生物分離工程概述膜分離過程和應(yīng)用

1、生物分離工程概述膜分離過程 一 膜技術(shù)概況和類型 近20年發(fā)展起來的膜分離技術(shù)，已廣泛用于生物工程、食品、醫(yī)藥、化工等工業(yè)生產(chǎn)及水處理等各個(gè)領(lǐng)域；膜分離技術(shù)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組分，從而達(dá)到分離目的的技術(shù)。 膜分離技術(shù)它具有設(shè)備簡單、操作方便、無相變、無化學(xué)變化、處理效率高和節(jié)省能量等優(yōu)點(diǎn)，已作為一種單元操作日益受到人們極大重視。膜分離過程 (membrane separation)2膜分離過程 (membrane separation)30年代 微孔過濾40年代 滲析50年代 電滲析60年代 反滲透70年代 超濾 80年代 氣體分離90年代 滲透汽化現(xiàn)

2、代 EDI技術(shù)(電去離子 )3 1960年Loeb和Sourirajan制備出第一張具有高透水性和高脫鹽率的膜： 該膜分離技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑。自此以后，不僅在膜材料范圍上有了極大擴(kuò)展，而且在制膜技術(shù)、組件結(jié)構(gòu)及設(shè)備研制方面也取得了重大進(jìn)展。膜分離過程 (membrane separation)不對稱反滲透膜4膜分離過程 (membrane separation)膜分離的特點(diǎn)常溫操作物理過程，不需加入化學(xué)試劑不發(fā)生相變化（因而能耗較低） 在很多情況下選擇性較高 濃縮和純化可在一個(gè)步驟內(nèi)完成設(shè)備易放大，可以分批或連續(xù)操作5膜分離過程 (membrane separation)膜分離過程的類型微濾

3、（Microfiltration，MF）超濾（Ultrafiltration，UF）納濾（Nanofiltration,NF）反滲透（Reverse osmosis，RO）電滲析（Electrodialysis，ED）滲透氣化（Pervaporation，PV）透析（Dialysis，DS）6膜分離法與物質(zhì)大?。ㄖ睆剑┑年P(guān)系膜分離過程 (membrane separation)7有關(guān)微米的一組數(shù)據(jù)1 m= 10-3mm人發(fā)直徑 70-80 m裸眼可見最小顆粒 40 m金屬顆粒 50 m酵母菌 3 m假單胞菌 0.3 m小RNA 病毒 0.03 m膜分離過程 (membrane separati

4、on)8膜分離過程 (membrane separation) 離子、分子量100的有機(jī)物 溶解擴(kuò)散 滲透蒸發(fā) 離子、分子量100的有機(jī)物 溶解擴(kuò)散 反滲透 離子、分子量100的有機(jī)物 溶解擴(kuò)散 納濾25010001000,000Da的大分子 體積大小 超濾501000010m的固體粒子 體積大小 微濾10000固體粒子 體積大小 粒子過濾孔徑/nm分離對象 分離機(jī)理 膜過程各種膜分離范圍9 膜分離過程 (membrane separation)濃度梯度電位差濃度梯度壓力（110MPa)壓力（0.21MPa)壓力（0.5MPa)驅(qū)動力醇與水分離，乙酸與水分離，有機(jī)溶劑脫水，有機(jī)液體混合物分離（

5、如脂烴與芳烴的分離等小分子有機(jī)物與水的分離致密膜或復(fù)合膜滲透蒸發(fā)苦咸水、海水淡化，純水制備，鍋爐給水，生產(chǎn)工藝用水離子脫除、氨基酸分離離子交換膜電滲析除去小分子有機(jī)物或無機(jī)離子，奶制品脫鹽，蛋白質(zhì)溶液脫鹽等小分子有機(jī)物和無機(jī)離子的去除對稱的或不對稱的膜透析低濃度乙醇濃縮，糖及氨基酸濃縮，苦咸水、海水淡化，超純水制備小分子溶質(zhì)脫除與濃縮帶皮層的不對稱膜、復(fù)合膜（nm)反滲透溶液除菌、澄清，注射用水制備，果汁澄清、除菌，酶及蛋白質(zhì)分離、濃縮與純化，含油廢水處理，印染廢水處理，乳化液分離、濃縮等 細(xì)粒子膠體去除可溶性中等或大分子分離不對稱微孔膜（0nm)超濾溶液除菌、澄清，果汁澄清、細(xì)胞收集、水中顆

6、粒物去除清毒、澄清、細(xì)胞收集對稱微孔膜（0.0510m)微濾示例應(yīng)用對象 膜結(jié)構(gòu)名稱幾種主要膜分離技術(shù)特征101.微濾膜分離過程 (membrane separation)11膜分離過程 (membrane separation) 微濾是利用多孔材料的攔截能力，以物理截留的方式去除水中一定大小的雜質(zhì)顆粒。在壓力驅(qū)動下，溶液中水、有機(jī)低分子、無機(jī)離子等尺寸小的物質(zhì)可通過纖維壁上的微孔到達(dá)膜的另一側(cè)，溶液中菌體、膠體、顆粒物、有機(jī)大分子等大尺寸物質(zhì)則不能透過纖維壁而被截留，從而達(dá)到篩分溶液中不同組分的目的。122.超濾 膜分離過程 (membrane separation)13膜分離過程 (mem

