09膜分離技術(shù)13幻燈片

§10膜分離技術(shù)環(huán)境學(xué)院本講的主要內(nèi)容膜分離技術(shù)概述膜材料與膜的制造表征膜性能的參數(shù)各種膜分離技術(shù)及其分離機(jī)理環(huán)境學(xué)院膜分離技術(shù)概念：用半透膜作為選擇障礙層，利用膜的選擇性（孔徑大?。?，以膜的兩側(cè)存在的能量差作為推動(dòng)力，允許某些組分透過而保留混合物中其它組分，從而達(dá)到分離目的的技術(shù)。環(huán)境學(xué)院膜分離法系指以壓力為推動(dòng)力，依靠膜的選擇性，將液體中的組分進(jìn)行分離的方法。膜過濾法的核心是膜本身，膜必須是半透膜，即能透過一種物質(zhì),而阻礙另一種物質(zhì)。環(huán)境學(xué)院MembraneNomenclatureFeedRetentate(residue)（截留液）Permeate透過液環(huán)境學(xué)院★膜分離的特點(diǎn)①操作在常溫下進(jìn)行；②是物理過程，不需加入化學(xué)試劑；③不發(fā)生相變化（因而能耗較低）；④在很多情況下選擇性較高；⑤濃縮和純化可在一個(gè)步驟內(nèi)完成；⑥設(shè)備易放大，可以分批或連續(xù)操作。因而在生物產(chǎn)品的處理中占有重要地位環(huán)境學(xué)院膜分離技術(shù)的重要性膜分離技術(shù)兼具分離、濃縮和純化的功能，又有使用簡單、易于控制及高效、節(jié)能的特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)哪し蛛x技術(shù)，可替代過濾、沉淀、萃取、吸附等多種傳統(tǒng)的分離與過濾方法。

膜分離技術(shù)得到各國重視：國際學(xué)術(shù)界一致認(rèn)為“誰掌握了膜技術(shù)，誰就掌握了化工的未來”。

膜分離技術(shù)在短短的時(shí)間迅速發(fā)展起來，近30年膜分離技術(shù)，已廣泛用于食品、醫(yī)藥、化工及水處理等各個(gè)領(lǐng)域。產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，已成為當(dāng)今分離科學(xué)中最重要的手段之一。概述環(huán)境學(xué)院常見膜分離方法按分離粒子大小分類：透析（Dialysis，DS）微濾（Microfiltration，MF）超濾（Ultrafiltration，UF）納濾（Nanofiltration，NF）反滲透（Reverseosmosis，RO）電滲析（Electrodialysis，ED）滲透氣化（Pervaporation，PV）概述環(huán)境學(xué)院截留分子量：微濾0.02～10μm透析3000Dalton～幾萬Dalton超濾50ｎｍ～10０ｎｍ或5000～50萬Dalton納濾200～1000Dalton或1nm反滲透200Dalton環(huán)境學(xué)院膜分離法與物質(zhì)大?。ㄖ睆剑┑年P(guān)系概述RONFUFMFF環(huán)境學(xué)院膜分離法與物質(zhì)大小的關(guān)系。環(huán)境學(xué)院微濾、超濾、納濾、反滲透相同點(diǎn)：①以膜兩側(cè)壓力差為推動(dòng)力；②按體積大小而分離；③膜的制造方法、結(jié)構(gòu)和操作方式都類似。微濾、超濾、納濾、反滲透區(qū)別：膜孔徑：微濾0.1~10m>超濾0.01~0.1>納濾0.001~0.01m>反滲透小于0.001m分離粒子：微濾截留固體懸浮粒子，固液分離過程；超濾、納濾、反滲透為分子級(jí)水平的分離；分理機(jī)理：微濾、超濾和納濾為截留機(jī)理，篩分作用；反滲透機(jī)理是滲透現(xiàn)象的逆過程：壓差：微濾、超濾和納濾壓力差不需很大0.1~0.6MPa環(huán)境學(xué)院透析和反滲透透析是以膜兩側(cè)的濃度差為傳質(zhì)推動(dòng)力，從溶液中分離出小分子物質(zhì)的過程。在生物分離中主要用于蛋白質(zhì)的脫鹽。反滲透是在透析膜濃度高的一側(cè)施加大于滲透壓的壓力，利用膜的篩分性質(zhì)，使?jié)舛容^高的溶液進(jìn)一步濃縮。用于海水淡化，藥物濃縮，純水制造。環(huán)境學(xué)院微濾和超濾

微濾和超濾都是利用膜的篩分性質(zhì)，以壓差為傳質(zhì)推動(dòng)力，主要用于截留固體微粒和高分子溶質(zhì)。微濾廣泛用于細(xì)胞、菌體等的分離和濃縮，操作壓力通常為0.05-0.5MPa。超濾適用于1-50nm的生物大分子的分離，如蛋白質(zhì)、病毒等。操作壓力常為0.1-1.0MPa。環(huán)境學(xué)院電滲析

