第六章膜分离过程ppt课件.ppt

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1、n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1第六章第六章 膜分离膜分离n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程2生物分离过程的一般流程生物分离过程的一般流程原料液原料液细胞分离细胞分离(离心，过滤离心，过滤)细胞胞内产物细胞胞内产物细胞破碎细胞破碎碎片分离碎片分离清液胞外产物清液胞外产物粗分离粗分离(盐析、萃取、超过滤等盐析、萃取、超过滤等)纯化纯化(层析、电泳层析、电泳)脱盐脱盐(凝胶过滤、超过滤凝胶过滤、超过滤)浓缩浓缩(超过滤超过滤)精制精制(结晶

2、、干燥结晶、干燥)包含体包含体溶解溶解(加盐酸胍、脲加盐酸胍、脲)复性复性n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程3主要内容主要内容n6.0 6.0 概述概述n6.1 6.1 膜材料与膜的制造膜材料与膜的制造n6.2 6.2 表征膜性能的参数表征膜性能的参数n6.3 6.3 各种膜分离技术及各种膜分离技术及 分离机理分离机理n6.4 6.4 膜两侧溶液传递理膜两侧溶液传递理论论n6.5 6.5 影响膜过滤的各种影响膜过滤的各种因素因素n6.6 6.6 膜污染膜污染n6.7 6.7 膜过滤装置的型式膜过滤装置的型式及其适用范

3、围及其适用范围n6.8 6.8 操作方法操作方法n6.9 6.9 膜分离技术的应用膜分离技术的应用n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程46.0 概 述人类认识到膜的功能始于人类认识到膜的功能始于17481748年，但膜分离用于为人年，但膜分离用于为人类服务是近几十年的事。类服务是近几十年的事。19601960年年LoebLoeb和和SourirajanSourirajan首首次制备出具有高透水性和高脱盐率的次制备出具有高透水性和高脱盐率的不对称膜不对称膜，它是，它是膜分离技术发展的一个里程碑。膜分离技术发展的一个里程碑

4、。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程5膜分离技术膜分离技术n n概念：概念：概念：概念：用半透膜作为选择障碍层，用半透膜作为选择障碍层，利用膜的选利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，作为推动力，允许某些组分透过而保留混合物允许某些组分透过而保留混合物中其它组分，从而达到分离目的的技术。中其它组分，从而达到分离目的的技术。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程6n1925 年以来，

5、差不多每年以来，差不多每10年就有年就有1项新的项新的膜过程在工业上得到应用膜过程在工业上得到应用n30年代年代 微滤微滤n40年代年代 透析透析n50年代年代 电渗析电渗析n60年代年代 反渗透反渗透n70年代年代 超滤超滤 n80年代年代 纳滤纳滤n90年代年代 渗透汽化渗透汽化概概 述述n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程7膜分离的特点膜分离的特点n 操作在常温下进行；操作在常温下进行；n 是物理过程，不需加入化学试剂；是物理过程，不需加入化学试剂；n 不发生相变化（因而能耗较低）；不发生相变化（因而能耗较低）；

6、n 在很多情况下选择性较高；在很多情况下选择性较高；n 浓缩和纯化可在一个步骤内完成；浓缩和纯化可在一个步骤内完成；n 设备易放大，可以分批或连续操作。设备易放大，可以分批或连续操作。n因而在生物产品的处理中占有重要地位因而在生物产品的处理中占有重要地位概概 述述n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程8膜分离技术的重要性膜分离技术的重要性l膜膜分分离离技技术术兼兼具具分分离离、浓浓缩缩和和纯纯化化的的功功能能，又又有有使用简单、易于控制及高效、节能的特点使用简单、易于控制及高效、节能的特点l选选择择适适当当的的膜膜分分离

