Chapter_4_生物分离--膜分离.ppt

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1、Chapter_4_生物分离-膜分离 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望本章教学目的与要求本章教学目的与要求l（1 1）掌握）掌握膜分离膜分离的概念、熟悉的概念、熟悉膜的功能、膜膜的功能、膜分离技术的特点分离技术的特点l（2 2）掌握）掌握超滤、微滤、透析、反渗透超滤、微滤、透析、反渗透等主要等主要膜分离技术的原理、特点、分离操作和应用；膜分离技术的原理、特点、分离操作和应用；l（3 3）了解渗透汽化、电渗析等的定义）了解渗透汽化、电渗析等的定义 l（

2、4 4）熟悉各种）熟悉各种商品化膜组件商品化膜组件 l（5 5）熟悉膜分离技术的）熟悉膜分离技术的应用应用膜膜料液料液水水小分子小分子大分子大分子透过液透过液膜分离：膜分离：以选择性透过特以选择性透过特性的膜为分离介质，通过性的膜为分离介质，通过在膜两边施加一个在膜两边施加一个推动力推动力（如浓度差、压力差或电（如浓度差、压力差或电位差等）位差等）时，使料液侧组时，使料液侧组分分选择性地透过膜选择性地透过膜，以达，以达到分离提纯的目的到分离提纯的目的.膜技术简介膜技术简介膜的概念膜的概念l在一种流体相或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相在一种流体相或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相物质，把流

3、体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。为膜。膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体体被膜分开的流体相物质是液体或气体被膜分开的流体相物质是液体或气体膜的厚度应在膜的厚度应在0.5mm0.5mm以下，否则不能称其为膜以下，否则不能称其为膜l膜的功能膜的功能：物质的识别与透过；（分离的内在因素）物质的识别与透过；（分离的内在因素）相界面；（透过液与料液被分为互不混合的两相界面；（透过液与料液被分为互不混合的两相）相）反应场（膜表面及孔内表面的功能基团）。反应场（膜表面及孔内表面的功能基团）

4、。生物分离中的膜分离法主要是利用了膜对物质生物分离中的膜分离法主要是利用了膜对物质的识别与透过功能的识别与透过功能.膜的发展历史膜的发展历史第一节第一节 各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理膜分离过程的本质膜分离过程的本质l膜分离过程的实质是膜分离过程的实质是物质透过或被截留物质透过或被截留于膜的过程于膜的过程，近似于，近似于筛分过程筛分过程，依据，依据滤滤膜孔径大小膜孔径大小而达到物质分离的目的而达到物质分离的目的.膜筛分分离机理膜分离技术的类型膜分离技术的类型生物分离中最常用的膜分离技术：超滤、微滤和反渗透、透析。生物分离中最常用的膜分离技术：超滤、微滤和反渗透、透析。生物分离中最常用的膜

5、分离技术：超滤、微滤和反渗透、透析。生物分离中最常用的膜分离技术：超滤、微滤和反渗透、透析。0.5nm离子、分子量离子、分子量100的有机物的有机物0.11 nm离子、分子量离子、分子量100的有机物的有机物nm离子、分子量离子、分子量100-1000的有机物的有机物0.0010.05m10001000,000Da的大分子的大分子0.02514m0.0510m的固体粒子的固体粒子10um固体粒子固体粒子孔径孔径分离对象分离对象溶解扩散溶解扩散渗透蒸发渗透蒸发筛分筛分反渗透反渗透筛分筛分纳滤纳滤筛分筛分超滤超滤筛分筛分微滤微滤筛分筛分粒子过滤粒子过滤分离机理分离机理分离过程分离过程各种膜分离范围

6、各种膜分离范围一、反渗透一、反渗透(reverse osmosis,RO)reverse osmosis,RO)l渗透和渗透压渗透和渗透压：渗透渗透：膜膜（可透过溶剂可透过溶剂,不能透过不能透过溶质溶质）两侧压力相等时，在浓度）两侧压力相等时，在浓度差作用下，差作用下，溶剂溶剂从溶质浓度低的从溶质浓度低的一侧向溶质浓度高的一侧透过一侧向溶质浓度高的一侧透过的的现象，称为现象，称为渗透（渗透（a）。渗透压渗透压：渗透现象中，促使水分：渗透现象中，促使水分子透过的子透过的推动力推动力。渗透平衡渗透平衡：随着水的：随着水的渗透，高浓度水溶液渗透，高浓度水溶液一侧的液面升高，压一侧的液面升高，压力增大

7、，力增大，当当两侧的压两侧的压差等于渗透压差等于渗透压时，处时，处于于渗透平衡状态渗透平衡状态（）（）l反渗透反渗透(RO)(RO)：定义：在定义：在溶质浓度高的一溶质浓度高的一侧施加超侧施加超过渗透压的压力过渗透压的压力，使使溶剂透过膜溶剂透过膜的操作，为的操作，为反渗透（反渗透（c)c)。RORO膜膜无明显的孔道结构无明显的孔道结构，透过机理尚不十分清楚，透过机理尚不十分清楚，多以溶解扩散模型解释多以溶解扩散模型解释反渗透示意图反渗透示意图水分子水分子离子离子大分子大分子颗粒与胶颗粒与胶反渗透的特点：反渗透的特点：l压力差压力差：操作压力大，操作压力大，0.1-10Mpal透透过过物物：水

