第六章膜分离PPT讲稿.ppt

第六章膜分离第1页，共85页，编辑于2022年，星期三 所谓的膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用，这一凝聚相物质就是膜。膜的特性：不管膜多薄,它必须有两个界面。这两个界面分别与两侧的流体相接触。膜传质有选择性，它可以使流体相中的一种或几种物质透过，而不允许其它物质透过。1.膜是什么？有何特性？第2页，共85页，编辑于2022年，星期三材质：材质：天然膜：天然膜：生物膜（生命膜）与天然物质改性或者再生而制成的膜合成膜合成膜：无机膜或者高分子聚合物膜结构：结构：多孔膜多孔膜（porous membrane）：指每平方厘米含有一千万至一亿个孔，孔隙率占总体积7080，孔径均匀，孔径范围在0.0220m之间的分离膜。当膜的孔径大于5nm时称为微孔膜(microporous membrane)；孔径在15nm时称细孔膜(fine-pored membrane)，包括超滤膜和反渗透膜。致密膜致密膜：非多孔膜(nonporous membrane)。孔径在0.51nm，孔隙率小于10，厚度为0.11.25m具有透过性的无机物或聚合物膜。膜的孔结构已难于用电子显微镜分辨，只能用气体渗透法和液体渗透法或气体吸附法测定其模型。功能功能：离子交换膜、渗析膜、微孔过滤膜、超过滤膜、反渗透 膜、渗透汽化膜和气体渗透膜。第3页，共85页，编辑于2022年，星期三3、膜的结构根据膜的断面结构及制备过程可分为对称膜、不对成膜和复合膜。对称膜对称膜：亦称各向同性膜(isotropic membrane)，其化学结构、物理结构在各个方向上是一致的，在所有方向上的孔隙率都相似。膜的各部分具有相同的特性，其孔结构、不随深度而变化的膜。不对称膜不对称膜：指膜的化学结构或物理结构随膜的部位而异，即 各向异性的膜。复合膜复合膜：属于表层与支撑层不为同一材质的不对称膜，也是目前发展最快、研究最多的膜。是以微孔膜或超滤膜作支称层，在其表面覆盖以厚度仅为0.10.25m的致密的均质膜作壁障层构成的分离膜。复合膜的材料包括任何可能的材料结合，如在金属氧化物上覆以陶瓷膜或是在聚砜微孔膜上覆以芳 香聚酰胺薄膜，其平板膜或卷式膜都要用非织造物增强以支撑微孔膜的耐压。极薄的的表面活性层（选择渗透）+下部的多孔支撑层（传质）第4页，共85页，编辑于2022年，星期三第5页，共85页，编辑于2022年，星期三膜分离过程的效率膜分离过程的效率 常用来表示分离效率的指标有两种：一、是组分在两相中的浓度之比，常用选择性系数表示；二、是某组分在经过分离后的两股物流中的分配比例，常用截留率表示（指溶液经超滤处理后，被膜截留的溶质 量占溶液中该溶质总量的百分率）选择性系数或截留率表示了分离的质的方面。对于分离的量的方面，一般用通量，即单位时间内单位分离面积上的流量来表示。在大多数膜分离操作中，截留率和通量是表征过程的两个最重要指标。第6页，共85页，编辑于2022年，星期三膜膜分分离离过过程程原原理理：以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电压差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。膜上游 透膜 膜下游选择性透膜选择性透膜膜分离过程第7页，共85页，编辑于2022年，星期三5.2 膜分离的推动力膜分离的推动力 压力差压力差浓度差浓度差 分压差分压差 电位差电位差膜分离过程膜分离过程 的形式的形式 料液中的某些溶质或离料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的推动下，子在浓度差、电位差的推动下，透过膜进入接受液中，从而被透过膜进入接受液中，从而被分离分离-渗析和电渗析；渗析和电渗析；由于组分分子的大小和性由于组分分子的大小和性质有别，它们透过膜的速率有质有别，它们透过膜的速率有差别，透过部分和留下部分的差别，透过部分和留下部分的组成不同，实现组分分离组成不同，实现组分分离-超超滤、微滤、反渗透和气体渗透；滤、微滤、反渗透和气体渗透；利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离 第8页，共85页，编辑于2022年，星期三第9页，共85页，编辑于2022年，星期三渗透气化：溶液与某种特殊的膜接触后，各组分在通渗透气化：溶液与某种特殊的膜接触后，各组分在通 过膜的同时发生气化，且各组分的透过速过膜的同时发生气化，且各组分的透过速 率不同。