生物分离膜分离市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

第四章第四章 膜分离膜分离(membrane separation)第1页本章教学目与要求l（1 1）掌握）掌握膜分离膜分离概念、熟悉概念、熟悉膜功效、膜分离膜功效、膜分离技术特点技术特点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原理、特点、分离操作和应用；膜分离技术原理、特点、分离操作和应用；l（3 3）了解渗透汽化、电渗析等定义）了解渗透汽化、电渗析等定义 l（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）熟悉膜分离技术应用应用第2页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征膜为分离介质，经过在征膜为分离介质，经过在膜两边施加一个膜两边施加一个推进力推进力（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，以到，以到达分离提纯目标达分离提纯目标.膜技术介绍膜技术介绍第3页膜概念膜概念l在一个流体相或是在两种流体相之间有一层薄凝聚相物在一个流体相或是在两种流体相之间有一层薄凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。膜。膜本身是均一一相或由两相以上凝聚物组成复合体膜本身是均一一相或由两相以上凝聚物组成复合体被膜分开流体相物质是液体或气体被膜分开流体相物质是液体或气体膜厚度应在膜厚度应在0.5mm0.5mm以下，不然不能称其为膜以下，不然不能称其为膜第4页l膜功效膜功效：物质识别与透过；（分离内在原因）物质识别与透过；（分离内在原因）相界面；（透过液与料液被分为互不混合两相）相界面；（透过液与料液被分为互不混合两相）反应场（膜表面及孔内表面功效基团）。反应场（膜表面及孔内表面功效基团）。生物分离中膜分离法主要是利用了膜对物质识生物分离中膜分离法主要是利用了膜对物质识别与透过功效别与透过功效.第5页 膜发展历史膜发展历史第6页第一节第一节 各种膜分离法及原理各种膜分离法及原理第7页膜分离过程本质膜分离过程本质l膜分离过程实质是膜分离过程实质是物质透过或被截留于物质透过或被截留于膜过程膜过程，近似于，近似于筛分过程筛分过程，依据，依据滤膜孔滤膜孔径大小径大小而到达物质分离目标而到达物质分离目标.第8页膜筛分分离机理第9页膜分离技术类型膜分离技术类型生物分离中最惯用膜分离技术：超滤、微滤和反渗透、透析。生物分离中最惯用膜分离技术：超滤、微滤和反渗透、透析。生物分离中最惯用膜分离技术：超滤、微滤和反渗透、透析。生物分离中最惯用膜分离技术：超滤、微滤和反渗透、透析。第10页0.5nm离子、分子量离子、分子量100有机物有机物0.11 nm离子、分子量离子、分子量100有机物有机物nm离子、分子量离子、分子量100-1000有机物有机物0.0010.05m10001000,000Da大分子大分子0.02514m0.0510m固体粒子固体粒子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各种膜分离范围第11页一、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一从溶质浓度低一侧向溶质浓度高一侧透过侧向溶质浓度高一侧透过现象，现象，称为称为渗透（渗透（a）。渗透压渗透压：渗透现象中，促使水分：渗透现象中，促使水分子透过子透过推进力推进力。第12页渗透平衡渗透平衡：伴随水渗：伴随水渗透，高浓度水溶液一透，高浓度水溶液一侧液面升高，压力增侧液面升高，压力增大，大，当当两侧压差等于两侧压差等于渗透压渗透压时，处于时，处于渗透渗透平衡状态平衡状态（）（）第13页l反渗透反渗透(RO)：l定义：在溶质浓度高一定义：在溶质浓度高一侧施加超出渗透压压力，侧施加超出渗透压压力，使溶剂透过膜操作，为使溶剂透过膜操作，为反渗透（反渗透（c)。lRO膜无显著孔道结构，膜无显著孔道结构，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多以溶解扩散模型解释释第14页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第15页反渗透特点：反渗透特点：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、溶：水、溶剂剂l截留物截留物：溶：溶质质、盐盐l适合用于适合用于1nm以下小分子（以下小分子（盐盐、氨基酸、糖）、氨基酸、糖）浓缩浓缩第16页l1）海水和苦咸水淡化）海水和苦咸水淡化l2）纯水和超纯水制备）纯水和超纯水制备l3）饮用水净化）饮用水净化l4）医药、食品、化工等工业料液处理和浓缩）医药、食品、化工等工业料液处理和浓缩l5）废水处理）废水处理反渗透应用领域：反渗透应用领域：第17页二、超滤二、超滤(UF)和微滤和微滤(MF)lUFUF膜和膜和MFMF膜膜有显著孔道结构有显著孔道结构l传质推进力：压力差传质推进力：压力差l透过机理：依据膜孔径大小进行筛分透过机理：依据膜孔径大小进行筛分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第18页l微滤微滤(MF)(MF)膜孔径较大膜孔径较大，0.05-10um0.05-10um，适合用于适合用于悬浮液悬浮液（菌体细菌体细胞、胶体颗粒和悬浮微粒胞、胶体颗粒和悬浮微粒子子）分离，截留物粒径：）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。