電滲析是利用分子的荷電性質(zhì)和分子大小的差別進(jìn)行分離的膜分離法，可用于小分子電解質(zhì)的分離和溶液的脫鹽。環(huán)境學(xué)院早在19世紀(jì)中葉，己用人工方法制得半透膜，但由于透過速度低、選擇性差和易阻塞等原因，未能應(yīng)用在工業(yè)上。1960年Loeb和Sourirajan獲得一種透過速度較大的膜，具有不對(duì)稱結(jié)構(gòu).環(huán)境學(xué)院這種不對(duì)稱結(jié)構(gòu)是膜制造的一種突破，因?yàn)榛钚詫雍鼙?，流體阻力較小。且不易使孔道阻塞，顆粒被截留在膜的表面。此后膜過濾法逐漸走向工業(yè)化，20世紀(jì)70年代以后發(fā)展比較迅速．應(yīng)用范圍涉及到海水淡化、純水制造、食品和乳品工業(yè)、污水處理和生物工程等領(lǐng)域。在此期間，世界膜銷售額迅速增長。環(huán)境學(xué)院膜材料和膜的制造膜應(yīng)該滿足的特性膜應(yīng)具有較大的透過速度和較高的選擇性.機(jī)械強(qiáng)度好耐熱、耐化學(xué)試劑、不被細(xì)菌侵襲可以高溫滅菌價(jià)廉等。環(huán)境學(xué)院膜材料:膜材料的種類天然高分子材料種類：纖維素衍生物，如醋酸纖維、硝酸纖維和再生纖維優(yōu)點(diǎn)：醋酸纖維的阻鹽能力最強(qiáng)，常用于反滲透膜，也可作超濾膜和微濾膜；再生纖維素可用于制造透析膜和微濾膜。缺點(diǎn)：醋酸纖維膜最高使用溫度和pH范圍有限，在45-50C，pH3-8。環(huán)境學(xué)院合成高分子材料種類：聚砜、聚酰胺、聚酰亞胺、聚丙烯晴、聚烯類和含氟聚合物，其中，聚砜最常用，用于制造超濾膜。優(yōu)點(diǎn)：耐高溫(70-80C，可達(dá)125C)，pH1-13，耐氯能力強(qiáng)，可調(diào)節(jié)的孔徑寬(1-20nm)；聚酰胺膜的耐壓較高，對(duì)溫度和pH穩(wěn)定性高，壽命長，常用于反滲透。缺點(diǎn)：但聚砜的耐壓差，壓力極限在0.5-1.0MPa。環(huán)境學(xué)院無機(jī)材料種類：陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼和碳素等。目前實(shí)用化有孔徑>0.1um微濾膜和截留>10kD的超濾膜，其中以陶瓷材料的微濾膜最常用。多孔陶瓷膜主要利用氧化鋁、硅膠、氧化鋯和鈦等陶瓷微粒燒結(jié)而成，膜厚方向上不對(duì)稱優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、耐化學(xué)試劑和有機(jī)溶劑。缺點(diǎn)：不易加工，造價(jià)高。環(huán)境學(xué)院復(fù)合材料種類：如將含水金屬氧化物（氧化鋯）等膠體微粒或聚丙烯酸等沉淀在陶瓷管的多空介質(zhì)表面形成膜，其中沉淀層起篩分作用。優(yōu)點(diǎn)：此膜的通透性大，通過改變pH值容易形成和除去沉淀層，清洗容易。缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差。

環(huán)境學(xué)院制造膜的高分子材料很多，其中在工業(yè)上用得最廣的是醋酸纖維素和聚砜。環(huán)境學(xué)院醋酸纖維素系將纖維素的葡萄糖分子中的羥基進(jìn)行乙?；频茫阴；潭仍礁呔驮椒€(wěn)定，因而常以三醋酸纖維素制造膜。醋酸纖維素有一定的親水性，透過速度大，制成的膜截留鹽能力強(qiáng)。適宜于制備反滲透膜，也可用于制備超濾和微濾膜。原料來源豐富。環(huán)境學(xué)院環(huán)境學(xué)院醋酸纖維素膜的缺點(diǎn)有：最高使用溫度為30℃；最適操作PH范圍為4-6，不能超過2-8的范圍(因?yàn)樵谒嵝韵聲?huì)使分子中糖苷鍵水解，而在堿性下，會(huì)脫去乙?；?；易與氯作用，造成膜的使用壽命降低(使用時(shí)游離氯含量應(yīng)＜0.1mg/L，短期接觸可耐氯10mg/L)；由于纖維素骨架易受細(xì)菌侵襲，因而難以貯存。環(huán)境學(xué)院美國PALL聚砜膜環(huán)境學(xué)院近年來開發(fā)的新型膜材料復(fù)合膜；無機(jī)多孔膜；納米過濾膜。功能高分子膜；聚氨基葡糖

