天然藥物提取工藝課件膜分離技術(shù)

1、 第三章第三章 新型分離技術(shù)新型分離技術(shù)在天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用在天然產(chǎn)物提取中的應(yīng)用膜分離技術(shù)：是用膜作為選擇障礙層，在分膜分離技術(shù)：是用膜作為選擇障礙層，在分子水平上、不同粒徑、不同性質(zhì)的混合物質(zhì)子水平上、不同粒徑、不同性質(zhì)的混合物質(zhì)在通過膜時(shí)，允許在通過膜時(shí)，允許某些組分透過而保留混合某些組分透過而保留混合物中其他組分物中其他組分，從而達(dá)到分離的技術(shù)。，從而達(dá)到分離的技術(shù)。第二節(jié)第二節(jié) 膜分離技術(shù)膜分離技術(shù) 一、膜的分類一、膜的分類 1. 按分離機(jī)理按分離機(jī)理 (1) 具有所需孔徑的膜：具有所需孔徑的膜：分離原理與篩網(wǎng)、分離原理與篩網(wǎng)、濾紙濾紙 (2) 無孔膜無孔膜: 分離原理類似于萃??；

2、分離原理類似于萃取； 由于被分離物與高分子膜的親合性強(qiáng)，由于被分離物與高分子膜的親合性強(qiáng)，進(jìn)入膜分子間隙的粒子經(jīng)溶解擴(kuò)散后，進(jìn)入膜分子間隙的粒子經(jīng)溶解擴(kuò)散后，可從膜的另一側(cè)被分離出來?？蓮哪さ牧硪粋?cè)被分離出來。1. 按分離機(jī)理按分離機(jī)理 (3) 具有反應(yīng)性官能團(tuán)作用的膜：具有反應(yīng)性官能團(tuán)作用的膜： 離子交換膜。離子交換膜。 一、膜的分類一、膜的分類 1. 按分離機(jī)理分按分離機(jī)理分 (1)具有所需孔徑的膜具有所需孔徑的膜 (2)無孔膜無孔膜 (3)具有反應(yīng)性官能團(tuán)作用的膜具有反應(yīng)性官能團(tuán)作用的膜 2. 按分離的推動(dòng)力分按分離的推動(dòng)力分 3. 按膜的孔徑大小分按膜的孔徑大小分 微濾膜、超濾膜、納濾

3、膜和反滲透膜等。微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜等。 一、膜的分類一、膜的分類 4. 按膜的結(jié)構(gòu)形態(tài)分按膜的結(jié)構(gòu)形態(tài)分 (1) 普通形狀的片面膜普通形狀的片面膜 (2) 卷成螺旋形的袋狀膜卷成螺旋形的袋狀膜 (3) 空心絲膜空心絲膜 5. 按膜的物理形態(tài)分按膜的物理形態(tài)分 分為固膜、液膜和氣膜三類分為固膜、液膜和氣膜三類 6. 根據(jù)膜的材料分根據(jù)膜的材料分 依據(jù)材料的不同，可分為無機(jī)膜和有機(jī)膜。依據(jù)材料的不同，可分為無機(jī)膜和有機(jī)膜。 二、膜性能二、膜性能 指膜的指膜的物化穩(wěn)定性和膜的分離透過物化穩(wěn)定性和膜的分離透過特性。特性。 1. 膜的物化穩(wěn)定性膜的物化穩(wěn)定性 主要取決于主要取決于構(gòu)成膜的高

4、分子材料構(gòu)成膜的高分子材料。 1. 膜的物化穩(wěn)定性膜的物化穩(wěn)定性 膜的物化穩(wěn)定性的主要指標(biāo)是膜的物化穩(wěn)定性的主要指標(biāo)是:膜材料、膜材料、膜允許使用的最高壓力、膜允許使用的最高壓力、溫度范圍、溫度范圍、適用的適用的pH范圍，范圍，以及對(duì)有機(jī)溶劑等化學(xué)藥品的抵抗性等以及對(duì)有機(jī)溶劑等化學(xué)藥品的抵抗性等 二、膜二、膜 性能性能通常指膜的通常指膜的物化穩(wěn)定性物化穩(wěn)定性和和膜的分離透過特性膜的分離透過特性。 1. 膜的物化穩(wěn)定性膜的物化穩(wěn)定性 (1) 膜的膜的抗氧化抗氧化和和抗水解性能抗水解性能 既取決于被分離溶液的性質(zhì)，既取決于被分離溶液的性質(zhì)， 也取決于膜材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)。也取決于膜材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)。 氧