第19页l超滤超滤(UF)(UF)定义定义：依据高分子溶质之间或高：依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差异进行分离方法量差异进行分离方法膜孔径膜孔径：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份料液份料液，分离或浓缩，分离或浓缩1-50nm1-50nm生物大分子（蛋白、酶等）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高高第20页膜分离法与物质大小（直径）关系膜分离法与物质大小（直径）关系第21页补充：纳滤补充：纳滤（nanofiltration,NF）1.1.纳滤膜特点纳滤膜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，所以称为，所以称为“纳滤纳滤”。纳滤膜表层较纳滤膜表层较RORO膜表层要疏松得多，但较膜表层要疏松得多，但较UFUF膜要致密得多膜要致密得多.主要用于截留分子量为主要用于截留分子量为100-1000100-1000左右物质，能够左右物质，能够使一价盐使一价盐和小分子物质透过和小分子物质透过.含有较小操作压力（含有较小操作压力（0.50.51.5MPa1.5MPa）。）。第22页2.纳滤应用领域纳滤应用领域海水及苦咸水淡化；海水及苦咸水淡化；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；第23页微滤、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）第24页Pressure压力驱动压力驱动膜分离示意简图膜分离示意简图第25页三、透析三、透析(Dialysis,DS)l透析膜：透析膜：含有一定孔径大小，高分子溶质不能透含有一定孔径大小，高分子溶质不能透过，而水和小分子溶质（如无机盐）能透过亲水过，而水和小分子溶质（如无机盐）能透过亲水膜膜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，而透析液中水透过膜进入料液水透过膜进入料液。第26页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液料液透析液透析液第27页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于透析袋透析袋截留截留分子量。分子量。透析液透析液浓缩蛋白混浓缩蛋白混合样品合样品 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第28页透析特点透析特点l透析膜普通为孔径透析膜普通为孔径5-10nm5-10nm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进力，为传质推进力，膜透过通量小膜透过通量小，不适合，不适合用于大规模生物分离，用于大规模生物分离，试验室应用较多试验室应用较多第29页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生物大分子溶液脱盐脱盐。2)2)临床上惯用于肾衰竭患者临床上惯用于肾衰竭患者血液透析血液透析；血液透析装置血液透析装置第30页四、电渗析四、电渗析(Electrodialysis,ED)l定义定义：在：在直流电场直流电场作用下，利用作用下，利用离子交换膜离子交换膜选择性透过特选择性透过特征，将征，将荷电性质和分子大小不一样荷电性质和分子大小不一样物质进行分离物质进行分离.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膜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，选择性透过阴离子第31页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,阳膜活阳膜活性基团会发生解离，性基团会发生解离，留下带负电荷固定基留下带负电荷固定基团，组成了强烈负电团，组成了强烈负电场场在外加直流电场作用在外加直流电场作用下，依据异电相吸原理，下，依据异电相吸原理，阳离子可被它吸引、传阳离子可被它吸引、传递而经过膜到另一侧，递而经过膜到另一侧，而阴离子因为膜上固定而阴离子因为膜上固定负电荷基团排斥不能经负电荷基团排斥不能经过膜。过膜。+-第32页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第33页电渗析特点电渗析特点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推进力推进力：在直流电场作用下，以：在直流电场作用下，以电位差电位差为推进为推进力力l应用应用：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分离小分子电解质分离及溶及溶液液脱盐脱盐。