8、、溶：水、溶剂剂l截留物截留物：溶：溶质质、盐盐l适用于适用于1nm以下小分子（以下小分子（盐盐、氨基酸、糖）的、氨基酸、糖）的浓缩浓缩l1）海水和苦咸水的淡化）海水和苦咸水的淡化l2）纯水和超纯水的制备）纯水和超纯水的制备l3）饮用水的净化）饮用水的净化l4）医药、食品、化工等工业料液的处理和浓）医药、食品、化工等工业料液的处理和浓缩缩l5）废水处理）废水处理反渗透的应用领域：反渗透的应用领域：二、超滤二、超滤(UF)和微滤和微滤(MF)lUFUF膜和膜和MFMF膜膜有明显的孔道结构有明显的孔道结构l传质推动力：压力差传质推动力：压力差l透过机理：根据膜孔径的大小进行筛分透过机理：根据膜孔径

9、的大小进行筛分l主要用于主要用于截留高分子溶质或固体微粒截留高分子溶质或固体微粒不对称聚合物超滤膜不对称聚合物超滤膜陶瓷微滤膜陶瓷微滤膜l微滤微滤(MF)(MF)膜孔径较大膜孔径较大，0.05-10um0.05-10um，适用于适用于悬浮液悬浮液（菌体细胞、菌体细胞、胶体颗粒和悬浮微粒子胶体颗粒和悬浮微粒子）的分离，截留物粒径：的分离，截留物粒径：0.1-100.1-10um；操作压力操作压力：比：比UFUF小，小，0.05-0.05-0.5MPa0.5MPa。膜两侧渗透压可。膜两侧渗透压可忽略，甚至可在常压下操忽略，甚至可在常压下操作。作。l超滤超滤(UF)(UF)定义定义：根据高分子溶质之

10、间或高：根据高分子溶质之间或高分子与小分子溶质之间相对分子分子与小分子溶质之间相对分子量的差别进行分离的方法量的差别进行分离的方法膜孔径膜孔径：0.001-0.05um0.001-0.05um，比比MFMF膜小膜小。适用范围适用范围：处理：处理不含固形成不含固形成分料液分料液，分离或浓缩，分离或浓缩1-50nm1-50nm的生物大分子（蛋白、酶等）的生物大分子（蛋白、酶等）操作压力：操作压力：膜两侧渗透压较膜两侧渗透压较小，小，操作压力较操作压力较反渗透反渗透低，低，0.1-1.0MPa0.1-1.0MPa，但较，但较MFMF高高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

11、补充：纳滤补充：纳滤（nanofiltration,NF）1.1.纳滤膜的特点纳滤膜的特点纳滤膜孔径为纳米级，介于纳滤膜孔径为纳米级，介于反渗透膜反渗透膜(RO)(RO)和超滤膜和超滤膜(UF)(UF)之之间间，因此称为，因此称为“纳滤纳滤”。纳滤膜的表层较纳滤膜的表层较RORO膜的表层要疏松得多，但较膜的表层要疏松得多，但较UFUF膜的要致膜的要致密得多密得多.主要用于截留分子量为主要用于截留分子量为100-1000100-1000左右的物质，可以左右的物质，可以使一价使一价盐和小分子物质透过盐和小分子物质透过.具有较小的操作压力（具有较小的操作压力（0.50.51.5MPa1.5MPa）。

12、）。2.纳滤的应用领域纳滤的应用领域海水及苦咸水的淡化；海水及苦咸水的淡化；原水处理及高纯水制备；原水处理及高纯水制备；在食品行业中，纳滤膜可用于果汁生产，大大节能；在食品行业中，纳滤膜可用于果汁生产，大大节能；在医药行业可用于氨基酸生产、抗生素回收等方面；在医药行业可用于氨基酸生产、抗生素回收等方面；微滤、超滤、纳滤和反渗透微滤、超滤、纳滤和反渗透（如细胞、颗粒）（如细胞、颗粒）（如蛋白质、酶）（如蛋白质、酶）Pressure压力驱动压力驱动膜分离示意简图膜分离示意简图三、透析三、透析(Dialysis,DS)l透析膜：透析膜：具有一定孔径大小，高分子溶质不能透具有一定孔径大小，高分子溶质不

13、能透过，而水和小分子溶质（如无机盐）能透过的亲过，而水和小分子溶质（如无机盐）能透过的亲水膜水膜l透析：透析：利用利用透析膜透析膜将将料液料液（含有高分子、小分子（含有高分子、小分子溶质）与溶质）与透析液透析液（纯水或缓冲液）分隔，在（纯水或缓冲液）分隔，在浓差浓差作用下，料液作用下，料液中小分子溶质中小分子溶质(如无机盐）会透过如无机盐）会透过膜进入透析液膜进入透析液，而透析液中的，而透析液中的水透过膜进入料液水透过膜进入料液。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料料液液透透析析液液透析操作透析操作按照分子大按照分子大小进行分离。小进行分离。分离取决于分离取决

