超滤膜分离技术介绍）

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1、超滤膜分离技术介绍 2005-12-7超滤膜分离技术简介超滤（简称UF）：是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体进行分离的物理筛分 过程。其分子切割量一 般为1000到 50万，孔 径为10-100nm。超滤技术是nm数量级进行选择性滤过的分离技术，广泛应用于医药、化 学、机械、电子、环保、食品等领域。 1.天然药物、注射液的精制 2.蛋白、酶、核酸、多糖类药物的浓缩分离 3.蛋白质和酶类制剂的超滤脱盐 4.不同分子量生化药物的分级分离和纯化 5.不能消毒灭菌的制剂超滤除菌 6.酒类、饮料的超滤，提高澄清度 7.电子工业中高纯水的制备 8.环保工程中排放水的处理和回收有用物质超滤膜分离技术

2、特点相对其他分离方法，具有以下特点： 1.操作条件温和，无相变化 2.不需加热，不需添加任何化学试剂 3.操作简单，滤膜可反复多次使用 4.可有效滤除药液中微粒、胶体、大分子物质 5.可滤除细菌、热原 6.能耗少，工艺流程短超滤基本原理溶液体系经加压泵通过超滤膜，在压力作用 下在超滤膜表面发生分离，溶剂和其他小分 子溶质通过滤膜，大分子溶质和微粒（蛋白 质、病毒、细菌、胶体等）被滤膜阻留，从 而达到分离、提纯和浓缩的目的。附图：超滤示意图超滤膜的结构特点超滤膜上微孔具有不对称结构，在滤膜的工 作面上有一层极薄的致密层，该层上微孔孔 径一般小于20-150A，下部为结果相对疏松的 支撑层，空隙大

3、于150A。超滤膜的锥形非对称膜结构，可使得以液体在分离过程中大分 子溶质随溶液切向流经膜表面时，由于液体 的快速流动使得这些物质既不能进入膜面的致密细孔，引起膜的内堵塞，又不会停留在 膜面形成表面的堵塞，而小分子物质和溶剂 则可在压力驱动下穿过致密层的微孔后，即 能顺利穿过下部的疏松支撑层，进入膜的另 一侧，从而使超滤膜在连续运行过程中保持 相对较为恒定的通透量及分离效果。附图：锥形结构超滤膜示意图基本概念超滤膜孔径规格：非尺寸大小为指标，以分 子量截留值为指标。 分子量截留值：当溶液中溶质的分子量超过 该数值时，采用此膜进行超滤，该溶质可基 本被阻留。截留值的意义：截留值为1万的膜应可将溶

4、液 中1万分子量以上的溶质绝大多数（90以上）截留在膜前。但是实际上溶质分子能否 通过或者通过多少，还与分子形态、溶液条 件及膜孔径的分布差异等有关，即相同分子 量的物质被截留的百分率并不完全相同。故 而，截留值只是一个名义值，实际工作时还 会因为不同溶液而有所差异。超滤及普通滤过的不同相对普通滤过的差异： 名 称 普通滤过 超 滤 孔 径 微米级 纳米级 孔 结 构 直 孔 不对称孔 分离对象 固-液 液-液过滤方式 静态压滤 错流加压 反复使用 复杂或者不可 可重复使用几个滤过精度的概念： 高效滤纸过滤： 30-80um 垂熔玻璃滤过： 1.5-30um 微滤滤过精度： 0.02-14um

5、 超滤滤过精度 ： 10-100nm显著不同点：浓度极化现象 浓度极化是指不以浓度差为推动力的传质过 程中出现的浓度分布现象，分为两种情况： 1.对于一般溶液，在超滤过程中溶剂透过膜时所挟带的溶质由于膜的拦阻在膜前累积，形 成高浓度区，这些溶质以浓度差为推动力， 借浓度差扩散的方式返回料液主体，从而降 低了膜的截留性能。2.对于浓溶液，浓度极化现象使膜表面的溶液浓度增高，由于蛋白、多糖等有亲水基团的 大分子溶质在膜表面可形成凝胶层，起到次 级膜的作用，对溶剂的流动产生阻力。此时 增加压力并不能增加超滤溶剂的通量，只能 使凝胶层加厚，所增加的压力都消耗于克服 增厚的凝胶层的流动阻力。一般可采用强

