膜分離法及其在生物工程中的應用

1、第五章第五章 膜分離法及其在生膜分離法及其在生物工程中的應用物工程中的應用（Membrane Separation） 2本章主要內容本章主要內容一、概述一、概述二、膜分離過程類型及膜材料二、膜分離過程類型及膜材料三、膜組件三、膜組件四、濃差極化與膜污染及清洗方法四、濃差極化與膜污染及清洗方法五、膜分離法的應用五、膜分離法的應用3膜分離法及其在生物工程中的應用膜分離法及其在生物工程中的應用概概 述述近近2020年發(fā)展起來的膜分離技術，已廣泛年發(fā)展起來的膜分離技術，已廣泛用于生物工程、食品、醫(yī)藥、化工等工用于生物工程、食品、醫(yī)藥、化工等工業(yè)生產及水處理等各個領域；業(yè)生產及水處理等各個領域；膜分離技

2、術膜分離技術是用半透膜作為選擇障礙層，是用半透膜作為選擇障礙層，允許某些組分透過而保留混合物中其它允許某些組分透過而保留混合物中其它組分，從而達到分離目的的技術。組分，從而達到分離目的的技術。4膜分離的特點膜分離的特點操作在常溫下進行操作在常溫下進行, ,設備簡單、操作方便；設備簡單、操作方便；是物理過程，不需加入化學試劑；是物理過程，不需加入化學試劑；不發(fā)生相變化（因而能耗較低）；不發(fā)生相變化（因而能耗較低）；在很多情況下選擇性較高；在很多情況下選擇性較高；濃縮和純化可在一個步驟內完成；濃縮和純化可在一個步驟內完成；設備易放大，可以分批或連續(xù)操作。設備易放大，可以分批或連續(xù)操作。因而在生物產

3、品的處理中占有重要地位因而在生物產品的處理中占有重要地位膜分離法及其在生物工程中的應用膜分離法及其在生物工程中的應用概概 述述5膜的定義：膜的定義：膜可定義為兩相之間的不連續(xù)區(qū)間。膜可定義為兩相之間的不連續(xù)區(qū)間?？梢允菤庀?、液相和固相。注意與相可以是氣相、液相和固相。注意與相“界面界面”區(qū)別區(qū)別 。廣義指的廣義指的“膜膜”是指分隔兩相界面，并以特定的形是指分隔兩相界面，并以特定的形式限制和傳遞各種化學物質。式限制和傳遞各種化學物質?？梢允牵壕嗟幕蚍蔷嗟?；可以是：均相的或非均相的； 對稱的或非對稱的；對稱的或非對稱的； 中性的或荷電的；中性的或荷電的； 固體的或液體的。固體的或液體的。膜分離

4、法及其在生物工程中的應用膜分離法及其在生物工程中的應用概概 述述6膜的分類膜的分類對稱膜對稱膜 結構與方向無關的膜。結構與方向無關的膜。非對稱膜非對稱膜 致密的分離層和多孔支撐層致密的分離層和多孔支撐層復合膜復合膜 選擇性膜層沉積于具有微孔的底膜（支選擇性膜層沉積于具有微孔的底膜（支撐層）表面上。撐層）表面上。荷電膜荷電膜 即離子交換膜，是一種對稱膜即離子交換膜，是一種對稱膜微孔膜微孔膜 孔徑為孔徑為0.05-20um的膜。的膜。動態(tài)膜動態(tài)膜 在多孔介質（如陶瓷管）上沉積一層顆在多孔介質（如陶瓷管）上沉積一層顆粒物（氧化鋯）作為有選擇作用的膜，此沉積層粒物（氧化鋯）作為有選擇作用的膜，此沉積層

5、與溶液處于動態(tài)平衡。與溶液處于動態(tài)平衡。7圖圖1 對稱膜對稱膜 圖圖2 非對稱膜非對稱膜8膜分離法及其在生物工程中的應用膜分離法及其在生物工程中的應用 膜分離過程類型及膜材料膜分離過程類型及膜材料一、膜分離過程的類型一、膜分離過程的類型 常見膜分離過程常見膜分離過程微濾（微濾（Microfiltration，MF）超濾（超濾（Ultrafiltration，UF）反滲透（反滲透（Reverse osmosis，RO）透析（透析（Dialysis，DS）電滲析（電滲析（Electrodialysis，ED）滲透氣化（滲透氣化（Pervaporation，PV）9膜分離法與物質大?。ㄖ睆剑┑年P系膜