14、于透析袋透析袋截留截留的分子量。的分子量。透析液透析液浓缩的蛋白浓缩的蛋白混合样品混合样品 透析袋透析袋 开始透析开始透析处于平衡状态处于平衡状态透析的特点透析的特点l透析膜一般为孔径透析膜一般为孔径5-10nm5-10nm的的亲水膜亲水膜纤维素膜、聚丙烯腈膜、聚酰胺膜纤维素膜、聚丙烯腈膜、聚酰胺膜l以以浓差浓差为传质推动力，为传质推动力，膜的透过通量小膜的透过通量小，不适，不适用于大规模生物分离，用于大规模生物分离，实验室应用较多实验室应用较多l应用应用：1)1)生物分离中主要用于生物分离中主要用于生物大分子溶液的生物大分子溶液的脱盐脱盐。2)2)临床上常用于肾衰竭患者的临床上常用于肾衰竭患

15、者的血液透析血液透析；血血液液透透析析装装置置四、电渗析四、电渗析(Electrodialysis,ED)l定义定义：在：在直流电场直流电场的作用下，利用的作用下，利用离子交换膜的离子交换膜的选择性透选择性透过特性，将过特性，将荷电性质和分子大小不同荷电性质和分子大小不同的物质进行分离的物质进行分离.l离子交换膜：离子交换膜：在膜表面和孔内径共价键合有离子交换基团在膜表面和孔内径共价键合有离子交换基团的膜的膜阳离子交换膜阳离子交换膜：键合磺酸基（：键合磺酸基（SOSO3 3)等酸性阳离子交换等酸性阳离子交换基，选择性透过阳离子基，选择性透过阳离子阴离子交换膜阴离子交换膜：键合季铵基（：键合季铵

16、基（N N+R R3 3)等碱性阴离子交等碱性阴离子交换基，选择性透过阴离子换基，选择性透过阴离子电荷作用膜分离机理CELMembranePositively charged lysozymeNegatively charged CEAC:Convective force;E:Electrostatic force;L:Positively charged lysozyme layer阳膜阳膜在水溶液中在水溶液中,阳膜的阳膜的活性基团会发生解离，活性基团会发生解离，留下带负电荷的固定留下带负电荷的固定基团，构成了强烈负基团，构成了强烈负电场电场在外加直流电场作用在外加直流电场作用下，根据异电相

17、吸原理，下，根据异电相吸原理，阳离子可被它吸引、传阳离子可被它吸引、传递而通过膜到另一侧，递而通过膜到另一侧，而阴离子由于膜上固定而阴离子由于膜上固定负电荷基团的排斥不能负电荷基团的排斥不能通过膜。通过膜。+-电渗析分离原理示意图电渗析分离原理示意图阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列两端与膜垂直方向加电场，在电场作用下电介质发生泳动两端与膜垂直方向加电场，在电场作用下电介质发生泳动电渗析的特点电渗析的特点l分离介质分离介质：离子交换膜（荷电膜）离子交换膜（荷电膜）l推动力推动力：在直流电场的作用下，以：在直流电场的作用下，以电位差电位差为推为推动力动力l应用应

18、用：海水淡化及废水处理；海水淡化及废水处理；氨基酸和有机酸等氨基酸和有机酸等小分子电解质的分离小分子电解质的分离及及溶液溶液脱盐脱盐。电渗析器电渗析器特点特点:能耗低、产水量大、脱盐率能耗低、产水量大、脱盐率、高稳定性高稳定性强强广泛用于医药、食品、硬水软化、海水淡化、广泛用于医药、食品、硬水软化、海水淡化、电子、化工等方面电子、化工等方面 五、渗透气化（或渗透蒸发五、渗透气化（或渗透蒸发膜蒸馏）膜蒸馏）l定义定义：膜（亲水膜或疏水膜）膜（亲水膜或疏水膜）的一侧通的一侧通入料液，另一侧抽真空或通惰性入料液，另一侧抽真空或通惰性气体，在膜两侧溶质气体，在膜两侧溶质分压差分压差的作的作用下，料液中

19、的溶质溶于膜内，用下，料液中的溶质溶于膜内，扩散通过膜，并在扩散通过膜，并在透过侧发生气透过侧发生气化化，使液体混合物得到分离的膜，使液体混合物得到分离的膜分离法。分离法。l分离机理分离机理：溶解扩散机理：溶解扩散机理 各溶质与膜的亲合作用的不同，各溶质与膜的亲合作用的不同，造成溶质间造成溶质间透过膜的速度透过膜的速度不同，不同，而实现分离而实现分离渗透汽化浓缩乙醇示意图渗透汽化浓缩乙醇示意图乙醇脱水乙醇脱水优先透水膜优先透水膜1）水优先选择）水优先选择性透过性透过2）主要用于乙）主要用于乙醇脱水，制备醇脱水，制备无水乙醇或浓无水乙醇或浓缩乙醇缩乙醇3）取代传统共）取代传统共沸精馏，降低沸精馏