第34页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 第35页五、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）一侧通入一侧通入料液，另一侧抽真空或通惰性气料液，另一侧抽真空或通惰性气体，在膜两侧溶质体，在膜两侧溶质分压差分压差作用下，作用下，料液中溶质溶于膜内，扩散经过料液中溶质溶于膜内，扩散经过膜，并在膜，并在透过侧发生气化透过侧发生气化，使液，使液体混合物得到分离膜分离法。体混合物得到分离膜分离法。l分离机理分离机理：溶解扩散机理：溶解扩散机理 各溶质与膜亲合作用不一样，造各溶质与膜亲合作用不一样，造成溶质间成溶质间透过膜速度透过膜速度不一样，而不一样，而实现分离实现分离第36页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，降低能耗能耗第37页l在乙醇在乙醇-水体系膜分离系统中，水体系膜分离系统中，依据膜优先选依据膜优先选择透过性，可将膜分为：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，能够减小乙醇对发酵过程实现乙醇原位分离，能够减小乙醇对发酵过程抑制作用，实现连续发酵。抑制作用，实现连续发酵。第38页发酵-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 1000 g/m2h，选择性 15 优先透醇渗透汽化后透过液乙醇浓度达30-60%第39页l渗透汽化特点渗透汽化特点：溶质溶质发生相变发生相变，消除了渗透压作用，可在较，消除了渗透压作用，可在较低压力下进行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）第40页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、燃料乙醇制备：无水乙醇、燃料乙醇制备 2 2）水中微量有机物脱除水中微量有机物脱除：废水处理，从中脱除挥发：废水处理，从中脱除挥发性有机成份，如氯化物等性有机成份，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）有机混合物分离：有机混合物分离：共沸物和挥发度相差较小双组共沸物和挥发度相差较小双组分溶液分离分溶液分离 第41页处理效率高，可实现连续分离，操作轻易且易于实现处理效率高，可实现连续分离，操作轻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，尤其适合处理热敏性条件温和，通常在常温下进行，尤其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、浓缩同时到达部分纯化有相当好选择性，可在分离、浓缩同时到达部分纯化目标；目标；系统可密闭循环，预防外来污染；系统可密闭循环，预防外来污染；易于和反应或其它分离过程集成和耦合。易于和反应或其它分离过程集成和耦合。补充：膜分离技术特点补充：膜分离技术特点第42页 各种膜分离技术总结各种膜分离技术总结膜膜过过程程l推推进进力力分离机理分离机理透透过过物物截留物截留物膜膜类类型型微微滤滤(MF)压压差差筛筛分分水、溶水、溶剂剂、溶解、溶解物物悬悬浮物浮物颗颗粒粒纤维纤维多孔膜多孔膜超超滤滤(UF)压压差差筛筛分分水、溶水、溶剂剂、小分、小分子子l胶体和胶体和截留截留分子量分子量生物大生物大分子分子非非对对称性膜称性膜纳滤纳滤(NF)压压差差筛筛分分水、一价离子、水、一价离子、有机物、多价有机物、多价离子离子复合膜复合膜反渗透反渗透(RO)压压差差筛筛分分水、溶水、溶剂剂溶溶质质、盐盐非非对对称性膜称性膜复合膜复合膜透析透析(DS)浓浓差差筛筛分分水、水、盐盐高分子溶高分子溶质质再生再生纤维纤维素素对对称膜称膜渗透蒸渗透蒸发发(PV)分分压压差、差、温差温差溶解溶解扩扩散散易渗溶易渗溶质质或溶或溶剂剂难难渗透性溶渗透性溶质质或溶或溶剂剂均相膜、复合均相膜、复合膜，非膜，非对对称膜称膜电电渗析渗析 (ED)电电位位差差荷荷电电、筛筛分分电电解解质质离子离子非非电电解解质质，大分子物大分子物质质离子交离子交换换膜膜第43页第二节第二节 膜及其特征膜及其特征第44页一、膜材料一、膜材料 对膜材料要求对膜材料要求：（1 1）选择性选择性：能满足实现分离目标各种要求能满足实现分离目标各种要求（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 适用温度和适用温度和pHpH范围广范围广，耐高温灭菌，耐酸碱，耐高温灭菌，耐酸碱，稳定性高，使用寿命长稳定性高，使用寿命长（5 5）可恢复性可恢复性 易经过清洗恢复透过性能；易经过清洗恢复透过性能；第45页膜分类膜分类：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（普通不对称膜和复：对称膜、不对称膜（普通不对称膜和复合膜）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、无机材料膜料膜第46页各种膜材料应用及其特点各种膜材料应用及其特点第47页二、膜结构特征二、膜结构特征孔道结构孔道结构对称膜和不对称膜比较：对称膜和不对称膜比较：对称膜对称膜：膜截面膜厚方向上：膜截面膜厚方向上孔道结构均匀孔道结构均匀，传质阻，传质阻力大，力大，透过通量低，轻易污染透过通量低，轻易污染，清洗困难，清洗困难，微滤膜微滤膜大多为对称膜大多为对称膜；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)组成，且组成，且起膜分离作用表面活性层起膜分离作用表面活性层很很薄，薄，透过通量大，膜孔不易堵塞透过通量大，膜孔不易堵塞，轻易清洗，轻易清洗，超滤超滤和反渗透膜多为不对称膜。