6、分離法與物質大?。ㄖ睆剑┑年P系一、膜分離過程的類型一、膜分離過程的類型膜分離法及其在生物工程中的應用膜分離法及其在生物工程中的應用 膜分離過程類型及膜材料膜分離過程類型及膜材料10膜分離法及其在生物工程中的應用膜分離法及其在生物工程中的應用 膜分離過程類型及膜材料膜分離過程類型及膜材料110.5 離子、分子量離子、分子量100的有機物的有機物 溶解擴散溶解擴散 滲透蒸發(fā)0.5 離子、分子量離子、分子量100的有機物的有機物 溶解擴散溶解擴散 反滲透 離子、分子量離子、分子量100的有機物的有機物 溶解擴散溶解擴散 納濾25010001000,000Da的大分子的大分子 體積大小體積大小 超濾5

7、010000 0.0510m的固體粒子的固體粒子 體積大小體積大小 微濾10000固體粒子固體粒子 體積大小體積大小 粒子過濾孔徑孔徑/nm分離對象分離對象 分離機理分離機理 膜過程膜過程膜分離法及其在生物工程中的應用膜分離法及其在生物工程中的應用 膜分離過程類型及膜材料膜分離過程類型及膜材料各種膜分離技術分離范圍各種膜分離技術分離范圍12膜分離法及其在生物工程中的應用膜分離法及其在生物工程中的應用 膜分離過程類型及膜材料膜分離過程類型及膜材料131.微濾微濾一、膜分離過程的類型一、膜分離過程的類型142.2.超濾超濾一、膜分離過程的類型一、膜分離過程的類型153.3.反滲透反滲透一、膜分離過

8、程的類型一、膜分離過程的類型16微濾、超濾、納濾和反滲透微濾、超濾、納濾和反滲透一、膜分離過程的類型一、膜分離過程的類型174、電滲析分離原理示意圖、電滲析分離原理示意圖在電位差下用荷電膜從水溶液中分離離子的過程。在電位差下用荷電膜從水溶液中分離離子的過程。陽膜只充許陽離子通過而陰離子被阻擋；陽膜只充許陽離子通過而陰離子被阻擋；陰膜只充許陰離子通過而陽離子被阻擋。陰膜只充許陰離子通過而陽離子被阻擋。 一、膜分離過程的類型一、膜分離過程的類型電位差電位差18 電滲器是利用離子交換膜的選擇透過性進行工電滲器是利用離子交換膜的選擇透過性進行工作，電滲析器主要組成部分是離子交換膜。分為陽作，電滲析器主

9、要組成部分是離子交換膜。分為陽膜，陰膜。膜，陰膜。一、膜分離過程的類型一、膜分離過程的類型19一、膜分離過程的類型一、膜分離過程的類型5、滲透蒸發(fā)、滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)原理滲透蒸發(fā)原理 它是利用膜與被分離有機液體混合物中各組分的它是利用膜與被分離有機液體混合物中各組分的親合力不同親合力不同，而有選擇性地優(yōu)先吸附溶液某一組，而有選擇性地優(yōu)先吸附溶液某一組分，及各組分在膜中分，及各組分在膜中擴散速度擴散速度不同，來達到不同，來達到分離分離的目的。因此它不存在蒸餾法中的共沸點的限制，的目的。因此它不存在蒸餾法中的共沸點的限制，可連續(xù)分離、濃縮，直至得到純有機物?？蛇B續(xù)分離、濃縮，直至得到純有機物。 分離

10、過程是用一張滲透蒸發(fā)膜分離過程是用一張滲透蒸發(fā)膜, ,將進料液相和透將進料液相和透過氣相分隔開過氣相分隔開, ,并在氣相側抽真空或通以惰性氣流并在氣相側抽真空或通以惰性氣流, ,把滲透組分的蒸氣壓控制到接近零把滲透組分的蒸氣壓控制到接近零, ,液相中產生的液相中產生的化學位梯度作為傳質推動力的膜分離過程?；瘜W位梯度作為傳質推動力的膜分離過程。20滲透蒸發(fā)原理示意圖滲透蒸發(fā)原理示意圖一、膜分離過程的類型一、膜分離過程的類型21透析原理圖透析原理圖 膜分離過程的類型膜分離過程的類型 6、透析、透析水分子水分子大分子大分子小分子小分子透析膜透析膜由于膜兩側的溶由于膜兩側的溶質濃度不同，在質濃度不同，

