膜分離法以及其在生物工程中應用

1、關于膜分離法及其在生物工程中的應用第一張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月2本章主要內容一、概述二、膜分離過程類型及膜材料三、膜組件四、濃差極化與膜污染及清洗方法五、膜分離法的應用第二張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3膜分離法及其在生物工程中的應用概 述近20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、化工等工業(yè)生產及水處理等各個領域；膜分離技術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，從而達到分離目的的技術。第三張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月4膜分離的特點操作在常溫下進行,設備簡單、操作方便；是物理過程，不需加入化學試劑；不發(fā)生

2、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步驟內完成；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膜分離法及其在生物工程中的應用概 述第四張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5膜的定義：膜可定義為兩相之間的不連續(xù)區(qū)間。可以是氣相、液相和固相。注意與相“界面”區(qū)別 。廣義指的“膜”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。膜的厚度應在0.5mm以下，否則不能稱其為膜?？梢允牵壕嗟幕蚍蔷嗟模?對稱的或非對稱的； 中性的或荷電的； 固體的或液體的。膜分離法及其在生物工程中的應用概 述第五張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月6

3、膜的分類對稱膜 結構與方向無關的膜。非對稱膜 致密的分離層和多孔支撐層復合膜 選擇性膜層沉積于具有微孔的底膜（支撐層）表面上。荷電膜 即離子交換膜，是一種對稱膜微孔膜 孔徑為0.05-20um的膜。動態(tài)膜 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，此沉積層與溶液處于動態(tài)平衡。第六張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月7圖1 對稱膜 圖2 非對稱膜第七張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月8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一、膜分離過程的類型 常見膜分離過程微濾（Microfiltration，MF）超濾（Ultrafiltration，U

4、F）反滲透（Reverse osmosis，RO）透析（Dialysis，DS）電滲析（Electrodialysis，ED）滲透氣化（Pervaporation，PV）第八張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月9膜分離法與物質大?。ㄖ睆剑┑年P系一、膜分離過程的類型膜分離法及其在生物工程中的應用 膜分離過程類型及膜材料第九張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月10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第十張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月110.5 離子、分子量100的有機物 溶解擴散 滲透蒸發(fā)0.5 離子、分子量100的有機物 溶解擴散 反滲透 離子、分子量1

5、00的有機物 溶解擴散 納濾25010001000,000Da的大分子 體積大小 超濾5010000 0.0510m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 分離機理 膜過程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各種膜分離技術分離范圍第十一張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月12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第十二張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月131.微濾一、膜分離過程的類型第十三張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月142.超濾一、膜分離過程的類型第十四張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022

6、年6月153.反滲透一、膜分離過程的類型第十五張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月16微濾、超濾、納濾和反滲透一、膜分離過程的類型第十六張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月174、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。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。 一、膜分離過程的類型電位差第十七張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月18 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。分為陽膜，陰膜。一、膜分離過程的類型第十八張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月19一、膜分離過程的類型5、

7、滲透蒸發(fā)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親合力不同，而有選擇性地優(yōu)先吸附溶液某一組分，及各組分在膜中擴散速度不同，來達到分離的目的。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。 分離過程是用一張滲透蒸發(fā)膜,將進料液相和透過氣相分隔開,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,液相中產生的化學位梯度作為傳質推動力的膜分離過程。第十九張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月20滲透蒸發(fā)原理示意圖一、膜分離過程的類型第二十張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月21透析原理圖膜分離過程的類型 6、透析水分子大分子小分子透析

8、膜由于膜兩側的溶質濃度不同，在濃差的作用下，左側高分子溶液中的小分子溶質（如無機鹽）透向右側，右側的水透向左側，這就是透析。透析過程中透析膜內無流體流動，溶質以擴散的形式移動。第二十一張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月22二、膜的材料分離膜按荷電性分為中性膜、荷電膜；按材料親疏水性可分為親水膜與疏水膜。對膜一般要求：（1）透過速度（2）選擇性（3） 機械強度（4） 穩(wěn)定性微濾膜材料：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：復合膜，無機膜,不銹鋼膜，陶瓷

9、膜第二十二張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月23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(毛細管)式等四種，其中管式和中空纖維式膜組件根據操作方式不同，又分為內壓式和外壓式。膜分離法及其在生物工程中的應用 膜 組 件第二十三張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月241.管式膜組件 管式膜組件是將膜固定在內徑1025mm，長約3m的圓管狀多孔支撐體上構成的，l020根管式膜并聯，或用管線串聯，收納在筒狀容器內即構成管式膜組件。第二十四張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月25 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，分離操作完成后的清洗比較