和反渗透膜多为不对称膜。第48页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第49页表面活性层：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普通不对称膜和复合膜，不对称膜又可分为普通不对称膜和复合膜，普通不对称膜表层和底层为普通不对称膜表层和底层为同一个材料，复合膜则为不一样材料复合而成。同一个材料，复合膜则为不一样材料复合而成。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：普通多孔非对称膜超滤膜、陶瓷微滤膜：普通多孔非对称膜反渗透、纳滤膜：致密复合膜反渗透、纳滤膜：致密复合膜无孔膜无孔膜多孔膜多孔膜第50页 超滤膜与微滤膜扫描电镜图片超滤膜与微滤膜扫描电镜图片（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第51页孔道特征孔道特征孔径孔径孔径分布孔径分布大多膜孔径都有较大分布范大多膜孔径都有较大分布范围（核孔微滤膜除外）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百分比百分比致密膜（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第52页三、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，温度：，温度：20)，单位时间透过单位膜面积纯水体积单位时间透过单位膜面积纯水体积。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透过通量（水通量不能衡量和预测实际料液透过通量（实际操实际操作时溶质吸附、膜孔堵塞及浓度极化等会使透过通作时溶质吸附、膜孔堵塞及浓度极化等会使透过通量大幅度降低）。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第53页PP为聚丙烯为聚丙烯第54页又称又称“渗透通量渗透通量”，其定量地反应透过组分透过膜透过，其定量地反应透过组分透过膜透过速率，也称渗透速率速率，也称渗透速率 。膜通量透过液体积膜通量透过液体积/膜有效面积膜有效面积/运行时间运行时间注：单位通常采取注：单位通常采取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取业化应用中也有采取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55页第三节第三节 膜组件膜组件第56页l膜组件定义：膜组件定义：由由膜膜、固定膜、固定膜支撑体支撑体、间隔物间隔物及收纳这些部件及收纳这些部件容器容器组成一个单元。组成一个单元。l商品膜组件类型商品膜组件类型：管式管式平板式平板式螺旋卷式螺旋卷式中空纤维（毛细管）式中空纤维（毛细管）式第57页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组成管式膜，上组成管式膜，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组成管式膜组件。内即组成管式膜组件。一、管式膜组件一、管式膜组件第58页l膜处于支撑体内部时，叫膜处于支撑体内部时，叫“内压管式组件内压管式组件”，l膜处于支撑体外部时，叫膜处于支撑体外部时，叫“外压管式组件外压管式组件”。l多数情况下，采取内压式，即膜分离皮层在内表面上多数情况下，采取内压式，即膜分离皮层在内表面上。第59页管式膜组件特点管式膜组件特点优点优点：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料液适合于处理悬浮物含量较高料液;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第60页二、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同。由多枚：与板式换热器或加压叶滤机相同。由多枚平板平板膜膜以以1mm左右间隔重合加工而成，膜间衬设左右间隔重合加工而成，膜间衬设多孔薄膜多孔薄膜，供料液或滤液流动。供料液或滤液流动。第61页支撑板两面各一张膜，膜后面（透过液侧）对着支撑板，形成透过液腔；膜正面（过料面）与相邻支撑板上相邻膜正面相对，组成过料腔第62页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，膜更换、开放式流道，堵塞后可拆下膜板膜片清洗，膜更换和维护较轻易。和维护较轻易。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、对膜机械强度要求高。、对膜机械强度要求高。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.