7、离技技术术，可可替替代代过过滤滤、沉沉淀淀、萃萃取、吸附取、吸附等多种等多种传统的分离与过滤方法。传统的分离与过滤方法。l膜膜分分离离技技术术得得到到各各国国重重视视：国国际际学学术术界界一一致致认认为为“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”。l膜膜分分离离技技术术在在短短短短的的时时间间迅迅速速发发展展起起来来，近近3030年年膜膜分分离离技技术术,已已广广泛泛用用于于食食品品、医医药药、化化工工及及水水处处理理等等各各个个领领域域。产产生生了了巨巨大大的的经经济济效效益益和和社社会会效效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。益，已成为当今分离科学中

8、最重要的手段之一。概概 述述n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程9膜的分类膜的分类n n按按按按孔孔孔孔径径径径大大大大小小小小：微微微微滤滤滤滤膜膜膜膜、超超超超滤滤滤滤膜膜膜膜、反反反反渗渗渗渗透透透透膜膜膜膜、纳纳纳纳滤膜滤膜滤膜滤膜n n按膜结构：按膜结构：按膜结构：按膜结构：对称性膜、不对称膜、对称性膜、不对称膜、对称性膜、不对称膜、对称性膜、不对称膜、复合膜复合膜复合膜复合膜n n按材料分：按材料分：按材料分：按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜合成有机聚合物膜、无机材料膜合成有机聚合物膜、无机材料膜合成

9、有机聚合物膜、无机材料膜n多多孔孔膜膜与与致致密密膜膜：前前者者微微微微滤滤滤滤膜膜膜膜、超超超超滤滤滤滤膜膜膜膜、纳纳纳纳滤滤滤滤膜，后者反渗透膜、渗透蒸发膜膜，后者反渗透膜、渗透蒸发膜膜，后者反渗透膜、渗透蒸发膜膜，后者反渗透膜、渗透蒸发膜概概 述述n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程10常见膜分离方法常见膜分离方法n按分离粒子大小分类：按分离粒子大小分类：透析（透析（DialysisDialysis，DSDS）微滤（微滤（MicrofiltrationMicrofiltration，MFMF）超滤（超滤（Ultr

10、afiltrationUltrafiltration，UFUF）纳滤（纳滤（NanofiltrationNanofiltration，NFNF）反渗透（反渗透（Reverse osmosisReverse osmosis，RORO）电渗析（电渗析（ElectrodialysisElectrodialysis，EDED）渗透气化（渗透气化（PervaporationPervaporation，PVPV）概述概述n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程11截留分子量：截留分子量：微滤微滤 0.0210m透析透析 3000 Da

11、lton 几万几万Dalton超滤超滤 50 nm100 nm或或500050万万 Dalton纳滤纳滤 2001000 Dalton或或1 nm反渗透反渗透 200 Daltonn病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程12膜分离法与物质大小（直径）的关系膜分离法与物质大小（直径）的关系概述概述RONFUFMFFn病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程136.1 膜材料与膜的制造n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部

12、位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程14膜材料的特性膜材料的特性n n对于不同种类的膜都有一个基本要求：对于不同种类的膜都有一个基本要求：对于不同种类的膜都有一个基本要求：对于不同种类的膜都有一个基本要求：耐耐压压：膜膜孔孔径径小小，要要保保持持高高通通量量就就必必须须施施加加较较高高的的压压力力，一一般般模模操操作作的的压压力力范范围围在在0.10.5MPa，反反渗渗透透膜膜的的压压力力更更高高，约约为为110MPa耐高温耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要高通量带来的温度升高和清洗的需要n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度

13、的病理生理过程15耐耐酸酸碱碱：防防止止分分离离过过程程中中，以以及及清清洗洗过过程中的水解；程中的水解；化学相容性：化学相容性：保持膜的稳定性；保持膜的稳定性；生物相容性：生物相容性：防止生物大分子的变性；防止生物大分子的变性；成本低；成本低；n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程16（一）膜材料按材料分按材料分n天然高分子膜天然高分子膜n合成有机聚合物膜合成有机聚合物膜n无机材料膜无机材料膜n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程17天然高分子膜