10、容易。但是管式膜組件單位體積的過濾表面積(即比表面積)在各種膜組件中最小，這是它的主要缺點。第二十五張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月262.平板膜組件平板膜組件由多枚圓形或長方形平板膜以1mm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。平板膜組件比管式膜組件比表面積大得多。第二十六張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月27第二十七張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月283. 螺旋卷式膜組件 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 (隔網為濾液流路)，兩端密封。兩張膜的上下分別襯設一張料液隔網(為料液流路)，卷繞在空心管上，空心管用于濾液的

11、回收。 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較高的料液時容易發(fā)生堵塞現象。第二十八張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月29第二十九張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月30第三十張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月314.中空纖維(毛細管)式膜組件 中空纖維或毛細管膜組件由數百至數百萬根中空纖維膜固定在圓筒形容器內構成。嚴格地講，內徑為4080um的膜稱中空纖維膜，而內徑為0.252.5mm的膜稱毛細管膜。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稱為中空纖維膜組件。有內壓式和外壓式兩種操作。第三十一張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于20

12、22年6月32外壓式膜組件結構內壓式膜組件結構第三十二張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月33膜分離的特點?操作在常溫下進行,設備簡單、操作方便；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）；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；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第三十三張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月34常見膜分離過程?微濾（Microfiltration，MF）超濾（Ultrafiltration，UF）反滲透（Reverse osmosis，RO）透析（Dialysis，DS）電滲析（Electrodialys

13、is，ED）滲透氣化（Pervaporation，PV）第三十四張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月35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(毛細管)式等四第三十五張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月36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一、濃差極化現象：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象。是一個可逆過程，只有膜分離運行過程才發(fā)生。 濃差極化的產生：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散速度達到平衡時，膜面形成一個穩(wěn)定的濃度梯度區(qū)。第三十六張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2

14、022年6月37濃差極化導致膜的透過量降低。通過減小料液中溶質濃度，改善膜面流體力學條件，可以減輕濃差極化度。第三十七張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月38二、膜污染定義: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象稱為膜污染。污染的原因：附著層：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。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。堵塞：料液中的微粒、膠體粒子或溶質大分子吸附、沉積在膜表面或膜孔中，造成膜孔徑變小或堵塞。第三十八張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月39膜污染與濃差極化的區(qū)別：膜污染引起通量衰減是不

15、可逆的（必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?jié)獠顦O化消除）。第三十九張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月40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。減輕膜污染的方法： 進料液的預處理，達到膜組件的進水標準。5-10m的過濾器除去膠體、固懸物、鐵銹等絮凝、PH值除去一些污染物第四十張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月41改善膜的性質（表面性質如表面極性和電荷性）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）。改善流體力學條件：通道結構等改善操作條件。如適當提高水溫加速分子擴散；調pH值遠離蛋白的等電點。第四十

16、一張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月42膜污染處理：經清洗后，如純水的水通量達到或接近原來水平，則認為污染已消除。 物理清洗方法：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；超聲波法等。 化學清洗：起溶解作用的物質：酸、堿、酶、表面活性劑、分散劑等；切斷離子結合作用的方法：改變離子強度、pH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。第四十二張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月43膜分離法及其在生物工程中的應用膜分離的應用膜分離技術在純凈水處理中的應用膜分離技術在電子工業(yè)用水中的應用膜分離技術在給水及循環(huán)水處理中的應用超濾技術除熱原超

17、濾技術澄清藥酒和中藥制劑超濾技術在輕工、食品中的應用膜分離技術在生物化工中的應用超濾技術在膜生物反應器中的應用第四十三張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月44一、膜分離技術在純凈水處理中的應用超純水制備裝置：中空纖維超濾組件，除去微生物、膠體和大分子物質。一般的純凈水：反滲透設備（復合膜組件），可除去98%的無機鹽、有機物、膠體及細菌、熱原、病毒等。第四十四張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月45二、膜分離技術在電子工業(yè)用水中的應用電子元件生產：需高純水用來清洗或配制各種溶液，不同的電子元件，對純水的不同用途，對水質的要求不同。如：電解容器生產中，要用純水清洗（不能含有離子）。電子