環(huán)境學(xué)院膜材料-不同的膜分離技術(shù)透析：醋酸纖維、聚丙烯腈、聚酰胺、微濾膜：硝酸/醋酸纖維，聚氟乙烯，聚丙烯，超濾膜：聚砜，硝酸纖維，醋酸纖維反滲透膜：醋酸纖維素衍生物，聚酰胺納濾膜：聚電解質(zhì)+聚酰胺、聚醚砜電滲析：離子交換樹脂滲透蒸發(fā)：彈性態(tài)或玻璃態(tài)聚合物;聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺環(huán)境學(xué)院

聚砜膜的特點(diǎn)是穩(wěn)定性好，但憎水性強(qiáng)。聚砜膜有下列優(yōu)點(diǎn)：使用溫度可高達(dá)75℃；使用pH范圍為1-13，耐氯性能好，一般在短期清洗時(shí)，對(duì)氯的耐受量可高達(dá)200mg/L，長期貯存時(shí)，耐受量達(dá)50mg/L,孔徑范圍寬，截l留分子量從1000至500000的范圍，符合于超濾膜的要求，但不能制成反滲透膜。聚礬膜的主要缺點(diǎn)是允許的操作壓力較低，對(duì)于平板膜，極限操作壓力為0.7MPa，對(duì)中空纖維膜為0.17MPa。環(huán)境學(xué)院

為了改善膜的性能，主要是穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度以及增大膜的極性，另一些膜材料也為丁業(yè)上所常用，例如用于制造MF膜的聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯；用于制造UF膜的聚丙烯腈、再生纖維素、聚醚砜；用于制造RO膜的芳香聚酰胺(使用pH范圍為4-11，但氯含量應(yīng)低于0.1mg／L)等。環(huán)境學(xué)院膜的制造不對(duì)稱膜通常用相轉(zhuǎn)變法(phaseinversionmethod)制造，其一般步驟如下：①將高聚物溶于一種溶劑中；②將得到溶液澆注成薄膜(如欲制造中孔纖維膜，則需用特制的噴絲頭)；③將薄膜浸入沉淀劑(通常為水或水溶液)中，均勻的高聚物溶液分離成兩相，一相為富含高聚物的凝膠，形成膜的骨架，而另一相為富含溶劑的液相，形成膜中空隙：環(huán)境學(xué)院膜的不對(duì)稱性可以用沉淀動(dòng)力學(xué)來解釋.在外表面，膜溶液和水直接接觸，過飽和度很高，形成的核很多，造成微細(xì)分散結(jié)構(gòu)，相當(dāng)子表皮。當(dāng)表皮形成后，水必須擴(kuò)散通過表皮，進(jìn)入膜的內(nèi)部。因而在膜的內(nèi)部，過飽和度較小，析出的顆粒較粗，形成的空隙就較大，這樣就形成不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

環(huán)境學(xué)院膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要決定于產(chǎn)生沉淀時(shí)的動(dòng)力學(xué)因素。當(dāng)高聚物溶液緩慢沉淀時(shí)，得出的是海綿狀結(jié)構(gòu)(RQ膜).當(dāng)快速形成凝膠時(shí)，得出的是手指狀結(jié)構(gòu)(UF膜).環(huán)境學(xué)院影響膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的因素很多，所用的高聚物及其濃度；溶劑系統(tǒng)；沉淀劑系統(tǒng)；沉淀劑的形式(氣相或液相)；前處理(如蒸發(fā))或后處理(或退火，即浸在熱水浴中)步驟等。因此膜的制造多憑經(jīng)驗(yàn)，其重復(fù)性是一個(gè)困難的問題，所以膜的生產(chǎn)集中于幾家著名的廠商，其詳細(xì)步驟很少泄露。環(huán)境學(xué)院表征膜性能的參數(shù)截?cái)喾肿恿?、水通量、孔的特征?/p>

pH適用范圍、抗壓能力、對(duì)熱和溶劑的穩(wěn)定性等。制造商通常提供這些數(shù)據(jù)，環(huán)境學(xué)院表征膜性能的參數(shù)水通量

在一定條件下(0.35MPa,25°C)，測量單位面積膜透過一定量純水所需的時(shí)間。環(huán)境學(xué)院截留率和截?cái)喾肿恿拷亓袈?膜對(duì)溶質(zhì)的截留能力以截留率R來表示。環(huán)境學(xué)院截?cái)喾肿恿?MWCO)定義為相當(dāng)于一定截留率(90%或95%）的分子量，用以估計(jì)孔徑的大小?？椎捞卣靼讖?，孔徑分布，空隙度。完整性試驗(yàn)用于試驗(yàn)?zāi)ず徒M件是否完整或滲漏。環(huán)境學(xué)院膜兩側(cè)溶液間的傳遞方程濃差極化模型(concen-trationpolarization）

