第六章-膜分離3

在膜分離過程中，不同的膜過濾其分離機理有所不同，而且一種膜過濾方式有多種機理解釋和多種數(shù)學(xué)模型描述。微過濾（篩分、吸附）——孔模型、濃差極化模型（擴散模型）、覆蓋層模型等。超濾（篩分、阻塞、吸附）——現(xiàn)象學(xué)模型、細孔模型、孔模型、篩子模型、濃差極化模型等。納濾（溶解擴散、Donna效用）——不可逆熱力學(xué)模型、孔道模型、溶解擴散模型、Donna平衡模型、空間電荷模型、固定電荷模型、立體位阻模型等。反滲透（優(yōu)先吸附-毛細管流動、溶解擴散）——現(xiàn)象學(xué)模型、溶解擴散模型、優(yōu)先吸附-毛細孔流模型、摩擦模型、孔道模型等。6.3.1過濾模型——阻力模型6.3.2濃差極化——凝膠層模型6.3.1過濾模型（阻力模型）同一般過濾一樣，膜過濾也可用阻力模型來描述。在實際過濾中，由于溶質(zhì)吸附在膜上，或形成濃差極化，也會形成阻力，使水通量減少，所以上式應(yīng)改寫為：對于微過濾和超濾，由于分離的對象是固體微?；蚋叻肿游镔|(zhì)，此類物質(zhì)的滲透壓可以忽略不計，于是上式變?yōu)椋?/p>

由過濾模型可知，反滲透和超濾的區(qū)別在于是否可以忽略滲透壓。當處理液中溶質(zhì)的滲透壓可以忽略時即為超濾，反之則為反滲透。6.3.2濃差極化——凝膠層模型

當溶劑透過膜時，大分子溶質(zhì)被膜所滯留在膜附近而形成濃度梯度，越接近膜表面濃度越高，形成一層凝膠狀薄膜或沉積層，這種現(xiàn)象稱為濃差極化。濃差極化在UF、NF和RO中都存在。一方面，溶液中的大分子溶質(zhì)隨著溶劑（水）和小分子溶質(zhì)向膜表面遷移（即對流作用）；另一方面，在分子擴散作用下，膜表面附近高濃度的大分子溶質(zhì)又會向低濃度的主體溶液反方向擴散（分子擴散作用）。在一定條件下，當兩種遷移速度達平衡后，其過濾速率也就基本確定。濃度Cδδ0距離xJCPdxJC滯流層CS透過液主體溶液(湍流區(qū))對流作用分子擴散作用過濾凝膠模型示意圖模型假設(shè)：（1）在膜的一側(cè)存在一個滯留邊界層，厚度為δ；（2）溶質(zhì)分子的反方向遷移完全由分子擴散所控制；（3）在邊界層以外的溶液為湍流，其溶質(zhì)濃度是均勻的，濃度為Cb。Cb濃度Cδδ0距離xJCPdxJC滯流層CS透過液主體溶液(湍流區(qū))對流作用分子擴散作用過濾凝膠模型示意圖對邊界層內(nèi)一薄層單元作溶質(zhì)的質(zhì)量衡算有：達穩(wěn)態(tài)時，J和CP都是常數(shù)，于是：令Km=D/δ為傳質(zhì)系數(shù)，則上式變?yōu)椋喝缛苜|(zhì)全部被載留，則CP=0，上式變?yōu)椋喝裟ず腿苜|(zhì)一定，則CS變?yōu)槌?shù)，于是：當Cb↑→ln(CS/Cb)↓

→J↓由此可見，進料液中較高的溶質(zhì)濃度將會使過濾速率下降。（1）進料濃度的影響(2)進料速率的影響由化工傳遞有，在湍流情況下，傳質(zhì)過程可用下式表示：

