第八章

膜分離

6.3膜分離理論■

在膜分離過程中，不同的膜過濾其分離機理有所不同，而且一種膜過濾方式有多種機理解釋和多種數(shù)學(xué)模型描述?！?/p>

微過濾（篩分、吸附）——孔模型、濃差極化模型（擴(kuò)散模型）、覆蓋層模型等?！龀瑸V（篩分、阻塞、吸附）——現(xiàn)象學(xué)模型、細(xì)孔模型、孔模型、篩子模型、濃差極化模型等?！黾{濾（溶解擴(kuò)散、Donna效用）——不可逆熱力學(xué)模型、孔道模型、溶解擴(kuò)散模型、

Donna平衡模型、空間電荷模型、固定電荷模型、立體位阻模型等?！龇礉B透（優(yōu)先吸附-毛細(xì)管流動、溶解擴(kuò)散）——現(xiàn)象學(xué)模型、溶解擴(kuò)散模型、

優(yōu)先吸附-毛細(xì)孔流模型、摩擦模型、孔道模型等。6.3膜分離理論過濾模型——阻力模型濃差極化——凝膠層模型影響過濾速率的主要因素6.3.1過濾模型（阻力模型）■同一般過濾一樣，膜過濾也可用阻力模型來描述。2）RsRm式中：J ——溶劑（水）的透過量（m

3/m2.s）ΔP——膜兩側(cè)壓力差（N/mJ

ΔP

Δ

Δ

——膜兩側(cè)的滲透壓差(N/m2

)R

m

—

—

膜阻力（Pa

.S/m）在實際過濾中，由于溶質(zhì)吸附在膜

上，或形成濃差極化，也會形成阻力，使水通量減少，所以上式應(yīng)改寫為：Rm

Rs式中：Rs——由溶質(zhì)形成的阻力（Pa

S/m)，相當(dāng)于一般過濾中的濾餅阻力J

ΔP

Δ

對于微過濾和超濾，由于分離的對象是固體微?；蚋叻肿游镔|(zhì)，此類物質(zhì)的滲透壓可以忽略不計，于是上式變?yōu)椋篟m

RsΔPJ

由過濾模型可知，反滲透和超濾的區(qū)別在于是否可以忽略滲透壓。當(dāng)處理液中溶質(zhì)的滲透壓可以忽略時即為超濾，反之則為反滲透。6.3.2濃差極化——凝膠層模型當(dāng)溶劑透過膜時，大分子溶質(zhì)被膜所滯留在膜附近而形成濃度梯度，越接近膜表面濃度越高，形成一層凝膠狀薄膜或沉積層，這種現(xiàn)象稱為濃差極化。濃差極化在UF、NF和RO中都存在。一方面，溶液中的大分子溶質(zhì)隨著溶劑（水）和小分子溶質(zhì)向膜表面遷移（即對流作用）；另一方面，在分子擴(kuò)散作用下，膜表面附近高濃度的大分子溶質(zhì)又會向低濃度的主體溶液反方向擴(kuò)散（分子擴(kuò)散作用）。在一定條件下，當(dāng)兩種遷移速度達(dá)平衡后，其過濾速率也就基本確定。濃度Cδ0距離xJCPdxJCd

xDd

c滯流層CS透過液主體溶液(湍流區(qū))對流作用分子擴(kuò)散作用過濾δ凝膠模型示意圖模型假設(shè)：（1）在膜的一側(cè)存在一個滯留邊界層，厚度為δ

；（2）溶質(zhì)分子的反方向遷移完全由分子擴(kuò)散所控制；（3）在邊界層以外的溶液為湍流，其溶質(zhì)濃度是均勻的，濃度為Cb。Cb濃度Cδδ0JCPdxJCD

dcd

xCS透過液

滯流層主體溶液(湍流區(qū))對流作用分子擴(kuò)散作用距離x過濾凝膠模型示意圖對邊界層內(nèi)一薄層單元作溶質(zhì)的質(zhì)量衡算有：達(dá)穩(wěn)態(tài)時，J和CP都是常數(shù)，于是：d

xpJC

JC

(

D

d

C

)CSbJ

0D C

C(C

CP) d

C J

dx

D

ln

s P

Cb

CP

CJ

DlnCs

CP

Cb

CP令Km=D/δ為傳質(zhì)系數(shù)

，則上式變?yōu)椋篵 PmC

CJ

KlnCs

CP如溶質(zhì)

全部被載留，則CP=0，上式變?yōu)椋篵mCJ

K ln

Cs6.3.3影響過濾速率的主要因素若膜和溶質(zhì)一定，則CS變?yōu)槌?shù)，于是：

當(dāng)Cb↑→

ln(CS/Cb)

↓

→

J

↓■由此可見，進(jìn)料液中較高的溶質(zhì)濃度將會使過濾速率下降。（1）進(jìn)料濃度的影響bmCJ

K ln

Cs由于(2)進(jìn)料速率的影響KmmL

U

0.8

D

Re0.8Sc0.33有或 K? Km為溶質(zhì)