適應(yīng)范圍：反滲透、超濾和微濾。定義：在膜分離操作中，所有溶質(zhì)均被透過液傳送到膜表面，不能完全透過膜的溶質(zhì)受到膜的截留作用，在膜表面附近濃度升高，見圖。這種在膜表面附近濃度高于主體濃度的現(xiàn)象謂之濃度極化或濃差極化)。環(huán)境學(xué)院凝膠極化模型：膜表面附近濃度升高，增大了膜兩側(cè)的滲透壓差，使有效壓差減小，透過通量降低。當(dāng)膜表面附近的濃度超過溶質(zhì)的溶解度時(shí)，溶質(zhì)會(huì)析出，形成凝膠層。即使分離含有菌體、細(xì)胞和其他固形成分的料液時(shí)，也會(huì)在膜表面形成凝膠層。這種現(xiàn)象謂之凝膠極化(gelpolarization)。環(huán)境學(xué)院影響膜過濾的各種因素壓力A、當(dāng)p小,無濃度極化層,Jv與p成正比,此時(shí)用：B、當(dāng)p大,有濃差極化,Jv的增長速率減慢,此時(shí)用C、當(dāng)p繼續(xù)增加時(shí)，形成凝膠層，且厚度隨壓力的增大而增大，所以Jv不再隨p的增加。此時(shí)的Jv為此流速下的極限值(Jlim)，用方程：D、Jlim隨料液濃度而，隨流速(攪拌速度)而。環(huán)境學(xué)院料液濃度A、從方程知，Jv與-ln(cb-cp)呈線形關(guān)系，隨cb的增大而減小。實(shí)驗(yàn)證實(shí)這一結(jié)論。B、當(dāng)cb=cg時(shí)，Jv=0，利用穩(wěn)態(tài)操作的條件下的Jv與cb的關(guān)系數(shù)據(jù)，可推算溶質(zhì)形成凝膠層濃度cgC、當(dāng)料液含有多種蛋白質(zhì)時(shí)，與單組分相比，總蛋白質(zhì)濃度升高；因此，透過通量下降。從另一角度來看，由于其他蛋白質(zhì)的共存使蛋白質(zhì)的截留率上升。環(huán)境學(xué)院溫度溫度升高，都會(huì)導(dǎo)致通量增大，因?yàn)闇囟壬呤拐扯冉档秃蛿U(kuò)散系數(shù)增大。所以操作溫度的選擇原則是：在不影響料液和膜的穩(wěn)定性范圍內(nèi)，盡量選擇較高的溫度。流速增大流速可使通量增大，但有時(shí)會(huì)使一些蛋白受較大剪切力影響而失活。環(huán)境學(xué)院膜的污染和清洗膜污染(membranefouling)---最大問題原因：A、凝膠極化引起的凝膠層，阻力為Rg；B、溶質(zhì)在膜表面的吸附層，阻力為Ras；C、膜孔堵塞，阻力為Rp；D、膜孔內(nèi)溶質(zhì)吸附，阻力為Rap；因此，透過通量方程：可見，膜污染不僅造成透過通量大幅度，而且影響產(chǎn)物的回收率。

環(huán)境學(xué)院膜清洗A、試劑：水、鹽溶液、稀酸、稀堿、表面活性劑、絡(luò)合劑、氧化劑和酶溶液等。B、原則：去污能力好，對(duì)膜無損害，成本最低。C、方法：反向清洗，試劑置換，化學(xué)降解消化。E、預(yù)防：膜的預(yù)處理(用乙醇浸泡聚砜膜)，料液預(yù)處理(調(diào)pH，預(yù)過濾)，開發(fā)抗污染膜，臨界壓力操作等。環(huán)境學(xué)院1透析利用具有一定孔徑大小、高分子溶質(zhì)不能透過的親水膜，將含有高分子溶質(zhì)和其它小分子溶質(zhì)的溶液與水溶液或緩沖液分隔；由于膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度不同，在濃差的作用下，高分子溶液中的小分子溶質(zhì)（如無機(jī)鹽）透過膜向水透滲透，這就是透析。透析過程中透析膜內(nèi)無流體流動(dòng)，溶質(zhì)以擴(kuò)散的形式移動(dòng)。環(huán)境學(xué)院透析原理圖水分子大分子小分子透析膜環(huán)境學(xué)院透析法的應(yīng)用蛋白質(zhì)、無機(jī)鹽

