膜分离工程第一章

《生物分离工程》课程笔记第一章绪论一、生物分离工程的历史及应用1. 历史生物分离工程的历史可以追溯到古代酿酒和面包制作时期，但作为一个独立领域的发展始于20世纪。

早期的生物分离技术主要依靠自然现象，如沉淀、结晶等。

随着科技的发展，尤其是生物技术的崛起，生物分离工程逐渐形成一门独立的学科，并得到了迅速发展。

2. 应用生物分离技术在医药、食品、农业、环境保护等领域有广泛的应用。

例如，在疫苗生产中，需要从细胞培养液中分离出病毒或细菌；在抗生素提取中，需要从发酵液中提取抗生素；在蛋白质纯化中，需要从混合蛋白质中分离出目标蛋白质；在果汁澄清中，需要去除果汁中的悬浮固体等。

二、生物分离过程的特点1. 复杂性生物分离过程涉及生物大分子（如蛋白质、核酸、多糖等）的分离和纯化，这些生物大分子在结构和性质上具有很高的复杂性，因此生物分离过程也具有较高的复杂性。

2. 多样性生物分离过程中，针对不同的生物大分子和混合物，需要采用不同的分离方法和工艺，因此生物分离过程具有很高的多样性。

3. 灵敏度生物大分子在分离过程中容易受到外界因素的影响，如温度、pH值、离子强度等，因此生物分离过程需要严格控制条件，具有很高的灵敏度。

4. 易失活性生物大分子在分离过程中容易发生变性、降解等失活现象，因此生物分离过程需要尽量减少这些失活现象的发生。

5. 高价值生物大分子往往具有很高的经济价值，如药物、生物制品等，因此生物分离过程需要高效、高收率地分离目标物质，以满足市场需求。

第二章过滤一、过滤基本概念及预处理1. 过滤基本概念过滤是一种基于孔径大小实现固体与流体分离的技术。

在生物分离工程中，过滤技术被广泛应用于细胞培养液、发酵液、酶反应液等混合物的初步分离和纯化。

过滤过程中，混合物通过过滤介质（如滤纸、滤膜等），固体颗粒被拦截在过滤介质上，而流体则通过过滤介质流出，从而实现分离。

2. 预处理为了提高过滤效率，通常需要对混合物进行预处理。

第一章绪论1.分离工程的定义、作用及分类？2.何为“清洁工艺”？与分离工程有何关系？3.按所依据的物理化学原理不同，传质分离过程可分为那两类？4.列出5种使用ESA和5种使用MSA的分离操作。

试比较使用ESA与MSA分离方法的优缺点。

5.请列举至少4种速率分离过程，并说明其推动力及传递机理。

第二章单级平衡过程1.相平衡常数相关的概念？（K、α、β）2.相平衡关系可用几种方法来表达？3.什么叫泡点、露点？如何计算？设计精馏塔时各处温度如何处理？4.活度系数法计算气液平衡常数的简化形式？5.怎样判断混合物在指定T，P下的相态？若为两相区其气化率和气液相组成怎样计算？第三章多组分多级分离过程分析与简捷计算第一、二节设计变量、多组分精馏1. 基本概念：设计变量；清晰分割；关键组分/非关键组分；分配组分/非分配组分；逆行精馏；最小回流比；全回流意义。

2. 单元及装置设计变量计算及变量组的指定。

3. 如何确定最小回流比和最少理论板数？相应的方程及条件？4. 总结简捷法计算精馏塔的步骤。

第三节萃取精馏和共沸精馏1. 基本概念：特殊精馏；萃取精馏；共沸精馏。

2. 萃取精馏的原理是什么？画出液相进料的萃取精馏流程。

3. 溶剂的作用？选择时考虑因素？4. 萃取精馏特点？其流量、浓度分布特点？5. 共沸精馏的基本原理？6. 理想共沸剂的要求？共沸剂用量的确定？7. 分离均相共沸物的双塔双压法流程及二元非均相共沸精馏流程。