率不同。气体渗透：利用混合气体中各组分通过膜的速率不同气体渗透：利用混合气体中各组分通过膜的速率不同 而使组分分离。而使组分分离。渗析：渗析：在浓度梯度作用下，溶质通过膜进入另一側的在浓度梯度作用下，溶质通过膜进入另一側的 溶液，从而与原溶液分离。溶液，从而与原溶液分离。电渗析：电渗析：以电位差为推动力，利用离子交换膜的选以电位差为推动力，利用离子交换膜的选 择透过性，从溶液中脱除或富集电解质。择透过性，从溶液中脱除或富集电解质。第10页，共85页，编辑于2022年，星期三微滤、超滤和纳滤微滤、超滤和纳滤微滤、超滤和纳滤都是以压力差为推动力的膜分离过程。1)微滤、超滤都是在压差推动力作用下进行的筛孔分离过程，而这在原理上并没有本质的区别。即均为在一定的压力作用下，当含有高分子溶质和低分子溶质的混合溶液流过膜表面时，溶剂和小于膜孔的低分子溶质透过膜，成为渗透液被收集。大于膜孔的高分子溶质（如有机胶体）则被膜截留而作为浓缩液被回收。2）纳滤有所不同，除了截留筛分之外，由于纳滤膜的表面分离层由聚电介质构成，对离子有静电相互作用，因此对无机盐有一定的截留率。第11页，共85页，编辑于2022年，星期三微滤（微滤（MF)微滤（MF）又称微孔过滤，是一种与粗滤十分相似的魔分离过程，基本属于固液分离。其基本原理是筛孔分离过程，即是利用微孔膜孔的筛分作用，在静压差的推动下，将滤液中大于膜孔径的微粒等截留下来，达到除去滤液中微粒与澄清溶液的目的。微孔滤膜一般具有比较整齐、均匀的多孔结构，材质分为有机和无机两大类，有机聚合物有醋酸纤维素、聚丙烯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。无机膜材料有陶瓷和金属等。对于微滤而言，膜的截留特性是以膜的孔径来表征，通常孔径范围在0.11微米，故微滤膜能对大直径的菌体、悬浮固体等进行分离。可作为一般料液的澄清、保安过滤、空气除菌。第12页，共85页，编辑于2022年，星期三超滤超滤(UF)超滤原理：超滤是指外源加压的膜分离，其原理与过滤一样。超滤过程是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜孔径0.05um至1000um分子量之间。超滤是一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术，超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过程。以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当水流过膜表面时，只允许水及比膜孔径小的小分子物质通过，达到溶液的净化、分离、浓缩的目的。第13页，共85页，编辑于2022年，星期三超滤所用的膜为非对称性膜,膜孔径为1 20nm,能够截留分子量500以上的大分子和胶体微 粒,操作压力一般为0.10.5MPa。常用的膜材料有醋酸纤维、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚偏氟乙烯等。超滤广泛用于化工、医药、食品、轻工、机械、电子、环保等工业部门。超滤技术应用的历史不长,只是近30年才在工业上大规模地应用,但因其具有独特的优点,使之成为当今世界分离技术领域中一种重要的单元操作。第14页，共85页，编辑于2022年，星期三超滤技术的应用 利用超滤膜的“筛分”机理可以将中药体系中的有效成分进行分离提纯，其应用可分为三种类型：浓缩、小分子溶质的分离、大分子溶质的分级。绝大部分的工业应用属于浓缩这个方面,也可以采用与大分子结合或复合的办法分离小分子溶质。矿泉水的制造矿泉水的水源必须是地下水,而这种水在地下流动时会溶入某些无机盐。采用超滤和微滤组合工艺可制造合乎饮用水标准的矿泉水,第15页，共85页，编辑于2022年，星期三超滤设备超滤设备第16页，共85页，编辑于2022年，星期三纳滤纳滤（NF）是介于反渗透和超滤之间的一种压力驱动型膜分离技术，其截留分子量在801000的范围内，孔径为几纳米，因此称纳滤。对于纳滤而言，膜的截留特性是以对标准NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的截留率来表征，通常截留率范围在6090%，相应截留分子量范围在1001000，故纳滤膜能对小分子有机物等与水、无机盐进行分离，实现脱盐与浓缩的同时进行。