5、化、水解的最終結(jié)果：氧化、水解的最終結(jié)果： 使膜的色澤加深、發(fā)硬變脆，使膜的色澤加深、發(fā)硬變脆， 其化學(xué)結(jié)構(gòu)與形態(tài)結(jié)構(gòu)也受破壞。其化學(xué)結(jié)構(gòu)與形態(tài)結(jié)構(gòu)也受破壞。膜的水解和氧化是同時(shí)發(fā)生的膜的水解和氧化是同時(shí)發(fā)生的 如：如：常用的芳香聚酰胺系膜，分子鏈中常用的芳香聚酰胺系膜，分子鏈中的的CONH，在酸、堿催化作用下會(huì)，在酸、堿催化作用下會(huì)發(fā)生發(fā)生CN鍵斷裂生成羧酸或羧酸鹽，從鍵斷裂生成羧酸或羧酸鹽，從而使溶液的而使溶液的pH發(fā)生變化。發(fā)生變化。如何提高膜的抗水解性能如何提高膜的抗水解性能：盡量減少高分子材料中易水解的基團(tuán)。盡量減少高分子材料中易水解的基團(tuán)。(2)膜的耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度膜的耐熱性和機(jī)械

6、強(qiáng)度 a. 膜的耐熱性：膜的耐熱性： 取決于高分子材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)；取決于高分子材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)； 由于水在膜中的滲透，部分削弱了高分由于水在膜中的滲透，部分削弱了高分子之間的作用力，使膜的耐熱力低于純高子之間的作用力，使膜的耐熱力低于純高分子材料的耐熱性。分子材料的耐熱性。 提高膜的耐熱性的意義提高膜的耐熱性的意義： 改善膜的分離特性；有利于膜的高溫滅菌改善膜的分離特性；有利于膜的高溫滅菌(2) 膜的耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度膜的耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度 b. 膜的機(jī)械強(qiáng)度：膜的機(jī)械強(qiáng)度： 是高分子材料力學(xué)的體現(xiàn)；是高分子材料力學(xué)的體現(xiàn)；2.2.膜的分離透過特性膜的分離透過特性 ( (不同的膜，不同表示法不同的膜

7、，不同表示法) )(1) 反滲透膜：反滲透膜： 主要是通過主要是通過溶質(zhì)分離率、溶劑透過、流速溶質(zhì)分離率、溶劑透過、流速流量衰減系數(shù)流量衰減系數(shù)三個(gè)參數(shù)來表明使用性能。三個(gè)參數(shù)來表明使用性能。a. 溶質(zhì)分離率溶質(zhì)分離率：截留率，通過反滲透膜從截留率，通過反滲透膜從系統(tǒng)進(jìn)水中去除可溶性雜質(zhì)的百分比。系統(tǒng)進(jìn)水中去除可溶性雜質(zhì)的百分比。b.b.溶劑透過速度溶劑透過速度：對(duì)水溶液可稱為透水率對(duì)水溶液可稱為透水率 或水通量，是指反滲透或水通量，是指反滲透 系統(tǒng)的產(chǎn)能，即單位時(shí)系統(tǒng)的產(chǎn)能，即單位時(shí) 間內(nèi)透過膜水量。間內(nèi)透過膜水量。c.c.流量衰減系數(shù)流量衰減系數(shù)：是指膜因壓密和濃差極是指膜因壓密和濃差極

8、化而引起的膜透過速度化而引起的膜透過速度 隨時(shí)間衰減的程度。隨時(shí)間衰減的程度。(2) 超過濾膜超過濾膜 用截留相對(duì)分子質(zhì)量來表征膜對(duì)不同相用截留相對(duì)分子質(zhì)量來表征膜對(duì)不同相對(duì)分子質(zhì)量溶質(zhì)的分離能力。對(duì)分子質(zhì)量溶質(zhì)的分離能力。a.截留相對(duì)分子質(zhì)量截留相對(duì)分子質(zhì)量：指阻留率達(dá)：指阻留率達(dá)90以以上的最小被截留物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量。上的最小被截留物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量。(2) 超過濾膜超過濾膜 用截留相對(duì)分子質(zhì)量來表征膜對(duì)不同相用截留相對(duì)分子質(zhì)量來表征膜對(duì)不同相對(duì)分子質(zhì)量溶質(zhì)的分離能力。對(duì)分子質(zhì)量溶質(zhì)的分離能力。b.透過速度：透過速度：通常用在一定壓力下每分鐘通常用在一定壓力下每分鐘通過單位膜面積的液體量

9、來表示；表示通過單位膜面積的液體量來表示；表示法同反滲透的透過速度。法同反滲透的透過速度。(3) 微孔濾膜微孔濾膜a.孔徑：以最大孔徑為準(zhǔn)；孔徑：以最大孔徑為準(zhǔn)；b.孔隙率及水萃取率：孔隙率及水萃取率：孔隙率：微孔濾膜孔隙總體積與濾膜總體孔隙率：微孔濾膜孔隙總體積與濾膜總體積之比；積之比；8090；孔隙率孔隙率=（濕重（濕重-干重）干重）/膜體積膜體積(3) 微孔濾膜微孔濾膜c.厚度和重量：厚度一般為厚度和重量：厚度一般為120-150m 相對(duì)密度相對(duì)密度5mg/cm2；d.透過速度：一般在膜兩側(cè)壓差為透過速度：一般在膜兩側(cè)壓差為 1.1X105Pa；微孔濾膜操作中應(yīng)注意的事項(xiàng)：微孔濾膜操作中