平板式膜组件特点平板式膜组件特点第63页三、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组成。（也称卷式膜组件）上组成。（也称卷式膜组件）第64页螺旋卷式膜组件特点螺旋卷式膜组件特点l优点优点：a.a.比表面积大，结构简单，价格较廉价比表面积大，结构简单，价格较廉价。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料液时处理悬浮物浓度较高料液时易堵塞易堵塞。一旦堵塞污染，。一旦堵塞污染，清洗较板式膜和管式膜困难，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第65页四、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组成。内组成。l实质是管式膜，二者主要差异在于中空纤维膜无支撑体，实质是管式膜，二者主要差异在于中空纤维膜无支撑体，靠自支撑靠自支撑第66页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第90页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溶质相对分子量溶质相对分子量实际膜实际膜:孔径分布范围小，截留曲线陡直，反之斜坦孔径分布范围小，截留曲线陡直，反之斜坦.MMCO相同膜，可能表现出完全不一样截留曲线相同膜，可能表现出完全不一样截留曲线截留分子量截留分子量(Molecular mass cut-off,MMCO)(Molecular mass cut-off,MMCO)截留曲线截留曲线：膜截留率：膜截留率(R)与溶质分子量之间关系曲线与溶质分子量之间关系曲线。理想膜理想膜:截留曲线为经过横坐标截留曲线为经过横坐标MMCO一条垂直线一条垂直线当当MMMMCO时时,R=1;第91页MMCO只是表征膜特征一个参数，只是表征膜特征一个参数，不能作为选择膜唯不能作为选择膜唯一标准一标准。选择选择UF膜时还应考虑以下原因膜时还应考虑以下原因:孔径分布、透过通量、耐污染能力等孔径分布、透过通量、耐污染能力等第92页溶质相对分子量溶质相对分子量分子特征分子特征不一样不一样分子形状分子形状截留率：球形带支链线截留率：球形带支链线形；形；对于对于荷电膜荷电膜，与膜相反电荷分子截留率较低；，与膜相反电荷分子截留率较低；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原因：实际膜分离过程中影响截留率原因：第93页其它高分子溶质影响其它高分子溶质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，其中某一溶质截留率要比其单独存在时高。截留率要比其单独存在时高。(产生浓度极化产生浓度极化)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=pI时，凝胶极化，使蛋白质溶质截留率高时，凝胶极化，使蛋白质溶质截留率高于其它于其它pH下截留率。下截留率。第94页第五节第五节 影响膜分离速度原因影响膜分离速度原因第95页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原因影响膜分离速度原因第96页一、操作方式一、操作方式l传统过滤操作传统过滤操作：采取采取终端过滤终端过滤(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；第97页l超滤和微滤操作超滤和微滤操作：采取采取错流过滤错流过滤(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，高于终端过滤第98页二、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提升，透过通量也增大。提升，透过通量也增大。流速增大，也有减弱浓度极化或凝胶极化作流速增大，也有减弱浓度极化或凝胶极化作用。用。第99页三、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逐步增大，膜面出现浓度极逐步增大，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靠近常数靠近常数Jlim：Jlim 随料液浓度增大而降低，随流速提升而增大随料液浓度增大而降低，随流速提升而增大第100页四、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 v随随C Cb b增大而减小。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试验数据，推试验数据，推算溶质形成凝胶层浓度算溶质形成凝胶层浓度C Cg g值。值。第101页第六节第六节 膜分离操作膜分离操作第102页一、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膜分离过质浓缩膜分离过程有三种操作方程有三种操作方式：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。第103页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操作方式。到系统外操作方式。