第六章 膜分离

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1、膜分离技术膜分离技术 第六章膜分离技术膜分离技术第一节 膜及其应用 第二节 膜分离过程 第三节 膜分离过程中的问题及处理第四节 典型膜分离技术第五节 液膜分离技术 第一节第一节 膜及其应用膜及其应用一、膜的分类及性能可以按不同的方式对膜进行分类：（1）按膜孔径大小分 微滤膜0.02514m；超滤膜0.0010.02m (10200)；反渗透膜0.00010.001m (110)；纳米过滤膜，平均直径2nm。（2）按膜结构分 对称性膜，不对称膜、复合膜等。（3）按材料分为 高分子合成聚合物膜，无机材料膜等；第一节第一节 膜及其应用膜及其应用在实际应用中，面对不同分离对象必须采用相应的膜材 料，但

2、对膜的基本要求是共同的，主要有：耐压：要达到 有效的分离，各种功能分离膜的微孔是很小的，为提高各种 膜的流量和渗透性，就必须施加压力，例反渗透膜可实现5 15nm微粒分离，所需压差为13801890kPa，这就要求膜在一 定压力下，不被压破或击穿；耐温：分离和提纯物质过程 的温度范围为082，清洗和蒸汽消毒系统，温度 110；耐酸碱性：待处理液的偏酸、偏碱严重影响膜的 寿命，例醋酸纤维膜使用pH28，如偏碱纤维素会水解； 化学相容性：要求膜材料能耐各种化学物质的浸蚀而不致产 生膜性能的改变；生物相容性：高分子材料对生物体来说 是一个异物，因此必须要求它不使蛋白质和酶发生变性，无 抗原性等；低成

3、本。第一节第一节 膜及其应用膜及其应用二、膜组件由膜、固定膜的支撑体、间隔物以及收纳这些部件的容器构成的一 个单元，称膜组件或膜装置。膜组件的结构根据膜的形式而异，目前市 售的有四种型式：平板式，管式，中空纤 维式和螺旋卷式，具体结构见图6-1, 6-2, 6-3, 6-4, 它们的优缺点见 表6-1。 图6-1 平板式膜组件 图6-2 管式膜组件 第一节第一节 膜及其应用膜及其应用图6-3 螺旋卷式膜组件图6-4 中空纤维式膜组件第一节第一节 膜及其应用膜及其应用第一节第一节 膜及其应用膜及其应用三、膜在生物技术行业中的应用膜的种类不同，所应用对象也有所不同，如表6-2所示。由于膜分离技术具

4、有防止杂菌污染和热敏性物质失活等优点，所以在生物工程中应用极为广泛。第一节第一节 膜及其应用膜及其应用（1）细胞分离和发酵液澄清 在细胞分离上应用包括 整细胞收集：错流过滤不仅用于发酵生产中生物量或胞外产 物的细胞收集、浓缩和清洗，而且也可用于重组受体大肠杆 菌、活微生物细胞、酵母、球菌等的整细胞收集；细胞碎 片分离：例如用错流过滤分离重组大肠杆菌细胞破碎液，可 得含人牛氏激素90的活性组份并除去细胞碎片；细胞循 环发酵：如用酿酒酵母进行乙醇发酵时，使发酵液连续通过 膜，膜将细胞截留而让乙醇及起抑制作用的副产物连续排至 系统外，从而促进菌体的增殖，提高乙醇的生产能力，使发 酵操作连续化。第一节

5、第一节 膜及其应用膜及其应用（2）除菌和纯化产品 采用超滤或反渗透除去医药用水 中的热源，较之原来使用的蒸馏过程省能方便，如英国制 药公司于1981年初建设的带有反渗透法去热源原的游离水 生产装置要比传统的蒸馏法优越得多，盐的去除率也在95 以上。同样在氨基酸生产工艺中，使用超滤法能除菌或 去热源。（3）酶、蛋白质等大分子物质的浓缩和精制 采用超滤 技术将粗酶液进行处理，低分子和盐类可以与水一起从膜 孔渗除，酶被浓缩和精制，目前已达实用化分离的酶有细 菌蛋白酶、戊基葡糖苷酶、粗制凝乳酶、凝乳酶、果胶酶 、胰蛋白酶、葡萄糖氧化酶，肝素以及-半乳糖苷酶等， 采用超滤法后可大大简化工序，不仅可节能、