18、管生產中，要用純水配液。生產一個顯像管需用純水80kg。微電子工業(yè)中要用高純水和超純水清洗硅片。300-378L/每塊第四十五張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月46三、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。 技術：RO、活性炭過濾等。四、超濾技術除熱原熱原：細胞內毒素，是細胞新陳代謝和細菌死后分解的產物。熱原的效能：對人注射后，15min-8h會發(fā)生冷感、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。第四十六張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月47高壓消毒對熱原無用：熱原具很強的耐熱性，180-200加熱2h或250 加熱30min

19、才可徹底破壞，115 消毒15min熱原降效25%。傳統用過濾加活性炭吸附除去針劑用水中的熱原?，F在有一種超濾膜，可一次除去熱原。熱原分子大小2-10nm，分子量20000-1000000之間，一般用截留分子量6000左右的膜。第四十七張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月48五、藥酒和中藥制劑的澄清 藥酒和中藥制劑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)境研究中心采用超濾法去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，有效成分均可透過膜。第四十八張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2

20、022年6月49六、超濾技術在輕工、食品中的應用主要集中在：果汁的澄清、濃縮；乳制品的濃縮、純化；生物制品的濃縮；飲用水的制備；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；酒制品的純化和澄清。第四十九張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月50超濾技術分離、濃縮與純化酶制劑：傳統：離心除菌多次硫酸銨沉淀透析脫鹽等（費時、手續(xù)繁雜、回收率低）超濾技術：發(fā)酵液吸附洗脫超濾脫鹽超濾濃縮有機溶劑沉淀）例如：將僅有4-6酶活單位/毫升、比活為0.64的青霉素?；赴l(fā)酵液吸附洗脫，然后用超濾分離濃縮、脫鹽，可得到200酶活單位/毫升，比活力20的酶溶液，酶回收80%，時間僅為一天。傳統方法需一

21、周時間，回收率僅為30-50%。第五十張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月51七、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、濃縮、分級與純化生物產品。第五十一張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月521、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。 例如：采用超濾法去除谷氨酸發(fā)酵液中的菌體，不僅可以將發(fā)酵原液中谷氨酸含量濃縮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量、pH等理化指標與發(fā)酵液相同，但不含菌體，且蛋白含量很低，再利用等電點法提取谷氨酸時，收率可達到90.96%，比傳統等

22、電點法高7個百分點。第五十二張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月532、超濾親和純化超濾技術優(yōu)點和親和技術優(yōu)點結合起來的一種分離技術。親合階段：用大分子親和欲分離的生物產品分子，形成高分子復合物。洗滌階段：用超濾膜進行超濾，將復合物截留，得到純化。解離階段：加入低分子親和基團或改變溶液條件，如pH等，復合物解離。超濾，產品透過膜。再生階段：使大分子親和基團復性，再用。第五十三張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月54需考慮幾點：大分子親和基團要盡量選擇尺寸較大的，因而可以對應選大孔徑的膜，縮短洗滌時間。在保持復合物截留率的前提下盡量用高透水量的膜。親和結合強度也要適中。第五十四張，P

23、PT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月55第五十五張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月563、膜生物反應器膜生物反應器（Membrane bioreactor,MBR）是膜分離過程與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)、微生物發(fā)酵和酶反應過程。 第五十六張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月57 中空纖維膜生物反應器培養(yǎng)基廢物高分子產物（單抗）細胞膜第五十七張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月58中空纖維膜生物反應器上圖為中空纖維膜生物反應器，用于動物細胞培養(yǎng)，細胞密度可達109/cm3,而利用一般的培養(yǎng)器細胞密度只能達到106 -107/cm3 。在培

24、養(yǎng)過程中，動物細胞生長于中空纖維膜組件的殼體內側，小分子產物（廢棄物）不斷排出，新鮮的培養(yǎng)基連續(xù)灌注，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反應器培養(yǎng)雜交瘤細胞是工業(yè)生產單克隆抗體的主要方法之一。第五十八張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月59外循環(huán)式膜生物反應器第五十九張，PPT共六十六頁，創(chuàng)作于2022年6月60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分體設置的外循環(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)式膜生物反應器是一種連續(xù)全混釜型反應器（CSTR），適用于連續(xù)微生物發(fā)酵和連續(xù)酶反應過程。它還適用淀粉和纖維素等高分子物質的酶解。由于高分子底物和酶被超濾膜完全截留，所以可提高反應的轉化率和酶的使用效率。第六十張，P