1、第十一章 膜分離技術(shù) (Membrane Separation Technology ),“膜”的定義： 如果在一個(gè)流體相內(nèi)或兩個(gè)流體相之間有一薄層凝聚相物質(zhì)把流體分隔開(kāi)來(lái)成為兩部分，則這一薄層物質(zhì)就是膜。 “膜分離”的定義： 借助于膜而實(shí)現(xiàn)各種分離的過(guò)程稱(chēng)之為膜分離。,國(guó)外：膜分離技術(shù)起步于本世紀(jì)六十年代 “18世紀(jì)電器改變了整個(gè)工業(yè)過(guò)程，而20世紀(jì)膜技術(shù)改變了整個(gè)面貌”。 國(guó)內(nèi)：起步于年，年代末開(kāi)始步入工業(yè)化。 與國(guó)外市場(chǎng)的差距： 一、對(duì)膜技術(shù)這一高新技術(shù)的認(rèn)識(shí)。 二、膜技術(shù)推廣應(yīng)用領(lǐng)域亟待進(jìn)一步擴(kuò)大，并建立相應(yīng)的示范工程。 三、面臨一些國(guó)外膜及膜裝置，膜工程的大企業(yè)進(jìn)入我國(guó)，以獨(dú)資或合資

2、企業(yè)形式加大競(jìng)爭(zhēng)。 四、國(guó)內(nèi)膜技術(shù)膜產(chǎn)品質(zhì)量、品種與國(guó)外尚存在較大差距。,國(guó)內(nèi)外研究狀況,海水脫鹽淡化 醫(yī)藥工業(yè)的純化水、注射用水 生物大分子物質(zhì)的濃縮與純化 人工腎透析 過(guò)濾除菌（溶液、空氣）,應(yīng)用范圍,1.高效：由于膜具有選擇性，它能有選擇性地透過(guò)某些物質(zhì)，而阻擋另一些物質(zhì)的透過(guò)。選擇合適的膜，可以有效地進(jìn)行物質(zhì)的分離，提純和濃縮。 2.節(jié)能：多數(shù)膜分離過(guò)程在常溫下操作，被分離物質(zhì)不發(fā)生相變, 是一種低能耗，低成本的單元操作。 3.過(guò)程簡(jiǎn)單、容易操作和控制。 4.不污染環(huán)境。,特點(diǎn)（優(yōu)勢(shì)）,第一節(jié) 透 析,透析的材料：獸類(lèi)的膀胱、硝酸纖維素膜、玻璃紙。 定義：透析是采用半透膜作為濾膜,使試

3、樣中的小分子經(jīng)擴(kuò)散作用不斷透出膜外,而大分子不能透過(guò)被保留在透析袋內(nèi)，從而達(dá)到大小分子分離的一種膜過(guò)濾方法。 特點(diǎn)：半透膜兩邊均為液體，一邊為試樣溶液（保留液），另一邊為純凈溶劑（水或緩沖溶液）。可不斷更換外層溶劑使擴(kuò)散不斷進(jìn)行，直至符合要求。 應(yīng)用：制備或提純生物大分子時(shí)，除去小分子物質(zhì)及其雜質(zhì)，脫鹽。,透析示意圖,用于透析的半透膜應(yīng)具備的條件： （1）在溶劑中能形成分子篩狀多孔薄膜，只允許小分子溶質(zhì)通過(guò)，而阻止大分子（如蛋白質(zhì)）通過(guò)； （2）化學(xué)惰性；在水、鹽溶液、稀酸或稀堿溶液中穩(wěn)定； （3）良好的物理性能：有一定的機(jī)械強(qiáng)度和良好的再生性能。,預(yù)處理：用50%乙醇慢慢煮沸一小時(shí)，再分別用