11、在濃差的作用下，濃差的作用下，左側高分子溶液左側高分子溶液中的小分子溶質中的小分子溶質（如無機鹽）（如無機鹽）透透向向右側，右側的右側，右側的水水透向透向左側，這左側，這就是透析。就是透析。透析過程中透析透析過程中透析膜內無流體流動，膜內無流體流動，溶質以擴散的形溶質以擴散的形式移動。式移動。22二、膜的材料二、膜的材料分離膜按荷電性分分離膜按荷電性分為中性膜、荷電膜；為中性膜、荷電膜；按材料親疏水性可按材料親疏水性可分為親水膜與疏水分為親水膜與疏水膜。膜。對膜一般要求：對膜一般要求：（1）透過速度）透過速度（2）選擇性）選擇性（3） 機械強度機械強度（4） 穩(wěn)定性穩(wěn)定性微濾膜材料：微濾膜材料

12、：聚偏氟乙烯，聚聚偏氟乙烯，聚丙烯，硝酸纖維，醋酸纖維丙烯，硝酸纖維，醋酸纖維超濾膜：超濾膜：聚砜，硝酸纖維，醋聚砜，硝酸纖維，醋酸纖維酸纖維反滲透膜反滲透膜 ：醋酸纖維素衍生物，醋酸纖維素衍生物，聚醚聚醚 ，聚酰胺，聚酰胺天然材料：天然材料：各種纖維素衍生物各種纖維素衍生物人造材料：人造材料：各種合成高聚物各種合成高聚物 特殊材料：特殊材料：復合膜，無機膜復合膜，無機膜,不不銹鋼膜，陶瓷膜銹鋼膜，陶瓷膜目前市售商品膜組件主要有管式、平板式、螺旋卷目前市售商品膜組件主要有管式、平板式、螺旋卷式和中空纖維式和中空纖維( (毛細管毛細管) )式等四種，其中管式和中空式等四種，其中管式和中空纖維式膜

13、組件根據(jù)操作方式不同，又分為內壓式和纖維式膜組件根據(jù)操作方式不同，又分為內壓式和外壓式。外壓式。膜分離法及其在生物工程中的應用膜分離法及其在生物工程中的應用 膜膜 組組 件件241.管式膜組件管式膜組件 管式膜組件是將膜固定在內徑管式膜組件是將膜固定在內徑1025mm，長約長約3m的圓管狀多孔支撐體上構成的，的圓管狀多孔支撐體上構成的，l020根管式膜并聯(lián)，或用管線串聯(lián)，收納在筒狀容根管式膜并聯(lián)，或用管線串聯(lián)，收納在筒狀容器內即構成管式膜組件。器內即構成管式膜組件。25 管式膜組件的內徑較大，結構簡單，適合管式膜組件的內徑較大，結構簡單，適合于處理懸浮物含量較高的料液，分離操作于處理懸浮物含量

14、較高的料液，分離操作完成后的清洗比較容易。但是管式膜組件完成后的清洗比較容易。但是管式膜組件單位體積的過濾表面積單位體積的過濾表面積(即比表面積即比表面積)在各種在各種膜組件中最小，這是它的主要缺點。膜組件中最小，這是它的主要缺點。262. .平板膜組件平板膜組件平板膜組件由多枚圓形或長方形平板膜平板膜組件由多枚圓形或長方形平板膜以以1mm左右的間隔重疊加工而成，膜間左右的間隔重疊加工而成，膜間襯設多孔薄膜，供料液或濾液流動。平襯設多孔薄膜，供料液或濾液流動。平板膜組件比管式膜組件比表面積大得多。板膜組件比管式膜組件比表面積大得多。27283. 螺旋卷式膜組件螺旋卷式膜組件 螺旋卷式膜組件如圖

