第六章-膜分離技術(shù)在生物工程中的應(yīng)用課件

前言膜是具有選擇性分離功能的材料。利用膜的選擇性分離實現(xiàn)料液的不同組分的分離、純化、濃縮的過程稱作膜分離。它與傳統(tǒng)過濾的不同在于，膜可以在分子范圍內(nèi)進行分離，并且這過程是一種物理過程，不需發(fā)生相的變化和添加助劑。膜的孔徑一般為微米級，依據(jù)其孔徑的不同（或稱為截留分子量），可將膜分為微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜，根據(jù)材料的不同，可分為無機膜和有機膜，無機膜主要還只有微濾級別的膜，主要是陶瓷膜和金屬膜。有機膜是由高分子材料做成的，如醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。

前言膜是具有選擇性分離功能的材料。利用膜的選擇性分離實現(xiàn)料液1第一節(jié)概述概念：以半透膜為選擇障礙層，允許某些組分透過而保留混合物中的其他組分，從而達到分離目的的技術(shù)。優(yōu)點：要求了解：各種膜分離技術(shù)分離機理及分離范圍（Ｐ９７表６－２，表６－３）第一節(jié)概述概念：以半透膜為選擇障礙層，允許某些組分透過而保2膜分離技術(shù)的優(yōu)點：處理效率高，設(shè)備易于放大；可在室溫或低溫下操作，適宜于熱敏感物質(zhì)分離；化學(xué)與機械強度最小，減少失活；無相變，省能；選擇性好，可在分離、濃縮的同時達到部分純化的目的；選擇合適膜與操作參數(shù)，可得到較高的回收率；系統(tǒng)可密閉循環(huán)，防止外來污染；不外加化學(xué)物，透過液可循環(huán)使用，降低了成本，并減少了對環(huán)境的污染。膜分離技術(shù)的優(yōu)點：3第二節(jié)：分離原理、膜種類一、膜分離技術(shù)：１、微濾：原理為粒子體積大小的不同,即利用篩分原理分離、截留直徑為0.05~10μm大小的粒子的膜分離技術(shù)，采用膜孔徑為0.05~10μm，采用壓力為0.05~0.5MPa.與前一章分類不同,標(biāo)準(zhǔn)不同??第二節(jié)：分離原理、膜種類一、膜分離技術(shù)：4第六章-膜分離技術(shù)在生物工程中的應(yīng)用課件5第六章-膜分離技術(shù)在生物工程中的應(yīng)用課件6２、超濾：原理:主要是利用篩分原理,有些情況下也受粒子電荷性質(zhì)及膜電荷特性的相互影響.主要分離3000~1000000Da的可溶性大分子物質(zhì),對應(yīng)孔徑為0.001~0.05μm,壓力為0.1~1MPa.２、超濾：73、反滲透：在高于溶液滲透壓的壓力作用下，只有溶液中的水透過膜，而所有溶液中的大分子、小分子有機物及無機鹽全被截留。理想的反滲透膜應(yīng)被認為是無孔的，它分離的原理是溶解擴散（或毛細孔流學(xué)說）。膜孔徑為0.1~1nm，采用壓力為1~10MPa.3、反滲透：在高于溶液滲透壓的壓力作用下，只有溶液中的水透過8第六章-膜分離技術(shù)在生物工程中的應(yīng)用課件94.電滲透：通過在電位差下用荷電膜從水溶液中分離離子的過程.原理是:陰、陽離子交換膜被交替排列在正負極之間形成許多獨立的小單元，當(dāng)含離子溶液在電場下通過這些單元時，有些單元里的離子可透過正負交換膜進入另一單元而使該單元里形成脫鹽水，有些單元里正負離子因電場作用和膜電荷排斥作用而留在單元里，加上從別的單元透過來的離子而在該單元中形成濃鹽水。4.電滲透：通過在電位差下用荷電膜從水溶液中分離離子的過程.10第六章-膜分離技術(shù)在生物工程中的應(yīng)用課件115、滲透蒸發(fā)：原理：利用膜與被分離有機液體混合物中各組分的親和力不同而選擇地優(yōu)先吸附溶液中某一組分及各組分在膜中擴散速度不同來達到分離的目的，不存在蒸餾法中的共沸點限制，可連續(xù)分離、濃縮，直至得到純化產(chǎn)物。5、滲透蒸發(fā)：12第六章-膜分離技術(shù)在生物工程中的應(yīng)用課件13二、膜材料與膜種類按荷電性：中性膜、荷電膜；按親疏水性：親水膜、疏水膜；二、膜材料與膜種類按荷電性：中性膜、荷電膜；14第三節(jié)濃差極化與膜污染及清洗方法研究濃差極化：指在分離過程中，料液中的溶劑在壓力驅(qū)動下透過膜，溶質(zhì)被截留，于是在膜表面與臨近膜面區(qū)域濃度越來越高。在濃度梯度作用下，溶質(zhì)由膜面向本體溶液擴散，形成邊界層，使流體阻力與局部滲透壓增加，從而導(dǎo)致溶劑透過量下降。溶劑向膜面流動引起溶質(zhì)向膜面的流動，這種流動如果與濃度梯度所驅(qū)動的溶質(zhì)向本體溶液擴散的速度平衡時，在膜面附近就形成一個穩(wěn)定的濃度梯度區(qū)，這一區(qū)域就稱為濃度極化邊界層，這一現(xiàn)象稱為濃差極化。濃差極化是一個可逆的過程；第三節(jié)濃差極化與膜污染及清洗方法研究濃差極化：指在分離過程15膜污染：物料中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學(xué)相互作用或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過流量與分離特性的不可逆變化的現(xiàn)象。膜污染與濃差極化很難區(qū)別，互相聯(lián)系；但卻是完全不同的二個概念問題：1、膜污染與濃差極化的主要區(qū)別？