6、化 搅拌、提高流速、薄层层流等措施降低边界 层和凝胶层的厚度，提高溶剂通量。超滤设备的类型1.静止型：静态操作，浓度极化显著 2.搅拌型：搅拌操作，可减轻浓度极化 3.错流湍动型：液体高速流过膜面，减轻浓度 极化 4.错流薄层层流型：采用结构变化限制边界层 厚度以减轻浓度极化 由于工业化生产中需要较大的膜面积，一般 采用后2种类型超滤设备。附图：不同类型超滤设备示意图：静态超滤搅拌型超滤错流薄层层流型超滤错流湍动型超滤超滤膜设备的组成超滤膜设备由超滤泵、粗滤设备、超滤膜组 件及管道构成。超滤膜组件有板式膜、中空 纤维膜、卷式膜、管式膜等类型。目前具用 板式膜及中空纤维膜使用的经验。应用中空 纤

7、维膜根据药液流向的不同，分为内压式超 滤及外压式超滤。中空纤维膜内压式及外压式工作原理内压式膜组件工作原理外压式膜组件工作原理中空纤维膜内压式设备简图：中空纤维膜外压式设备简图：超滤膜材质及常规工作参数膜材料：聚砜、聚醚砜、醋酸纤维素、聚丙烯腈、 聚偏氟乙烯、磺化聚砜、聚酰亚胺、 聚砜、 聚砜酰胺、等。 超滤膜pH使用范围 2-13（聚砜膜）1-14（聚醚砜膜） 工作温度 5-45 工作压力 0.1-0.2MPa超滤速度与膜面积及工作压力等相关超滤膜组件外壳常用材料：ABS工程塑料、不锈钢、有机玻璃等。超滤膜优劣的评判1.强度及韧性 2.耐酸碱能力 3.耐温范围 4.抗污染能力 5.微孔均匀程

8、度 6.通透量影响超滤效果的因素1.浓度：浓度低的药液较浓度高的药液不易形 成凝胶层，超滤速度快。 2.分子形状和大小：分子量小的溶质超滤速度 快，相同分子量的溶质球状分子比链状分子 容易通过超滤膜。 3.药液流动速度：增加膜面药液的流动可提高 料液与膜面之间边界层中溶质的扩散，可使 其返回料液，提高超滤速度，但是膜的截留 性能降低。4.药液温度：药液温度低，粘度大，超滤速度较慢。 5.粘度:药液粘度高，超滤速度慢，在可能的温度范围内应升高温度，以降低粘度。 6.压力：增加压力不一定都能使超滤速度加快，只有在药液浓度较小时，增加压力可提 高超滤速度。 7.pH值：一些蛋白质溶液在等电点附近滤速

9、 慢，应该调节pH偏离等电点。8.溶质的溶解度：溶解度低的容易形成凝胶层，因而滤速慢。 9.溶质间的相互作用：溶液中同时含有多种溶质时，大分子物质可能形成次级膜而影响小 分子的通过；溶液中含有表面活性物质时， 可使得聚集的分子囊束分散，从而使截留下 降，提高滤速。超滤膜设备的使用须知1.对水质的要求:色度小于5，浊度小于3mg/L, 粒径小于2um，pH2-13，温度5-45 。清洗用水可用超滤水、注射用水、纯化水 2.初次使用时前处理：放掉超滤膜组件中的保 护液，泵入清洗水超滤10min，压力不大于 0.15MPa；采用0.2-0.5氢氧化钠溶液循环 清洗30min，浓缩液口排液量应略大于超

10、滤口采用注射用水清洗超滤组件40min以上，浓缩液口排液量应略大于超滤口。排尽组件内水 液，即可正常使用。 3.设备运行的注意事项： 3.1 开机前须将超滤口及浓液口（回液口）完全打开后方可启动加料泵，缓缓开启进液 口，组件内充满药液后，调整回液口至工作 压力。 3.2 工作压力保持在0.1-0.2MPa3.3 停机前10min将回液口全开，关闭超滤口，进行等压冲洗，以便使膜表面残留物清 除干净，停机后关闭所有阀门。 4.清洗：当遇到下列情况时需要停止使用实行清洗： a.进液压力明显增高，超滤出液流量明显减少 b.用于生物、生化、发酵等单元操作完成 5.清洗方法：等压清洗：以料液泵为动力，全开