纳滤膜传质机理和模型纳滤膜传质机理和模型纳滤多为荷电膜，分离行为不仅受化学势控制，同时也受电势梯度的影响，传质机理比较复杂。第17页，共85页，编辑于2022年，星期三它具有几个基本特征：（1）具有纳米级孔径，分离对象主要为粒径1nm左右的物质，特别适于分子量为数百至2000的物质分离；（2）操作压力低，一般低于1MPa，远小于反渗透所需操作压力（几个到几十个MPa);（3）功能多样化，例如水的软化，一次性就将钙镁以及有机物去除。（4）较好的耐压密性和较强的抗污染能力。由于钠滤膜多为复合膜和荷电膜，因而耐压密性和抗污染能力较强。第18页，共85页，编辑于2022年，星期三纳滤基本原理纳滤基本原理对盐的截留性能：主要依靠离子与膜之间的静电作用。价态不同，截留程度不同。大致分离规律；对于阴离子，截留率按下列顺序递增；NO3-,Cl-,OH-,SO42-,CO32-对于阳离子，截留率递增顺序为：H+,Na+,K+,Ca2+,Mg2+,Cu2+一价离子渗透，多价阴离子滞留（高截留率）第19页，共85页，编辑于2022年，星期三多肽和氨基酸的分离多肽和氨基酸的分离 离子与荷电膜之间存在道南(Donnan)效应,即相同电荷排斥而相反电荷吸引的作用。氨基酸和多肽在等电点时是中性的,当高于或低于等电点时带正电荷或负电荷。由于一些纳滤膜带有静电官能团,基于静电相互作用,对离子有一定的截留率,可用于分离氨基酸和多肽。纳滤膜对于处于等电点状态的氨基酸和多肽等溶质的截留率几乎为零,因为溶质是电中性的并且大小比所用的膜孔径要小。而对于非等电点状态的氨基酸和多肽等溶质的截留率表现出较高的截留率,因为溶质离子与膜之间产生静电排斥,即Donnan 效应而被截留。第20页，共85页，编辑于2022年，星期三反渗透（反渗透（Reverse Osmosis）是20世纪60年代发展起来的一项膜分离技术，主要用于从海水制取淡水、纯水和超纯水的制造、电镀等工业废水处理、乳品加工、抗菌素浓缩等。反渗透，英文为Reverse Osmosis，它所描绘的是一个自然界中水分自然渗透过程的反向过程。第21页，共85页，编辑于2022年，星期三1950年美国科学家DR.S.Sourirajan为什么海鸥就可以饮用海水呢？这位科学家把海鸥带回了实验室，经过解剖发现在海鸥囔嗉海鸥囔嗉位置有一层薄膜，该薄膜构造非常精密。海鸥正是利用了这薄膜把海水过滤为可饮用的淡水，而含有杂质及高浓缩盐份的海水则吐出嘴外。这就是以后逆渗透逆渗透法（法（Reverse Osmosis 简称简称 R.O）的基本理论架构。第22页，共85页，编辑于2022年，星期三反渗透（RO）：是利用反渗透膜只能透过溶剂（通常是水）而截留离子物质或小分子物质的选择透过性，以膜两侧静压为推动力，而实现的对液体混合物分离的膜过程。反渗透是膜分离技术的一个重要组成部分，因具有产水水质高、运行成本低、无污染、操作方便运行可靠等诸多优点，而成为海水和苦咸水淡化，以及纯水制备的最节能、最简便的技术.目前已广泛应用于医药、电子、化工、食品、海水淡化等诸多行业。反渗透的截留对象是所有的离子，仅让水透过膜，对NaCl的截留率在98%以上，出水为无离子水。反渗透法能够去除可溶性的金属盐、有机物、细菌、胶体粒子、发热物质，也即能截留所有的离子，在生产纯净水、软化水、无离子水、产品浓缩、废水处理方面反渗透膜已经应用广泛。第23页，共85页，编辑于2022年，星期三 反渗透法（Reverse Osmosis 简称 R.O）的基本理论架构是借助半透膜能透过溶剂而截留溶质的作用,在高于溶液渗透压的压力推动下,使溶剂透过膜,使溶质保留于溶液中,从而达到溶剂与溶质分离的过程。渗透压：当溶液与溶剂之间,被一个能让溶剂(水)分子通过,而不允许溶质通过的半透膜隔开时,由于在恒温、恒压条件下纯水的化学位活度高于溶液中水的化学位,于是水分子从溶剂一侧通过膜向溶液一侧渗透。当渗透达到平衡时,膜两侧存在着一定的压力差,通常称为溶液的渗透压。溶液的渗透压用下式表示:=RTci 式中:ci为溶液的浓度,相当于溶质的体积摩尔浓度;第24页，共85页，编辑于2022年，星期三第25页，共85页，编辑于2022年，星期三第26页，共85页，编辑于2022年，星期三第27页，共85页，编辑于2022年，星期三透析透析 渗析渗析透析是一种扩散控制的，透析是一种扩散控制的，以浓度梯度以浓度梯度为驱动力为驱动力的膜分离方法。的膜分离方法。