20、，降低能耗能耗l在乙醇在乙醇-水体系的膜分离系统中，水体系的膜分离系统中，根据膜的优根据膜的优先选择透过性，可将膜分为：先选择透过性，可将膜分为：1）优先透水膜（）优先透水膜（应用较多）应用较多）2）优先透醇膜）优先透醇膜（应用较少）（应用较少）l优先透醇膜主要用于与燃料乙醇发酵过程耦合优先透醇膜主要用于与燃料乙醇发酵过程耦合，实现乙醇原位分离，可以减小乙醇对发酵过程实现乙醇原位分离，可以减小乙醇对发酵过程的抑制作用，实现连续发酵。的抑制作用，实现连续发酵。发酵-渗透汽化分离耦合生产燃料乙醇l 常规乙醇发酵工艺存在的主要问题 产物抑制作用 能耗高，成本偏高l主要技术指标 其乙醇渗透通量 100

21、0 g/m2h，选择性 15 优先透醇渗透汽化后透过液的乙醇浓度达30-60%l渗透汽化的特点渗透汽化的特点：溶质溶质发生相变发生相变，消除了渗透压的作用，可在，消除了渗透压的作用，可在较低压力下进行较低压力下进行一次分离度高、操作简单、无污染、低能耗一次分离度高、操作简单、无污染、低能耗便于放大及与其它过程耦合和集成便于放大及与其它过程耦合和集成（如发（如发酵法制乙醇与渗透气化耦合）酵法制乙醇与渗透气化耦合）l应用领域应用领域 1 1）有机物脱水有机物脱水：无水乙醇、燃料乙醇的制备：无水乙醇、燃料乙醇的制备 2 2）水中微量有机物的脱除水中微量有机物的脱除：废水处理，从中脱除挥：废水处理，从

22、中脱除挥发性有机成分，如氯化物等发性有机成分，如氯化物等 3 3）发酵液中提取有机物发酵液中提取有机物，如乙醇，如乙醇 4 4）有机混合物的分离：有机混合物的分离：共沸物和挥发度相差较小的共沸物和挥发度相差较小的双组分溶液的分离双组分溶液的分离 处理效率高，可实现连续分离，操作容易且易于实现处理效率高，可实现连续分离，操作容易且易于实现自动控制。自动控制。条件温和，通常在常温下进行，特别适合处理热敏性条件温和，通常在常温下进行，特别适合处理热敏性物料；物料；无相转变（除渗透气化外），能耗低；无相转变（除渗透气化外），能耗低；有相当好选择性，可在分离、浓缩的同时达到部分纯有相当好选择性，可在分离

23、、浓缩的同时达到部分纯化目的；化目的；系统可密闭循环，防止外来污染；系统可密闭循环，防止外来污染；易于和反应或其他分离过程集成和耦合。易于和反应或其他分离过程集成和耦合。补充：膜分离技术的特点补充：膜分离技术的特点 各种膜分离技术的总结各种膜分离技术的总结膜过程推动力分离机理透过物截留物膜类型微滤(MF)压差筛分水、溶剂、溶解物悬浮物颗粒纤维多孔膜超滤(UF)压差筛分水、溶剂、小分子胶体和截留分子量的生物大分子非对称性膜纳滤(NF)压差筛分水、一价离子、有机物、多价离子复合膜反渗透(RO)压差筛分水、溶剂溶质、盐非对称性膜复合膜透析(DS)浓差筛分水、盐高分子溶质再生纤维素对称膜渗透蒸发(PV

24、)分压差、温差溶解扩散易渗溶质或溶剂难渗透性溶质或溶剂均相膜、复合膜，非对称膜电渗析(ED)电位差荷电、筛分电解质离子非电解质，大分子物质离子交换膜第二节第二节 膜及其特性膜及其特性一、膜材料一、膜材料 对膜材料的要求对膜材料的要求：（1 1）选择性选择性：能满足实现分离目的的各种要求能满足实现分离目的的各种要求（2 2）透过速度透过速度：有效膜厚度小，有效膜厚度小，UFUF和和MFMF膜孔隙率高，过滤膜孔隙率高，过滤阻力小阻力小（3 3）惰性惰性 膜材料为惰性，不吸附溶质膜材料为惰性，不吸附溶质(蛋白质、细胞等蛋白质、细胞等)，不易污染，不易堵塞；不易污染，不易堵塞；（4 4）稳定性稳定性

25、适用的温度和适用的温度和pHpH范围广范围广，耐高温灭菌，耐酸耐高温灭菌，耐酸碱，稳定性高，使用寿命长碱，稳定性高，使用寿命长（5 5）可恢复性可恢复性 易通过清洗恢复透过性能；易通过清洗恢复透过性能；膜的分类膜的分类：l按膜分离过程按膜分离过程：微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透：微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜膜l按膜结构按膜结构：对称膜、不对称膜（一般不对称膜和复：对称膜、不对称膜（一般不对称膜和复合膜）合膜）按膜层结构是否有透孔按膜层结构是否有透孔：有孔膜、无孔膜（致密膜）：有孔膜、无孔膜（致密膜）l按材料分按材料分：天然高分子膜、合成高分子膜、无机材：天然高分子膜、合成高分子膜、无机材料

26、膜料膜各种膜材料的应用及其特点各种膜材料的应用及其特点二、膜的结构特性二、膜的结构特性孔道结构孔道结构对称膜和不对称膜的比较：对称膜和不对称膜的比较：对称膜对称膜：膜截面的膜厚方向上：膜截面的膜厚方向上孔道结构均匀孔道结构均匀，传质，传质阻力大，阻力大，透过通量低，容易污染透过通量低，容易污染，清洗困难，清洗困难，微滤微滤膜大多为对称膜膜大多为对称膜；不对称膜不对称膜：由：由表面活性层表面活性层(0.2(0.20.50.5 m)m)和和惰性层惰性层(50(50100100 m)m)构成，且构成，且起膜分离作用的表面活性层起膜分离作用的表面活性层很薄，很薄，透过通量大，膜孔不易堵塞透过通量大，膜