10、應(yīng)注意的事項(xiàng)： a.濾膜的支持和濾器的密封；濾膜的支持和濾器的密封； b.過濾系統(tǒng)嚴(yán)密性的檢查：過濾系統(tǒng)嚴(yán)密性的檢查： c.濾膜的潤(rùn)濕；濾膜的潤(rùn)濕； d.透過速度；透過速度； e.過濾系統(tǒng)的清洗與消毒。過濾系統(tǒng)的清洗與消毒。 三、膜三、膜 材材 料料 膜材料的化學(xué)性質(zhì)膜材料的化學(xué)性質(zhì)膜分離性能因素膜分離性能因素 膜的結(jié)構(gòu)膜的結(jié)構(gòu) 三、膜三、膜 材材 料料 對(duì)膜材料的要求：對(duì)膜材料的要求： 良好的成膜性、熱穩(wěn)定性、良好的成膜性、熱穩(wěn)定性、 化學(xué)穩(wěn)定性，耐酸堿腐蝕和化學(xué)穩(wěn)定性，耐酸堿腐蝕和 微生物侵蝕，耐氧化性能。微生物侵蝕，耐氧化性能。已用作膜材料的主要聚合物有以下幾類：已用作膜材料的主要聚合物

11、有以下幾類：（1）纖維素類：二醋酸纖維素）纖維素類：二醋酸纖維素(CA)， 三醋酸纖維素三醋酸纖維素(CTA)；（2）聚酰胺類：芳香聚酰胺（）聚酰胺類：芳香聚酰胺（PI），）， 尼龍尼龍66（NY-66）；）；（3）芳香雜環(huán)類：聚苯并咪唑（）芳香雜環(huán)類：聚苯并咪唑（PBI），）， 聚酰亞胺（聚酰亞胺（PMDA）；）；（4）聚砜類：聚砜（）聚砜類：聚砜（PS），）， 聚砜酰胺（聚砜酰胺（PSA）；）； 1.1.高分子膜材料高分子膜材料 1.1.高分子膜材料高分子膜材料 已用作膜材料的主要聚合物有以下幾類：已用作膜材料的主要聚合物有以下幾類：（5）硅橡膠類：聚乙烯級(jí)三甲基硅烷）硅橡膠類：聚乙烯級(jí)三

12、甲基硅烷 （PVTMS）；）；（6）聚烯烴類：聚乙烯醇（）聚烯烴類：聚乙烯醇（PVA），）， 聚丙烯腈（聚丙烯腈（PAN）；）；（7）含氟高分子：聚四氟乙烯（）含氟高分子：聚四氟乙烯（PTFE）；）；（8）其他類型：聚碳酸酯等；）其他類型：聚碳酸酯等；其中其中纖維素類膜材料纖維素類膜材料是應(yīng)用最早，也是目前應(yīng)用是應(yīng)用最早，也是目前應(yīng)用最多的；最多的；2.2.無機(jī)膜無機(jī)膜 多以金屬、金屬氧化物、陶瓷、多孔玻多以金屬、金屬氧化物、陶瓷、多孔玻璃為材料璃為材料優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：高溫下穩(wěn)定；膜機(jī)械性穩(wěn)定；化學(xué)高溫下穩(wěn)定；膜機(jī)械性穩(wěn)定；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；特別耐有機(jī)溶劑；允許苛刻性質(zhì)穩(wěn)定；特別耐有機(jī)溶劑；允許苛刻條

13、件的清洗操作；物料透過量大；污染條件的清洗操作；物料透過量大；污染少等。少等。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：膜脆、易碎，需特殊構(gòu)型和組件體膜脆、易碎，需特殊構(gòu)型和組件體系；費(fèi)用較高；密封復(fù)雜等。系；費(fèi)用較高；密封復(fù)雜等。 四、膜四、膜 組組 件件1.膜組件膜組件 (module)是將一定面積膜以某些形式組裝成的器件。是將一定面積膜以某些形式組裝成的器件。常用有常用有5種：管式、毛細(xì)管式、中空纖維、種：管式、毛細(xì)管式、中空纖維、板框式和卷式。板框式和卷式。 四、膜四、膜 組組 件件2.膜組件的選擇膜組件的選擇 a.造價(jià)對(duì)其能否進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用；造價(jià)對(duì)其能否進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用； b.抗污染能力；抗污染能力； c.膜材料能否制成組件所使用的膜；膜材料能否制成組件所使用的膜； d.組件的結(jié)構(gòu)能否適用于高壓操作等。組件的結(jié)構(gòu)能否適用于高壓操作等。 3. 膜分離的選擇：膜分離的選擇： a.根據(jù)要分離的對(duì)象確定合適的膜材料；根據(jù)要分離的對(duì)象確定合適的膜材料； b.考查膜的性能；考查膜的性能； c.選擇適宜的組件與裝置；選擇適宜的組件與裝置； d.確定最佳的使