高，设备易于放大； 条件温和，可在室温或低温下操作，适宜于热敏 感物质分离浓缩； 化学与机械剪切作用小，减少失活； 无相转变（除渗透气化外），节能； 有相当好选择性，可在分离、浓缩的同
3、时达到部 分纯化目的； 系统可密闭循环，防止外来污染；易于和反应或 其他分离过程集成和耦合。 高分子膜的分离功能很早就已发现。1748年， 耐克特（A. Nelkt）发现水能自动地扩散到装有酒 精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。1861年，施 密特（A. Schmidt）首先提出了超过滤的概念。他 提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤 时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力 差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小 粒子，其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过 滤。3、膜分离技术发展简史 然而，真正意义上的分离膜出现在20世纪60年 代。1961年，米切利斯（A. S. Mic
4、healis）等人用各 种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水 丙酮溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的 膜，这种膜是真正的超过滤膜。美国Amicon公司首 先将这种膜商品化。 50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开 始了反渗透膜的研究。1967年，DuPont公司研制成 功了以尼龙66为主要组分的中空纤维反渗透膜组 件。同一时期，丹麦DDS公司研制成功平板式反渗 透膜组件。反渗透膜开始工业化。 自上世纪60年代中期以来，膜分离技术真正 实现了工业化。首先出现的分离膜是超过滤膜（UF 膜）、微孔过滤膜（MF膜）和反渗透膜（RO 膜）。以后又开发了许多其它类型的分离膜。在此期间，除上述
5、三大膜外，其他类型的膜也 获得很大的发展。80年代气体分离膜的研制成功， 使功能膜的地位又得到了进步提高。具有分离选择性的人造液膜是马丁（Martin） 在60年代初研究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖 在固体膜之上的，为支撑液膜。60年代中期，美籍华人黎念之博士发现含有表 面活性剂的水和油能形成界面膜，从而发明了不带 有固体膜支撑的新型液膜，并于1968年获得纯粹液 膜的第一项专利。70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流 动载体的液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性。黎念之 (Norman N. Li) 博士小传黎念之化学工程学家。美国国籍 1932年12月25日生于中国上海，原籍
6、湖南湘潭。1954年获台湾大学化学工程学士学位。 1959年获美国密执安州立韦恩大学硕士学位 1963年获美国史蒂文斯理工学院博士学位 1995年迄今任北美膜科学学会会长和恩理（NL）化学技术公司董事长。 1990年起任美国国家工程院院士 1996年起任台湾“中央研究院”院士 1998年当选为中国科学院外籍院士 2000年获被誉为化学工业界诺贝尔奖的普金奖章 2001年荣获世界化工大会授予的终身成就奖 膜科学的主要奠基人之一。他发明的液体膜技术已形 成一项重要的技术。著作13部，论文及专利共有一百 五十余篇（项），应邀在美国、中国、日本、欧洲等 地作学术演讲一百二十余次，担任过约六十次重大国
7、际化学、化工、膜科学学术会议主席。二、典型的膜分离技术及应用领域（一）膜分离的类型1、按推动力不同可分为：（1）压力差膜分离：微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤 （ NF）、反渗透（RO）、渗透蒸发（VP）、气体分离（GS ）。（2）浓度差膜分离：渗析（DD）、透析（3）电位差膜分离：电渗析（ED）、膜电解（ME）（4）温度差膜分离：膜蒸馏（MD）微滤 ( ME, microfiltration ) 超滤 ( UF，ultrafiltration ) 纳滤 ( NF, nanofiltration ) 反渗透 ( RO, reverse osmosis) 电渗析( ED, electrodial
8、ysis) 膜电解 ( ME, membrane electrolysis) 扩散渗析( DD, diffusion dialysis ) 气体分离 ( GS, gas separate ) 蒸汽渗透 ( VP, vapor pervation ) 全蒸发 ( PV, full evaporation ) 膜蒸馏 ( MD, membrane distillation ) 膜接触器 ( MC, membrane contactor )2、按膜孔径或截留物质的大小：微滤 超滤 纳滤 、电渗析 、透析 反渗透膜 孔 径大小灰尘细菌病毒生物大分子生物小分子盐类水请将下列物质按从大到小的顺序排列：病毒
9、生物大分子生物小分子盐类水灰尘细菌病毒生物大分子生物小分子盐类水灰尘细菌病毒生物大分子生物小分子盐类水灰尘细菌病毒生物大分子生物小分子盐类水膜微滤（MF）超滤（UF）纳滤（MF）反渗透滤（RO）灰尘细菌（0.2-2um）（10-200nm）（2nm）（2-10nm）3、各种膜分离法的原理和应用范围膜分离法截留的颗颗粒大小截留的主要物质质过滤过滤 介质质应应用举举例微 滤滤（MF ）0.22um灰尘尘、细细菌微孔滤滤膜除菌，回收 菌超 滤滤 （ UF）10nm200nm生物大分子及以上超滤滤膜蛋白质质、多 肽肽和多糖的 回收和浓缩浓缩纳纳 滤滤 （NF）2nm10nm生物小分子及以上纳滤纳滤 膜