7、brane separation)14膜分離過程 (membrane separation)超濾中三種作用1 膜孔機(jī)械篩分作用2 膜孔阻塞、阻滯作用3 膜表面及膜孔對雜質(zhì)的吸附作用膜的濃差極化 溶液在膜的高壓側(cè)，由于溶劑和低分子物質(zhì)不斷透過超濾膜，結(jié)果在膜表面溶質(zhì)（或大分子物質(zhì)）的濃度不斷上升，產(chǎn)生膜表面濃度與主體流濃度的濃度差，這種現(xiàn)象稱為膜的濃差極化。15膜分離過程 (membrane separation)減緩措施 一是提高料液的流速，控制料液的流動狀態(tài)，使其處于紊流狀態(tài)，讓膜面處的液體與主流更好地混合； 二是對膜面不斷地進(jìn)行清洗，消除已形成的凝膠層。 163 納濾膜分離過程 (memb

8、rane separation)().概念 介于超濾與反滲透之間的一種膜分離技術(shù) 其截留分子量在200-1000道爾頓 膜孔徑為納米級。 多是復(fù)合膜,表面分離層和支撐層組成不同,在納濾膜表面有一層均勻的超薄脫鹽層,比反滲透膜疏松得多,操作壓力比反滲透低,因而納濾也可認(rèn)為是低壓反滲濾技術(shù)。膜結(jié)構(gòu)：17膜分離過程 (membrane separation)(2)納濾特點(diǎn):截留分子量介于反滲透膜和超濾膜之間，為2002000納濾膜對無機(jī)鹽有一定的截留率，因?yàn)樗谋砻鎸佑删垭娊赓|(zhì)所構(gòu)成，對離子有靜電相互作用。多是復(fù)合膜，表面分離層和支撐層的化學(xué)組成不同。分離層可能擁有nm左右的微孔結(jié)構(gòu)，故稱“納濾”。

9、由于其截留率大于95%的最小分子約為nm,故稱之為納濾膜。18 膜分離過程 (membrane separation)(3)肽和氨基酸的分離 道南（Donnan）效應(yīng)：離子和荷電膜之間的作用即相同電荷排斥而相反電荷吸引的作用。 氨基酸和多肽等電點(diǎn)時(shí)是中性，當(dāng)高于或低于等電點(diǎn)時(shí)帶負(fù)電荷或正電荷。 由于一些納濾膜帶有靜電官能團(tuán)，基于靜電相互作用，對離子有一定的截留率，可用于分離氨基酸和多肽。19納濾膜截留氨基酸與多肽機(jī)理示意圖膜分離過程 (membrane separation)20肽和氨基酸的分離 膜分離過程 (membrane separation) 基于上述原理，Tsuru等通過調(diào)節(jié)pH值，

10、進(jìn)行了某些多肽和氨基酸的混合體系的納濾分離實(shí)驗(yàn)。 Garem 等利用無機(jī)和高分子復(fù)合型的納濾膜進(jìn)行了九種氨基酸和三種多肽的分離實(shí)驗(yàn)，探討了這種方法的可行性。21納濾膜應(yīng)用時(shí)注意的一些問題膜分離過程 (membrane separation) 濾膜由于截留分子量介于超濾與反滲透之間，同時(shí)還存在Donnan效應(yīng)，因此對低分子量有機(jī)物和鹽的分離有很好的效果，并具有不影響分離物質(zhì)的生物活性、節(jié)能、無公害等特點(diǎn)，在食品工業(yè)、發(fā)酵工業(yè)、制藥工業(yè).等行業(yè)越來越廣泛的運(yùn)用。納濾膜應(yīng)用時(shí)注意的一些問題膜污染問題為滿足食品和醫(yī)藥行業(yè)對衛(wèi)生的要求膜要經(jīng)常的殺菌、清洗等處理。22膜分離過程 (membrane sep

11、aration) 234.反滲透膜分離過程 (membrane separation)2425膜分離過程 (membrane separation) 反滲透生產(chǎn)純水關(guān)鍵有兩個(gè)： 一是一個(gè)有選擇性的膜，我們稱之為半透膜 二是一定的壓力 反滲透半透膜孔大小與水分子大小相當(dāng)，由于細(xì)菌、病毒、大部分有機(jī)污染物和水合離子均比水分子大得多。 故可以將兩者分離。 在水中眾多種雜質(zhì)中,溶解性鹽類是最難清除的。因此常根據(jù)除鹽率高低確定凈水效果。 反滲透除鹽率的高低主要決定于反滲透半透膜的選擇性。目前，較高選擇性的反滲透膜元件除鹽率可以高達(dá)99.7%。 26微濾、超濾、納濾和反滲透膜分離過程 (membrane

