1、第十一章 膜分離技術(shù)(Membrane Separation Technology ),“膜分離”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。 借助于膜而實(shí)現(xiàn)各種分離的過(guò)程稱為膜分離。,國(guó)內(nèi)外研究狀況,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)資或合資企業(yè)形

2、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。,應(yīng)用范圍,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）,特點(diǎn)(優(yōu)勢(shì)),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。,第一節(jié) 透析,透析膜 透析的材料：獸類的膀胱、硝酸纖維素膜、玻璃紙。 定義：透析是采用半透膜作為濾膜,使試樣中的小分子經(jīng)擴(kuò)散

3、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）?？刹粩喔鼡Q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。,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,使用 預(yù)處理：用50%乙醇慢慢煮沸一小時(shí)，再分別用50%乙醇、0.01mol

4、/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；,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,第二節(jié) 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

5、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：膜的厚度較大，孔隙為一定直徑的圓柱形的膜。 各向異性膜：正反兩面的結(jié)構(gòu)不一致的膜。膜質(zhì)分為“功能層”和 “支持層”， “功能層”具有一定孔徑的多孔，決定膜的選擇透過(guò)性質(zhì)，厚度為0.11m； “支持層”孔隙大其支持作用，厚度約0.1mm 。 喇叭口濾膜：孔隙不是圓柱體，而是梯形圓臺(tái),（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

6、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

7、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) 。,（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,（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,（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。

8、 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. 液體物料的溫度、粘度、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,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

9、、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) 微孔濾膜過(guò)濾技術(shù),一、微孔濾膜的特點(diǎn)

10、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 再生纖維素 纖維素酯膜:硝酸纖維素酯膜 .醋酸纖維素酯膜 . 混合纖維素酯膜 聚四氟乙烯膜 聚氯乙烯膜 超細(xì)玻璃纖維濾膜,（二）微孔濾膜的制備,（1）自

11、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 膜孔徑檢測(cè)方法：氣泡壓力法、細(xì)菌過(guò)濾法(最大孔徑)、水流量法(平均孔徑)、 2 孔隙率 3 厚度及重量 4 阻力和流速,三、微孔濾膜過(guò)濾設(shè)備和操作,設(shè)備：注射式過(guò)濾器、玻璃濾器、平板濾器、筒式濾器等。,操作與注意事項(xiàng) 1 過(guò)濾系統(tǒng)的嚴(yán)密性 2 濾膜的濕潤(rùn) 3 過(guò)濾速度 4 過(guò)濾系統(tǒng)的清洗和消毒 5 串濾技術(shù),第四節(jié) 微孔膜過(guò)濾的應(yīng)用,一、在生化中的應(yīng)用 1溶液澄清 2 結(jié)合測(cè)定 3 蛋白質(zhì)及核酸含量測(cè)定 二、在制藥工業(yè)中的應(yīng)用 1 藥液中微粒及細(xì)菌的濾除 2 抗生素的無(wú)菌檢驗(yàn),納濾過(guò)濾（nanofiltration, NF）

12、,納濾膜的孔徑為納米級(jí)，因此稱為“納濾”。其孔介于反滲透膜(RO)和超濾膜(UF)之間，納濾膜能夠截留分子量為幾百的物質(zhì)，對(duì)NaCl的截留率為50%-70%，對(duì)某些低分子有機(jī)物的截留率可達(dá)90%。 納濾膜的表層較RO膜的表層要疏松得多，但較UF膜的要致密得多。因此其制膜關(guān)鍵是合理調(diào)節(jié)表層的疏松程度，以形成大量具納米級(jí)的表層孔。,納濾截留的相對(duì)分子量為100-1000 納濾填補(bǔ)了超濾與反滲透之間的空白,它能截留透過(guò)超濾膜的那部分小分量的有機(jī)物,透析被反滲透膜所截留的無(wú)機(jī)鹽。而且，納濾膜對(duì)不同價(jià)態(tài)離子的截留效果不同,對(duì)單價(jià)離子的截留率低(10%-80%),對(duì)二價(jià)及多價(jià)離子的截留率明顯高于單價(jià)離子(

13、90%)以上。,多肽和氨基酸的分離 離子與荷電膜之間存在道南(Donnan) 效應(yīng),即相同電荷排斥而相反電荷吸引的作用。氨基酸和多肽在等電點(diǎn)時(shí)是中性的, 當(dāng)高于或低于等電點(diǎn)時(shí)帶正電荷或負(fù)電荷。由于一些納濾膜帶有靜電官能團(tuán), 基于靜電相互作用, 對(duì)離子有一定的截留率, 可用于分離氨基酸和多肽。納濾膜對(duì)于處于等電點(diǎn)狀態(tài)的氨基酸和多肽等溶質(zhì)的截留率幾乎為零, 因?yàn)槿苜|(zhì)是電中性的并且大小比所用的膜孔徑要小。而對(duì)于非等電點(diǎn)狀態(tài)的氨基酸和多肽等溶質(zhì)的截留率表現(xiàn)出較高的截留率, 因?yàn)槿苜|(zhì)離子與膜之間產(chǎn)生靜電排斥, 即Donnan 效應(yīng)而被截留。,反滲透（Reverse Osmosis）,反滲透（Reverse Osmosis）分離過(guò)程是使溶液在一定壓力（10-100 atm）下通過(guò)一個(gè)多孔膜，在常壓和環(huán)境溫度下收集膜滲透液。溶液中的一個(gè)或幾個(gè)組分在原液中富集，高濃度溶液留在膜的高壓側(cè)。 反滲透膜(homogeneous membrane or