14、天然高分子膜 n醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维素醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维素等。等。n其其中中醋醋酸酸纤纤维维膜膜截截盐盐能能力力强强，常常用用作作反反渗渗透透膜膜，也可用作微滤膜和超滤膜。也可用作微滤膜和超滤膜。n它它的的最最高高使使用用温温度度和和pHpH范范围围有有限限，一一般般使使用用温温度度低于低于45455050，pH3pH38 8。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程18醋酸纤维特点：醋酸纤维特点：n透过速度大透过速度大n截留盐的能力强截留盐的能力强n易于制备易于制备n来源丰富来源丰富n不耐温（不耐温（3

15、0）npH 范围窄，清洗困难范围窄，清洗困难n与氯作用，寿命降低与氯作用，寿命降低n微生物侵袭微生物侵袭n适合作反渗透膜适合作反渗透膜n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程19合成高分子膜合成高分子膜n聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯腈、聚烯类以聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯腈、聚烯类以及含氟聚合物等。及含氟聚合物等。按材料种类：按材料种类：n 任何纤维素酯类任何纤维素酯类-纤维素酯膜纤维素酯膜n 缩合系聚合物（聚砜类）缩合系聚合物（聚砜类）n 聚烯烃及其共聚物聚烯烃及其共聚物n 脂肪族或芳香族聚酰胺类聚合物脂肪族或芳香族

16、聚酰胺类聚合物n 全氟磺酸共聚物或全氟羧酸共聚物全氟磺酸共聚物或全氟羧酸共聚物n 聚碳酸酯聚碳酸酯n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程20聚砜膜的特点n（1 1）温度范围广）温度范围广n（2 2）pH pH 范围广范围广n（3 3）耐氯能力强）耐氯能力强n（4 4）孔径范围宽）孔径范围宽n（5)5)操作压力低操作压力低n（6 6）适合作超滤膜）适合作超滤膜n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程21芳香聚酰胺类芳香聚酰胺类u聚酰胺含有酰胺基团（聚酰

17、胺含有酰胺基团（-CO-NH-CO-NH-）,亲水性好亲水性好,且其机械稳定性、且其机械稳定性、热稳定性及水解稳定性均很好热稳定性及水解稳定性均很好,是最典型的反渗透膜材料之一，是最典型的反渗透膜材料之一，但同样不耐氯但同样不耐氯u与醋酸纤维素反渗透膜相比与醋酸纤维素反渗透膜相比,它具有脱盐率高、通量大、操作它具有脱盐率高、通量大、操作压力要求低、压力要求低、pH pH 范围广范围广4-114-11n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程22无机材料膜无机材料膜n主要有主要有陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素陶瓷、微孔玻璃、不锈

18、钢和碳素等。等。n目前实用化的无机膜主要是孔径目前实用化的无机膜主要是孔径0.1 0.1 mm以上的微以上的微滤膜和截留相对分子质量滤膜和截留相对分子质量10 kD10 kD以上的超滤膜，其以上的超滤膜，其中以陶瓷材料的微滤膜最为常用。中以陶瓷材料的微滤膜最为常用。n多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛多孔陶瓷膜主要利用氧化铝、硅胶、氧化锆和钛等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向不对称。等陶瓷微粒烧结而成，膜厚方向不对称。n无机膜的特点是无机膜的特点是机械强度高，耐高温、耐化学试机械强度高，耐高温、耐化学试剂和耐有机溶剂，但缺点是不易加工，造价较高。剂和耐有机溶剂，但缺点是不易加工，造价较高。n

19、病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程23膜材料膜材料 -不同的膜分离技术不同的膜分离技术n透析：透析：醋酸纤维、聚丙烯腈、聚酰胺、醋酸纤维、聚丙烯腈、聚酰胺、n微滤膜：微滤膜：硝酸硝酸/醋酸纤维，聚氟乙烯，聚丙烯，醋酸纤维，聚氟乙烯，聚丙烯，n超滤膜：超滤膜：聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维n反渗透膜反渗透膜 ：醋酸纤维素衍生物，聚酰胺醋酸纤维素衍生物，聚酰胺n纳滤膜：纳滤膜：聚电解质聚电解质+聚酰胺、聚醚砜聚酰胺、聚醚砜n电渗析：电渗析：离子交换树脂离子交换树脂n渗透蒸发：渗透蒸发：弹性态或玻璃态聚合物