27、孔不易堵塞，容易清洗，容易清洗，超超滤和反渗透膜多为不对称膜。滤和反渗透膜多为不对称膜。高分子微滤膜高分子微滤膜超滤膜超滤膜反渗透膜反渗透膜表面活性层：表面活性层：分离作用分离作用惰性层：支撑强化惰性层：支撑强化不对称膜又可分为一般不对称膜和复合膜，不对称膜又可分为一般不对称膜和复合膜，一般不对称膜的表层和底层一般不对称膜的表层和底层为同一种材料，复合膜的则为不同材料复合而成。为同一种材料，复合膜的则为不同材料复合而成。微滤膜：多孔对称膜（高分子微滤膜）微滤膜：多孔对称膜（高分子微滤膜）超滤膜、陶瓷微滤膜：一般多孔非对称膜超滤膜、陶瓷微滤膜：一般多孔非对称膜反渗透、纳滤膜：致密复合膜反渗透、纳

28、滤膜：致密复合膜无孔膜无孔膜多孔膜多孔膜 超滤膜与微滤膜的扫描电镜图片超滤膜与微滤膜的扫描电镜图片（a）不不对对称称聚聚合合物物超超滤滤膜膜 （b）聚聚合合物物微微滤滤膜膜（c）陶陶瓷瓷微微滤膜滤膜（a（bc孔道特性孔道特性孔径孔径孔径分布孔径分布大多膜的孔径均有较大的分大多膜的孔径均有较大的分布范围（核孔微滤膜除外）布范围（核孔微滤膜除外）孔隙率孔隙率单位膜面积上孔面积所占单位膜面积上孔面积所占的比例的比例致密膜（如致密膜（如RO）孔隙率）孔隙率10%多孔膜（如多孔膜（如UF膜和膜和MF）孔隙率较大孔隙率较大三、水通量三、水通量定义：在一定条件下（压力：定义：在一定条件下（压力：0.1MPa

29、，温度：，温度：20)，单位时间透过单位膜面积的纯水体积单位时间透过单位膜面积的纯水体积。膜材料、生产工艺和膜孔径影响水通量大小。膜材料、生产工艺和膜孔径影响水通量大小。水通量不能衡量和预测实际料液的透过通量（水通量不能衡量和预测实际料液的透过通量（实际实际操作时溶质吸附、膜孔堵塞及浓度极化等会使透过操作时溶质吸附、膜孔堵塞及浓度极化等会使透过通量大幅度降低）。通量大幅度降低）。膜孔径越大，料液透过通量下降速度越快膜孔径越大，料液透过通量下降速度越快。大孔径，。大孔径，微粒易堵塞膜孔微粒易堵塞膜孔PP为聚丙烯为聚丙烯又称又称“渗透通量渗透通量”，其定量地反映透过组分透过膜的透，其定量地反映透过

30、组分透过膜的透过速率，也称渗透速率过速率，也称渗透速率 。膜通量透过液的体积膜通量透过液的体积/膜的有效面积膜的有效面积/运行时间运行时间注：单位通常采用注：单位通常采用LMH（升（升/平方米平方米.时），大规模工时），大规模工业化应用中也有采用业化应用中也有采用MPD（立方米（立方米/天），此单位未天），此单位未考虑面积。考虑面积。膜通量膜通量第三节第三节 膜组件膜组件l膜组件的定义：膜组件的定义：由由膜膜、固定膜的、固定膜的支撑体支撑体、间隔物间隔物及收纳这些部及收纳这些部件的件的容器容器构成的一个单元。构成的一个单元。l商品膜组件的类型商品膜组件的类型：管式管式平板式平板式螺旋卷式螺旋卷

31、式中空纤维（毛细管）式中空纤维（毛细管）式l结构结构：将将膜膜固定在内径固定在内径10-25mm,10-25mm,长约长约3m,3m,圆管状圆管状多孔支撑多孔支撑体体上构成管式膜，上构成管式膜，10-2010-20根管式膜根管式膜并联或串联并联或串联，收纳在，收纳在筒筒状容器状容器内即构成管式膜组件。内即构成管式膜组件。一、管式膜组件一、管式膜组件l膜处于支撑体的内部时，叫膜处于支撑体的内部时，叫“内压管式组件内压管式组件”，l膜处于支撑体的外部时，叫膜处于支撑体的外部时，叫“外压管式组件外压管式组件”。l多数情况下，采用内压式，即膜的分离皮层在内表面上多数情况下，采用内压式，即膜的分离皮层在