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分别为目标产物分别为目标产物浓缩倍数浓缩倍数和和收率收率；R为目标产物截留率。为目标产物截留率。R越大，越大，REC和和CF越高越高第104页l开路循环操作中，循环液中溶质浓度不停上升，若流量开路循环操作中，循环液中溶质浓度不停上升，若流量和压差不变，和压差不变，透过通量将随操作时间不停降低透过通量将随操作时间不停降低。（。（Jv与与-ln(Cb-Cp)呈线性关系）呈线性关系）浓缩操作选取膜，应对目标产物应有浓缩操作选取膜，应对目标产物应有足够大截留率足够大截留率，尤，尤其是浓缩程度较高时，不然收率很低。其是浓缩程度较高时，不然收率很低。c0=2%第105页闭路循环闭路循环浓缩液（未透过部分）不返回料液槽浓缩液（未透过部分）不返回料液槽，而是利用循环，而是利用循环泵泵送回到膜组件送回到膜组件中操作方式。中操作方式。特点：特点：优点：膜组件内流速可不依靠料液泵供给速度进优点：膜组件内流速可不依靠料液泵供给速度进行独立优化设计。行独立优化设计。缺点：循环液中目标产物浓度增加较快，透过通缺点：循环液中目标产物浓度增加较快，透过通量小于开路循环。量小于开路循环。第106页连续操作连续操作在闭路循环操作基础上，将在闭路循环操作基础上，将浓缩液不停排出浓缩液不停排出到系统到系统之外操作方式。之外操作方式。特点：特点：优点：轻易实现自动化，节约人力。优点：轻易实现自动化，节约人力。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，膜组件溶质浓度一直保持在最高水平，透过通量最小。溶质浓度一直保持在最高水平，透过通量最小。第107页利用多级串联连续操作多级串联连续操作改进透过通量改进透过通量。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逐步升高液浓度逐步升高，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第108页二、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目标目标:除去菌体或高分子溶液中小分子溶质除去菌体或高分子溶液中小分子溶质间歇操作适合间歇操作适合用于料液量较用于料液量较小时小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。第109页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分别为小分子溶质初始浓度、洗滤后浓度分别为小分子溶质初始浓度、洗滤后浓度;Rs小分子溶质截留小分子溶质截留率；率；V料液体积料液体积,VD为流加水或缓冲液体积（透过液体积）。为流加水或缓冲液体积（透过液体积）。料液体积料液体积V越小，越小，VD也越小。所以，普通在也越小。所以，普通在洗滤前需洗滤前需 浓缩料液，以降低洗滤液用量浓缩料液，以降低洗滤液用量。第110页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，所以，所以，存存在最正确料液浓度在最正确料液浓度，使，使洗率时间最短洗率时间最短。lC*为最正确料液浓度为最正确料液浓度,e为自然常为自然常数数l此时洗滤操作时间最短此时洗滤操作时间最短(4.47)第111页料液处理量较大时，宜采取料液处理量较大时，宜采取多级串联连续洗滤操作多级串联连续洗滤操作预浓缩：降低处理量预浓缩：降低处理量 洗滤：除残留小分子洗滤：除残留小分子第112页第七节第七节 膜污染与清洗膜污染与清洗第113页l1.1膜污染膜污染?因为被处理料液中因为被处理料液中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，以及机械作用而引发溶质析出，以及机械作用而引发膜表面或膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，引发膜孔径变小或堵塞，引发膜透过膜透过通量与分离特征发生改变通量与分离特征发生改变现象。现象。一、膜污染一、膜污染膜污染膜污染是膜技术应用最大限制原因，膜分离过程中碰到是膜技术应用最大限制原因，膜分离过程中碰到最大问题最大问题第114页l1.2造成膜污染主要原因造成膜污染主要原因：凝胶极化现象引发凝胶层；凝胶极化现象引发凝胶层；溶质在膜表面吸附；溶质在膜表面吸附；膜孔堵塞；膜孔堵塞；膜孔内溶质吸附。膜孔内溶质吸附。l1.3膜污染影响膜污染影响：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;膜使用寿命大大缩短膜使用寿命大大缩短第115页膜 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污染膜孔内污染膜表面污染膜表面污染第116页l1.4膜污染分类膜污染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、膜孔堵塞、膜孔堵塞，可经过物理、化学和生物方，可经过物理、化学和生物方法来减轻和改进一类污染法来减轻和改进一类污染 不合理料液性质使膜受到腐蚀及膜本身劣化等不合理料液性质使膜受到腐蚀及膜本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