4、50%乙醇、0.01mol/L碳酸氫納溶液、0.001 mol/L EDTA 溶液依次洗滌，最后用蒸餾水洗滌三次。,使 用,透析過(guò)程注意點(diǎn)： （1）透析前，對(duì)裝有試液的透析袋檢查是否有泄漏； （2）透析袋裝一半左右，防止膜外溶劑因濃度差滲入將袋漲裂或過(guò)度膨脹使膜孔徑改變； （3）攪拌；定期或連續(xù)更換外部溶劑可提高透析效果。 透析袋的保存：,二、透析方法及裝置 1 旋轉(zhuǎn)透析器 2 平面透析器 3 連續(xù)透析器 4 淺流透析器,dialysis,旋轉(zhuǎn)透析器配有一個(gè)內(nèi)部的磁鐵，通過(guò)使用磁鐵攪拌板可以使整個(gè)透析器旋轉(zhuǎn)。 這種持續(xù)的樣品運(yùn)動(dòng)能比標(biāo)準(zhǔn)透析器少用50至100%的透析時(shí)間。,旋轉(zhuǎn)透析器,第二節(jié)

5、超濾技術(shù)(Ultra filtration technology ),一、超濾的特征和用途 定義：超過(guò)濾(簡(jiǎn)稱(chēng)超濾)是一項(xiàng)分子級(jí)膜分離手段，以壓力差為推動(dòng)力將不同分子量的物質(zhì)進(jìn)行選擇性分離。一般用于液相分離，也可用于氣相分離。 用途： 1.大分子物質(zhì)的脫鹽和濃縮，以及大分子物質(zhì)溶劑系統(tǒng)的交換平衡。 2.大分子物質(zhì)的分級(jí)分離。 3.生化制劑或其它制劑的去熱原處理。,二、超濾膜 （一）超濾膜的構(gòu)造 各向同性膜(isotropic membrane) ：各向同性膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向上是一致的，在所有方向上的孔隙率都相似。 各向異性膜(anisotropic membrane) ：其孔結(jié)構(gòu)

6、隨深度而變化的膜。 膜質(zhì)分為兩層：功能層和支持層。 喇叭口濾膜：孔隙不是圓柱體，而是梯形圓臺(tái)。,非對(duì)稱(chēng)膜,對(duì)稱(chēng)膜,（功能層）,（支撐層）,（二）超濾膜的制造 入水凝凍法制備各向異性膜： 1、制膜材料（二醋酸纖維素，丙酮，甲酰胺） 2、制膜液的配制：25g醋酸纖維素、100ml丙酮、80ml甲酰胺加入密封容器內(nèi)，間歇攪拌使其溶解 3、制膜操作：玻璃板，刮刀，5秒鐘，45的冷水中，1h后取出，貼在玻璃板上的一面為反面，孔徑大；另一面為小孔徑的功能面。,影響膜孔徑的因素 增加添加劑與成膜材料的比例或添加劑與溶劑的比例，可使膜表面孔徑增大。 降低刮膜溫度，或減少刮好的膜在空氣中的蒸發(fā)時(shí)間，會(huì)使膜表面孔

7、徑增大。,（三）超濾膜的選用,超濾的選用應(yīng)注意： 1、分子量截留值： 阻留率達(dá)90%以上的最小被截留物質(zhì)的分子量。,2、流動(dòng)速率：在一定壓力下每分鐘通過(guò)單位面積膜的液體量來(lái)表示。 3、其他 （1）操作溫度 （2）化學(xué)耐受性 （3）膜的吸附性質(zhì) （4）膜的無(wú)菌處理,三、超濾過(guò)程和裝置,（一）濃差極化現(xiàn)象 外源壓力迫使分子量較小的溶質(zhì)通過(guò)薄膜，大分子被截留于膜表面，并逐漸形成濃度梯度，這就是濃差極化現(xiàn)象。 克服極化的措施：震動(dòng)、攪拌、錯(cuò)流(cross flow) 、切流(tangent flow) 。,超濾開(kāi)始時(shí)， 濾速較快，且與壓力呈正比，當(dāng)形成“沉積層”后，濾速不再增加，沉積層又稱(chēng)“邊界層”，

