《藥物分離與純化技術(shù)》課件-第七章 膜分離概述與膜分離過(guò)程

在線開(kāi)放課程藥物分離技術(shù)DrugSeparationTechnology化學(xué)工程學(xué)院知識(shí)目標(biāo)：1.了解膜的概念、特點(diǎn)與分類(lèi)

2.掌握膜性能參數(shù)指標(biāo)（膜通量、截留率、截留分子量和分離因子）

3.掌握透析、微濾、超濾、納濾與反滲透膜分離

能力目標(biāo)：1.能夠依據(jù)膜的截留曲線判斷膜的性能2.能夠根據(jù)料液性質(zhì)與膜性能參數(shù)選擇合適的分離膜

素質(zhì)目標(biāo)：1.培養(yǎng)精雕細(xì)琢的職業(yè)素質(zhì)2.弘揚(yáng)精益求精的工匠精神熱烈歡迎各位領(lǐng)導(dǎo)和老師蒞臨指導(dǎo)！膜分離概述01膜的簡(jiǎn)介膜料液水小分子大分子滲透液定義：

具有選擇性分離的功能薄膜材料。

“21世紀(jì)的多數(shù)工業(yè)中，膜技術(shù)扮演著戰(zhàn)略的角色”“誰(shuí)掌握了膜技術(shù)，誰(shuí)就掌握了21世紀(jì)的未來(lái)”黎念之(1932.12--)美籍華人化學(xué)工程專(zhuān)家，美國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院外籍院士1990年，當(dāng)選為美國(guó)工程院院士。1996年，當(dāng)選為中國(guó)臺(tái)灣“中央研究院”院士。1998年，當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院外籍院士。

1998年，我國(guó)政府授予他外國(guó)專(zhuān)家友誼獎(jiǎng)。2000年，獲得了被譽(yù)為化學(xué)工業(yè)界諾貝爾獎(jiǎng)的普金獎(jiǎng)?wù)?PerkinMedal)，他

是迄今為止全球惟一獲此殊榮的華人。2001年，榮獲了世界化工大會(huì)授予的終身成就獎(jiǎng)。2015年1月，獲得2014年度中華人民共和國(guó)國(guó)際科學(xué)技術(shù)合作獎(jiǎng)。膜科學(xué)的主要奠基人之一膜藥品生產(chǎn)醫(yī)療應(yīng)用中藥提取除菌生物質(zhì)利用生物醫(yī)藥水處理與環(huán)保能源食品石油化工電子冶金膜生物反應(yīng)器海水淡化工業(yè)廢水處理城市廢水資源化傳統(tǒng)工業(yè)潔凈燃燒膜的應(yīng)用分離：將混合物分成兩種或多種目的產(chǎn)物；濃縮：目的產(chǎn)物以低濃度形式存在，因此需要除去溶劑（截留物為產(chǎn)物）；純化：除去雜質(zhì)；反應(yīng)促進(jìn)：把化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)的產(chǎn)物連續(xù)取出，能提高反應(yīng)速率或提高產(chǎn)品質(zhì)量。膜的用途兩種工藝比較膜分離工藝活性炭吸附發(fā)酵藥液酸化離子交換板框過(guò)濾濃縮結(jié)晶離心藥物板框過(guò)濾濃縮結(jié)晶發(fā)酵藥液酸化離心藥物