無機(jī)鹽緩沖液常用于除去蛋白或核酸樣品中的鹽、變性劑、還原劑之類的小分子雜質(zhì)，有時(shí)也用于置換樣品緩沖液。由于透析過程以濃差為傳質(zhì)推動(dòng)力，膜的透過量很小，不適于大規(guī)模生物分離過程、但在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用較多。透析法在臨床上常用于腎衰竭患者的血液透析。環(huán)境學(xué)院2.微濾以多孔薄膜為過濾介質(zhì)，壓力差為推動(dòng)力，利用篩分原理使不溶性粒子（0.1-10um）得以分離的操作。操作壓力0.05-0.5MPa。環(huán)境學(xué)院微濾應(yīng)用

1)除去水/溶液中的細(xì)菌和其它微粒；

2)除去組織液、抗菌素、血清、血漿蛋白質(zhì)等多種溶液中的菌體；

3)除去飲料、酒類、醬油、醋等食品中的懸濁物、微生物和異味雜質(zhì)。

環(huán)境學(xué)院2.超濾是以壓力為推動(dòng)力，利用超濾膜不同孔徑對(duì)液體中溶質(zhì)進(jìn)行分離的物理篩分過程。其截?cái)喾肿恿恳话銥?000到50萬，孔徑為幾十nm，操作壓0.2-0.6MPa。環(huán)境學(xué)院蛋白酶液恒流泵平板式超濾膜△P出背壓閥超濾過程示意圖：△P進(jìn)透出液截留液當(dāng)溶液體系經(jīng)由水泵進(jìn)入超濾器時(shí)，在濾器內(nèi)的超濾膜表面發(fā)生分離，溶劑（水）和其它小分子量溶質(zhì)透過具有不對(duì)稱微孔結(jié)構(gòu)的濾膜，大分子溶質(zhì)和微粒（如蛋白質(zhì)、病毒、細(xì)菌、膠體等）被濾膜阻留，從而達(dá)到分離、提純和濃縮產(chǎn)品的目的。環(huán)境學(xué)院超濾應(yīng)用超濾從70年代起步，90年代獲得廣泛應(yīng)用,已成為應(yīng)用領(lǐng)域最廣的技術(shù)。蛋白、酶、DNA的濃縮脫鹽/純化梯度分離（相差10倍）清洗細(xì)胞、純化病毒除病毒、熱源環(huán)境學(xué)院微濾和超濾的分離機(jī)理一般認(rèn)為是簡單的篩分過程，大于膜表面毛細(xì)孔的分子被截留，相反，較小的分子則能透過膜。毛細(xì)管流動(dòng)模型：膜是多孔性的，膜內(nèi)有很多孔道。水以滯流方式在孔道內(nèi)流動(dòng)，因而水通量服從Hagen-Poiseuille方程式；

Jv水通量；ε膜的孔隙度；d圓柱形孔道的直徑；L膜的有效厚度；Δp膜兩側(cè)壓力差；μ水的粘度。環(huán)境學(xué)院3.反滲透利用反滲透膜選擇性的只能通過溶劑（通常是水）而截留離子物質(zhì)性質(zhì)，以膜兩側(cè)靜壓差為推動(dòng)力，克服滲透壓，使溶劑通過反滲透膜實(shí)現(xiàn)對(duì)液體混合物進(jìn)行分離的過程。