20、弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚乙聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺烯醇、聚丙稀酰胺n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程24(二）膜的制造膜的制造n要求：要求：n（1 1）透过速度）透过速度n（2 2）选择性）选择性n（3 3）机械强度机械强度n（4 4）稳定性稳定性n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程25相转变制膜相转变制膜n不不 对对 称称 膜膜 通通 常常 用用 相相 转转 变变 法法(phase(phase inversion inver

21、sion method)method)制造，其步骤如下：制造，其步骤如下：n1 1 将高聚物溶于一种溶剂中；将高聚物溶于一种溶剂中；n2 2 将得到溶液浇注成薄膜；将得到溶液浇注成薄膜；n3 3 将将薄薄膜膜浸浸入入沉沉淀淀剂剂（通通常常为为水水或或水水溶溶液液）中中，均均匀匀的的高高聚聚物物溶溶液液分分离离成成两两相相，一一相相为为富富含含高高聚聚物物的的凝凝胶胶，形形成成膜膜的的骨骨架架，而而另另一一相相为为富富含含溶溶剂剂的液相，形成膜中空隙。的液相，形成膜中空隙。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程26n病原体

22、侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程27 6.2 表征膜性能的参数n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程28表征膜性能的参数表征膜性能的参数n截断分子量截断分子量n水通量水通量n孔的特征孔的特征npHpH适用范围适用范围n抗压能力抗压能力n对热和溶剂的稳定性等对热和溶剂的稳定性等制造商通常提供这些数据制造商通常提供这些数据n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程29 1.1.截留率和

23、截断分子量截留率和截断分子量n 膜对溶质的截留能力以截留率膜对溶质的截留能力以截留率R R（rejectionrejection）来表示，其定义为来表示，其定义为n R R1 1 CpCpCb Cb n式中式中CpCp和和CbCb分别表示在某一瞬间，透过液分别表示在某一瞬间，透过液（PermeatePermeate）和截留液的浓度。）和截留液的浓度。n如如R R1 1，则，则CpCp0 0，表示溶质全部被截留；，表示溶质全部被截留；n如如R R0 0，则，则CpCp CbCb，表示溶质能自由透过膜。，表示溶质能自由透过膜。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定

24、部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程30截截断断曲曲线线得到的截留率与分子量之间的关系称为得到的截留率与分子量之间的关系称为截断曲线截断曲线。质质量量好好的的膜膜应应有有陡陡直直的的截截断断曲曲线线,可可使使不不同同分分子子量量的的溶溶质质分离完全；反之，斜坦的截断曲线会导致分离不完全。分离完全；反之，斜坦的截断曲线会导致分离不完全。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程311.分子形状分子形状:线形分子低于球行分子，线性分线形分子低于球行分子，线性分子易透过。子易透过。2.吸附作用：吸附作用：膜的吸附作用影响很大，

25、溶质吸膜的吸附作用影响很大，溶质吸附于膜孔壁上，降低膜孔有效直径。附于膜孔壁上，降低膜孔有效直径。3.其他高分子溶质的影响：其他高分子溶质的影响：如料液存在两种高如料液存在两种高分子溶质，其截留率不同于单独存在的截留分子溶质，其截留率不同于单独存在的截留率。率。4.温度，温度，pH都会有影响都会有影响.影响截留率的因素影响截留率的因素n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程32MWCO与孔径MWCO（球状蛋白质）（球状蛋白质）近似孔径（近似孔径（nm)1000210 0005100 000121000 00029截截断断分

26、分子子量量:（molecular weight cut-off，MWCO）相相当当于于一一定定截截留留率率(通通常常为为90或或95)的的分分子子量量，随随厂厂商商而异。由截断分子量按可估计孔道大小。而异。由截断分子量按可估计孔道大小。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程33水通量：水通量：纯水在一定压力，温度纯水在一定压力，温度(0.35MPa(0.35MPa，25)25)下试下试 验，透过水的速度验，透过水的速度L/hL/h m m2 2。JW =W/A tuuWW透水量，透水量，透水量，透水量，A A膜的有效面积