12、separation)27膜分離過程 (membrane separation)。 285 電滲析 膜分離過程 (membrane separation)29膜分離過程 (membrane separation) 電滲析利用直流電場的作用使水中陰、陽離子定向遷移，并利用陰、陽離子交換膜對水溶液中陰、陽離子的選擇透過性（即陽膜具有選擇透過陰離子而阻擋陽離子通過），使原水在通過電滲析器時(shí)，一部分水被淡化，另一部分則被濃縮，從而達(dá)到了分離溶質(zhì)和溶劑的目的。 30 膜分離過程 (membrane separation)31膜分離過程 (membrane separation)6 滲透氣化(膜蒸餾) 原

13、理:透過側(cè)抽真空或通以惰性氣流使膜兩側(cè)產(chǎn)生溶質(zhì)分壓差,在分壓差作用下料液中溶質(zhì)溶于膜內(nèi),擴(kuò)散通過膜,在透過層發(fā)生氣化,氣態(tài)溶質(zhì)在透過層的冷卻裝置作用下冷凝回收。 即：利用膜與被分離有機(jī)液體混合物中各組分的親合力不同，而有選擇性地優(yōu)先吸附(透過)溶液某一組分及各組分在膜中擴(kuò)散速度不同來達(dá)到分離的目的。 溶質(zhì)和膜的作用決定溶質(zhì)的透過速度,疏水性的溶質(zhì)易溶于疏水性的膜。氣化所需潛能用外部熱源供給。 32液相滲透氣化示意圖氣相33滲透汽化裝置347 透 析膜分離過程 (membrane separation) 即：膜兩側(cè)溶質(zhì)濃度不同，在濃差作用下，左側(cè)高分子溶液中小分子溶質(zhì)（如無機(jī)鹽）透向右，右側(cè)的水

14、滲透向左側(cè)，這就是透析。(膜兩側(cè)濃度梯度差可使水由低濃度側(cè)向高濃度側(cè)移動，這稱為滲透。) 原理：利用具有一定孔徑大小的高分子溶質(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(左側(cè))與純水或緩沖液(右側(cè))分隔. 右側(cè)純水或緩沖溶液稱為透析液；所用的親水膜稱為透析膜； 透析過程中透析膜內(nèi)無流體流動，溶質(zhì)以擴(kuò)散的形式移動。35透析原理圖 透析液水分子大分子小分子(無機(jī)鹽)透析膜膜分離過程 (membrane separation)36透析法的應(yīng)用膜分離過程 (membrane separation) 透析法在臨床上常用于腎衰竭患者的血液透析。 在生物分離方面，主要用于大分子溶液的脫鹽。由

15、于透析過程以濃度差為傳質(zhì)推動力，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。37383940二 膜材料和膜的結(jié)構(gòu) 膜分離過程 (membrane separation)要求：（1）透過速度（2）選擇性（3）機(jī)械強(qiáng)度（4）穩(wěn)定性41膜材料 膜分離過程 (membrane separation)微濾膜材料：聚偏氟乙烯，聚丙烯，硝酸纖維，醋酸纖維超濾膜：聚砜，硝酸纖維，醋酸纖維反滲透膜 ：醋酸纖維素衍生物，聚醚 ，聚酰胺天然材料：各種纖維素衍生物人造材料：各種合成高聚物特殊材料：復(fù)合膜，無機(jī)膜,不銹鋼膜，陶瓷膜42 膜分離過程 (membrane separation)對稱膜和不

16、對稱膜示意圖43膜分離過程 (membrane separation)不對稱膜的過濾作用44纖維素分子膜分離過程 (membrane separation)45醋酸纖維特點(diǎn)膜分離過程 (membrane separation)透過速度大截留鹽的能力強(qiáng)易于制備來源豐富不耐溫（30）pH 范圍窄，清洗困難與氯作用，壽命降低微生物侵襲適合作反滲透膜46聚砜構(gòu)造膜分離過程 (membrane separation)47聚砜膜的特點(diǎn)膜分離過程 (membrane separation)（1）溫度范圍廣（2）pH 范圍廣（3）耐氯能力強(qiáng)（4）孔徑范圍寬（5) 操作壓力低（6）適合作超濾膜48 芳香聚酰胺類

17、膜分離過程 (membrane separation)49聚酰胺膜膜分離過程 (membrane separation)（1）耐熱（2）pH 范圍廣（3）壽命較長（4）不耐氯50相轉(zhuǎn)變制膜膜分離過程 (membrane separation)不對稱膜通常用相轉(zhuǎn)變法(phase inversion method)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。51新型膜材料膜分離過程