利用具有一定大小孔径、高分子溶质不能透过的亲水膜，将含有高分子溶质和其他小分子溶质的溶液（左侧）与纯水或缓冲液（右侧）分隔，由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，左侧高分子溶液中的小分子溶质透向右侧，右侧中的水透向左侧，这就是透析透析膜小分子大分子水透析原理第28页，共85页，编辑于2022年，星期三可以这样理解透析：用一层半透膜将容器分成两部分，膜一侧放置溶液，另一侧放置纯水，液体中的大分子物质因不能通过半透膜而不能相互交换，液体中的小分子物质可以穿过半透膜而相互渗透，水分自渗透压低的一侧向渗透压高的一侧移动，电解质及其他小分子物质从浓度高侧向浓度低侧方向移动，这就是透析现象。利用小分子经过半透膜扩散到水（或缓冲液）的原理，将小分子与生物大分子分开的一种分离纯化技术。第29页，共85页，编辑于2022年，星期三透析与超滤的异同：透析与超滤的异同：透析与超滤的共同点是都可以从高分子溶液中去除小分子溶质。不同之处在于，透析的驱动力为膜两侧溶液的浓度差，而超滤为膜两侧的压力差。透析过程透过膜的是小分子溶质本身的净流，超滤过程透过膜的是小分子溶质和溶剂结合的混合流。第30页，共85页，编辑于2022年，星期三应用实例应用实例 血液透析，血液透析器，俗称人工肾，它采取的是空心纤维系统的膜装置，空心纤维的管壁即为透析膜，空心纤维系统有1-1.5万根空心纤维组成。血液透析时，血液流入每根空心纤维内，而透析液在每根空心纤维外流过，血液流动的方向与透析液流动的方向相反，通过半透膜原理清除毒素，通过超滤和渗透除去水分。第31页，共85页，编辑于2022年，星期三血液透析：血液透析：将患者血液与透析液同时引进透析器，在透析膜两侧呈反方向流动，凭借半透膜两侧的溶度梯度、渗透梯度和水压梯度，通过弥散、对流、吸附清除过多毒素；通过超滤和渗透清除体内多余的水分；同时补充氨基酸等需要的物质，纠正电解质、酸碱平衡紊乱，从而达到替代肾脏的排泄功能。血液透析器（人工肾），是空心纤维装的，由1-1.5万根空心纤维组成，空心纤维的壁即为透析膜。血液透析时，血液流入每根空心纤维内，而透析液在外流过，且呈相反的方向，通过半透膜清除毒物，通过超滤及渗析清除水分。第32页，共85页，编辑于2022年，星期三电渗析电渗析技术是20世纪50年代发展起来的一种膜分离技术，是在直流电场作用下,利用荷电离子交换膜的选择渗透性(与膜电荷相反的离子透过膜,相同的离子则被膜截留)，而从水溶液和其他不带电组分中分离带电离子的过程。电渗析是指在直流电场的作用下，溶液中的带电粒子选择性的透过离子交换膜的过程。第33页，共85页，编辑于2022年，星期三电渗析原理电渗析原理 基本原理基本原理电渗析技术是利用离子交换膜的选择透过性而达到分离的目的。离子交换膜是电渗析的关键部件。离子交换膜离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄膜，其所以具有选择透过性，主要是由于膜上的孔隙和膜上离子基团的作用。膜上孔隙是指在膜的高分子孔隙之间有足够大的孔隙,以容纳离子的进出。膜上离子基团是指在膜的高分子链上，连接着一些可以发生解离作用的活性基团。第34页，共85页，编辑于2022年，星期三 凡是在高分子链上连接的带负电荷是酸性活性基团(例如SO3H)的膜，称为阳膜阳膜；凡是在高分子链上连接的带正电的是碱性活性基团例如 N(CH3)3OH的膜，称为阴膜阴膜。他们在水溶液中进行如下解离:R-SO3HR-SO3-+H+R-N(CH3)3OH一R-N+(CH3)3+OH-产生的反离子(如H+、OH-)进入水溶液,从而使阳膜上留下带负电荷的固定基团,构成强烈的负电场,阴膜上留下带有正电荷的固定基团,构成强烈的正电场。第35页，共85页，编辑于2022年，星期三在外加直流电场的作用下，据异性电荷相吸异性电荷相吸的原理溶液中带正电荷的阳离子就可被阳膜吸引，传递而通过微孔进入膜的另一侧，同时带负电荷的阴离子受到排斥；溶液中带负电荷的阴离子就可被阴膜吸引而传递透过，同时阳离子受到排斥。如图所示，这就是离子交换膜具有选择透过性的主要原因。可见,离子交换膜并不是起离子交换作用,而是起离子选择透过的作用,更确切地说,应称为离子选择性透过膜。第36页，共85页，编辑于2022年，星期三电渗析设备电渗析设备第37页，共85页，编辑于2022年，星期三电渗析基本原理如图所示。在两块正负电极板之间交替地平行排列着阴膜和阳膜,阳极侧用阴膜A开始，阴极侧则用阳膜K终止。如图共有六对膜构成6个D室和5个C室。