6、降低操作成 本，还可防止酶的失活，从而大大提高了酶的收率。第一节第一节 膜及其应用膜及其应用（4）低分子量发酵产品的分离与浓缩 抗生素、氨基酸 等低分子量发酵产品可用纳米过滤进行分离，例如采用 MPW公司生产的MPF-50纳米膜可以分离含抗生素的萃取 液，其中透过该膜的是纯化了的有机溶剂如乙酸丁酯，可 继续作萃取剂循环使用，而浓缩液中为高浓度的抗生素等 。对这些产品的浓缩也可用反渗透方法进行，降低能耗和 产品损失，如浓缩抗生素能耗只有真空蒸发的13，而浓 缩赖氨酸，其损失可控制在1以下。（5）膜反应器 可利用膜制作成不同类型的膜反应器， 有的用来使酶循环使用而合成甘油酯，有的进行DL-氨基 酸

7、的拆分，如使N-乙酰基-D、L蛋氨酸拆分成L-蛋氨酸。 也可进行淀粉酶转化葡萄糖并进一步用酵母转为乙醇，此 外也可用膜反应器来生产单克隆抗体等。 第二节第二节 膜分离过程膜分离过程一、膜分离过程机理 1膜分离过程的传质形式在膜分离过程中，膜相际有3种基本传质形式，即被动传递、促进 传递和主动传递。如图6-5所示。图6-5a示最简单的形式，称为“被动传递”(passive transport) ，为热力学“下坡”过程，其中膜的作用就像一物理的平板屏障。所 有通过膜的组分均以化学势梯度为推动力。组分在膜中化学势梯度， 可以是膜两侧的压力差、浓度差、温度差或电势差。图6-5 通过膜相际传质过程基本形

8、式示意第二节第二节 膜分离过程膜分离过程图6-5b示“促进传递”过程，在此过程中，各组分通过 膜的传质推动力仍是膜两测的化学势梯度。各组分由其特 定的载体带入膜中。促进传递是一种具有高选操性的被动 传递。图6-5c所示“主动传递”，与前两者情况不同，各组分 可以逆其化学势梯度而传递，为热力学上坡过程。其推 动力是由膜内某化学反应提供主要发现于生命膜。现已工业化的主要膜分离过程只有56种，见表6-1， 均为被动传递过程。这些过程的推动力主要是浓度梯度、 电势梯度和压力梯度，也可归结为化学势梯度。 第二节第二节 膜分离过程膜分离过程但在某些过程中这些梯度互有联系，形成一种新的现 象，如温差不仅造成

9、热流，也能造成物流，这一现象形成 了“热扩散”或“热渗透”。静压差不仅造成流体的流动 ，也能形成浓度梯度，反渗透就是这种现象。在膜过程中 ，通常多种推动力同时存在，称为伴生过程。过程中各种 组分的流动也有伴生现象，如反渗透过程中，溶剂透过膜 时，伴随着部分溶质同时透过。流速与推动力间以渗透系数来关联。渗透系数与膜和 透过组分的化学性质、物理结构紧密相关。在均质高分子 膜中，各种化学物质在浓度差或压力差下，靠扩散来传递 ；这些膜的渗透率(permeability)取决于各组分在膜中的 扩散系数和溶解度。 第二节第二节 膜分离过程膜分离过程通常这类渗透速率是相当低的。在多孔膜中，物质传 递不仅靠分

10、子扩散来传递，且同时伴有粘滞流动，渗透速 率显著的高，但选择性较低。在荷电膜中，与膜电荷相同 的物质就难以透过。因此，物质分离过程所需的膜类型和 推动力取决于混合物中组分的特定性质。 2膜分离过程机理物质通过膜的分离过程较为复杂。不同物理、物化性 质(如粒度大小、分子量、溶解情况等)和传递属性(如扩散 系数)的分离物质，对于各种不同的膜(如多孔型、非多孔 型)其渗透情况不问，机理各异。因此，建立在不同传质机 理基础上的传递模型也有多种，在应用上各有其局限性。 膜传递模型可分为两大类。第二节第二节 膜分离过程膜分离过程第一类以假定的传递机理为基础，其中包含了分离物 质的物理、化学性质和传递属性。

11、这类模型又分为两种不 同情况：一是通过多孔型膜的流动；另一是通过非多孔型 膜的渗透。前者有孔模型、微孔扩散模型和优先吸附毛细 管流动模型等；后者有溶解-扩散模型和不完全的溶解-扩 散模型等。当前又有不少修正型的模型，但基本上是一致 的，多属溶解扩散模型。第二类以不可逆热力学为基础，称为不可逆热力学模 型，主要有Katchalsky模型和Spiegler-Kedem模型等。不论那类模型都涉及物质在膜中的传递性质，最主要 的是溶质和溶剂的扩散系数和溶解平衡(成为吸附溶胀平衡 )。第二节第二节 膜分离过程膜分离过程对膜过程中的物质 传递，可以典型的非对 称膜为例，分几个区间 来描绘，如图6-6所示。