27、，膜的有效面积，膜的有效面积，膜的有效面积，t t时间时间时间时间p同类膜，孔径同类膜，孔径，水通量，水通量JwJw。p水通量水通量J Jw w不能代表处理大分子料液的透过速度，因为不能代表处理大分子料液的透过速度，因为大分子溶质会沉积在膜表面，使滤速下降（约为纯水大分子溶质会沉积在膜表面，使滤速下降（约为纯水通量的通量的10%10%）;p由由JwJw的数值可了解膜是否污染和清洗是否彻底的数值可了解膜是否污染和清洗是否彻底。2.2.水通量水通量n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程343 孔道特征孔道特征n包括包括孔径，

28、孔径分布和孔隙度孔径，孔径分布和孔隙度。n孔径：孔径：最大孔径和平均孔径。最大孔径和平均孔径。n孔径分布：孔径分布：膜中一定大小的孔的体积占整个孔体膜中一定大小的孔的体积占整个孔体积的百分数；积的百分数；n孔径分布窄比宽好孔径分布窄比宽好n孔隙度：孔隙度：指整个膜中的孔所占的体积百分数。指整个膜中的孔所占的体积百分数。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程35 4 膜的使用寿命(1)(1)膜的压密作用膜的压密作用 n在在压压力力作作用用下下，膜膜的的水水通通量量随随运运行行时时间间延延长长而而逐逐渐渐降降低低。膜膜外外观

29、观厚厚度度减减少少1/2-1/31/2-1/3，膜膜由由半半透透明明变变为为透透明明。表表明明膜膜的的内内部部结结构构发发生生了了变变化化。与与高高分分子材料可塑性有关。子材料可塑性有关。n引起压密的主要因素是：引起压密的主要因素是：操作压力，温度操作压力，温度n控制压密现象，要控制操作控制压密现象，要控制操作压力和温度压力和温度n支持层选用耐压高温度材料支持层选用耐压高温度材料n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程36(2)(2)膜的水解作用膜的水解作用 n醋醋酸酸纤纤维维素素是是有有机机酯酯类类化化合合物物，乙乙酰酰

30、基基以以酯酯的的形形式式结结合合在在纤纤维维素素分分子子中中，比比较较容容易易水水解解，特特别别是是在在酸酸碱碱较较强强的的溶溶液液中中，水水解解速速度度较较快快。水水解解结结果果是乙酸基脱掉，截留率降低。是乙酸基脱掉，截留率降低。n控制进料控制进料 ，pH pH 和温度。和温度。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程37(3)(3)膜的浓差极化膜的浓差极化 n提高了渗透压，降低了水通量。提高了渗透压，降低了水通量。n降低膜的截留率。降低膜的截留率。n产生结垢现象，造成物理堵塞，使膜失去透水能产生结垢现象，造成物理堵塞，

31、使膜失去透水能力。力。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程386.3 各种膜分离技术及分离机理n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程39微滤、超滤、纳滤、反渗透相同点：微滤、超滤、纳滤、反渗透相同点：以膜两侧压力差为推动力；以膜两侧压力差为推动力；按体积大小而分离；按体积大小而分离；膜的制膜的制造方法、结构和操作方式都类似。造方法、结构和操作方式都类似。微滤、超滤、纳滤、反渗透区别：微滤、超滤、纳滤、反渗透区别：膜孔径：膜孔径：微滤微滤0.1-1

32、00.1-10 m m 超滤超滤0.01-0.1 0.01-0.1 m m 纳滤纳滤0.001-0.001-0.010.01 m m 反渗透反渗透 小于小于0.0010.001 m m分离粒子：分离粒子：微滤截留固体悬浮粒子，固液分离过程；超滤、微滤截留固体悬浮粒子，固液分离过程；超滤、纳滤、反渗透为分子级水平的分离；纳滤、反渗透为分子级水平的分离；分理机理：分理机理：微滤、超滤和纳滤为截留机理，筛分作用；反渗微滤、超滤和纳滤为截留机理，筛分作用；反渗透机理是渗透现象的逆过程透机理是渗透现象的逆过程压差：压差：微滤、超滤和纳滤压力差不需很大微滤、超滤和纳滤压力差不需很大0.1-0.6 MPa0