第38页，共85页，编辑于2022年，星期三当D室和C室都通入待分离的溶液(盐水或海水)时，加上直流电压后,在直流电场的作用下，溶液中带正电荷的阳离子(如Na+)向阴极方向迁移，溶液中带负电荷的阴离子(如Cl-)向阳极迁移。第39页，共85页，编辑于2022年，星期三由于离子交换膜具有上述的离子选择透过性质，使D室中的阴、阳离子能够通过相应的膜进入邻室C;而C室中的阴、阳离子不能由此迁移而出。第40页，共85页，编辑于2022年，星期三结果,D室中的离子减少,起到脱盐的作用,称为淡化室;C室中的离子增加,起到盐分浓缩的作用,称为浓缩室。将浓缩的盐水和淡水分别引出即达到了溶液分离的目的。第41页，共85页，编辑于2022年，星期三可见,电渗析过程脱除溶液中离子的基本条件为:在直流电场的作用下,使溶液中的阴、阳离子定向迁移;离子交换膜的选择透过的性质。第42页，共85页，编辑于2022年，星期三 电渗析中的传递过程电渗析中的传递过程 电渗析器在进行工作的过程中可发生如下6个物理化学过程。A、反反离离子子迁迁移移过过程程。阳膜上的固定基团带负电荷,阴膜上的基团带正电荷。与固定基团所带电荷相反的离子被吸引并透过膜的现象称为反离子迁移。例如：淡化室中的阳离子(如 Na+)穿过阳膜,阴离子(如Cl-)穿过阴膜进入浓缩室就是反离子迁移过程,电渗析器即借此 过程进行海水的除盐。B、同同性性离离子子迁迁移移。与膜上固定基团带相同电荷的离子穿过膜的现象,称为同性离子迁移。由于交换膜的选择透过性不可能达到100%,因此,也存在着少量与膜上固定基团带相同电荷的离子穿过膜的现象。这种迁移与反离子迁移相比,数量虽少,但降低了除盐效率。第43页，共85页，编辑于2022年，星期三 C、电电解解质质的的浓浓差差扩扩散散。由于浓缩室与淡化室的浓度差,产生了电解质由浓缩室向淡化室的扩散过程,扩散速度随浓度差的增高而增加,这一过程虽然不消耗电能,但能使淡化室含盐量增高,影响淡水的质量。D、水水的的渗渗透透过过程程。由于电渗析过程的进行,浓缩室的含盐量要比淡化室高。从另一角度讲,相当于淡化室中水的浓度高于浓缩室中水的浓度,于是产生可淡化室中的水向浓缩室渗透,浓差愈大,水的渗透量愈大,这一过程的发生使淡水产量降低。第44页，共85页，编辑于2022年，星期三 E、压压差差渗渗透透过过程程。由于淡化室与浓缩室的压力不同,造成高压侧溶液向低压侧渗漏。F、水水的的电电渗渗析析过过程程。电渗析器运行时,由于操作条件控制不良,而造成极化现象,使淡化室中的水解离成H+、OH-离子,在直流电场的作用下,分别穿过阴膜和阳膜进入浓缩室。此过程的发生将使电渗析器的耗电量增加,淡水产量降低。总之,电渗析器在运行时,同时发生着多种复杂过程,除反离子迁移是电渗析的主要过程外,其余几个过程均是电渗析的次要过程。但在这些次要过程的影响下,将使电渗析器的除盐或浓缩效率降低,电耗增加。因此,必须选择合适的离子交换膜和适宜的操作条件,以便抑制或改善这些不良因素的影响。第45页，共85页，编辑于2022年，星期三5.2.5.2电渗析技术的应用电渗析技术的应用20世纪的50年代用于苦咸水淡化,60年代应用于浓缩海水制盐,70年代以来,电渗析技术已发展成为大规模的化工单元操作。它广泛应用于苦咸水脱盐,在某些地区已成为饮用水的主要生产方法。随着性能更为优良的新型离子交换膜的出现,电渗析在食品、医药和化工领域都有广阔的应用前景。第46页，共85页，编辑于2022年，星期三纯净水的生产纯净水的生产 纯净水的水质高于生活饮用水,必须将生活饮用水经过处理,除盐、灭菌、消毒后才能制得合格的饮用纯净水。采用电渗析操作的目的是促进水的软化和除盐,其工艺流程见下图。第47页，共85页，编辑于2022年，星期三定义定义：膜通量、截留率、截留分子量及膜的孔径等发生变化的 现象称为膜污染，或膜劣化。膜的污染和劣化的区别膜的污染和劣化的区别两种现象有本质的区别。膜污染膜污染是指由于在膜表面上形成了附着层或膜孔堵塞等外部因素导致了膜性能变化。根据其具体发生原因采用相应对策，可以使膜性能得以恢复。而膜劣化膜劣化是指因膜自身发生了不可逆转的变化等内部因素导致了膜性能的变化。膜污染的机理膜污染的机理膜污染与膜、污染物的性质及其相互作用，以及过程的操作条件密切相关。其机理包括：吸附作用（指膜和溶质间的相互作用产生的吸附污染）、聚集作用。聚集作用指进料液溶质间的相互作用，涉及凝胶、聚合、絮凝、黏附或凝聚。膜污染和劣化膜污染和劣化 膜分离最关注的问题之一就是膜污染和劣化。