32、内表面上。管式膜组件的特点管式膜组件的特点优点优点：a a.结构简单，内径较大，压力损失小，对预处理要结构简单，内径较大，压力损失小，对预处理要求不高，求不高，适合于处理悬浮物含量较高的料液适合于处理悬浮物含量较高的料液;b.b.易清洗；易清洗；c.c.安装、拆卸、换膜和维修均较方便安装、拆卸、换膜和维修均较方便缺点缺点：a.a.在各种膜组件中在各种膜组件中过滤比表面积最小过滤比表面积最小;b.b.设备投资较高设备投资较高,操作费用大操作费用大二、平板式膜组件二、平板式膜组件l结构结构：与板式换热器或加压叶滤机相似。由多枚：与板式换热器或加压叶滤机相似。由多枚平板平板膜膜以以1mm左右的间隔重

33、叠加工而成，膜间衬设左右的间隔重叠加工而成，膜间衬设多孔薄多孔薄膜膜，供料液或滤液流动。，供料液或滤液流动。支撑板两面各一张膜，膜的背面（透过液侧）对着支撑板，形成透过液腔；膜的正面（过料面）与相邻支撑板上的相邻膜的正面相对，构成过料腔l优点：优点：1 1、处理量可调整（增减膜板、膜片）、处理量可调整（增减膜板、膜片）;构简单，易操作。构简单，易操作。2 2、开放式流道，堵塞后可拆下膜板膜片清洗，膜的更、开放式流道，堵塞后可拆下膜板膜片清洗，膜的更换和维护较容易。换和维护较容易。3 3、对预处理要求低，处理对象范围广对预处理要求低，处理对象范围广。缺点缺点1 1、对膜的机械强度要求高。、对膜的

34、机械强度要求高。2 2、换膜较费时、换膜较费时;拆后复装易泄露。拆后复装易泄露。3 3、造价较高。比较表面积低造价较高。比较表面积低。能耗较高。能耗较高.平板式膜组件的特点平板式膜组件的特点三、螺旋卷式膜组件三、螺旋卷式膜组件l结构结构：将两张将两张平板膜平板膜固定在多孔性固定在多孔性滤液（透过液）隔网滤液（透过液）隔网上上，两端密封，膜上下分别衬设一张，两端密封，膜上下分别衬设一张料液隔网料液隔网，卷绕在，卷绕在空空心管心管上构成。（也称卷式膜组件）上构成。（也称卷式膜组件）螺旋卷式膜组件的特点螺旋卷式膜组件的特点l优点优点：a.a.比表面积大，结构简单，价格较便宜比表面积大，结构简单，价格

35、较便宜。b.b.单位膜面积能耗较低单位膜面积能耗较低 l缺点缺点：a.a.处理悬浮物浓度较高的料液时处理悬浮物浓度较高的料液时易堵塞易堵塞。一旦堵塞污。一旦堵塞污染，清洗较板式膜和管式膜困难，染，清洗较板式膜和管式膜困难，对预处理要求较高对预处理要求较高。b.b.单位面积单位面积处理速度处理速度不如板式膜和管式膜不如板式膜和管式膜四、中空纤维（毛细管）式膜组件四、中空纤维（毛细管）式膜组件l结构：结构：由数百至数百万根由数百至数百万根中空纤维膜中空纤维膜（内径（内径4080 m)或或毛细管膜毛细管膜（内径（内径0.252.5mm）固定在）固定在圆筒形圆筒形容器容器内构成。内构成。l实质是管式膜

36、，两者的主要差异在于中空纤维膜无支撑实质是管式膜，两者的主要差异在于中空纤维膜无支撑体，靠自支撑体，靠自支撑l耐压情况耐压情况毛细管膜：毛细管膜：耐压能力低耐压能力低，cb,所所以通常以通常表观截留率表观截留率R真实截留率真实截留率R0截留分子量截留分子量：截留曲线上截留：截留曲线上截留率为率为0.90的溶质的相对分子量的溶质的相对分子量实际膜实际膜:孔径分布范围小的，截留曲线陡直，反之斜坦孔径分布范围小的，截留曲线陡直，反之斜坦.MMCO相同的膜，可能表现出完全不同的截留曲线相同的膜，可能表现出完全不同的截留曲线截留分子量截留分子量(Molecular mass cut-off,MMCO)(

37、Molecular mass cut-off,MMCO)截留曲线截留曲线：膜的截留率：膜的截留率(R)与溶质分子量之间关系的曲线与溶质分子量之间关系的曲线。理想膜理想膜:截留曲线为通过横坐标截留曲线为通过横坐标MMCO的一条垂直线的一条垂直线当当MMMMCO时时,R=1;MMCO只是表征膜特性的一个参数，只是表征膜特性的一个参数，不能作为选择膜不能作为选择膜的唯一标准的唯一标准。选择选择UF膜时还应考虑以下因素膜时还应考虑以下因素:孔径分布、透过通量、耐污染能力等孔径分布、透过通量、耐污染能力等溶质相对分子量溶质相对分子量分子特性分子特性不同不同分子形状分子形状的截留率：球形带支链线的截留率：

38、球形带支链线形；形；对于对于荷电膜荷电膜，与膜相反电荷的分子截留率较，与膜相反电荷的分子截留率较低；低；若膜对溶质有若膜对溶质有吸附吸附作用，截留率增大。作用，截留率增大。实际膜分离过程中影响截留率的因素：实际膜分离过程中影响截留率的因素：其他高分子溶质的影响其他高分子溶质的影响两种以上高分子溶质共存时，其中某一溶质两种以上高分子溶质共存时，其中某一溶质的截留率要比其单独存在时高。的截留率要比其单独存在时高。(产生浓度极产生浓度极化化)操作条件操作条件温度温度升高，粘度下降，截留率降低；升高，粘度下降，截留率降低；膜面膜面流速流速增大，浓差极化减轻，截留率下降增大，浓差极化减轻，截留率下降pH