33、.1-0.6 MPan病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程401 透透 析析n利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜，将含有的亲水膜，将含有高分子溶质高分子溶质和其它和其它小分子溶小分子溶质质的溶液与水溶液或缓冲液分隔；由于膜两侧的溶液与水溶液或缓冲液分隔；由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，高分子溶的溶质浓度不同，在浓差的作用下，高分子溶液中的小分子溶质（如无机盐）液中的小分子溶质（如无机盐）透过膜透向透透过膜透向透析液析液，水则透向高分子溶液，这就是透析。，水则

34、透向高分子溶液，这就是透析。n透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的形式移动。的形式移动。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程41透析原理图透析原理图水分子水分子大分子大分子小分子小分子透析膜透析膜n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程42n是基于是基于分子大小分子大小，分子构象分子构象与与电荷电荷，以，以浓度梯度为浓度梯度为推动力推动力，通过水与小分子扩散达到分离目的。，通过水与小分子扩散达到分离目的

35、。n根据所用膜孔径不同可分离浓缩大分子，而去除中根据所用膜孔径不同可分离浓缩大分子，而去除中等分子、小分子有机物和无机盐。等分子、小分子有机物和无机盐。n缺点：缺点：慢，处理量小；且溶质被稀释。慢，处理量小；且溶质被稀释。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程43A:A:用于透析膜的高聚物应具有以下特点用于透析膜的高聚物应具有以下特点n(1)(1)在在使使用用的的溶溶剂剂介介质质中中能能形形成成具具有有一一定定孔孔径径的的分分子子筛筛样样薄薄膜膜。具具有有亲亲水水性性，它它只只允允许许小小分分子子溶溶质质通过而阻止大分子

36、溶质通过。通过而阻止大分子溶质通过。n(2)(2)在化学上呈惰性。在化学上呈惰性。n(3)(3)有有良良好好的的物物理理性性能能（强强度度和和柔柔韧韧性性，能能再再生生，便于多次重复使用）。便于多次重复使用）。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程44B:B:常见的透析膜常见的透析膜n禽禽类类嗉嗉囊囊、兽兽类类的的膀膀胱胱、羊羊皮皮纸纸、玻玻璃璃纸纸、硝硝化化纤维薄膜等都可用于透析。纤维薄膜等都可用于透析。n日日常常使使用用的的透透析析膜膜可可以以从从市市售售的的玻玻璃璃纸纸（如如赛赛珞珞玢玢）中中进进行行筛筛选选，也也

37、可可以以用用硝硝酸酸纤纤维维或或醋醋酸酸纤纤维维自制。自制。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程45透析法的应用u常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之类的小分子杂质，原剂之类的小分子杂质，u有时也用于置换样品缓冲液。有时也用于置换样品缓冲液。u由于透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量由于透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量很小，不适于大规模生物分离过程、但在实验室很小，不适于大规模生物分离过程、但在实验室中应用较多。中应用较多。u透析法在临床上常用于肾衰竭患者的

38、血液透析。透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程46蛋白质、无机盐蛋白质、无机盐 无机盐无机盐缓冲液缓冲液n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程47 透析袋透析透析袋透析 旋转透析器简图旋转透析器简图 连续透析器示意图连续透析器示意图n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程482.2.微微 滤滤以多孔薄膜为过滤介质，以多孔薄膜为过滤介质