操作壓差一般為1.5～10.5MPa，截留組分為小分子物質(zhì)。環(huán)境學(xué)院反滲透法分離的溶劑分子往往很小，不能忽略滲透壓的作用，為反滲透；滲透和反滲透環(huán)境學(xué)院反滲透法對(duì)分子量>300的電解質(zhì)、非電解質(zhì)都可有效的除去，其中分子量在100～300之間的去除率為90％以上。反滲透工業(yè)應(yīng)用包括：海水和苦咸水脫鹽制飲用水；制備醫(yī)藥、化學(xué)工業(yè)中所需的超純水；用于處理重金屬廢水用于濃縮過程，不會(huì)破壞生物活性，不會(huì)改變風(fēng)味、香味。包括：食品工業(yè)中果汁、糖、咖啡的濃縮；電鍍和印染工業(yè)中廢水的濃縮；奶品工業(yè)中牛奶的濃縮。反滲透法環(huán)境學(xué)院４納濾納濾技術(shù)是反滲透膜過程為適應(yīng)工業(yè)軟化水的需求及降低成本的經(jīng)濟(jì)性不斷發(fā)展的新膜品種，以適應(yīng)在較低操作壓力下運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低成本演變發(fā)展而來的。膜組器于80年代中期商品化。納濾膜大多從反滲透膜衍化而來。納濾(NF，Nanofiltration)是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過程。納濾分離范圍介于反滲透和超濾之間，截?cái)喾肿恿糠秶s為MWCO300～1000，能截留透過超濾膜的那部分有機(jī)小分子，透過無機(jī)鹽和水。環(huán)境學(xué)院納濾膜的特點(diǎn)納濾膜的截留率大于95%的最小分子約為１nm,故稱之為納濾膜。從結(jié)構(gòu)上看納濾膜大多是復(fù)合膜，即膜的表面分離層和它的支撐層的化學(xué)組成不同。其表面分離層由聚電解質(zhì)構(gòu)成。能透過一價(jià)無機(jī)鹽，滲透壓遠(yuǎn)比反滲透低，故操作壓力很低。達(dá)到同樣的滲透通量所必需施加的壓差比用RO膜低0.5～3MPa，因此納濾又被稱作“低壓反滲透”或“疏松反滲透”(LooseRO)。環(huán)境學(xué)院篩分：對(duì)Na+和Cl-等單價(jià)離子的截留率較低，但對(duì)Ca2+、Mg2+、SO42-截留率高，對(duì)色素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（２00-1000）物質(zhì)可進(jìn)行分級(jí)分離，實(shí)現(xiàn)高相對(duì)分子量和低相對(duì)分子量有機(jī)物的分離，道南（Donnan）效應(yīng)：納濾膜本體帶有電荷性，對(duì)相同電荷的分子（陽離子）具有較高的截留率。低壓力下仍具有較高脫鹽性能；分離分子量相差不大但帶相反電荷的小分子（短肽、氨基酸、抗生素）。納米膜的分離機(jī)理環(huán)境學(xué)院納濾膜分離機(jī)理示意圖＋＋－－環(huán)境學(xué)院納濾應(yīng)用螺旋霉素的提?。篠PM發(fā)酵濾液→微濾和超濾（去除蛋白質(zhì)等大分子）→納濾（聚酰胺型膜材料），透過無機(jī)鹽和水，濃縮SPM。操作條件：進(jìn)料流量55L/h；操作壓力1.5MPa。結(jié)果表明：發(fā)酵液中的螺旋霉素幾乎全部被截留；膜的透過通量可高達(dá)30L/h；濃縮倍數(shù)和得率高。環(huán)境學(xué)院幾種膜分離技術(shù)的分離范圍環(huán)境學(xué)院膜組件膜組件由膜、固定膜的支撐體、間隔物以及容納這些部件的容器構(gòu)成的一個(gè)單元稱為膜組件。膜組件的種類管式膜組件中空纖維式平板膜組件卷式膜組件環(huán)境學(xué)院管式膜組件特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、壓力損失小、透過量大，清洗、安裝方便、可耐高壓，適宜處理高粘度及稠厚液體。但比表面積小。適于微濾和超濾。環(huán)境學(xué)院管式陶瓷超濾膜組件環(huán)境學(xué)院平板膜組件特點(diǎn)：較管式組件比表面積大得多，易于更換膜，適于微濾、超濾。環(huán)境學(xué)院螺旋卷式膜組件特點(diǎn)：膜面積大，湍流情況好，但制造裝配要求高、清洗檢修不方便，不能處理懸浮液濃度較高的料液?？捎糜谖V、超濾和反滲透。環(huán)境學(xué)院環(huán)境學(xué)院超濾超濾微濾卷式膜組件環(huán)境學(xué)院中空纖維式膜組件環(huán)境學(xué)院HollowfiberformBioseparationsDialysisVirusremovalGasseparationsWaterpurification環(huán)境學(xué)院操作方式濃縮：菌體或蛋白的濃縮開路循環(huán)閉路循環(huán)連續(xù)濃縮環(huán)境學(xué)院環(huán)境學(xué)院濃縮倍數(shù)收率透過液流量達(dá)到某一濃縮目標(biāo)所需時(shí)間環(huán)境學(xué)院透析過濾（洗濾）：除去菌體或高分子溶液中小分子溶質(zhì)。環(huán)境學(xué)院存在最佳料液濃度，使洗濾時(shí)間最短環(huán)境學(xué)院膜分離技術(shù)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):1)能耗低。膜分離不涉及相變，對(duì)能量要求低，與蒸餾、結(jié)晶和蒸發(fā)相比有較大的差異；2)分離條件溫和，對(duì)于熱敏感物質(zhì)的分離很重要；3)操作方便，結(jié)構(gòu)緊湊、維修成本低、易于自動(dòng)化。缺點(diǎn)1)膜面易發(fā)生污染，膜分離性能降低，故需采用與工藝相適應(yīng)的膜面清洗方法；2)穩(wěn)定性、耐藥性、耐熱性、耐溶劑能力有限，故使用范圍有限；3)單獨(dú)的膜分離技術(shù)功能有限，需與其他分離技術(shù)連用。環(huán)境學(xué)院膜技術(shù)的應(yīng)用1)