39、=pI时，凝胶极化，使蛋白质溶质的截留率时，凝胶极化，使蛋白质溶质的截留率高于其他高于其他pH下的截留率。下的截留率。第五节第五节 影响膜分离速度的因素影响膜分离速度的因素l1、操作方式、操作方式l2、流速、流速l3、压力、压力l4、料液浓度、料液浓度影响膜分离速度的因素影响膜分离速度的因素一、操作方式一、操作方式l传统过滤操作：传统过滤操作：采用采用终端过滤终端过滤(Dead-end filtration)形式，即形式，即料液流向料液流向与膜面垂直与膜面垂直。缺点：膜表面滤饼阻力大，缺点：膜表面滤饼阻力大，透过通量很低，运行周期较透过通量很低，运行周期较短；短；l超滤和微滤操作超滤和微滤操作

40、：采用采用错流过滤错流过滤(Cross-flow filtration)形式，即形式，即料液流向料液流向与膜面平行与膜面平行，也称为，也称为“横向横向流过滤流过滤”或或“切向流过滤切向流过滤”。优点：可大大减轻浓度极化优点：可大大减轻浓度极化或凝胶极化现象，或凝胶极化现象，使透过通使透过通量维持在较高水平量维持在较高水平，可连续，可连续工作，高于终端过滤工作，高于终端过滤二、流速二、流速l主要影响传质系数主要影响传质系数k k，从而影响透过通量，从而影响透过通量。流速增大，传质系数流速增大，传质系数k k提高，透过通量也增大。提高，透过通量也增大。流速增大，也有减弱浓度极化或凝胶极化的流速增大

41、，也有减弱浓度极化或凝胶极化的作用。作用。三、压力三、压力l压力较小时，无浓度极化现象发压力较小时，无浓度极化现象发生，生，Jv与与 p呈线性关系：呈线性关系：p逐渐增大，膜面出现浓度极逐渐增大，膜面出现浓度极 化现象化现象,Jv与与 p不再呈线性关系：不再呈线性关系：p继续增大至出现凝胶极化现象时，继续增大至出现凝胶极化现象时，Jv接近常数接近常数Jlim：Jlim 随料液浓度增大而降低，随流速提高而增大随料液浓度增大而降低，随流速提高而增大四、料液浓度四、料液浓度l由浓度极化模型可知由浓度极化模型可知J Jv v与与-ln(C-ln(Cb b-C-Cp p)呈线性关系，呈线性关系，J Jv

42、 v随随C Cb b的增大而减小。的增大而减小。u由凝胶极化模型可知，由凝胶极化模型可知，C Cb b=C=Cg g时，时，J Jv v=0=0。故可据稳态操作。故可据稳态操作条件下条件下J Jv v与与C Cb b的试验数据，的试验数据，推算溶质形成凝胶层的浓度推算溶质形成凝胶层的浓度C Cg g值。值。第六节第六节 膜分离操作膜分离操作一、浓缩操作一、浓缩操作l用于菌体或蛋白用于菌体或蛋白质浓缩的膜分离质浓缩的膜分离过程有三种操作过程有三种操作方式：方式：开路循环、开路循环、闭路循环和连续闭路循环和连续操作操作。开路循环开路循环全部溶液用给料泵送回料液槽（全部溶液用给料泵送回料液槽（即浓缩

43、液返回料液即浓缩液返回料液槽槽），只有），只有透过液排出透过液排出到系统外的操作方式。到系统外的操作方式。对系统进行物料衡算得：对系统进行物料衡算得：其中：其中：V、c和和Q分别为料液体积、浓度和透过液流量；分别为料液体积、浓度和透过液流量；CF和和REC分别为目标产物的分别为目标产物的浓缩倍数浓缩倍数和和收率收率；R为目标产物的截留率。为目标产物的截留率。R越大，越大，REC和和CF越高越高l开路循环操作中，循环液中溶质浓度不断上升，若流量开路循环操作中，循环液中溶质浓度不断上升，若流量和压差不变，和压差不变，透过通量将随操作时间不断降低透过通量将随操作时间不断降低。（。（Jv与与-ln(C

44、b-Cp)呈线性关系）呈线性关系）浓缩操作选用的膜，应对目标产物应有浓缩操作选用的膜，应对目标产物应有足够大的截留率足够大的截留率，特别是浓缩程度较高时，否则收率很低。特别是浓缩程度较高时，否则收率很低。c0=2%闭路循环闭路循环浓缩液（未透过的部分）不返回料液槽浓缩液（未透过的部分）不返回料液槽，而是利用循，而是利用循环泵环泵送回到膜组件送回到膜组件中的操作方式。中的操作方式。特点：特点：优点：膜组件内的流速可不依靠料液泵的供应速优点：膜组件内的流速可不依靠料液泵的供应速度进行独立的优化设计。度进行独立的优化设计。缺点：循环液中目标产物浓度的增加较快，透过缺点：循环液中目标产物浓度的增加较快