第48页，共85页，编辑于2022年，星期三滤饼层：悬浮物凝胶层：水溶性大分子结垢层：难溶性物质吸附层：水溶性分子空间位阻：悬浮物、水溶性大分子表面吸附：水溶性大分子析出物质：难溶性物质膜膜组组件件的的性性能能变变化化渗透压污 染劣 化附着层孔堵塞化学性劣化：水解、氧化反应物理性劣化：高压致密、干燥生物性劣化：生物降解反应第49页，共85页，编辑于2022年，星期三膜污染附着层滤饼层：悬浮物凝胶层：水溶性大分子结垢层：难溶性物质吸附层：水溶性大分子孔堵塞空间位阻：悬浮物、水溶性大分子表面吸附：水溶性大分子析出：难溶性物质膜劣化化学性劣化：水解、氧化反应等化学因素造成物理性劣化：高压致密、干燥微生物劣化：生物降解反应膜污染和膜劣化的原因膜污染和膜劣化的原因第50页，共85页，编辑于2022年，星期三种类原因膜通量截留率问题发生处附着层膜污染滤饼层降低降低微滤、超滤、纳滤、反渗透凝胶层降低增加微滤、超滤、纳滤、反渗透结垢层降低降低反渗透、纳滤吸附层降低不确定超滤膜孔堵塞膜污染空间位阻降低增加超滤表面吸附降低增加超滤析出降低增加超滤化学性劣化水解反应增加降低醋酸纤维素膜氧化反应增加降低各种高分子膜物理性劣化致密化降低增加反渗透、纳滤、超滤干燥降低增加微生物劣化降解增加降低醋酸纤维素膜膜污染和膜劣化对膜性能的影响膜污染和膜劣化对膜性能的影响第51页，共85页，编辑于2022年，星期三膜分离技术的应用与实例膜分离技术的应用与实例膜分离技术在药物生产中的应用主要集中在以下四个方面：精制纯化中药提取物，以得到有效成分、有效部位和有效部位群；提高药效成分浓度，减少剂量；解决注射剂、口服液等制剂的澄明度、无菌、无热原问题；有机溶剂的回收，实现萃取或其他分离过程的有机溶剂循环使用，节约资源，保护环境。第52页，共85页，编辑于2022年，星期三一、在中药注射剂和口服液生产中的应用一、在中药注射剂和口服液生产中的应用1 1中药注射剂生产中除杂、除热原中药注射剂生产中除杂、除热原 注射剂是目前医院临床用中药的常用剂型。主要用于心脑血管疾病、肿瘤、细菌和病毒感染等领域。中药注射剂临床应用的最大阻碍是质量问题，主要表现为所含杂质较多、注射液的澄清度和稳定性不理想。特别是20世纪6070年代所开发的中药制剂，由于当时的提取方法不够完善，一些大分子杂质，如鞣质、蛋白质、树脂、淀粉等难以完全除尽，放置一段时间后易色泽发深、混浊、沉淀，使澄清度不合格。目前，膜分离技术在制备中药注射剂中的应用较多，主要目的是除杂改善澄清度及除热原。热原活性脂多糖终端结构类脂A具有较小的相对分子质量，采用超滤法除热原时必须采用截留相对分子质量在6000左右的超滤膜。为了防止药液中有效成分被截留或吸附，降低产品得率，一般选用截留相对分子质量在1万20万的超滤膜，先除去相对分子质量在数万至数百万的热原，然后再用吸附剂除去相对分子质量在几万以下的热原和相对分子质量大约为2000的类脂A。这种二级处理工艺对于中药有效成分为黄酮类、生物碱类、总苷类等相对分子质量在1000以下的注射剂除热原、除菌非常有效，产品符合静脉注射剂的质量标准。目前，美国和日本等国的药典已允许大输液除热原采用超滤技术。第53页，共85页，编辑于2022年，星期三2 2口服液生产中除杂口服液生产中除杂 中药口服液是近年来我国医疗保健行业大力开发的新剂型。由于其疗效好、见效快、饮用方便受到用户好评。但在生产中发现，采用常规水提醇沉工艺除杂后，制备的成品中仍残存少量胶体、微粒等，久置会出现明显的絮体沉淀物，影响药液的外观性状。膜分离技术引人后，采用超滤法替代传统的醇沉法，不但减少了药物有效成分损失、提高产品质量，而且缩短了生产周期、降低生产成本，并易于工业化放大。以生脉饮口服液制备研究为例，小试研究中的新工艺为：原料一水提一浓缩一微滤一超滤一成品。其中超滤膜为截留相对分子质量为6000的聚砜膜。与传统水提醇沉工艺制备的口服液有效成分比较表明，新工艺不仅有效地保留了原配方的成分，而且提高了中药制剂有效成分含量。经过新工艺制备的口服液颜色较浅，在18个月储藏期内澄清透明、无絮状物生成。第54页，共85页，编辑于2022年，星期三二、在浸膏剂生产中的应用二、在浸膏剂生产中的应用 浸膏制剂是指药材用适宜的溶剂通过煎煮法或渗漉法浸出有效成分，低温下浓缩蒸去部分溶剂调整浓度至规定标准而制成的制剂。除了另有规定外，浸膏剂1g相当于25g原药材。浸膏剂不含或含少量的溶剂，故有效成分较稳定，除少量直接用于临床外，一般直接用于配制其他制剂如胶囊、丸剂、颗粒剂、片剂等。近年来，随着制剂技术的进步，我国各种传统内服剂型正逐渐被浸膏制剂所取代。传统的浸膏剂制备工艺所生产的制剂中常含有大量杂质，使得浸膏制剂存在崩解缓慢、服用量大等缺点。