膜過(guò)濾

離交吸附傳統(tǒng)工藝?yán)媚さ倪x擇性（孔徑大?。?，在膜兩側(cè)的推動(dòng)力（壓力差、濃度差、電位差等）作用下，混合物各組分選擇性地透過(guò)膜，從而達(dá)到分離、純化和濃縮目的一種技術(shù)。02膜分離技術(shù)概念03膜分離特點(diǎn)與傳統(tǒng)的分離操作相比，膜分離具有以下特點(diǎn)：（1）膜分離是一個(gè)高效分離過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)高純度的分離；（2）大多數(shù)膜分離過(guò)程不發(fā)生相變化，因此能耗較低；（3）膜分離通常在常溫下進(jìn)行，特別適合處理熱敏性物料；（4）膜分離設(shè)備本身沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的部件，可靠性高，操作、維護(hù)都十分方便。04膜分離分類(lèi)01.膜材料02.膜結(jié)構(gòu)03.膜分離推動(dòng)力對(duì)稱(chēng)膜非對(duì)稱(chēng)膜有機(jī)膜材料無(wú)機(jī)膜材料壓力差濃度差電位差溫度差01膜材料分類(lèi)有機(jī)高聚物膜：纖維素類(lèi)、聚砜類(lèi)、聚酰胺類(lèi)、聚乙烯醇類(lèi)、聚酯類(lèi)、含氟高聚物等無(wú)機(jī)分離膜：陶瓷膜、玻璃膜、金屬膜和分子篩炭膜等天然物質(zhì)的衍生物(醋酸或硝酸纖維素膜)人造物質(zhì)(聚砜膜,聚酰胺類(lèi),聚乙烯醇類(lèi))02膜結(jié)構(gòu)分類(lèi)對(duì)稱(chēng)膜：又稱(chēng)為均質(zhì)膜，是一種均勻的薄膜，膜兩側(cè)截面的結(jié)構(gòu)及形態(tài)完全相同。包括致密的無(wú)孔膜和對(duì)稱(chēng)的多孔膜兩種。——傳質(zhì)阻力由膜的總厚度決定，降低膜的厚度可以提高透過(guò)速率。非對(duì)稱(chēng)膜：橫斷面具有不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。包括一體化非對(duì)稱(chēng)膜和復(fù)合膜兩類(lèi)?！蛛x效能主要或完全由很薄的皮層決定，傳質(zhì)阻力小，其透過(guò)速率較對(duì)稱(chēng)膜高得多。對(duì)稱(chēng)膜非對(duì)稱(chēng)膜多孔膜無(wú)孔膜致密皮層多孔支撐層一體化膜復(fù)合膜致密皮層03膜分離推動(dòng)力分類(lèi)壓力差濃度差電位差溫度差微濾超濾納濾反滲透滲析（透析）電滲析滲透氣化電滲析采用帶電的離子交換膜，在電場(chǎng)作用下膜能允許陰、陽(yáng)離子通過(guò)，可用于溶液去除離子。滲透汽化是在膜兩側(cè)濃度差的作用下，原料液中的易滲透組分通過(guò)膜并汽化，從而使原液體混合物得以分離的膜過(guò)程。滲透氣化推動(dòng)力除了有溫度差外，還有壓力差。05

膜性能膜通量截留率MWCO截留率為90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的分子量截留分子量分離因子

透過(guò)性能分離性能分離性能選擇性能（1）膜通量（透過(guò)速率）式中J—膜通量，m3/m2.h；W—透水量，m3；A—膜的有效面積,m2；t—時(shí)間，h；

（2）截留率

100％截留率表示溶質(zhì)全部被膜截留，此為理想的半滲透膜；0％截留率則表示全部溶質(zhì)透過(guò)膜，無(wú)分離作用。0％<R<100％式中——原料中溶質(zhì)的濃度，kg/m3；——滲透物中溶質(zhì)的濃度，kg/m3。（3）截留分子量(Molecularweightcut-off,MWCO)或(Molecularmasscut-off,MMCO)截留曲線:通過(guò)測(cè)定相對(duì)分子量不同物質(zhì)的截留率，可獲得溶質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量與膜的截留率之間關(guān)系的曲線。截留分子量是指截留率為90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的分子量。A膜B膜1031041053×1046×10410.90.5R0MWCO

表明兩組分的透過(guò)速率相差越大，膜的選擇性越好，分離程度越高；（4）膜分離因子式中——原料中組分A與組分B的摩爾分率；——透過(guò)物中組分A與組分B的摩爾分率。膜分離因子的大小反映該膜分離體系的分離效果→1，則表明膜沒(méi)有分離能力。常見(jiàn)的膜分離過(guò)程01引入01.濃度差02.壓力差03.電位差04.溫度差微濾超濾納濾反滲透透析（滲析）電滲析滲透氣化（同時(shí)有壓力差推動(dòng)力）02濃度差為推動(dòng)力的膜分離過(guò)程-----透析（滲析）透析：溶質(zhì)分子在濃度差推動(dòng)下擴(kuò)散透過(guò)半透膜的過(guò)程。半透膜袋樣液，如含鹽的蛋白質(zhì)、膠體等蒸餾水或緩沖溶液（透析液）透析示意圖特點(diǎn)：小分子或離子通過(guò)膜