15、所示。將兩張平板螺旋卷式膜組件如圖所示。將兩張平板膜固定在多孔性濾液隔網上膜固定在多孔性濾液隔網上 (隔網為濾液流隔網為濾液流路路)，兩端密封。兩張膜的上下分別襯設一，兩端密封。兩張膜的上下分別襯設一張料液隔網張料液隔網(為料液流路為料液流路)，卷繞在空心管上，卷繞在空心管上，空心管用于濾液的回收。空心管用于濾液的回收。 螺旋卷式膜組件的比表面積大，結構簡螺旋卷式膜組件的比表面積大，結構簡單，價格較便宜。但缺點是處理懸浮物濃度單，價格較便宜。但缺點是處理懸浮物濃度較高的料液時容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。較高的料液時容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。2930314.4.中空纖維中空纖維( (毛細管毛細管) )式膜組件式膜

16、組件 中空纖維或毛細管膜組件由數(shù)百至數(shù)中空纖維或毛細管膜組件由數(shù)百至數(shù)百萬根中空纖維膜固定在圓筒形容器內構百萬根中空纖維膜固定在圓筒形容器內構成。成。嚴格地講，內徑為嚴格地講，內徑為404080um80um的膜稱中空纖的膜稱中空纖維膜，而內徑為維膜，而內徑為0.250.252.5mm2.5mm的膜稱毛細的膜稱毛細管膜。由于兩種膜組件的結構基本相同，管膜。由于兩種膜組件的結構基本相同，故一般將這兩種膜裝置統(tǒng)稱為中空纖維膜故一般將這兩種膜裝置統(tǒng)稱為中空纖維膜組件。組件。有內壓式和外壓式兩種操作。有內壓式和外壓式兩種操作。32外壓式膜組件結構外壓式膜組件結構內壓式膜組件結構內壓式膜組件結構33膜分離

17、的特點膜分離的特點? ?操作在常溫下進行操作在常溫下進行, ,設備簡單、操作方便；設備簡單、操作方便；是物理過程，不需加入化學試劑；是物理過程，不需加入化學試劑；不發(fā)生相變化（因而能耗較低）；不發(fā)生相變化（因而能耗較低）；在很多情況下選擇性較高；在很多情況下選擇性較高；濃縮和純化可在一個步驟內完成；濃縮和純化可在一個步驟內完成；設備易放大，可以分批或連續(xù)操作。設備易放大，可以分批或連續(xù)操作。因而在生物產品的處理中占有重要地位因而在生物產品的處理中占有重要地位34常見膜分離過程常見膜分離過程?微濾（微濾（Microfiltration，MF）超濾（超濾（Ultrafiltration，UF）反滲

18、透（反滲透（Reverse osmosis，RO）透析（透析（Dialysis，DS）電滲析（電滲析（Electrodialysis，ED）滲透氣化（滲透氣化（Pervaporation，PV）35目前膜組件主要那幾種形式？目前膜組件主要那幾種形式？有管式、平板式、螺旋卷式和中空纖維有管式、平板式、螺旋卷式和中空纖維(毛細毛細管管)式等四式等四36膜分離法及其在生物工程中的應用膜分離法及其在生物工程中的應用濃差極化與膜污染及清洗方法濃差極化與膜污染及清洗方法一、濃差極化現(xiàn)象：一、濃差極化現(xiàn)象：在膜分離過程中，膜表面上溶在膜分離過程中，膜表面上溶質濃度高于主體溶質濃度的現(xiàn)象。是一個可逆過質濃度高

19、于主體溶質濃度的現(xiàn)象。是一個可逆過程，只有膜分離運行過程才發(fā)生。程，只有膜分離運行過程才發(fā)生。 濃差極化的產生：濃差極化的產生：溶劑向膜面流動引起溶質向膜面流動，溶劑向膜面流動引起溶質向膜面流動，當溶質向膜面的流動速度與濃度梯度使溶質向本體溶液擴當溶質向膜面的流動速度與濃度梯度使溶質向本體溶液擴散速度達到平衡時，膜面形成一個穩(wěn)定的濃度梯度區(qū)。散速度達到平衡時，膜面形成一個穩(wěn)定的濃度梯度區(qū)。37 濃差極化導致膜的透過量降低。濃差極化導致膜的透過量降低。 通過減小料液中溶質濃度，改善膜面流體通過減小料液中溶質濃度，改善膜面流體力學條件，可以減輕濃差極化度。力學條件，可以減輕濃差極化度。38二、膜污