18、(membrane separation)聚氨基葡萄糖在高分子材料中加入低分子液晶材料制成復(fù)合膜無機(jī)多孔膜功能高分子膜納米過濾膜不銹鋼膜 除此以外，改革膜體結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)“超薄膜”和“復(fù)合膜”的研究也是當(dāng)前發(fā)展的新動向。52三 濃差極化與膜污染及清洗方法膜分離過程 (membrane separation) 膜分離濃差極化與膜污染是影響膜分離主要障礙。 濃差極化:溶液在膜的高壓側(cè)，由于溶劑和低分子物質(zhì)不斷透過超濾膜，結(jié)果在膜表面溶質(zhì)（或大分子物質(zhì)）的濃度不斷上升，產(chǎn)生膜表面濃度與主體流濃度的濃度差，這種現(xiàn)象稱為膜的濃差極化。53膜分離過程 (membrane separation)54 膜污染膜分

19、離過程 (membrane separation) 指處理物料中的微粒，膠體或溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學(xué)相互作用或機(jī)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現(xiàn)象。 膜污染與濃差極化有內(nèi)在聯(lián)系，盡管很難區(qū)別，但是概念上截然不同。55膜污染的控制方法膜分離過程 (membrane separation) 通過控制膜污染影響因素，大大減少膜污染的危害，延長膜的有效操作時(shí)間，減少清洗頻率，提高生產(chǎn)能力和效率，因此在用微濾，超濾分離，濃縮細(xì)胞，菌體或大分子產(chǎn)物時(shí)，必須注意以下幾點(diǎn):進(jìn)料液的預(yù)處理選擇合適的膜材料改善操作條件56四 分離機(jī)理

20、膜分離過程 (membrane separation) 1 毛細(xì)管流動模型2 溶解擴(kuò)散模型3 優(yōu)先吸附模型57膜分離過程 (membrane separation)1 毛細(xì)管流動模型58膜分離過程 (membrane separation)2 溶解擴(kuò)散模型59當(dāng)壓力有變化時(shí)，化學(xué)位公式如下： 式中 膜相中組分i的偏摩爾體積p0 標(biāo)準(zhǔn)態(tài)壓力將式（176）代入式（175）中，得(17-6)膜分離過程 (membrane separation)60由上式可見，推動力包括兩項(xiàng)，即濃度梯度和壓力梯度。對于稀溶液來說，溶劑(通常為水)的濃度改變很小，因而可只考慮壓力的影響。相反，對溶質(zhì)來說， 一般截留率較

21、高，濃度改變較大，壓力項(xiàng)與濃度項(xiàng)相比可以忽略。于是對溶劑(組分1)可得： 17-817-717-9體積通量為膜分離過程 (membrane separation)61符號說明膜分離過程 (membrane separation)式中J體積通量x膜的厚度M1溶劑（水）的分子量溶劑的密度p為膜兩側(cè)壓力差為膜兩側(cè)滲透壓差62對溶質(zhì)（組分2）來說，其摩爾通量為17-1017-11膜分離過程 (membrane separation)63按式（1710），并考慮到J2Jv 則可得到截留R的關(guān)系式：溶解擴(kuò)散模型適用于均勻的膜，能適合無機(jī)鹽的反滲透過程，但對有機(jī)物常不能適用。就這些方面說來，優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流

22、動模型比較優(yōu)越。17-12膜分離過程 (membrane separation)64 3 優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流動模型（Preferential-capillary flow model）膜分離過程 (membrane separation) 由Sourirajan于1963年建立。他認(rèn)為用于水溶液中脫鹽的反滲透膜是多孔的并有一定親水性，而對鹽類有一定排斥性質(zhì)。在膜面上始終存在著一層純水層，其厚度可為幾個(gè)水分子的大?。ㄒ妶D179a）。在壓力下，就可連續(xù)地使純水層流經(jīng)毛細(xì)孔。從圖17-9b可想象如果毛細(xì)孔直徑恰等于2倍純水層的厚度，則可使純水的透過速度最大，而又不致令鹽從毛細(xì)孔中漏出，即同時(shí)達(dá)到最大程

23、度的脫鹽。Sourirajan根據(jù)這一想法，成功地選擇了膜材料，合成了一定孔徑的膜，以滿足應(yīng)用于不同系統(tǒng)的需要 。65圖17-9優(yōu)先吸附毛細(xì)孔流動模型分離機(jī)理(a)膜表面對水的優(yōu)先吸附壓力主體溶液界面膜分離過程 (membrane separation)66(b)在膜表面處的流動膜分離過程 (membrane separation)67水在膜中的遷移膜分離過程 (membrane separation)溶質(zhì)在膜中的遷移系服從Fick定律 Jw = Ap = Ap (xA2) (xA3) （17-13）式中Jw：水的摩爾通量， P操作壓力，A：純水透過系數(shù)，它表征膜的空隙度，與膜的種類無關(guān)； x