大分子不能通過(guò)膜應(yīng)用：制備或提純生物大分子時(shí)，除去小分子物質(zhì)及其雜質(zhì)，脫鹽。在透析的同時(shí)，還伴有滲透，這是溶劑透過(guò)膜的遷移，與透析方向相反。透析后發(fā)脹狀態(tài)半透膜袋蛋白質(zhì)溶液透析液磁力轉(zhuǎn)子磁力攪拌器透析半透膜形式透析袋透析管實(shí)驗(yàn)室透析袋操作透析操作輔材透析夾子透析操作與方法半透膜可制成管狀，按需要截取一定長(zhǎng)度，將一端封閉后，裝入需要透析的試樣溶液后，放入盛有溶劑的透析缸中。商品透析管常涂有甘油以防干裂，也可能含有其他微量雜質(zhì)。

預(yù)處理：用50%乙醇慢慢煮沸一小時(shí)，再分別用50%乙醇、0.01mol/L碳酸氫納溶液、0.001mol/LEDTA溶液依次洗滌，最后用蒸餾水洗滌三次；

透析過(guò)程注意點(diǎn)：（1）透析前，對(duì)裝有試液的透析袋檢查是否有泄漏；（2）透析袋裝一半左右，防止膜外溶劑因濃度差滲入將袋漲裂或過(guò)度膨脹使膜孔徑改變；（3）攪拌，定期或連續(xù)更換外部溶劑可提高透析效果。透析應(yīng)用血液透析原理示意圖醫(yī)生給病人透析透析器血液透析機(jī)血液回流身體血液輸至儀器03壓力差為推動(dòng)力的膜分離過(guò)程-----微濾、超濾、納濾和反滲透微濾超濾納濾反滲透截留分子量推動(dòng)力膜孔徑應(yīng)用0.1-10μm1nm以下1-100nm1-2nm1000-300000100-100040-500截留懸浮物以及大分子量膠體，除菌以及回收菌蛋白質(zhì)、多肽和多糖的回收以及濃縮，去除病毒鹽、氨基酸、糖的濃縮制藥純水制造30萬(wàn)以上0.05～0.5MPa0.1～1.0MPa1.0～10MPa1.0～5.0MPa小分子有機(jī)物的濃縮去除二價(jià)鹽或多價(jià)鹽四種膜分離的截留特性微濾超濾納濾反滲透懸浮顆粒、膠體顆粒以及細(xì)菌大分子有機(jī)物功能性糖類(lèi)、色素、多肽等小分子有機(jī)物或多價(jià)鹽單價(jià)鹽水半透膜純水濃水滲透水位上升的高度半透膜滲透現(xiàn)象反滲透現(xiàn)象滲透壓滲透：當(dāng)溶液與純?nèi)軇┍话胪改じ糸_(kāi)，純?nèi)軇┩ㄟ^(guò)半透膜進(jìn)入溶液側(cè)使溶液濃度變低的現(xiàn)象。反滲透：如果加在溶液側(cè)的壓力超過(guò)滲透壓，溶液中的溶劑分子就會(huì)進(jìn)入純?nèi)軇﹥?nèi)。膜組件01膜組件概念膜組件：將膜、固定膜的支撐材料、間隔物或管式外殼等組裝成的一個(gè)單元。膜分離設(shè)備（裝置）：膜組件、泵、過(guò)濾器、儀表、閥門(mén)及管路等組成。復(fù)雜的膜分離設(shè)備（裝置）02膜組件的類(lèi)型板框式螺旋卷式管式中空纖維式1.板框式膜組件平板膜、支撐板、間隔裝置。三種部件相互交替、重疊、壓緊。（1）基本部件滲透液滲透液膜滲透液流道原料液原料液流道濃縮液擋板（2）特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：①組裝比較簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)單地增加膜的層數(shù)以提高處理量；②操作比較方便。缺點(diǎn)：①板框式膜組件組裝零件太多；②裝填密度低；③膜的機(jī)械強(qiáng)度要求較高。裝填密度：?jiǎn)挝惑w積膜組件的有效膜面積2.螺旋卷式膜組件構(gòu)成：兩層膜三邊封口，構(gòu)成信封狀膜袋，膜袋內(nèi)填充多孔支撐層，一層膜袋襯一層隔網(wǎng)，從膜袋開(kāi)口端開(kāi)始繞多孔中心管卷繞而形成螺旋卷式膜器件。（1）基本部件膜、多孔支撐層、原料水隔網(wǎng)、多孔中心管密封密封多孔透水材料膜上下兩層密封膜袋結(jié)構(gòu)示意圖螺旋卷式膜組件一葉膜袋結(jié)構(gòu)示意圖外殼原料側(cè)間隔器滲透物側(cè)間隔器滲透物截留物箭頭表示滲透液流向密封密封多孔透水材料膜上下兩層密封間隔器（2）工作過(guò)程（3）特點(diǎn)①結(jié)構(gòu)緊湊，裝填密度高②安裝、操作方便③制作工藝復(fù)雜，膜清洗困難原料從端部進(jìn)入組件后，在隔網(wǎng)中的流道沿平行于中心管方向流動(dòng)，而透過(guò)物進(jìn)入膜袋后旋轉(zhuǎn)著沿螺旋方向流動(dòng)，最后匯集在中心收集管中再排出，濃液則從組件另一端排出。進(jìn)水口耐壓容器連接器膜組件密封圈端蓋透過(guò)液濃縮液（4）卷式膜組件的結(jié)構(gòu)與組裝卷式膜安裝示意圖卷式膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接器膜組件3.管式膜組件管狀膜、圓筒形支撐體、管束板、