20、染二、膜污染定義定義: :膜在使用中，雖然操作條件保持不變，但通過量膜在使用中，雖然操作條件保持不變，但通過量仍逐漸降低的現(xiàn)象稱為膜污染。仍逐漸降低的現(xiàn)象稱為膜污染。污染的原因：污染的原因：附著層：附著層：濾餅：料液中懸浮物在膜面的堆積。濾餅：料液中懸浮物在膜面的堆積。凝膠：溶解性有機物濃縮后粘附于膜面。凝膠：溶解性有機物濃縮后粘附于膜面。水垢：溶解性無機物生成的水垢軟附于膜面。水垢：溶解性無機物生成的水垢軟附于膜面。吸附層：膠體物質或微生物的吸附。吸附層：膠體物質或微生物的吸附。堵塞：堵塞：料液中的微粒、膠體粒子或溶質大分子吸附、沉積在料液中的微粒、膠體粒子或溶質大分子吸附、沉積在膜表面或膜

21、孔中，造成膜孔徑變小或堵塞。膜表面或膜孔中，造成膜孔徑變小或堵塞。39 膜污染與濃差極化的區(qū)別：膜污染與濃差極化的區(qū)別： 膜污染引起通量衰減是不可逆的（必膜污染引起通量衰減是不可逆的（必須通過清洗的辦法才能消除），而濃須通過清洗的辦法才能消除），而濃差極化是可逆的（變更操作條件可使差極化是可逆的（變更操作條件可使?jié)獠顦O化消除）。濃差極化消除）。40 膜污染可使膜的滲透量下降，且可使膜污染可使膜的滲透量下降，且可使膜發(fā)生劣化，導致膜的使用壽命縮短。膜發(fā)生劣化，導致膜的使用壽命縮短。 減輕膜污染的方法：減輕膜污染的方法： 進料液的預處理，進料液的預處理，達到膜組件的進水標達到膜組件的進水標準。準。

22、 5-10m的過濾器的過濾器除去膠體、固懸物、除去膠體、固懸物、鐵銹等鐵銹等 絮凝、絮凝、PH值值除去一些污染物除去一些污染物41改善膜的性質（表面性質如表面極性和電改善膜的性質（表面性質如表面極性和電荷性）荷性）如研制蛋白質難吸附的膜（表面添加具有如研制蛋白質難吸附的膜（表面添加具有OH-或磺酸基等親水基的材料）?；蚧撬峄扔H水基的材料）。改善流體力學條件：通道結構等改善流體力學條件：通道結構等改善操作條件。改善操作條件。如適當提高水溫加速分子擴散；調如適當提高水溫加速分子擴散；調pH值遠離值遠離蛋白的等電點。蛋白的等電點。42 膜污染處理：膜污染處理：經清洗后，如純水的水通量達到經清洗后，

23、如純水的水通量達到或接近原來水平，則認為污染已消除?；蚪咏瓉硭?，則認為污染已消除。 物理清洗方法：物理清洗方法：靜置浸泡加高流速水沖洗；采用靜置浸泡加高流速水沖洗；采用泡沫塑料軟球或海棉球擦洗；反沖洗；超聲波法泡沫塑料軟球或海棉球擦洗；反沖洗；超聲波法等。等。 化學清洗：化學清洗： 起溶解作用的物質：酸、堿、酶、表面活性劑、起溶解作用的物質：酸、堿、酶、表面活性劑、分散劑等；分散劑等； 切斷離子結合作用的方法：改變離子強度、切斷離子結合作用的方法：改變離子強度、pH等；等； 起氧化作用的物質：過氧化氫、次氯酸鹽等。起氧化作用的物質：過氧化氫、次氯酸鹽等。 起滲透作用的物質：磷酸鹽等。起滲透

24、作用的物質：磷酸鹽等。43膜分離法及其在生物工程中的應用膜分離法及其在生物工程中的應用膜分離的應用膜分離的應用 膜分離技術在膜分離技術在純凈水處理純凈水處理中的應用中的應用 膜分離技術在膜分離技術在電子工業(yè)用水電子工業(yè)用水中的應用中的應用 膜分離技術在膜分離技術在給水及循環(huán)水處理給水及循環(huán)水處理中的應用中的應用 超濾技術超濾技術除熱原除熱原 超濾技術超濾技術澄清藥酒和中藥制劑澄清藥酒和中藥制劑 超濾技術在超濾技術在輕工、食品輕工、食品中的應用中的應用 膜分離技術在膜分離技術在生物化工生物化工中的應用中的應用 超濾技術在超濾技術在膜生物反應器膜生物反應器中的應用中的應用44一、膜分離技術在純凈水