2、物料開始與膜接觸就意味著膜污染開始發(fā)生膜污染：物料中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化16膜污染控制1、膜材料的選擇：一般講，親水性膜及膜材料電荷與溶質(zhì)相同的膜較耐污染。預(yù)處理：用小分子化合物對膜進行預(yù)處理，小分子必須對膜分離特性不產(chǎn)生很大影響，如表面活性劑；或利用改性法在膜表面引入親水基團；或用復(fù)合膜手段復(fù)合一層親水性分離層；或采用陰極噴鍍法在超濾膜表面鍍一層碳。膜污染控制1、膜材料的選擇：一般講，親水性膜及膜材料電荷與溶172、膜孔徑或截留分子量的選擇：孔徑與待分離物質(zhì)尺寸相近時容易造成堵塞；不同分離對象的最適孔徑膜的選擇要通過實驗來獲得；2、膜孔徑或截留分子量的選擇：183、膜結(jié)構(gòu)選擇：通常原則是選擇不對稱結(jié)構(gòu)膜較耐污染。4、組件結(jié)構(gòu)選擇：毛細管式與薄流道式組件設(shè)計可以使料液高速流動，剪切力較大，有利于減少粒子或大分子溶質(zhì)在膜面沉積，減少濃差極化或凝膠層的形成。3、膜結(jié)構(gòu)選擇：195、溶液pH控制：溶液pH對蛋白質(zhì)在水中溶解性，荷電性及構(gòu)型有很大影響。在等電點時蛋白質(zhì)在膜上的吸附量最高，膜的透水量最低，因此一般將pH調(diào)至遠離等電點的位置。5、溶液pH控制：206、溶液中鹽濃度的影響：無機鹽復(fù)合物會在膜表面或膜孔內(nèi)直接沉積，或使膜對蛋白質(zhì)的吸附增強而污染膜；無機鹽還可改變?nèi)芤弘x子強度，影響到蛋白質(zhì)溶解性、構(gòu)型與懸浮狀態(tài)，使形成的沉積層疏密程度改變，從而影響膜的透水性。6、溶液中鹽濃度的影響：217、溶液溫度影響：一般情況下，溫度升高，黏度下降，透水率提高；但并不是一定的。8、溶質(zhì)濃度，料液流速與壓力的控制：溶質(zhì)濃度一定時，要選擇合適的壓力和料液流速，避免形成凝膠層。壓力和流速并不是越大越好。7、溶液溫度影響：22第四節(jié)清洗方法清洗過程中主要考慮二個因素：膜的化學(xué)特性；污染物的特性；第四節(jié)清洗方法清洗過程中主要考慮二個因素：23第五節(jié)膜分離技術(shù)應(yīng)用1、在純凈水處理中的應(yīng)用：超濾和反滲透2、在電子工業(yè)用水中的應(yīng)用：3、給水及循環(huán)水處理中的應(yīng)用：4、除菌除熱源：5、澄清藥酒和中藥制劑：6、輕工、食品：7、在生物化工中的應(yīng)用：第五節(jié)膜分離技術(shù)應(yīng)用1、在純凈水處理中的應(yīng)用：超濾和反滲透24家用純水器膜反應(yīng)器用于水處理家用純水器膜反應(yīng)器用于水處理25杯式超濾器------中科院上海應(yīng)用物理研究所杯式超濾器------中科院上海應(yīng)用物理研究所26膜分離技術(shù)在生物化工中的應(yīng)用微生物的分離與收集：離心和過濾仍然是主要的方式；錯流過濾、超濾方法是未來的發(fā)展方向；膜分離技術(shù)在生物化工中的應(yīng)用微生物的分離與收集：27超濾分離流程圖超濾分離流程圖28超濾親和純化：將超濾技術(shù)優(yōu)點和親和技術(shù)優(yōu)點結(jié)合起來的一種分離技術(shù)。具有分離純度高和易于大規(guī)模工業(yè)化的優(yōu)點。其原理是：親和結(jié)合，利用與待分離物質(zhì)有親和力的大分子物質(zhì)親和結(jié)合待分離物質(zhì)；洗滌：選擇合適的超濾膜進行透濾；解離：使大分子親和復(fù)合物分離，選用合適膜進行超濾使待分離物質(zhì)透過膜并進一步濃縮；再生：使大分子親和基再生并進入下一輪超濾親和過程。超濾親和純化：將超濾技術(shù)優(yōu)點和親和技術(shù)優(yōu)點結(jié)合起來的一種分離29超濾親和分離技術(shù)要點：大分子親和基要盡量選擇分子尺寸大的；控制合適的超濾時間；親和結(jié)合的強度要適中；超濾親和分離技術(shù)要點：30膜反應(yīng)器概念：用膜將酶或微生物限制在一定的范圍，并將之應(yīng)用于生物反應(yīng)中，這樣的裝置就叫膜反應(yīng)器。用于水處理的膜反應(yīng)器膜反應(yīng)器概念：用膜將酶或微生物限制在一定的范圍，并將之應(yīng)用于31連續(xù)攪拌式膜反應(yīng)器從結(jié)構(gòu)和操作方式上可分為死端池（DESC）、循環(huán)流動型反應(yīng)器、阻塞流式中空纖維反應(yīng)器。連續(xù)攪拌式膜反應(yīng)器從結(jié)構(gòu)和操作方式上可分為死端池（DESC）32死端池濃差極化嚴(yán)重，分離速度慢，酶活反應(yīng)效率低。死端池濃差極化嚴(yán)重，分離速度慢，酶活反應(yīng)效率低。33循環(huán)流動型：反應(yīng)器與分離器是分開的，具有更大的適應(yīng)性；可用于基質(zhì)分子量也產(chǎn)物分子量在同一數(shù)量級時；可以任意調(diào)節(jié)反應(yīng)器與分離器大小之比；有較大生產(chǎn)能力；循環(huán)流動型：34中空纖維膜反應(yīng)器：催化劑裝填濃度可以很高；有很大的傳質(zhì)表面積；很易清洗更換中空纖維膜反應(yīng)器：35常見膜及其構(gòu)件和設(shè)備中空纖維超濾器常見膜及其構(gòu)件和設(shè)備中空纖維超濾器36常見膜及其構(gòu)件和設(shè)備三達膜科技（廈門）有限公司