不銹鋼外殼、端部密封（1）基本部件（3）類(lèi)型與結(jié)構(gòu)管式膜組件分為內(nèi)壓型和外壓型兩種。管式膜組件又分為單管式和管束式兩種。內(nèi)壓型外壓型單管式管束式內(nèi)壓?jiǎn)喂苁侥そM件內(nèi)壓管束式膜組件（2）特點(diǎn)①流動(dòng)狀態(tài)好，流速易控制；②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易清洗，安裝、操作方便；③耐高壓，無(wú)死角，適宜于處理高黏度及固體含量較高的料液，比其他形式應(yīng)用更為廣泛。④裝填密度較小，單位體積內(nèi)有效膜面積??；管式膜組件工作過(guò)程4.中空纖維式膜組件（1）基本構(gòu)成①中空纖維膜將膜材料制成外徑為80～400μm、內(nèi)徑為40～100μm的空心管，即為中空纖維膜。②中空纖維膜組件將大量的中空纖維一端封死，另一端用環(huán)氧樹(shù)脂澆注成管板，裝在圓筒形壓力容器中，就構(gòu)成了中空纖維膜組件。中空纖維膜組件（2）中空纖維膜組件工作過(guò)程料液從中空纖維組件的一端流入,沿纖維外側(cè)平行于纖維束流動(dòng),透過(guò)液則滲透通過(guò)中空纖維壁進(jìn)入內(nèi)腔,然后從纖維在環(huán)氧樹(shù)脂的固封頭的開(kāi)端引出,原液則從膜組件的另一端流出。中空纖維膜組件示意圖中空纖維膜組件實(shí)物圖（2）中空纖維膜組件分類(lèi)①內(nèi)壓式料液從空心纖維管內(nèi)流過(guò)，透過(guò)液經(jīng)纖維管膜流出管外，這是常用的操作方式。②

外壓式料液從一端經(jīng)分布管在纖維管外流動(dòng)，透過(guò)液則從纖維膜管內(nèi)流出。（3）特點(diǎn)①結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)需支撐體，裝填密度很高；②清洗困難；③中空纖維膜一旦損壞無(wú)法維修，只能更換膜組件；④液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)阻力很大，易阻塞。(4)中空纖維膜設(shè)備操作

①操作過(guò)程過(guò)濾、濃縮→反洗→清洗→正洗②操作注意事項(xiàng)中空纖維組件必須在濕態(tài)下使用與保存。長(zhǎng)期停用時(shí)，用0.5%甲醛或次氯酸鈉水溶液保存。練習(xí)題1.在下列膜組件中，表面積/體積比是最低的是（），表面積/體積比是最高的是（

）。

A.管式膜組件B.螺旋卷式膜組件

C.中空纖維式膜組件D.板框