25、處理中的應用一、膜分離技術在純凈水處理中的應用 超純水制備裝置：超純水制備裝置：中空纖維超濾組件，除去中空纖維超濾組件，除去微生物、膠體和大分子物質。微生物、膠體和大分子物質。 一般的純凈水：一般的純凈水：反滲透設備（復合膜組件）反滲透設備（復合膜組件），可除去，可除去98%的無機鹽、有機物、膠體及細菌、的無機鹽、有機物、膠體及細菌、熱原、病毒等。熱原、病毒等。45二、膜分離技術在電子工業(yè)用水中的應用二、膜分離技術在電子工業(yè)用水中的應用 電子元件生產：電子元件生產：需高純水用來清洗或配制需高純水用來清洗或配制各種溶液，不同的電子元件，對純水的不各種溶液，不同的電子元件，對純水的不同用途，對水質

26、的要求不同。同用途，對水質的要求不同。 如：如：電解容器生產中，要用純水清洗（不電解容器生產中，要用純水清洗（不能含有離子）。電子管生產中，要用純水能含有離子）。電子管生產中，要用純水配液。生產一個顯像管需用純水配液。生產一個顯像管需用純水80kg。 微電子工業(yè)微電子工業(yè)中要用高純水和超純水清洗硅中要用高純水和超純水清洗硅片。片。300-378L/每塊每塊46三、膜分離技術在給水及循環(huán)水處理中的應用三、膜分離技術在給水及循環(huán)水處理中的應用 應用于發(fā)電廠。鍋爐內外給水處理等。應用于發(fā)電廠。鍋爐內外給水處理等。 技術：技術：RO、活性炭過濾等。、活性炭過濾等。四、超濾技術除熱原四、超濾技術除熱原熱

27、原：熱原：細胞內毒素，是細胞新陳代謝和細菌死后細胞內毒素，是細胞新陳代謝和細菌死后分解的產物。分解的產物。熱原的效能：熱原的效能：對人注射后，對人注射后，15min-8h會發(fā)生冷感、會發(fā)生冷感、寒戰(zhàn)、體溫升高，出冷汗等，甚至休克死亡，還寒戰(zhàn)、體溫升高，出冷汗等，甚至休克死亡，還會引起白血球下降。會引起白血球下降。47 高壓消毒對熱原無用：高壓消毒對熱原無用：熱原具很強的耐熱熱原具很強的耐熱性，性，180-200加熱加熱2h或或250 加熱加熱30min才才可徹底破壞，可徹底破壞，115 消毒消毒15min熱原降效熱原降效25%。 傳統(tǒng)用傳統(tǒng)用過濾加活性炭吸附過濾加活性炭吸附除去針劑用水中除去針

28、劑用水中的熱原?，F(xiàn)在有一種的熱原?，F(xiàn)在有一種超濾膜超濾膜，可一次除去，可一次除去熱原。熱原。 熱原分子大小熱原分子大小2-10nm，分子量，分子量20000-1000000之間，一般用截留分子量之間，一般用截留分子量6000左右左右的膜。的膜。48五、藥酒和中藥制劑的澄清五、藥酒和中藥制劑的澄清 藥酒和中藥制劑藥酒和中藥制劑中存在有大量的鞣質、蛋白中存在有大量的鞣質、蛋白質、淀粉、樹脂等大分子物質，是一種膠體溶質、淀粉、樹脂等大分子物質，是一種膠體溶液。這些大分子物質既無藥效又難以去除。液。這些大分子物質既無藥效又難以去除。 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心采用超濾法去采用