細(xì)胞培養(yǎng)基的除菌；2)發(fā)酵液或培養(yǎng)液中細(xì)胞的收集和除去；3)細(xì)胞破碎后碎片的除去；4)目標(biāo)產(chǎn)物部分純化后的濃縮或?yàn)V除小分子溶質(zhì)；5)最終產(chǎn)品的濃縮和洗濾除鹽；6)蛋白質(zhì)的回收、濃縮和純化7)制備用于調(diào)制生物產(chǎn)品和清洗產(chǎn)品容器的無熱源水；8)膜生物反應(yīng)器。環(huán)境學(xué)院Example1:菌體分離

利用超濾或微濾操作進(jìn)行菌體的錯(cuò)流過濾分離是膜分離技術(shù)的重要應(yīng)用之一。與傳統(tǒng)濾餅過濾和硅藻土過濾相比，錯(cuò)流過濾具有：1）優(yōu)點(diǎn)：

A透過通量大；

B濾液澄清，菌體回收率高；

C不須添加助濾劑或絮凝劑，回收的菌體純凈，有利于進(jìn)一步分離操作（如菌體的破碎、胞內(nèi)產(chǎn)物的回收等）。

D適合于大規(guī)模連續(xù)操作；

E易于進(jìn)行無菌操作，防止雜菌污染。2）缺點(diǎn)： 膜分離的最大問題是膜污染引起的膜透過通量下降。環(huán)境學(xué)院Example2：小分子（500-2KD)生物產(chǎn)品的回收

500-2KD分子的分離去鹽：AA、抗生素、有機(jī)酸和動(dòng)物疫苗等發(fā)酵產(chǎn)品的相對(duì)分子量在2000以下，因此選用MWCO為1-3*104的超濾膜，可以從發(fā)酵液中回收這些小分子發(fā)酵產(chǎn)物，然后利用反滲透技術(shù)進(jìn)行濃縮和除去相對(duì)更小的雜質(zhì)。Example3:注射藥物的除熱源(pyrogen)：

熱源一般由細(xì)菌細(xì)胞壁產(chǎn)生，主要成分為脂多糖、脂蛋白等，相對(duì)分子量較大，能直接引起恒溫動(dòng)物的體溫升高。如產(chǎn)品的相對(duì)分子量在1000以下，使用MWCO為1*104的超濾膜可有效除去熱源，且不影響產(chǎn)品的回收率。環(huán)境學(xué)院管式、中空纖維式、螺旋卷繞式和平板式型式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)管式易清洗，無死角，適宜于處理含固體較多的料液，單根管子可以調(diào)換保留體積大，單位體積中所含過濾面積較小，壓力降大中空纖維式保留體積小，單位體積所含過濾面積大，可以逆洗，操作壓力較低，動(dòng)力消耗較低料液需要預(yù)處理，單根纖維損壞時(shí)需調(diào)換整個(gè)模件螺旋卷繞式單位體積中所含過濾面積大，換新膜容易料液需預(yù)處理，壓力降大,易污染,清洗困難平板式保留體積小，能量消耗界于管式和螺旋卷繞式死體積大環(huán)境學(xué)院各種模件性能比較管式中空纖維式板式卷式單位膜面積的成本高低最高低更換膜費(fèi)用低中等最低高通量較高中等/低最高/較高較高單位體積膜面積m2/m3差(20-30)很好(1.6萬-3萬)好/一般(400-600)好(800-1000）保留體積大低中等中等能耗高低中等中等抗污染性很好差好/一般好/一般環(huán)境學(xué)院板式膜實(shí)驗(yàn)室設(shè)備圖(millipore公司)：環(huán)境學(xué)院板式反滲透(納濾)膜裝置(生產(chǎn)型)環(huán)境學(xué)院板式膜超濾工業(yè)設(shè)備圖:環(huán)境學(xué)院卷式納濾膜濃縮設(shè)備(生產(chǎn)型)環(huán)境學(xué)院卷式膜反滲透工業(yè)設(shè)備圖:環(huán)境學(xué)院管式膜工業(yè)設(shè)備圖:環(huán)境學(xué)院中空纖維膜管中空纖維超濾膜無菌水裝置(生產(chǎn)型)環(huán)境學(xué)院采用超濾法去除谷氨酸發(fā)酵液中的菌體，可以將發(fā)酵原液中固含量濃縮10倍，為菌體的再利用創(chuàng)造條件；而且超濾透過液中谷氨酸含量、pH等理化指標(biāo)與發(fā)酵液相同，但不含菌體，且蛋白含量很低，再利用等電點(diǎn)法提取谷氨酸時(shí)，收率可達(dá)到90.96%，比傳統(tǒng)等電點(diǎn)法高7個(gè)百分點(diǎn)。1微生物菌體分離膜分離技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境學(xué)院2大分子的純化與濃縮根據(jù)大分子如酶的相對(duì)分子質(zhì)量，選擇適當(dāng)?shù)某瑸V膜，可進(jìn)行酶的濃縮和除去小分子物質(zhì)。由于超濾膜的孔徑有一定的分布范圍，用超濾進(jìn)行蛋白質(zhì)的分級(jí)分離時(shí)，蛋白質(zhì)之間的分子量需相差10倍以上，否則難以分離。利用超濾法純化蛋白質(zhì)，其分子量、濃度、帶電性質(zhì)等與通量有很大關(guān)系，必要時(shí)須對(duì)料液進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)減少膜對(duì)蛋白的吸附。膜分離技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境學(xué)院1）抗生素：慶大霉素Gen或鏈霉素Str濃縮和純化原工藝：發(fā)酵液過濾離子交換稀溶液減壓濃縮去熱源（活性碳）噴霧干燥（結(jié)晶）該工藝缺點(diǎn)：抗生素為熱敏性物質(zhì)，濃縮時(shí)，部分破壞，色澤加深；濃縮耗能大。改用膜分離：