11、浓液口， 全关超滤口，循环冲洗膜面残留杂质。洗涤完毕后开启排水口，排尽洗涤液。 反清洗：一般适用于内压式超滤膜组件。采 用注射用水或者超滤水作为清洗液，以料液 泵为动力将清洗液从超滤液出口进入组件， 自浓缩液口排出。使用压力须小于0.05MPa。 化学清洗：清除膜表面的残留物、细菌、胶 体。具体如下： a.以0.2-0.5氢氧化钠溶液浸泡2h，循环清 洗1小时。b.以0.2-0.5盐酸溶液浸泡2h，循环清洗1 小时。 c.用注射用水或超滤水清洗超滤膜组件至排出 液pH6-7清洗液分别用分析纯试剂氢氧化钠及盐酸以 注射用水或超滤水配制。 6.设备保养： a.间断使用的保养：停止使用三天以内，可将

12、超滤组件加满注射用水，每天换水一次。b.长期停用的保养：配制2戊二醛（或者双 氧水、甲醛）和5甘油的混合水溶液注满超 滤组件。环境温度低于0时可适当增加甘油比例。 c.超滤组件严禁溶液冻结，不得脱水保存，不可长时间用有机溶剂浸泡。实际应用的部分超滤经验1.超滤膜的选择根据目标成分具体情况及超滤目的进行，分子量不是判断超滤膜可用与否 的唯一标准。 2.超滤膜的通透量均是在纯水条件下工作曲线制订的，选择超滤膜时考虑实际应用时药液 的多种溶质、浓度、粘度等多方面影响适当 放大。3.除溶质分子大小、形状外，药液浓度对超滤速度及成分转移率的影响较为显著。药液过 浓，超滤速度极慢且由于提高超滤压力或者 超

13、滤时间较长，超滤液中杂质较多。 4.超滤过程中药液流速提高对超滤速度与超滤液有效成分的纯度具有改善作用。超滤初期 及全过程的多次循环洗膜操作可降低超滤膜 的堵塞状况。 5.中空纤维膜具有污染严重难清洗的缺点。实际应用过程中应注意操作中的多次循环洗 膜、超滤结束后等压冲洗以及立即进行水 洗、碱洗。一般碱洗后以碱液浸泡后再洗涤 1-2遍方可干净。 6.超滤对树脂、热原的去除效果与不同截留分子量以及超滤参数相关。截留分子量小， 对热原、树脂的截留良好；超滤时压力过大 或药液浓度过大，树脂可能未完全除尽。超 滤去除微粒、脱色、脱盐、提高澄明度效果 良好。7.超滤膜的堵塞，分为超滤膜空隙内的溶质吸附和堵

14、塞及超滤膜表面浓度极化凝胶层和溶 质吸附几种形式，简单的等压循环冲洗以及 化学洗涤可明显改善膜表面的堵塞状况，多 次化学洗涤及反洗操作（中空纤维膜）可确 保膜内残留物的基本清除。 8.超滤过程中有效成分及杂质成分的转移情款并不相同，超滤初期及末期超滤液纯度发生 改变，一般初期纯度高于末期纯度。小试至中试处方量差异较大时超滤参数不可线性放 大。 9.超滤前必须进行药液预处理，可采用微滤、冷藏高速离心或再小截流分子量超滤前外加 大分子量超滤膜进行分级超滤。 10.有机试剂、高浓度乙醇、过高或过低pH药液均可增加超滤膜的脆性，降低其耐压性， 影响膜的正常使用；紫外光灯可加速膜的老 化。11. 中空纤

15、维膜价格较低，国内成熟的制造技术，但没有统一的标准，可承受压力低，不 易清洗，易损伤，死体积较大，料液浪费较 多，无法对其进行完整性测试；国内无成熟 板式膜的制备技术，国外有成套产品，制备 技术与检测技术比较完整，膜可承受压力 高，易清洗，不易损伤，死体积较小，料液 浪费较少。卷式膜则介于中空纤维和板式膜 之间。12.国产超滤膜与进口膜截留分子量以及膜的耐用性差异较大，超滤膜的更换可能导致试 验参数的较大改变。实例介绍一、*注射液拟采用超滤法，除去树脂、鞣质、色素等较 大分子无效物质。为了优选超滤条件，工艺 优选中选用中空纤维超滤膜（聚砜膜）为主 件，药液采用不同孔径（分子量分别为6000 和10000）的膜，分别超滤作比较，选择适合该制剂超滤用膜。