29、超濾法去除藥酒和中藥制劑中的雜質取得了很好的效果。除藥酒和中藥制劑中的雜質取得了很好的效果。透過液澄清透明，大分子雜質全部去除，有效透過液澄清透明，大分子雜質全部去除，有效成分均可透過膜。成分均可透過膜。49六、六、超濾技術在輕工、食品中的應用超濾技術在輕工、食品中的應用主要集中在：主要集中在： 果汁的澄清、濃縮；果汁的澄清、濃縮； 乳制品的濃縮、純化；乳制品的濃縮、純化； 生物制品的濃縮；生物制品的濃縮； 飲用水的制備；飲用水的制備； 醬油以及米醋的澄清、濃縮除濁；醬油以及米醋的澄清、濃縮除濁； 發(fā)酵工業(yè)中發(fā)酵液的純化；發(fā)酵工業(yè)中發(fā)酵液的純化； 酒制品的純化和澄清。酒制品的純化和澄清。50超

30、濾技術分離、濃縮與純化酶制劑：超濾技術分離、濃縮與純化酶制劑：傳統(tǒng)：傳統(tǒng)：離心除菌離心除菌多次硫酸銨沉淀多次硫酸銨沉淀透析透析脫脫鹽等（費時、手續(xù)繁雜、回收率低）鹽等（費時、手續(xù)繁雜、回收率低）超濾技術：超濾技術：發(fā)酵液吸附發(fā)酵液吸附洗脫洗脫超濾脫鹽超濾脫鹽超超濾濃縮濾濃縮有機溶劑沉淀）有機溶劑沉淀）例如：例如：將僅有將僅有4-6酶活單位酶活單位/毫升、比活為毫升、比活為0.64的的青霉素?；赴l(fā)酵液吸附洗脫，然后用青霉素?；赴l(fā)酵液吸附洗脫，然后用超濾分超濾分離離濃縮、脫鹽，可得到濃縮、脫鹽，可得到200酶活單位酶活單位/毫升，比毫升，比活力活力20的酶溶液，酶回收的酶溶液，酶回收80%，時

31、間僅為一，時間僅為一天。天。傳統(tǒng)方法需一周時間，回收率僅為傳統(tǒng)方法需一周時間，回收率僅為30-50%。51七、膜分離技術在生物化工中的應用七、膜分離技術在生物化工中的應用 生物化工中，膜分離主應用于分離、濃生物化工中，膜分離主應用于分離、濃縮、分級與純化生物產品?？s、分級與純化生物產品。521 1、微生物菌體分離、微生物菌體分離 對于發(fā)酵的胞外產物，首先要除去懸浮的對于發(fā)酵的胞外產物，首先要除去懸浮的微生物、離子與膠體。目前，較好的固液分離微生物、離子與膠體。目前，較好的固液分離方法是過濾或離心。方法是過濾或離心。 例如：采用超濾法去除谷氨酸發(fā)酵液中的例如：采用超濾法去除谷氨酸發(fā)酵液中的菌體，

32、不僅可以將發(fā)酵原液中谷氨酸含量濃縮菌體，不僅可以將發(fā)酵原液中谷氨酸含量濃縮1010倍，為菌體的再利用創(chuàng)造了條件；而且超濾倍，為菌體的再利用創(chuàng)造了條件；而且超濾透過液中谷氨酸含量、透過液中谷氨酸含量、pHpH等理化指標與發(fā)酵液等理化指標與發(fā)酵液相同，但不含菌體，且蛋白含量很低，再利用相同，但不含菌體，且蛋白含量很低，再利用等電點法提取谷氨酸時，收率可達到等電點法提取谷氨酸時，收率可達到90.96%90.96%，比傳統(tǒng)等電點法高比傳統(tǒng)等電點法高7 7個百分點。個百分點。532 2、超濾親和純化、超濾親和純化 超濾技術優(yōu)點和親和技術優(yōu)點結合起來超濾技術優(yōu)點和親和技術優(yōu)點結合起來的一種分離技術。的一種

33、分離技術。 親合階段：親合階段：用大分子親和欲分離的生物產品用大分子親和欲分離的生物產品分子，形成高分子復合物。分子，形成高分子復合物。 洗滌階段：洗滌階段：用超濾膜進行超濾，將復合物截用超濾膜進行超濾，將復合物截留，得到純化。留，得到純化。 解離階段：解離階段：加入低分子親和基團或改變溶液加入低分子親和基團或改變溶液條件，如條件，如pH等，復合物解離。超濾，產品透等，復合物解離。超濾，產品透過膜。過膜。 再生階段：再生階段：使大分子親和基團復性，再用。使大分子親和基團復性，再用。54需考慮幾點：需考慮幾點： 大分子親和基團要盡量選擇尺寸較大的，大分子親和基團要盡量選擇尺寸較大的，因而可以對應