24、A2：溶質(zhì)在高壓側(cè)膜面上液體中的濃度，摩爾分?jǐn)?shù)；xA3：溶質(zhì)在透過液中的濃度，摩爾分?jǐn)?shù)。68在稀溶液中，滲透壓服從vat Hoff方程式：膜分離過程 (membrane separation)i = RTCi式中Ci：摩爾濃度，：滲透壓系數(shù)，非理想溶液的校正系數(shù)。 但在實(shí)際應(yīng)用中，把上式改寫為下列形式，更為方便： i = Bi xi 69溶質(zhì)在膜中的遷移：式中 ：高壓側(cè)膜面上濃度； ：低壓側(cè)膜面上濃度。膜分離過程 (membrane separation)70假定Ki為溶質(zhì)在液相與膜相之間的分配系數(shù)即 =Ki ； =Ki ，代入上式中可得分離機(jī)理 稱為溶質(zhì)遷移參數(shù)。對于一定的膜-溶劑-溶質(zhì)系統(tǒng)

25、，當(dāng)操作壓力一定時(shí)， 在相當(dāng)大的濃度和流速范圍內(nèi)是一常數(shù)，所以可用來預(yù)測不同條件下膜的性能。膜分離過程 (membrane separation)71五 膜兩側(cè)溶液間傳遞方程式膜分離過程 (membrane separation)1.濃差極化-凝膠層模型（concentration Polarization-gel layer model）2.阻力模型（resistance modd） 3.管狀收縮效應(yīng)(Tubular Pinch effect)721 濃差極化一凝膠層模型膜分離過程 (membrane separation) 在反滲透中，膜面上溶質(zhì)濃度大，滲透壓高，致使有效壓力差降低，而使通

26、量減小。 在超濾和微濾中，處理的是高分子或膠體溶液，濃度高時(shí)會在膜面上形成凝膠層，增大了阻力而使通量降低。 73膜分離過程 (membrane separation)74濃差極化邊界層中的濃度分布膜分離過程 (membrane separation)(膜面溶液濃度)(體積通量)(主體濃度)(透過液濃度)75凝膠層的形成膜分離過程 (membrane separation)(體積通量)(膜面溶液濃度)(主體濃度)(透過液濃度)76膜分離過程 (membrane separation) 在邊界層中取一微元薄層，對此微元薄層作物料衡算。 當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，流出微元薄層的溶質(zhì)通量保持不變，并等于透過膜的通

27、量Ji=JvCp (Jv體積通量) 。隨主體流動進(jìn)入微元薄層的速度JvC應(yīng)等于透過膜的通量與反擴(kuò)散速度之和，故有77隨主體流動進(jìn)入微元薄層的速度JvC應(yīng)等于透過膜的通量與反擴(kuò)散速度之和，故有利用邊界條件，當(dāng)x0時(shí)，C=Cw；當(dāng)x=時(shí)，C=Cb，將上式積分，并得到（D為溶質(zhì)在溶液中擴(kuò)散系數(shù)，邊界層厚度，Cw為膜面溶液濃度） 令KmD/為傳質(zhì)系數(shù)，上式成為膜分離過程 (membrane separation)78如果溶質(zhì)完全被截留，Cp=0 上式就可以寫成傳遞理論 Cw/Cb稱為極化模數(shù)（ polarization modulus）或在超濾中，當(dāng)膜面濃度增大到某一值時(shí)，溶質(zhì)成最緊密排列，或析出形成

28、凝膠層，此時(shí)膜面濃度達(dá)到極大值CG。膜分離過程 (membrane separation)79凝膠層形成前后通量JV與主體濃度log Cb的關(guān)系通量膜分離過程 (membrane separation)80膜分離過程 (membrane separation) 根據(jù)流體力學(xué)，在膜面附近始終存在著一層邊界層，當(dāng)發(fā)生濃差極化后，濃度在邊界層中的分布。膜面上濃度 Cw大于主體濃度Cb，溶質(zhì)向主體反擴(kuò)散。81膜分離過程 (membrane separation) 要減少濃差極化，通常采用錯(cuò)流操作。因深層過濾中液體主體流動方向和透過液一致，使截留溶質(zhì)愈來愈多，而在錯(cuò)流過濾中，兩者互相垂直，截留溶質(zhì)為切向

29、流所帶走。822 阻力模型（resistance modd） 和通常的過濾操作一樣，把通量Jv表示成推動力和阻力之比： Rm:膜的阻力;Rc:濾餅阻力;u:黏度在反滲透中，通常不形成濾餅，RC可以忽略：在超濾或微濾中，滲透壓可以忽略不計(jì)：膜分離過程 (membrane separation)83Rm可以用新膜，以水進(jìn)行試驗(yàn)求得,c 膜面上濾餅的阻力計(jì)算如下:對于不可壓縮濾餅，根據(jù)Carman-Kozeny方程式，Rc可寫成：對于可壓縮濾餅(為濾餅的壓縮性指數(shù),對不可壓縮濾餅，0；對完全可壓縮濾餅1，通常在之間，W：單位體積料液中所含有的顆粒重量，Vt：到某一瞬間，濾液的總體積，F(xiàn)：膜面積， ：