向主體溶液擴(kuò)散的傳質(zhì)系數(shù)，當(dāng)：U↑→

δ↓→

Rm

↓→

Km

↑→

J

↑■由化工傳遞有，在湍流情況下，傳質(zhì)過程可用下式表示：Sh

0.023

Re0.8Sc0.33? 由此可見，提高進(jìn)料速率，可有效提高過濾速率。（3）壓力的影響J大分子溶液J水無濃差極化Δ

PABCRm

RsA 當(dāng)Δ

P較小，濃差極化尚未形成，溶質(zhì)阻力可忽略，此時

J∝

Δ

P。B 當(dāng)Δ

P較大時，膜上開始形成濃差極化，溶質(zhì)的影響不能忽略，J隨ΔP增大的速度開始減緩。C 當(dāng)Δ

P很大時，濃差極化嚴(yán)重，此時膜阻力可忽略，RS∝ΔP，過濾速率不再升高。J

ΔP

Δ

(4)溫度的影響■

溫度↑→

μ

↓，D ↑ → J ↑■溫度選擇原則：不影響膜的穩(wěn)定性；不影響溶質(zhì)的穩(wěn)定性。6.4操作方式6.4.1分批操作■料液一次加入，用泵進(jìn)行循環(huán)?！鲅h(huán)液體積速率一般應(yīng)為透過液的10倍以上?！瞿蓚?cè)的壓力可由背壓閥調(diào)節(jié)，降低背壓，將提高循環(huán)速率，但同時使膜兩側(cè)的壓力差下降，故存在一最適背壓，使

透過速率達(dá)最大。 UF貯槽背壓閥泵透過液濃液循環(huán)6.4.2透析過濾■在分批操作中，隨著大分子溶質(zhì)濃度的逐漸增高，過濾速率

將逐漸下降，最后操作將無法進(jìn)行?！鋈缧枥^續(xù)除去小分子物質(zhì)，可在超濾的同時，補加水或緩沖液，使保留液體積保持不變，此即為透析過濾。UF貯槽背壓閥泵透過液濃液循環(huán)水或緩沖液6.4.3連續(xù)操作■單級連續(xù)操作的效率往往比批式操作低，這是因為單級操作時，通過膜組件的溶質(zhì)濃度一直保持最高(與濃縮產(chǎn)品相同)。■采用多級串連操作時，上一級的濃縮液進(jìn)入下一級繼續(xù)濃縮，最后一級的濃縮達(dá)到所需的產(chǎn)品濃度。由于開始時溶質(zhì)濃度較低，過濾速率較大，所以級數(shù)愈多，所需總膜面積愈小?！鲞B續(xù)操作的優(yōu)點是產(chǎn)品在系統(tǒng)中的停留時間短，對活性產(chǎn)品有利，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。透過液循環(huán)泵濃縮液進(jìn)料泵貯料槽6.5應(yīng)用舉例6.5.1小分子產(chǎn)品的回收■生物工業(yè)中的大多數(shù)產(chǎn)品均為小分子產(chǎn)品，如有機酸、氨基酸、抗生素、疫苗、維生素、核苷酸等，其分子量大多在100~2000之間?！鰧τ谛》肿由锂a(chǎn)品，如直接用蒸發(fā)與結(jié)晶的方法回收，則需消耗大量的蒸汽，而采用膜分離可在不發(fā)生相變的情況下使產(chǎn)品得以回收、初步提純及濃縮。胞外小分子產(chǎn)品:NF/ROUF發(fā)酵液CF或MF濃縮液水菌體大分子雜質(zhì)水、低分子雜質(zhì)透過液透過液胞內(nèi)小分子產(chǎn)品:NF/ROUF發(fā)酵液MF濃縮液水細(xì)胞碎片大分子雜質(zhì)水、低分子雜質(zhì)透過液透過液CF/MF勻漿發(fā)酵廢液細(xì)胞液水6.5.2大分子生物產(chǎn)品的回收■大分子生物產(chǎn)品包括酶、蛋白質(zhì)、多糖、核酸等，目前已廣泛使用膜分離過程?！龃蠓肿赢a(chǎn)品的回收率通?？蛇_(dá)90%，收率下降的可能原因有：（1）泵的剪切作用使活性物質(zhì)失活。（2）膜的表面吸附作用。（3）離子組成發(fā)生改變，有些對酶活起穩(wěn)定作用的離子被分離除去。（4）膜的滲漏問題。胞外大分子產(chǎn)品:發(fā)酵液UFCF或MF濃縮液水菌體水、低分子雜質(zhì)透過液貯槽濃縮液部分循環(huán)胞內(nèi)大分子產(chǎn)品:發(fā)酵液UFMF濃縮液水細(xì)胞碎片水、低分子雜質(zhì)透過液貯槽濃縮液部分循環(huán)CF/MF勻漿發(fā)酵廢液細(xì)胞液水6.5.3酶反應(yīng)與膜分離技術(shù)聯(lián)用（1）對游離酶反應(yīng)系統(tǒng)，存在的主要問題是用酶量大，而酶的回收困難。（2）對固定化酶反應(yīng)系統(tǒng)，存在的問題主要是酶活力的損失，且傳質(zhì)困難。（3）對連續(xù)酶反應(yīng)過程，存在酶反應(yīng)速度與底物利用率的