Km為溶質(zhì)向主體溶液擴散的傳質(zhì)系數(shù)，當：U↑→

δ↓→

Rm

↓→

Km

↑→J↑

由此可見，提高進料速率，可有效提高過濾速率。由此可見，進料液中較高的溶質(zhì)濃度將會使過濾速率下降。溫度↑→μ↓，D↑→J↑對于小分子生物產(chǎn)品，如直接用蒸發(fā)與結(jié)晶的方法回收，則需消耗大量的蒸汽，而采用膜分離可在不發(fā)生相變的情況下使產(chǎn)品得以回收、初步提純及濃縮。濃差極化在UF、NF和RO中都存在。對于小分子生物產(chǎn)品，如直接用蒸發(fā)與結(jié)晶的方法回收，則需消耗大量的蒸汽，而采用膜分離可在不發(fā)生相變的情況下使產(chǎn)品得以回收、初步提純及濃縮。Km為溶質(zhì)向主體溶液擴散的傳質(zhì)系數(shù)，當：U↑→δ↓→Rm↓→Km↑→J↑一方面，溶液中的大分子溶質(zhì)隨著溶劑（水）和小分子溶質(zhì)向膜表面遷移（即對流作用）；由此可見，進料液中較高的溶質(zhì)濃度將會使過濾速率下降。當溶劑透過膜時，大分子溶質(zhì)被膜所滯留在膜附近而形成濃度梯度，越接近膜表面濃度越高，形成一層凝膠狀薄膜或沉積層，這種現(xiàn)象稱為濃差極化。（3）對連續(xù)酶反應(yīng)過程，存在酶反應(yīng)速度與底物利用率的矛盾：對邊界層內(nèi)一薄層單元作溶質(zhì)的質(zhì)量衡算有：（1）在膜的一側(cè)存在一個滯留邊界層，厚度為δ；在膜分離過程中，不同的膜過濾其分離機理有所不同，而且一種膜過濾方式有多種機理解釋和多種數(shù)學(xué)模型描述。在實際過濾中，由于溶質(zhì)吸附在膜上，或形成濃差極化，也會形成阻力，使水通量減少，所以上式應(yīng)改寫為：V↑→S↑→φ↓大分子生物產(chǎn)品包括酶、蛋白質(zhì)、多糖、核酸等，目前已廣泛使用膜分離過程。（3）壓力的影響A當ΔP較小，濃差極化尚未形成，溶質(zhì)阻力可忽略，此時J∝