8、其阻力大于膜阻力，各向同性膜會(huì)因之完全堵塞，喪失過(guò)濾能力。,（二）實(shí)驗(yàn)用超濾器,（1）無(wú)攪拌式裝置 （2）攪拌或震動(dòng)式裝置 （3）小棒超濾器 （4）中空纖維超濾 （5）淺道系統(tǒng)超濾裝置,無(wú)攪拌式超濾裝置,攪拌式超濾裝置,淺道系統(tǒng)超濾裝置,小棒超濾器,（三）工業(yè)用超濾裝置,設(shè)計(jì)要求： 有效過(guò)濾面積大 支撐裝置強(qiáng)度大 極化現(xiàn)象小 典型裝置： 板式、管式、螺旋卷式、中空纖維,中空纖維膜分離器（工業(yè)用）,卷式膜分離器（工業(yè)用）,（四）影響超濾流速和選擇性的因素,溶質(zhì)分子性質(zhì)：大小、形狀和帶電性質(zhì)。 超濾膜的性質(zhì)：孔徑、結(jié)構(gòu)、吸附性。 超濾裝置和操作：膜或組合膜的構(gòu)造、超濾器的結(jié)構(gòu)以及操作壓力、攪拌情況

9、。 液體物料的溫度、粘度、pH、離子強(qiáng)度。,1、溶質(zhì)分子特征和濃度：包括溶質(zhì)分子大小、形狀和帶電性質(zhì)。 比重大的纖維狀分子擴(kuò)散性差,對(duì)流速影響大;易形成凝膠層,使流速達(dá)不到極限水平。 比重小的球形分子易擴(kuò)散，不形成凝膠層，隨壓力增大，流速也提高。,2、超濾膜的性質(zhì)： 指膜的孔徑、結(jié)構(gòu)及吸附性質(zhì)。 在保證分辨率的情況下，使用孔徑大的濾膜有利于提高過(guò)濾效率。 3、超濾裝置和操作條件： 包括膜的構(gòu)造和超濾器的結(jié)構(gòu)及操作壓力、攪拌情況、溫度、pH、離子強(qiáng)度）。,四、超濾的操作和應(yīng)用,（一）超濾膜和超濾器的處理 （二）過(guò)濾操作 （三）應(yīng)用 濃縮和脫鹽 分級(jí)分離和純化 超濾分離與酶反應(yīng)連用,(一) 超濾膜

10、及超濾器的處理：檢查、清洗、消毒、 保存。 (二) 超濾操作： 操作壓：0.05-0.5MPa 對(duì)于切流過(guò)濾的膜裝置, 操作壓為: P=(Pin Pout) /2=(進(jìn)口壓-出口壓/2) 流 量：相同材料液用不同膜流量不同; 相同膜：分離要求不同，流量不同。,(三) 應(yīng)用 脫鹽和濃縮: 優(yōu)點(diǎn)： （1）不消耗試劑； （2）無(wú)相的轉(zhuǎn)移 （3）可在低溫下進(jìn)行； （4）操作簡(jiǎn)便 脫鹽的方法有: 滲濾液（連續(xù)）和稀釋法。 分級(jí)分離與純化： 當(dāng)溶液中不同溶質(zhì)的分子量相差較大時(shí)，可采用不同分子量截留值的超濾膜進(jìn)行多次滲濾。,超濾分離與酶反應(yīng)器聯(lián)用： 多見(jiàn)于酶促分解反應(yīng)。 主要作用是產(chǎn)物與酶（酶系）分離，提高