10、脱盐盐、浓缩浓缩反渗透 （RO）2nm盐类盐类 及以上反渗透膜盐盐、氨基酸 、糖的浓缩浓缩 、淡水制造1、 微 滤(MF)又称微孔过滤，是以微滤膜作为过滤介质的膜分离技术。（1）截留颗粒直径：0.22 um。（2）操作压力：低于0.1 MPa。（3）应用：实验室和生产中通常利用微滤技术除去或收集发酵液 中的细胞。无菌水、矿泉水、纯生啤酒的生产。热敏性药 物和营养物质的过滤除菌等（二）典型的膜分离技术及应用领域微滤（MF）细胞水盐大 分 子小 分 子、微粒和细菌的过滤：可用于水的高度净化、食品 和饮料的除菌、药液的过滤、发酵工业的空气净化和 除菌等。 、微粒和细菌的检测：微孔膜可作为微粒和细菌的
11、 富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。 、气体、溶液和水的净化：大气中悬浮的尘埃、纤 维、花粉、细菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固 体颗粒和微生物，都可借助微孔膜去除。 、食糖与酒类的精制：微孔膜对食糖溶液和啤、黄 酒等酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒类中的 酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和酒类产 品的清澈度，延长存放期。由于是常温操作，不会使 酒类产品变味。、药物的除菌和除微粒热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药品中。而 且对于热敏性药物，如胰岛素、血清蛋白等不能采 用热压法灭菌。对于这类情况，微孔膜有突出的优 点，经过微孔膜过滤后，细菌被截留，无细菌尸体 残留在药物中。常温操作
12、也不会引起药物的受热破 坏和变性。许多液态药物，如注射液、眼药水等，用常 规的过滤技术难以达到要求，必须采用微滤技术。2、 超 滤(UF)可截留溶液中溶解的大分子物质，而透过小分 子物质。（1）截留颗粒直径：10200 nm。（2）操作压力：0.10.7MPa。（3）应用：一是分离纯化，从高分子物质与低分子物质的溶 液中，使低分子物质透过膜；二是溶液的浓缩。大分子水盐小 分 子超滤（UF）超滤技术的应用领域涉及化工、食品、医药、生化等。主 要可归纳为以下方面。（1）纯水的制备：超滤技术广泛用于水中的细菌、病毒和其他 异物的除去，用于制备高纯饮用水、电子工业超净水和医用无菌 水等。 （2）食品工
13、业中的废水处理：在牛奶加工厂中用超滤技术可从 乳清中分离蛋白和低分子量的乳糖。 （3）果汁、酒等饮料的消毒与澄清：应用超滤技术可除去果汁 的果胶和酒中的微生物等杂质，使果汁和酒在净化处理的同时保 持原有的色、香、味，操作方便，成本较低。 （4）在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，分离浓缩生物 活性物质，从生物中提取药物等。纳滤膜主要用于截留粒径在210nm，分子量 为1000左右的物质，可以使盐和小分子物质透过， 操作压（0.51MPa）。其被分离物质的尺寸介于反渗透膜和超滤膜之间 ，但与上述两种膜有所交叉。3、纳 滤(NF)水盐小分子大分子纳滤（NF）应用领域(1)、脱盐淡化对苦咸水进行软
14、化、脱盐是纳滤应用的最大市场 。产水完全符合饮用水的要求 。在美国目前已有超过 40万吨/日规模的纳滤膜装置在运转，大型装置多数分 布在佛罗里达半岛 。(2)、食品、饮料、制药行业 此领域中的纳滤膜应用十分活跃，如各种蛋白质、 氨基酸、维生素、奶类、酒类、酱油、调味品等的浓 缩、精制。4、反渗透(RO)在压力作用下，溶剂（通常是水）透过膜，而溶质被阻 挡于膜壁外。（1）截留颗粒直径：小于2 nm。（2）操作压力：110 MPa。（3）应用：主要用于分离各种离子和小分子物质。在溶液的浓缩、无离子水的制备、海水淡化等方面广泛应 用。溶质水水膜溶质水水膜渗透反渗透渗透与反渗透原理示意图水盐小分子大分
15、子反渗透（RO）反渗透最早应用于苦咸水淡化。反渗透过程主要 是从水溶液中分离出水。（1）海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化 制备锅炉用水，高纯水的制备。近年来，反渗透技术在家用饮水机及直饮水给水 系统中的应用更体现了其优越性。反渗透膜技术应用领域（2）在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁、咖啡浸液等。与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工 艺比较，反渗透法脱水浓缩成本较低，而且产品的 疗效、风味和营养等均不受影响。5、电渗析（ED）在电场作用下，带电离子透过膜向两极移动，而达到分 离的目的。溶液膜膜+-+-+-极水盐水淡水应用：电渗析主要用于溶液的脱盐、海水淡化、纯水制备等食盐生产电渗析器示
16、意图 A：阴离子膜，K：阳离子膜；D：稀室，C：浓室Na+ClNa+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+ClClClClClClClClAKKKKKAAAADCDDDDCCC阳 极 水阴极水 咸水Cl2NaOH脱盐水浓缩 液（1）中草药有效成分的分离和精制：通过电渗析一般 可以把中草药提取液分离分成无机阳离子和生物碱、 无机阴离子和有机酸、中性化合物和高分子化合物三 部分。 （2）纯水制备：电渗析制备初级水, 可去盐80-90%； 再用离子交换除盐10-20%制备高级水。这样既降低成 本, 又减少污染。 （3）水污染处理： 如回收镀镍废水等。应用举例我国在电渗析主要装置部件及结构方面都有巨大 的创新，仅离子交换膜产量就占到了世界的1/3。我国 的电渗析装置主要由国家海洋局杭州水处理技术开发 中心生产，现可提供200m3/d规模的海水淡化装置。膜电解的基本原理可以通过NaCl水溶液的电解 来说明。在两个电极之间加上一定电压，则阳极生