ΔP。B當ΔP較大時，膜上開始形成濃差極化，溶質(zhì)的影響不能忽略，J隨ΔP增大的速度開始減緩。C當ΔP很大時，濃差極化嚴重，此時膜阻力可忽略，RS

∝

ΔP，過濾速率不再升高。J大分子溶液J水無濃差極化ΔPABC(4)溫度的影響溫度↑→

μ↓，D↑→J↑溫度選擇原則：不影響膜的穩(wěn)定性；不影響溶質(zhì)的穩(wěn)定性。料液一次加入，用泵進行循環(huán)。循環(huán)液體積速率一般應(yīng)為透過液的10倍以上。膜兩側(cè)的壓力可由背壓閥調(diào)節(jié)，降低背壓，將提高循環(huán)速率，但同時使膜兩側(cè)的壓力差下降，故存在一最適背壓，使透過速率達最大。UF貯槽背壓閥泵透過液濃液循環(huán)在分批操作中，隨著大分子溶質(zhì)濃度的逐漸增高，過濾速率將逐漸下降，最后操作將無法進行。如需繼續(xù)除去小分子物質(zhì)，可在超濾的同時，補加水或緩沖液，使保留液體積保持不變，此即為透析過濾。UF貯槽背壓閥泵透過液濃液循環(huán)水或緩沖液單級連續(xù)操作的效率往往比批式操作低，這是因為單級操作時，通過膜組件的溶質(zhì)濃度一直保持最高(與濃縮產(chǎn)品相同)。采用多級串連操作時，上一級的濃縮液進入下一級繼續(xù)濃縮，最后一級的濃縮達到所需的產(chǎn)品濃度。由于開始時溶質(zhì)濃度較低，過濾速率較大，所以級數(shù)愈多，所需總膜面積愈小。連續(xù)操作的優(yōu)點是產(chǎn)品在系統(tǒng)中的停留時間短，對活性產(chǎn)品有利，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。透過液循環(huán)泵濃縮液進料泵貯料槽生物工業(yè)中的大多數(shù)產(chǎn)品均為小分子產(chǎn)品，如有機酸、氨基酸、抗生素、疫苗、維生素、核苷酸等，其分子量大多在100~2000之間。對于小分子生物產(chǎn)品，如直接用蒸發(fā)與結(jié)晶的方法回收，則需消耗大量的蒸汽，而采用膜分離可在不發(fā)生相變的情況下使產(chǎn)品得以回收、初步提純及濃縮。（1）在膜的一側(cè)存在一個滯留邊界層，厚度為δ；A當ΔP較小，濃差極化尚未形成，溶質(zhì)阻力可忽略，此時J∝ΔP。U↑→δ↓→Rm↓→Km↑→J↑由此可見，提高進料速率，可有效提高過濾速率。由于開始時溶質(zhì)濃度較低，過濾速率較大，所以級數(shù)愈多，所需總膜面積愈小。C當ΔP很大時，濃差極化嚴重，此時膜阻力可忽略，RS∝ΔP，過濾速率不再升高。若膜和溶質(zhì)一定，則CS變?yōu)槌?shù)，于是：對于微過濾和超濾，由于分離的對象是固體微?；蚋叻肿游镔|(zhì)，此類物質(zhì)的滲透壓可以忽略不計，于是上式變?yōu)椋阂环矫?，溶液中的大分子溶質(zhì)隨著溶劑（水）和小分子溶質(zhì)向膜表面遷移（即對流作用）；大分子生物產(chǎn)品包括酶、蛋白質(zhì)、多糖、核酸等，目前已廣泛使用膜分離過程。1過濾模型——阻力模型當溶劑透過膜時，大分子溶質(zhì)被膜所滯留在膜附近而形成濃度梯度，越接近膜表面濃度越高，形成一層凝膠狀薄膜或沉積層，這種現(xiàn)象稱為濃差極化。濃差極化在UF、NF和RO中都存在。胞外小分子產(chǎn)品:NF/ROUF發(fā)酵液CF或MF濃縮液水菌體大分子雜質(zhì)水、低分子雜質(zhì)透過液透過液胞內(nèi)小分子產(chǎn)品:NF/ROUF發(fā)酵液MF濃縮液水細胞碎片大分子雜質(zhì)水、低分子雜質(zhì)透過液透過液CF/MF勻漿發(fā)酵廢液細胞液水大分子生物產(chǎn)品包括酶、蛋白質(zhì)、多糖、核酸等，目前已廣泛使用膜分離過程。大分子產(chǎn)品的回收率通?？蛇_90%，收率下降的可能原因有：（1）泵的剪切作用使活性物質(zhì)失活。（2）膜的表面吸附作用。（3）離子組成發(fā)生改變，有些對酶活起穩(wěn)定作用的離子被分離除去。（4）膜的滲漏問題。胞外大分子產(chǎn)品:發(fā)酵液UFCF或MF濃縮液水菌體水、低分子雜質(zhì)透過液貯槽濃縮液部分循環(huán)胞內(nèi)大分子產(chǎn)品:發(fā)酵液UFMF濃縮液水細胞碎片水、低分子雜質(zhì)透過液貯槽濃縮液部分循環(huán)CF/MF勻漿發(fā)酵廢液細胞液水由此可見，提高進料速率，可有效提高過濾速率。（2）對固定化酶反應(yīng)系統(tǒng)，存在的問題主要是酶活力的損失，且傳質(zhì)困難。納濾（溶解擴散、Donna效用）——不可逆熱力學(xué)模型、孔道模型、溶解擴散模型、Donna平衡模型、空間電荷模型、固定電荷模型、立體位阻模型等。令Km=D/δ為傳質(zhì)系數(shù)，則上式變?yōu)椋篤↑→S↑→φ↓對邊界層內(nèi)一薄層單元作溶質(zhì)的質(zhì)量衡算有：膜兩側(cè)的壓力可由背壓閥調(diào)節(jié)，降低背壓，將提高循環(huán)速率，但同時使膜兩側(cè)的壓力差下降，故存在一最適背壓，使透過速率達最大。由此可見，進料液中較高的溶質(zhì)濃度將會使過濾速率下降。循環(huán)液體積速率一般應(yīng)為透過液的10倍以上。由此可見，進料液中較高的溶質(zhì)濃度將會使過濾速率下降。（2）對固定化酶反應(yīng)系統(tǒng)，存在的問題主要是酶活力的損失，且傳質(zhì)困難。B當ΔP較大時，膜上開始形成濃差極化，溶質(zhì)的影響不能忽略，J隨ΔP增大的速度開始減緩。（1）泵的剪切作用使活性物質(zhì)失活。超過濾與連續(xù)化酶反應(yīng)系統(tǒng)：如溶質(zhì)全部被載留，則CP=0，上式變?yōu)椋篤↑→S↑→φ↓（1）