30、為常數(shù)，與濾餅性質(zhì)有關(guān)。)如果膜的阻力可以忽略,則公式可以表示為:膜分離過程 (membrane separation)84 由上式可見，單位面積的處理量與Jv成反比。這個(gè)關(guān)系在實(shí)用上有一定的意義。 如要求體積流速（m3/h）一定，則在膜阻塞前所能處理的總體積和膜面積成正比。因而膜面積增大1倍處理量可增加。膜分離過程 (membrane separation)或853 管狀收縮效應(yīng)(Tubular Pinch effect)膜分離過程 (membrane separation) 人們發(fā)現(xiàn)，在膠體溶液的超濾或微濾中，實(shí)際通量要比用濃差極化一凝膠層模型估算的要大得多。原因就是管狀收縮效應(yīng) 膠體溶液

31、在管中流動時(shí)，顆粒有離開管壁向中心運(yùn)動的趨向，稱為管狀收縮效應(yīng)。 這個(gè)現(xiàn)象使膜面上沉積的顆粒具有向中心橫向移動的速度，使膜面污染程度減輕，通量增大。86管狀收縮效應(yīng)膜分離過程 (membrane separation) 上式實(shí)際上表示VL和r成反比，因此處理渾濁液體時(shí)，窄通道超濾器是有吸引力的。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析表明，橫向移動速度VL和軸向速度u的平方成正比，而和管徑r的立方成反比： 87六 表征膜性能的參數(shù)膜分離過程 (membrane separation)截?cái)喾肿恿靠椎奶卣魉靠箟耗芰H適用范圍對熱和溶劑的穩(wěn)定性881 截留率和截?cái)喾肿恿磕し蛛x過程 (membrane separa

32、tion)膜對溶質(zhì)截留能力以截留率R（rejection）表示 R1 CpCb 式中Cp和Cb分別表示在某一瞬間，透過液（Permeate）和截留液的濃度。如R1，則Cp0，表示溶質(zhì)全部被截留；如R 0，則Cp Cb，表示溶質(zhì)能自由透過膜。89膜分離過程 (membrane separation) 對于超濾膜，制造商在出廠前通常用已知分子量的各種物質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，測定其截留率。得到的截留率與分子量之間的關(guān)系稱為截?cái)嗲€（圖17-7）。 但到目前為止，對試驗(yàn)條件尚無統(tǒng)一規(guī)定。質(zhì)量好的膜，應(yīng)有陡直的截?cái)嗲€，可使不同分子量的溶質(zhì)分離完全；反之，斜坦的截?cái)嗲€會導(dǎo)致分離不完全。90膜分離過程 (memb

33、rane separation)陡直斜坦相對分子質(zhì)量截留率截?cái)嗲€91影響截留率的因素膜分離過程 (membrane separation)分子的形狀吸附作用溫度流速pH 離子強(qiáng)度（影響蛋白構(gòu)象)922 孔道特征MWCO（球狀蛋白質(zhì)）近似孔徑（nm)1000210 0005100 000121000 00029膜分離過程 (membrane separation)孔徑 （泡點(diǎn)法） 孔徑分布 空隙度MWCO與孔徑的關(guān)系93孔徑、孔徑分布和空隙度膜分離過程 (membrane separation) 孔徑常用泡點(diǎn)法測定，對微孔膜尤為適用。將膜表面復(fù)蓋一層溶劑（通常為水），從下面通入空氣，逐漸增大空

34、氣的壓力，當(dāng)有穩(wěn)定的氣泡冒出時(shí)，稱為泡點(diǎn)。泡點(diǎn)的壓力，根據(jù)下式，即可計(jì)算出孔徑： d4 COSP （17-3） 式中d為孔徑，為液體的表面張力，為液體與膜間的接觸角，P為泡點(diǎn)壓力。 94膜分離過程 (membrane separation) 由式（17-3）可見，對于較大的孔，泡點(diǎn)壓力較低，因此用泡點(diǎn)法測得的是最大孔徑。 孔徑和孔徑分布也可直接用電子顯微鏡觀察得到，特別是微孔膜，其孔隙大小在電鏡的分辨范圍內(nèi)。95完整性試驗(yàn)?zāi)し蛛x過程 (membrane separation) 本法用于試驗(yàn)?zāi)ず徒M件是否完整或滲漏，某些廠商規(guī)定新膜要通過該項(xiàng)試驗(yàn)。 操作過程：（1）將超濾器保留液出口封閉；（2）透