納濾技術(shù)與納濾設(shè)備

八十年代初期，美國科學(xué)家研究了一種薄層復(fù)合膜，它能使90%的NaCl透析，而99%的蔗糖被截留。顯然，這種膜既不能稱之為反滲透膜（因為不能截留無機鹽），也不屬于超濾膜的范疇（因為不能透析低分子量的有機物）。由于這種膜在滲透過程中截留率大于95%的分子約為1納米，因而它被命名為“納濾膜（Nanofiltration）”。在上世紀(jì)90年代以來，才有了商品納濾膜的生產(chǎn)，并且其應(yīng)用范圍日益廣泛。

常見膜及其構(gòu)件和設(shè)備三達膜科技（廈門）有限公司

納濾技術(shù)與納37常見膜及其構(gòu)件和設(shè)備反滲透（RO）水處理設(shè)備作為純凈水過濾生產(chǎn)的專用設(shè)備，在水過濾時利用反滲透膜的選擇性透過原理，通過設(shè)備的高壓泵對經(jīng)過反滲透膜的原水施加一定壓力，在壓力作用下原水中的水分子可以透過膜而滲析出來，而其他無機鹽、微生物與有機物等卻由于反滲透膜對這些物質(zhì)的截留特性而不能透過膜，從而可以獲得純凈的無離子水。常見膜及其構(gòu)件和設(shè)備反滲透（RO）水處理設(shè)備作為純凈水過濾生38常見膜及其構(gòu)件和設(shè)備金屬膜系統(tǒng)可以在比較苛刻的工藝條件下達到優(yōu)良的分離性能