由于中药中有效成分的相对分子质量大多不超过1000，而无效成分如淀粉、多糖、蛋白质、树脂等杂质的相对分子质量均在1万以上，因此采用适当截留分子量的超滤膜就能将中药的有效成分与无效部分分离，从而提高了浸膏中有效成分的含量和药效。研究表明，采用超滤法制备的浸膏剂几乎达到与西药相同的崩解时限，浸膏体积缩小为原来的1315。第55页，共85页，编辑于2022年，星期三三、在中药有效成分分离中的应用三、在中药有效成分分离中的应用 中药的有效成分一般是指具有明确的化学结构式和物理特性常数的化学物质，而能够代表或部分代表原来中草药疗效的多组分混合物，常称为有效部位。中药的化学成分非常复杂，通常含有无机盐、生物碱、氨基酸和有机酸、酚类、酮类、皂苷、甾族和萜类化合物以及蛋白质、多糖、淀粉、纤维素等，其相对分子质量从几十到几百万。分子质量相对较高的胶体和纤维素是非药效成分或药效较低的成分，而药物有效部位的相对分子质量一般较小，仅有几百到几千。高相对分子质量物质的存在，不仅降低了中药有效部位的浓度，加大了服用剂量，而且也使中药容易吸潮变质，难以保存。因此有必要对中药的有效部位和有效成分进行分离和纯化。第56页，共85页，编辑于2022年，星期三 传统的提取方法大多首先采用有机溶剂初步萃取含中药有效成分的混合物，如石油醚或汽油可提出油脂、叶绿素、挥发油、游离甾体等亲脂性化合物；丙酮或乙醇可提出苷类、生物碱盐以及鞣质等极性化合物；水可提取氨基酸、糖类、无机盐等水溶性成分。得到的各个部分经活性测试确定有效部位后再通过层析、重结晶等分离技术对药效成分进一步精制。传统的做法存在以下几个方面的问题：大量使用有机溶剂提高了生产成本；提取过程复杂，技术要求苛刻，能耗高，生产周期长，特别是当被提取的有效成分含量较低时，分离就变得十分困难；非药效成分残留量高，浓缩率不够，口感差；分离过程常采用高温操作，从而会引起热敏性药效成分大量分解；过分注重单个组分的作用，使中药失去了原有的复方特色。膜分离技术是依据药效活性与其分子结构和分子量水平密切相关性，通过选用不同截留特性的膜组件构成膜分离系统对中药有效部位和有效成分进行分离和纯化，在一定程度上克服了传统工艺的不足。第57页，共85页，编辑于2022年，星期三四、在生物制剂中的应用四、在生物制剂中的应用 生物药物是泛指生物制品在内的利用生物体、生物组织或其成分进行加工、制造而成的一大类用于预防、诊断、治疗疾病的制品。发酵是通过现代工程技术在生物反应器中利用生物发酵生产目标产物的技术，是生物制药工业生产药品的重要手段。目前，除了生产各种抗生素外，还用于生产氨基酸类、核苷酸类、维生素类、激素类、医用酶类、免疫调节剂类等药物。生物药物在生产中的典型特点是：原料中活性成分含量低、杂质种类多且含量高；稳定性差，极易失活，操作和储存条件较苛刻。分离纯化是生物制药工艺中非常关键的步骤，直接关系到产品的安全性、效力和成本 膜分离技术在生物大分子的分离、浓缩和纯化已经得到了广泛的应用。主要体现在以下几个方面：发酵液澄清；细胞分离；酶、蛋白质的浓缩、精制；抗生素、多肽及氨基酸的精制、纯化；除菌和除热原。第58页，共85页，编辑于2022年，星期三 课外阅读一：液膜分离 液膜分离是一种新发展的膜分离技术，是新兴的节能型分离手段。液态膜通常是3-5m的液滴组成的膜。在液膜分离过程中,组分主要是依靠在互不相溶的两相间的选择性渗透、化学反应、萃取和吸附等机理而进行分离。这时欲分离组分从膜外相透过液膜进入内相而富集起来。第59页，共85页，编辑于2022年，星期三液膜类型液膜类型浸浸渍渍型型：以以多多孔孔高高分分子子膜膜作作为为支支架架,使使液液体体膜膜溶溶液液(有有机机溶溶剂剂)浸浸渍渍在在其其孔孔穴穴部部位位,并并在在内内外外相相均接触水溶液。均接触水溶液。W WW W内相内相 外相外相O O膜支架膜支架乳化型乳化型：将表面活性剂、添加剂将表面活性剂、添加剂及溶剂及溶剂(内相试剂内相试剂)的水溶液高速搅的水溶液高速搅拌拌(2000(2000转转/分钟分钟),),制成一个油包制成一个油包水水(W/O)(W/O)的乳状液的乳状液,然后再把这种乳然后再把这种乳状液加入到低速搅拌状液加入到低速搅拌(100(100转转/分钟分钟)的试液中的试液中,并使乳状液均匀分散在并使乳状液均匀分散在试液中试液中,结果形成水包油结果形成水包油,再包水再包水(W/O/W)(W/O/W)的多相乳浊液。的多相乳浊液。