35、過液出口接上一倒置的滴定管；（3）自料液進(jìn)口處通入一定壓力的壓縮空氣；（4）當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，測定氣泡逸出速度，如大于規(guī)定值，表示膜不合格。96完整性試驗(yàn)流程圖試驗(yàn)組件和膜是否完整膜分離過程 (membrane separation)97七 影響膜過濾的各種因素膜分離過程 (membrane separation)壓力濃度溫度流速其它因素98壓力p1p2P 在錯(cuò)流操作中，要區(qū)別兩種壓力差（見上圖）。一種為通道兩端壓力差P=P1-P2，是保留液在系統(tǒng)中進(jìn)行循環(huán)的推動力；另一種為膜兩側(cè)平均壓力差膜分離過程 (membrane separation)軸向和側(cè)向壓力差99常規(guī)過濾錯(cuò)流過濾膜分離過程 (me

36、mbrane separation)100在反滲透中通量與截留率隨壓力的變化液質(zhì)截留率100%水通量或截留率膜分離過程 (membrane separation)101在超濾中膜兩側(cè)壓力差t對通量和截留率的影響流速增大溫度升高料液濃度降低A：濃差極化層未形成B: 濃差極化層形成C：凝膠層形成（下圖）通量Jv截留率 H2O 上圖中還表示出當(dāng)流速增大、溫度升高和料液濃度降低時(shí)，極限通量增大 。 在超濾中，壓力升高引起膜面濃度升高，則透過膜的溶質(zhì)也增大，因而截留率減小 （上圖）膜分離過程 (membrane separation)102濃度 CG膜面濃度最大值,隨條件而變,可以認(rèn)為是常數(shù)，u：平均流

37、速膜分離過程 (membrane separation) 在超濾中，當(dāng)凝膠層形成后，按右公式計(jì)算JV和lnCb之間成線性關(guān)系。103 當(dāng)以微濾過濾菌體時(shí)，通量與濃度的關(guān)系不同于超濾。在谷氨酸發(fā)酵液的微濾中，開始時(shí)通量下降很快，可能是由于膜面的污染；然后有一段區(qū)域，通量變化較小，可能由于管狀收縮效應(yīng)引起通量的增加和濃度增大引起的降低互相對消；最后通量急劇降低，見圖在谷氨酸發(fā)酵液中的微濾中通量黏度菌體濃度膜分離過程 (membrane separation)104溫度膜分離過程 (membrane separation) 在超濾或微濾中，一般說來，溫度升高都會導(dǎo)致通量增大，因?yàn)闇囟壬呤拐扯冉档秃?/p>

38、擴(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。由于水的粘度每升高1約降低，所以，一般可認(rèn)為，每升高1，通量約增加3。105流速湍流滯流膜分離過程 (membrane separation) 根據(jù)濃差極化一凝膠層模型，流速增大，可使通量增大。對于超濾，通常在略低于極限通量的條件下操作。在滯流時(shí)，In Jv對In u的關(guān)系圖上，直線的斜率為13；而在湍流時(shí)，斜率為。 在以微濾過濾菌體時(shí)，斜率可在之間。 106膜分離過程 (membrane separation)雖然增大流速有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但需考慮下列各點(diǎn)：1只有當(dāng)通量為濃差極化所控制時(shí)，增大流速才會使通

39、量增加。2增大流速會使膜兩側(cè)平均壓力差減小，因?yàn)榱鹘?jīng)通道的壓力降增大 。3增大流速，使剪切力增加，對某些蛋白質(zhì)不利。4動力消耗增加。107其它因素膜分離過程 (membrane separation) pH對截留率影響： 例：在極端pH下超濾蛋白質(zhì)時(shí)，常使截留率增大，這是由于吸附在膜上蛋白質(zhì)和溶液中蛋白質(zhì)帶相同電荷而互相排斥的緣故。反滲透：不要使溶解度小的溶質(zhì)析出 不要含膠體粒子，以免污染膜。超濾：當(dāng)pH在蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)時(shí)，通量最低。 當(dāng)有鹽類存在時(shí)，一般使通量降低。 當(dāng)料液含微粒，會使通量降低。 含1m堅(jiān)硬粒子，通常會使通量增大。108極化邊界產(chǎn)生膜分離過程 (membrane separa

40、tion)109克服濃差極化的方法濃差極化的減少降低壓力降低膜表面的濃度降低溶質(zhì)在料液中的濃度垂直于膜的混合低濃度因子提高固體粒子反向質(zhì)量傳遞排除膜表面的濃集物槳式混合器靜態(tài)混合器邊界層減薄機(jī)械清洗高速度梯度短的液流周期增加擴(kuò)散細(xì)的通道移動膜移動液體提高溫度膜分離過程 (membrane separation)110 八 膜過濾裝置膜分離過程 (membrane separation) 目前生產(chǎn)的膜過濾裝置都由模件(Module)構(gòu)成，一個(gè)良好的模件應(yīng)具備下列條件：1膜面切線方向的速度相當(dāng)快，或有較高的剪切率，以減少濃差極化2膜的裝載密度，即單位體積中所含膜面積比較大3拆洗和膜的更換比較方便4