34、選大孔徑的膜，縮短洗滌時因而可以對應選大孔徑的膜，縮短洗滌時間。間。 在保持復合物截留率的前提下盡量用高透在保持復合物截留率的前提下盡量用高透水量的膜。水量的膜。 親和結合強度也要適中。親和結合強度也要適中。55563 3、膜生物反應器、膜生物反應器 膜生物反應器（膜生物反應器（Membrane Membrane bioreactor,MBRbioreactor,MBR）是膜分離過程與）是膜分離過程與生物反應過程耦合的生物反應裝置，生物反應過程耦合的生物反應裝置，可應用于動植物細胞的高密度培養(yǎng)、可應用于動植物細胞的高密度培養(yǎng)、微生物發(fā)酵和酶反應過程。微生物發(fā)酵和酶反應過程。 57 中空纖維膜生

35、物反應器中空纖維膜生物反應器培養(yǎng)基培養(yǎng)基廢物廢物高分子產物（單抗）高分子產物（單抗）細胞細胞膜膜58中空纖維膜生物反應器中空纖維膜生物反應器 上圖為中空纖維膜生物反應器，用于動物細胞上圖為中空纖維膜生物反應器，用于動物細胞培養(yǎng)，細胞密度可達培養(yǎng)，細胞密度可達10109 9/cm/cm3 3, ,而利用一般的培而利用一般的培養(yǎng)器細胞密度只能達到養(yǎng)器細胞密度只能達到10106 6 -10-107 7/cm/cm3 3 。在培養(yǎng)。在培養(yǎng)過程中，動物細胞生長于中空纖維膜組件的殼過程中，動物細胞生長于中空纖維膜組件的殼體內側，體內側，小分子產物（廢棄物）不斷排出，新小分子產物（廢棄物）不斷排出，新鮮的培

36、養(yǎng)基連續(xù)灌注，鮮的培養(yǎng)基連續(xù)灌注，可保證細胞長期穩(wěn)定并可保證細胞長期穩(wěn)定并且高速度生產有用物質。利用中空纖維膜生物且高速度生產有用物質。利用中空纖維膜生物反應器培養(yǎng)反應器培養(yǎng)雜交瘤細胞雜交瘤細胞是工業(yè)生產單克隆抗體是工業(yè)生產單克隆抗體的主要方法之一。的主要方法之一。59外循環(huán)式膜生物反應器外循環(huán)式膜生物反應器60外循環(huán)式膜生物反應器外循環(huán)式膜生物反應器上圖是生物反應器與膜分離裝置上圖是生物反應器與膜分離裝置分體設置分體設置的外的外循環(huán)式膜生物反應器。外部膜組件截留酶或微循環(huán)式膜生物反應器。外部膜組件截留酶或微生物菌體，而使小分子產物透過。外循環(huán)式膜生物菌體，而使小分子產物透過。外循環(huán)式膜生物反

37、應器是一種生物反應器是一種連續(xù)連續(xù)全混釜型反應器全混釜型反應器（CSTRCSTR），適用于連續(xù)），適用于連續(xù)微生物發(fā)酵微生物發(fā)酵和和連續(xù)酶反連續(xù)酶反應應過程。過程。它還適用它還適用淀粉和纖維素淀粉和纖維素等高分子物質的酶解。等高分子物質的酶解。由于高分子由于高分子底物和酶底物和酶被超濾膜完全截留，所以被超濾膜完全截留，所以可提高反應的轉化率和酶的使用效率?？商岣叻磻霓D化率和酶的使用效率。61膜反應器的優(yōu)點膜反應器的優(yōu)點 固液分離效率高；固液分離效率高； 系統(tǒng)微生物濃度、容積負荷高；系統(tǒng)微生物濃度、容積負荷高； 有利于去除難降解的生物大分子；有利于去除難降解的生物大分子； 保證系統(tǒng)對廢物有較高的去除率；保證系統(tǒng)對廢物有較高的去除率； 耐沖擊負荷：處理液量大小波動對去除效果影響耐沖擊負荷：處理液量大小波動對去除效果影響不大。不大。 出水水質好。出水水質好。 SS：懸浮物；：懸浮物；