39、，压力差压力差为推动力，利用为推动力，利用筛分原理使不溶性粒子（筛分原理使不溶性粒子（0.1-10 m）得以分离）得以分离的操作。操作压力的操作。操作压力0.05-0.5 MPa。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程49n微滤微滤 微滤是一种从悬浮液中分离固形成分的方微滤是一种从悬浮液中分离固形成分的方法，是根据料液中的法，是根据料液中的固形成分固形成分与溶液溶质与溶液溶质在在尺寸上的差异尺寸上的差异进行分离的方法进行分离的方法 n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起

40、不同程度的病理生理过程50n微微滤滤通通常常采采用用孔孔径径为为0.0210微微米米的的微微孔孔膜膜进进行行，其其可可截截留留直直径径0.01-10微微米米的的固固体体粒粒子子或或分分子子量量大大于于1000 kDa的的高高分分子子物物质质。料料液液在在压压差差作作用用下下流流经经微微滤滤膜膜，料料液液中中的的溶溶剂剂和和溶溶质质分分子子透透过过微微孔孔形形成成透透过过液液；而而尺尺寸寸大大于于膜膜孔孔的的固固形形成成分分则则被被截截留留，从而实现料液中固形成分与溶液的分离。从而实现料液中固形成分与溶液的分离。n微微滤滤膜膜对对微微粒粒的的截截留留也也是是基基于于筛筛分分作作用用，其其膜膜的的

41、分分离离效效果果是是膜膜的的物物理理结结构构，孔孔的的形形状状和和大大小小所所决决定。定。n操作压力差一般为操作压力差一般为0.010.2MPa。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程51n微滤应用微滤应用1)除去水除去水/溶液中的细菌和其它微粒；溶液中的细菌和其它微粒；2)除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白质等多除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白质等多种溶液中的菌体；种溶液中的菌体；3)除去饮料、酒类、酱油、醋等食品中的悬浊物、除去饮料、酒类、酱油、醋等食品中的悬浊物、微生物和异味杂质。微生物和异味杂质。n病原体侵入机

42、体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程523.3.超超 滤滤是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体中溶质是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体中溶质进行分离的物理筛分过程。其截断分子量一般为进行分离的物理筛分过程。其截断分子量一般为6000到到 50万，孔径为几十万，孔径为几十nm，操作压，操作压0.2-0.6MPa。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程53定义定义n超滤超滤 超滤是根据高分子溶质之间或高分子与小超滤是根据高分子溶质之间或高分子与小分子

43、溶质之间分子溶质之间分子量的差别分子量的差别进行分离的方进行分离的方法法。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程54n超超滤滤膜膜一一般般为为非非对对称称膜膜，具具有有较较小小的的孔孔径径（约约为为1一一20 nm），能能够够截截留留分分子子量量为为0.5kDa以以上上的的溶溶质质分分子子或或生生物物大大分分子子。料料液液在在压压力力差差作作用用下下，其其中中溶溶剂剂透透过过膜膜上上的的微微孔孔形形成成透透过过液液；而而大大分分子子溶溶质质则则被被截截留留，从从而而实实现现料料液液中中大大分分子子溶溶质质和和溶溶剂剂间间

44、的分离。的分离。n超超滤滤膜膜对对溶溶质质的的截截留留机机理理主主要要是是筛筛分分作作用用，超超滤滤膜膜的的膜膜孔孔大大小小和和形形状状决决定定超超滤滤膜膜的的截截留留效效果果。除除此此以以外外，溶溶质质大大分分子子在在膜膜表表面面和和孔孔道道内内的的吸吸附附和和滞留也具有截留溶质大分子的作用。滞留也具有截留溶质大分子的作用。n超滤所用操作压差在超滤所用操作压差在0.11.0 MPa之间。之间。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程55蛋白酶液蛋白酶液恒流泵恒流泵平板式平板式超滤膜超滤膜 P出出背压阀背压阀超滤过程示意图

45、：超滤过程示意图：P进进透出液透出液截留液截留液当溶液体系经由水泵进入超滤器时，在滤器内的超滤膜表面发生当溶液体系经由水泵进入超滤器时，在滤器内的超滤膜表面发生分离，溶剂（水）和其它小分子量溶质透过具有不对称微孔结构分离，溶剂（水）和其它小分子量溶质透过具有不对称微孔结构的滤膜，大分子溶质和微粒（如蛋白质、病毒、细菌、胶体等）的滤膜，大分子溶质和微粒（如蛋白质、病毒、细菌、胶体等）被滤膜阻留，从而达到分离、提纯和浓缩产品的目的。被滤膜阻留，从而达到分离、提纯和浓缩产品的目的。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程56n优