41、保留體積小，且無死角。111膜分離過程 (membrane separation) 常見的膜過濾裝置有四種類型： 平板式 管式 卷式（螺旋式） 中空纖維式112膜分離過程 (membrane separation)平板式構(gòu)造113管式膜組件的構(gòu)造簡圖膜分離過程 (membrane separation)114管式構(gòu)造2 膜分離過程 (membrane separation)115 卷式超濾筒的構(gòu)造膜分離過程 (membrane separation)116膜分離過程 (membrane separation)動態(tài)壓力過濾器操作：由內(nèi)筒和外筒組成，內(nèi)筒以2000-3000 r/min旋轉(zhuǎn)，造成料

42、液的切向流動，消除濃差極差應(yīng)用：MF、UF、RO、酶反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)：A、無濃差極差，局部混合十分好，B、高滲透流，高的酶傳遞性。缺點(diǎn)：單位體積的過濾面積小，放大困難。動態(tài)壓力過濾器117膜分離過程 (membrane separation) 中空纖維式膜組件118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的費(fèi)用（不包括人）低中等最低高通量較高中等/低（由于不能耐壓，一般流速低，在滯流下操作）最高/較高較高裝載密度（單位體積內(nèi)的膜面積差（2030m2/m3）很好（1600030000 m2/m3）好/一般（400600 m2/m3）好8001000 m2/m3）保留體積大

43、低中等中等能耗高低中等中等抗污染性很好差好/一般好/一般膜分離過程 (membrane separation)119 超濾微濾分批濃縮濃縮模式和透析過濾模式（在濃縮模式中，不斷加入水或緩沖液，如虛線所示，即成為透析過濾模式）膜分離過程 (membrane separation)九 膜過濾操作方法（超濾或者微濾）背壓閥120 C0、V0為起始濃度和體積；VF為最總體積，R為截留率 分批操作中，見上圖料液一次加入儲槽中，以泵進(jìn)行循環(huán)，同時(shí)有透過液流出，濃度逐漸增加，稱為濃縮模式。 一般說來，循環(huán)液(保留液)的體積流速應(yīng)為透過液的10倍以上，以便其以高速流過膜面。膜兩側(cè)的壓力差由背壓閥調(diào)節(jié)。通常將背

44、壓調(diào)至零，以使循環(huán)速度增大，但同時(shí)使膜兩側(cè)壓力差降低，故存在一最適的背壓，使通量達(dá)到最大。 在分批操作中最終濃度F根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪出1/Jv對1/C關(guān)系，以圖解積分求得 膜分離過程 (membrane separation)121 透析過濾小分子溶質(zhì)殘留率：Cs0、Csf為小分子溶質(zhì)透析前后濃度Rs、RL為小、大分子溶質(zhì)截留率，VD為透過液體積大分子溶質(zhì)殘留率：Cl0、Clf為大分子溶質(zhì)透析前后濃度膜分離過程 (membrane separation) 在分批操作中，小分子和溶劑透過膜，而大分子在保留液留中，濃度逐漸增大，而通量逐漸降低，最后操作無法進(jìn)行。若需進(jìn)一步將小分子除去，可以補(bǔ)充加入水

45、，繼續(xù)進(jìn)行超濾。通常的操作方式為連續(xù)地加入水，其量恰與透過液相等，保留液體積始終保持不變。122連續(xù)操作膜分離過程 (membrane separation)123十 膜生物分離法的應(yīng)用膜分離過程 (membrane separation)濃縮大分子純化去雜質(zhì)（植物成分）抗生素去熱原（卷曲霉素）濾過除菌膜生物反應(yīng)器1241 微生物菌體分離膜分離過程 (membrane separation) 胞外產(chǎn)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方是過濾或離心。 實(shí)例：超濾法去除谷氨酸發(fā)酵液中的菌體?？蓪l(fā)酵原液中固體含量濃縮10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

46、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)。1252 小分子產(chǎn)物的回收膜分離過程 (membrane separation) 氨基酸、抗生素、有機(jī)酸和動物疫苗等發(fā)酵產(chǎn)品的相對分子質(zhì)量在2000以下，用超濾法可從發(fā)酵液中回收這些小分子產(chǎn)物，然后利用反滲透法進(jìn)行濃縮和除去更小的雜質(zhì)。1263 除熱原膜分離過程 (membrane separation) 傳統(tǒng)的針劑用水除熱源的方法是：過濾加活性炭吸附，此法并不可靠。目前在醫(yī)藥工業(yè)上用超濾法制造無菌水。 熱源物質(zhì)分子大小為210nm，分子量為20 0001 000 000，用截留分子量6 000左右的膜比較合適。1274 蛋白質(zhì)的回收與脫鹽膜分離過程 (membrane separation) 根據(jù)蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量，選擇適當(dāng)