11、酶的利用率。,采用超濾技術(shù)濃縮提純南瓜多糖,南瓜是一種糖尿病療效食物。從南瓜中提取的南瓜多糖，對(duì)大鼠、家兔、人等有非常顯著的降血糖作用，具有治療糖尿病的功效。但是，南瓜中的南瓜多糖含量通常都在 3%以下，要達(dá)到降血糖效果，患者必須長(zhǎng)期的食用大量南瓜，讓人難以接受。因此有必要開(kāi)發(fā)一種南瓜多糖精制產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)對(duì)南瓜多糖的分離提取主要采用傳統(tǒng)的水提醇沉法，存在生產(chǎn)過(guò)程中能量、乙醇等試劑消耗均較大，色素脫除不徹底，成本高，效率低等問(wèn)題。,粗提：準(zhǔn)確稱(chēng)取 1000g 南瓜泥分別置于不銹鋼鍋里，加入3000ml電熱恒溫水浴中加熱80度,1小時(shí)進(jìn)行提取，提取液采用四層紗布過(guò)濾，濾液定容 4000ml(保藏

12、于冰箱冷藏室備用。濾液中總糖含量為 15.36mg/ml), 超濾：控制超濾壓力為0.1MP，溫度為25度，將南瓜料液先用 100KD 超濾膜進(jìn)行超濾處理。濾過(guò)液繼續(xù)采用 30KD的超濾膜進(jìn)行超濾處理，分別測(cè)定100KD 超濾膜的截留液、30KD 超濾膜的截留液、30KD超濾膜的濾過(guò)液中的總糖。南瓜多糖的大致分子量分布為：,第三節(jié) 微孔膜過(guò)濾技術(shù),一、微孔膜的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍 特點(diǎn)： 設(shè)備簡(jiǎn)單 操作簡(jiǎn)便、快速 分辨率高、重現(xiàn)性好 一些膜具有結(jié)合生物大分子的特殊能力，用于特殊測(cè)定 應(yīng)用范圍：,0.010.05m：噬菌體、病毒或大的膠體顆粒。 0.1m：試劑的超凈、分離沉淀和膠體懸液。 0.2m：高

13、純水的制備、制劑除菌、細(xì)菌計(jì)數(shù)、空氣病毒定量測(cè)定等。 0.45m：水的超凈化處理、色譜分析時(shí)流動(dòng)相的處理、放射免疫測(cè)定、光測(cè)介質(zhì)溶液的凈化以及鍋爐水中Fe(OH)3的分析等。,二、微孔濾膜,(一) 微孔濾膜的種類(lèi) 再生纖維素：耐高溫、但水中膨脹不宜使用。 纖維素酯膜：硝酸纖維素酯膜、醋酸纖維素酯、混合纖維素酯膜 ，使用較多，性能好、成本低，能耐高溫、親水性強(qiáng)、孔徑均勻。 聚四氟乙烯膜：耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑等。憎水、理化性質(zhì)穩(wěn)定，工作范圍大。 聚氯乙烯膜：穩(wěn)定性次于3，且不耐熱（65會(huì)變形。 超細(xì)玻璃纖維濾膜：由玻璃纖維及玻璃粉經(jīng)聚丙烯酸粘結(jié)而成，實(shí)為“深層過(guò)濾介質(zhì)”，又稱(chēng)“空氣超凈濾紙”，還

14、用于測(cè)定、收集細(xì)胞、沉淀、預(yù)處理等。,（二）微孔濾膜的制備,（1）自然蒸發(fā)凝結(jié)法 （2）急速凝凍法,（三）微孔濾膜的性質(zhì)與檢測(cè),1、孔徑 2、孔隙率 3、厚度及重量 4、阻力和流速,1、孔徑： 檢測(cè)孔徑大小和均一性，微孔膜的孔徑相當(dāng)均一為其主要特征（如0.450.01m），故稱(chēng)絕對(duì)過(guò)濾介質(zhì)。 “最大孔徑”和“平均孔徑”，通常保護(hù)所有大于指定孔徑的顆粒或細(xì)菌均被截留。 2、孔隙率及水萃取率： 即孔隙總體積與濾膜總體積之比。 孔隙率 =（濕重-干重）/ 膜體積,3、厚度和重量： 微孔濾膜的厚度范圍為：120150um。 按面積計(jì)算為：5mg/cm2 4. 阻力和流速： 阻力小于濾紙?jiān)S多倍。 5. 其他理化性質(zhì)： 介電常數(shù) ： 4.55.0； 電阻率 ：1010歐