46、优点点:操操作作简简便便，成成本本低低廉廉，不不加加任任何何化化学学试试剂剂，条条件件温温和和，与与蒸蒸发发、冰冰冻冻干干燥燥相相比比没没有有相相的的变变化化，不不引引起起温温度度、pHpH的的变变化化，因因而而可可以以防防止止生生物物大大分分子的变性、失活和自溶。子的变性、失活和自溶。n在在生生物物大大分分子子的的制制备备技技术术中中，超超滤滤主主要要用用于于生生物物大分子的脱盐、脱水和浓缩等。大分子的脱盐、脱水和浓缩等。n局局限限性性:不不能能直直接接得得到到干干粉粉制制剂剂。对对蛋蛋白白质质溶溶液液，一般只能得到一般只能得到10105050的浓度。的浓度。n病原体侵入机体，消弱机体防御机

47、能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程57超滤应用超滤应用n超滤从超滤从7070年代起步，年代起步，9090年代获得广泛应用年代获得广泛应用,已成为应用领域最广的技术。已成为应用领域最广的技术。u蛋白、酶、蛋白、酶、DNADNA的浓缩的浓缩u脱盐脱盐/纯化纯化u梯度分离（相差梯度分离（相差1010倍）倍）u清洗细胞、纯化病毒清洗细胞、纯化病毒u除病毒、热源除病毒、热源n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程58超滤和微滤的特点超滤和微滤的特点n1.1.超超滤滤和和微微滤滤都都是是利

48、利用用膜膜的的筛筛分分作作用用，以以压压差差为为推推动力；动力；n2.与与反反渗渗透透膜膜相相比比，超超滤滤和和微微滤滤膜膜具具有有明明显显的的孔孔道结构；道结构；n3.操操作作压压力力较较反反渗渗透透操操作作低低，超超滤滤操操作作压压力力在在0.11.0 MPa，微微滤滤操操作作压压力力更更小小（0.05 0.5 MPa）；）；n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程59微滤和超滤的分离机理微滤和超滤的分离机理n一般认为是简单的筛分过程，一般认为是简单的筛分过程，大于膜表面毛细孔的分子被截大于膜表面毛细孔的分子被截留，相

49、反，较小的分子则能透留，相反，较小的分子则能透过膜。过膜。n毛细管流动模型：毛细管流动模型：膜是多膜是多孔性的，膜内有很多孔道。水孔性的，膜内有很多孔道。水以滞流方式在孔道内流动，以滞流方式在孔道内流动，n因而水通量服从因而水通量服从Hagen-Hagen-PoiseuillePoiseuille方程式；方程式；JvJv水通量；水通量；膜的孔隙度；膜的孔隙度；d d 圆柱形孔道的直径；圆柱形孔道的直径；L L 膜的有效厚度；膜的有效厚度；pp膜两侧压力差；膜两侧压力差；滤液的粘度。滤液的粘度。n病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病

50、理生理过程60n由由于于膜膜的的孔孔道道结结构构复复杂杂，孔孔径径不不均均匀匀，并并且且有有些些孔孔 道道 还还 可可 能能 是是 一一 端端 封封 闭闭 的的，所所 以以，Hagen-Hagen-PoiseuillePoiseuille方方程程与与实实际际的的超超滤滤或或微微滤滤过过程程差差距距较较大大。适适用用于于固固定定床床内内流流体体通通量量与与压压降降关关系系的的Kozeny-CarmanKozeny-Carman方方程程与与实实际际的的超超滤滤或或微微滤滤过过程程更更接接近。适用于膜通量的近。适用于膜通量的Kozeny-CarmanKozeny-Carman方程为方程为n式中，K为