第60页，共85页，编辑于2022年，星期三液膜组成液膜组成 膜膜溶溶剂剂：有有机机溶溶剂剂或或水水,构构成成膜膜的的基体基体 表面活性剂：控制液膜的稳定性表面活性剂：控制液膜的稳定性 添添加加剂剂/流流动动载载体体：提提高高膜膜的的选选择择性性,实现分离传质的关键因素实现分离传质的关键因素第61页，共85页，编辑于2022年，星期三 表面活性剂表面活性剂 乳乳化化型型液液膜膜的的主主要要成成分分之之一一,它它可可以以控控制制液液膜膜的的稳稳定定性性。根根据据不不同同体体系系的的要要求求,可可以以选选择择适适当当的表面活性剂作成油膜或水膜。的表面活性剂作成油膜或水膜。膜溶剂膜溶剂 主要考虑液膜的稳定性和对溶质的溶解度。主要考虑液膜的稳定性和对溶质的溶解度。对对无无载载体体液液膜膜,膜膜溶溶剂剂能能优优先先溶溶解解欲欲分分离离组组分分,而而对对其其它它组组分分溶溶质质的的溶溶解解度度则则应应很很小小；对对有有载载体体液膜液膜,膜溶剂要能溶解载体膜溶剂要能溶解载体,而不溶解溶质。而不溶解溶质。第62页，共85页，编辑于2022年，星期三 流动载体流动载体 流动载体的条件：流动载体的条件：载载体体及及其其溶溶质质形形成成的的配配合合物物必必须须溶溶于于膜膜相相,而而不不溶溶于于膜膜的内外相的内外相,且不产生沉淀。且不产生沉淀。载载体体与与欲欲分分离离的的溶溶质质形形成成的的配配合合物物要要有有适适当当的的稳稳定定性性,在在膜膜的的外外侧侧生生成成的的配配合合物物能能在在膜膜中中扩扩散散,而而到到膜膜的内侧要能解络。的内侧要能解络。载载体体不不应应与与膜膜相相的的表表面面活活性性剂剂反反应应,以以免免降降低低膜膜的的稳稳定性。定性。添加剂添加剂/稳定剂稳定剂 分分离离过过程程一一般般要要求求液液膜膜要要有有一一定定的的稳稳定定性性,而而到到破破乳阶段又要求容易破碎乳阶段又要求容易破碎,便于回收处理。便于回收处理。第63页，共85页，编辑于2022年，星期三液膜分离原理及应用1.1.无载体液膜的分离机理无载体液膜的分离机理2.2.有载体液膜的分离机理有载体液膜的分离机理(a)(a)选择性渗透选择性渗透液膜液膜料料液液(b)(b)滴内化学反应滴内化学反应 R RC C液膜液膜料料液液C+RPC+RPR1液膜液膜料料液液(c)(c)膜中化学反应膜中化学反应C+R1 P1(d)(d)萃取和吸附萃取和吸附 液膜液膜料料液液液膜液膜料料液液第64页，共85页，编辑于2022年，星期三 无载体液膜的分离机理无载体液膜的分离机理 选选择择性性渗渗透透：分分离离物物在在液液膜膜中中的的溶溶解度差异解度差异 化化学学反反应应：为为提提高高富富集集的的效效果果,可可使使待待富富集集成成分分在在内内水水相相发发生生化化学学反反应应以降低其浓度以降低其浓度,促使迁移不断进行。促使迁移不断进行。萃取和吸附萃取和吸附第65页，共85页，编辑于2022年，星期三液膜法处理含酚废水液膜法处理含酚废水酚在油膜中有较大的溶解度,选择性地透过膜,渗透到膜内相生成酚钠。除酚后的废水即可排放。膜相和内水相过程乳浊液经破乳后,膜相可循环使用,而内水相另作处理。碱性水碱性水酸性含酚水酸性含酚水第66页，共85页，编辑于2022年，星期三2.2.有载体液膜的分离机理有载体液膜的分离机理“载体输送载体输送”A A A A+XAX+XAX载体膜内膜内膜外膜外 第67页，共85页，编辑于2022年，星期三 有载体液膜分离是靠加入的流动载体进行分离的。加入的流动载体与特定溶质或离子所生成的配合物必须溶于膜相,而不溶于邻接的两个溶液相。此载体在膜的一侧强烈地与特定离子配位,因而可以传递它。但在膜的另一侧只能很微弱地和特定溶质配位,因而可以释放它。这样,流动载体在膜内外两个界面之间来回地传递被迁移物质。反向迁移反向迁移 同相迁移同相迁移第68页，共85页，编辑于2022年，星期三反向迁移反向迁移 当当液液膜膜中中含含有有离离子子型型载载体体时时的的溶溶质质迁迁移移过过程程。由由于于液液膜膜两两侧侧要要求求电电中中型型,在在某某一一方方向向一一种种阳阳离离子子移移动动穿穿过过膜膜,必必须须由由相相反反方方向向的的另另一一种种阳阳离离子子迁迁移移来来平平衡衡,所所以以待待分分离离组组分分与与供供能能溶溶质质的的迁迁移移方方向向相相反反。这这种种迁迁移移称称为为反反向向迁移。迁移。外水相外水相 膜相膜相 内相内相(20%H(20%H2 2SOSO4 4)CuCu2+2+2R 2R-CuR CuR2 2 2H 2H+2H 2H+Cu Cu2+2+Cu Cu2+2+2RH 2R 2RH 2R-2H 2H+CuCu2+2+2H