45、，透过通量小于开路循环。通量小于开路循环。连续操作连续操作在闭路循环操作的基础上，将在闭路循环操作的基础上，将浓缩液不断排出浓缩液不断排出到系到系统之外的操作方式。统之外的操作方式。特点：特点：优点：容易实现自动化，节省人力。优点：容易实现自动化，节省人力。缺点：在三种浓缩操作方式中效率最低，膜组件缺点：在三种浓缩操作方式中效率最低，膜组件的溶质浓度一直保持在最高水平，透过通量最小。的溶质浓度一直保持在最高水平，透过通量最小。利用利用多级串联连续操作多级串联连续操作改善透过通量。改善透过通量。上一级浓缩液进入下一级继续浓缩，每一级膜组件上一级浓缩液进入下一级继续浓缩，每一级膜组件浓缩浓缩液浓度

46、逐渐升高液浓度逐渐升高，其，其平均透过通量高于单级平均透过通量高于单级过程过程二、洗滤操作二、洗滤操作l又称又称透析过滤透析过滤或简称或简称透滤透滤l目的目的:除去菌体或高分子溶液中的小分子溶质除去菌体或高分子溶液中的小分子溶质间歇操作适用间歇操作适用于料液量较小于料液量较小时时洗滤过程需洗滤过程需向料液向料液槽连续加入水或缓槽连续加入水或缓冲液冲液。l若保持料液量和透过通量不变，则对系统进行物料衡算得若保持料液量和透过通量不变，则对系统进行物料衡算得：其中：其中：s0、s分别为小分子溶质的初始浓度、洗滤后浓度分别为小分子溶质的初始浓度、洗滤后浓度;Rs小分子溶质的小分子溶质的截留率；截留率；

47、V料液体积料液体积,VD为流加水或缓冲液的体积（透过液体积）。为流加水或缓冲液的体积（透过液体积）。料液体积料液体积V越小，越小，VD也越小。因此，一般在也越小。因此，一般在洗滤前需洗滤前需 浓缩料液，以减少洗滤液用量浓缩料液，以减少洗滤液用量。l浓缩后，浓缩后，目标产物浓度增大，透过通量下降目标产物浓度增大，透过通量下降，因此，因此，存存在最佳料液浓度在最佳料液浓度，使，使洗率时间最短洗率时间最短。lC*为最佳料液浓度为最佳料液浓度,e为自然常数为自然常数l此时洗滤操作时间最短此时洗滤操作时间最短(4.47)料液处理量较大时，宜采用料液处理量较大时，宜采用多级串联的连续洗滤操作多级串联的连续

48、洗滤操作预浓缩：减少处理量预浓缩：减少处理量 洗滤：除残留小分子洗滤：除残留小分子第七节第七节 膜的污染与清洗膜的污染与清洗l1.1膜污染膜污染?由于被处理料液中的由于被处理料液中的微粒或溶质分子与膜发生理化作用微粒或溶质分子与膜发生理化作用，或因或因凝胶极化凝胶极化溶质析出，以及机械作用而引起的溶质析出，以及机械作用而引起的膜表面膜表面或膜孔内吸附、沉积造成或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，引起膜孔径变小或堵塞，引起膜透膜透过通量与分离特性发生变化过通量与分离特性发生变化的现象。的现象。一、膜的污染一、膜的污染膜污染膜污染是膜技术应用的最大限制因素，膜分离过程中遇到是膜技术应用的最大限

49、制因素，膜分离过程中遇到的最大问题的最大问题l1.2造成膜污染的主要原因造成膜污染的主要原因：凝胶极化现象引起的凝胶层；凝胶极化现象引起的凝胶层；溶质在膜表面的吸附；溶质在膜表面的吸附；膜孔堵塞；膜孔堵塞；膜孔内的溶质吸附。膜孔内的溶质吸附。l1.3膜污染的影响膜污染的影响：透过通量大幅度下降；透过通量大幅度下降；目标产物回收率降低目标产物回收率降低;膜的使用寿命大大缩短膜的使用寿命大大缩短膜 污 染 示 意 图吸附吸附颗粒沉积颗粒沉积膜孔堵塞膜孔堵塞膜孔内的污染膜孔内的污染膜表面污染膜表面污染l1.4膜污染的分类膜污染的分类膜污染膜污染可逆污染可逆污染不可逆污染不可逆污染如凝胶极化如凝胶极化

50、、膜孔堵塞、膜孔堵塞，可通过物理、化学和生物方，可通过物理、化学和生物方法来减轻和改善的一类污染法来减轻和改善的一类污染 不合理的料液性质使膜受到腐蚀及膜的自身劣化等不合理的料液性质使膜受到腐蚀及膜的自身劣化等膜污染膜污染有机污染有机污染无机污染无机污染生物污染生物污染胞外聚合物、溶解性有机物、蛋白胞外聚合物、溶解性有机物、蛋白质、脂肪及细微胶体等；质、脂肪及细微胶体等；如废水中碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐、如废水中碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐、无机胶体等无机胶体等微生物在膜表面吸附生长，形成生微生物在膜表面吸附生长，形成生物膜物膜膜的清膜的清洗方法洗方法物理方法物理方法化学方法所化学方法所用的清洗剂用的