膜分離技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境學(xué)院發(fā)酵液中目的產(chǎn)物濃度低，還含有大量的其他雜質(zhì)，而目的產(chǎn)物的耐熱、耐pH和耐有機(jī)溶劑性差，易變性失活。傳統(tǒng)工藝是溶劑萃取或加熱濃縮，反復(fù)使用有機(jī)溶劑和酸堿溶液，耗量大，流程長，廢水處理任務(wù)重。特別是許多藥物熱敏性強(qiáng)，使傳統(tǒng)工藝受限制。國際先進(jìn)的制藥生產(chǎn)線，大量采用膜分離技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分離、濃縮和純化工藝。通常直接采用微濾或一級(jí)超濾去除大分子物質(zhì)(菌絲、蛋白質(zhì)、病毒、熱原)，而小分子代謝產(chǎn)物(包括目的產(chǎn)物)、鹽和水則透過微濾或超濾膜，然后再進(jìn)一步進(jìn)行超濾、納濾或反滲透進(jìn)行純化和濃縮。3發(fā)酵液的提取及精制環(huán)境學(xué)院根據(jù)混合物中多種待分離組分的性質(zhì)，將幾種膜技術(shù)組合使用。膜組合技術(shù)濃縮輔羧酶輔羧酶（分子量467）是一種輔酶，參與催化許多有機(jī)酸的脫羧反應(yīng)，可對(duì)細(xì)胞色素C的活性起到促進(jìn)作用。

原工藝將黃色的稀溶液用活性炭脫色，然后低溫減壓濃縮至30％，再用活性炭脫色，得到含量30％的1溶液后直接銷售給藥廠。該流程能耗大、時(shí)間長，經(jīng)兩道活性炭吸附，損失較大。4膜組合技術(shù)膜分離技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境學(xué)院膜組合技術(shù)濃縮輔羧酶選用高抗污染聚偏氟乙烯(PVDF)超濾膜與醋酸纖維素(CA)反滲透膜相結(jié)合的技術(shù)濃縮輔羧酶。環(huán)境學(xué)院膜組合技術(shù)濃縮輔羧酶選用高度耐污染的PVDF超濾膜，超濾過程中通量下降很少，用后只需清水反洗l～2次，膜通量即可完全恢復(fù)。由于用截留分子量8×104Da的超濾膜做為反滲透膜的預(yù)處理，使反滲透膜的運(yùn)行有了非常可靠的保證。當(dāng)停用時(shí)只需用清水將反滲透濃縮液洗除，則膜性能就不會(huì)被破壞，通量也非常穩(wěn)定?？墒∪p壓蒸餾和活性炭吸附工序。由于膜工藝濃縮，使輔羧酶濃度由初始的0.25％提高到9.4％，降低了成本，縮短了生產(chǎn)周期。環(huán)境學(xué)院5膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器（Membranebioreactor,MBR）是生物反應(yīng)過程與膜分離過程耦合的生物反應(yīng)裝置，可應(yīng)用于動(dòng)植物細(xì)胞的高密度培養(yǎng)、微生物發(fā)酵和酶反應(yīng)過程與目的產(chǎn)物分離相結(jié)合。膜分離技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境學(xué)院中空纖維膜生物反應(yīng)器◆培養(yǎng)基循環(huán)液高分子產(chǎn)物（單抗）細(xì)胞膜高分子產(chǎn)物（單抗）細(xì)胞膜小分子產(chǎn)物用于動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)，動(dòng)物細(xì)胞生長于中空纖維膜組件的殼內(nèi)，小分子產(chǎn)物（廢棄物）不斷排出，新鮮的培養(yǎng)基連續(xù)