12、 图中所指溶质i是被膜脱 除的或非优先选择的， 如反渗透过程。主流 体系区间() 在此区 间内，在稳定清况下， 溶质的浓度(cib)加是均 匀的，且在垂直于膜表 面的方向无浓度梯度。图6-6 物质经过非对称膜的传递示意第二节第二节 膜分离过程膜分离过程边界层区间() 此区间只有浓度极化 (或称浓差极 化)现象的边界层，这是造成膜体系效率下降的一个主要因 素，是一种不希望有的现象。溶质被膜斥于表面，造成靠 近表面的浓度增高现象，需用搅拌等方式促进其反扩散和 提高其脱除率。表面区间() 在此区间发生着两种过程：其一是由 于膜的不完整性和表面上的小孔缺陷，沿表面溶质扩散的 同时有对流现象。另一是溶质

13、吸附于表面而溶入膜中。后 者在反渗透过程中非常重要，是影响分离的主要因素。在 膜表面溶质的浓度(ci)m比在溶液表面中溶质的浓度(ci)低得 多，通常这两浓度之比定义为“分配系数”(k)或“溶解度常数 ”(Sm)。第二节第二节 膜分离过程膜分离过程表皮层区间 此区间是高度致密的表皮，是理想无孔 型的。非对称膜的皮层的特征是对溶质的脱除性。要求这 层愈薄愈好，有利于降低流动的阻力和增加膜的渗透率。 溶质和渗透物质在表皮层中的传递是以分子扩散为主，也 有小孔中的少量对流。多孔支撑区间 这部分是高度多孔的区间，对表皮层 起支撑作用。由于其孔径大且为开孔结构，所以对溶质无 脱除作用，而对渗透物质的流速

14、有一定的阻力。表面区间() 此区间相似于中所述的区间，其中 溶质从膜中脱吸。由于多孔层基本上无选择性，所以非对 称膜下游的分配系数接近于1，即溶质在产品边膜内浓度与 离膜流入低压边流体中的浓度几乎相等。第二节第二节 膜分离过程膜分离过程边界层区间() 此区间与中区间相似，物质扩散方向与膜垂直。但此间不存在浓度极化现象，其间浓度随流动方向而降低。主流体区间() 此区间相似于，在稳定状态下，其中产品的主流体浓度为cib。综上所述，溶质或溶剂在膜中的渗透率取决于膜两边溶液的条件和膜本身的化学和物理性质。传质总阻力为边界层和膜层阻力之和。第二节第二节 膜分离过程膜分离过程二、膜分离过程的类型1按推动力

15、的不同进行分类（1）以静压差为推动力的膜分离过程 如反渗透(RO或HF)、超过滤(UF)、纳滤（NF）、微孔过滤(MF)、气体分离（GS）、膜蒸馏（MD）及渗透气化（PV）等。（2）以浓度差为推动力的膜分离过程 如透析（D）、气体分离（GS）及液膜分离等。（3）以电位差为推动力的膜分离过程 如电渗析（ED）等。 第二节第二节 膜分离过程膜分离过程2按操作方式不同进行分类（1）开路循环 如图6-7所示。循环泵关闭，全部溶液用给料泵F送回料 液槽，只有透过液排出到系统之外。（2）闭路循环 如图6-7所示。浓缩液（未透过的部分）不返回到料液槽 ，而是利用循环泵R送回到膜组件中，形成料液在膜组件中的闭

16、路循环。闭 路循环中，循环液中目标产物浓度的增加比开路循环操作快，故透过通量小 于开路循环。但其优点是膜组件内的流速可不依靠料液泵的供应速度进行独 立的优化设计。图6-7第二节第二节 膜分离过程膜分离过程（3）连续操作 如图6-8所示。连续操作是在闭路循环的基础上 ，将浓缩液不断排到系统之外。每一级中均有一个循环泵将液体进 行循环，料液由给料泵送入系统中，循环液浓度不同于料液浓度。 各级都有一定量的保留液渗出，进入下一级。由于第一级处理量大 ，所以膜面积也大，以后各级依次减小。最后一级的循环液为成品 ，浓度最浓，因此，通量较低。 图6-8第三节第三节 膜分离过程中的问题及处理膜分离过程中的问题及处理膜