8. 请指出共沸精馏与萃取精馏的主要异同。

第四节吸收和蒸出过程1. 基本概念：吸收因子/蒸出因子2. 吸收的分类？吸收塔内组分分布特点？3. 平均吸收因子法计算吸收过程。

4. 简述精馏和吸收过程的主要不同点。

第六章第三节分离顺序的选择确定分离顺序的经验法有哪些？第七章其他分离技术1.催化精馏实质是什么？有何特点？2.简述溶液结晶过程。

3.常用的固体吸附剂有哪些？简述两床变压吸附过程。

4.膜分离定义是什么？举例说明膜分离在工业上的运用。

《生化分离工程》思考题及习题第一章绪论2、生化分离工程有那些特点？3、简述生化分离过程的一般流程？第二章预处理与固-液分离法1、发酵液预处理的目的是什么？主要有那几种方法？2、何谓絮凝？何谓凝聚？各自作用机理是什么？3、发酵液中去除杂蛋白的原因是什么？方法主要有那些？7、何谓密度梯度离心？其工作原理是什么？第三章细胞破碎法1、革兰氏阳性菌和阴性菌在细胞壁在组成上有何区别？2、细胞破碎主要有那几种方法？3、机械法细胞破碎方法非机械破碎方法相比有何特点？4、何谓化学破碎法？其原理是什么？包括那几种？5、何谓酶法破碎法？有何特点？常用那几种酶类？第四章萃取分离法1、何谓溶媒萃取？其分配定律的适用条件是什么？2、在溶媒萃取过程中pH值是如何影响弱电解质的提取？3、何谓乳化液？乳化液稳定的条件是什么？常用去乳化方法有那些？5、某澄清的发酵液中含260mg/l放线菌D, 现用醋酸丁酯进行多级萃取。

已知平衡常数K=57.0，料液流量450升/时，有机相流量20升/时。

为达到此抗生素收率为98%的要求，需要多少级的萃取过程？(计算题)8、何谓双水相萃取？双水相体系可分为那几类？目前常用的体系有那两种？9、为什么说双水相萃取适用于生物活性大分子物质分离？第五章沉淀分离法1）何谓盐析沉淀？其沉淀机理是什么？有何特点？2) 生产中常用的盐析剂有哪些？其选择依据是什么？3) 何谓分步盐析沉淀？4）何谓等电点沉淀？其机理是什么？pH是如何影响pI的？第六章吸附分离法1、吸附作用机理是什么？2、吸附法有几种？各自有何特点？5、已知80g的活性炭最多能吸附0.78 mol腺苷三磷酸（ATP），这种吸附过程符合兰缪尔等温线。

其中b=2.0×10E3mol/L,请问在1.2L的料液浓度为多少时才能使活性炭吸附能力达90%? （计算题）★第七章离子交换法1、何谓离子交换法（剂）?一般可分为那几种?2、离子交换剂的结构、组成？按活性基团不同可分为那几大类？3、pH值是如何影响离子交换分离的？5、在离子交换层析分离过程中，离子交换剂是如何选择的？6、各类离子交换树脂的洗涤、再生条件是什么？7、软水、去离子水的制备工艺路线？★第八章膜分离技术2）膜在结构上可分为那几种？膜材料主要用什么？3）简述微滤、超滤、纳滤及反渗透膜在膜材料、结构、性能、分离机理及其应用等方面的异同点5）何谓浓差极化现象？它是如何影响膜分离的？减少浓差极化现象的措施？6）膜的清洗及保存方法有那几种？7）膜分离设备按膜组件形式可分为几种？相比较的优缺点？第九章层析技术1）何谓色层分离法？可分为那几大类？4）何谓亲和色层分离法？亲和力的本质是什么？亲和色层中常用的亲和关系有那几种？5）何谓疏水作用层析？其最大的特点是什么？6）凝胶层析的原理是什么？何谓排阻极限？第十章电泳技术2、聚丙稀酰胺凝胶电泳的原理什么？影响其操作的因素主要有那些？3、SDS聚丙稀酰胺凝胶电泳原理是什么？有何应用？第十一章结晶法2、何谓过饱和度？饱和度形成有那几种方法？4、结晶法与沉淀法相比较有何区别？综合题1、已知某一氨基酸G是一酸性氨基酸，水溶性随温度升高而升高，pI=6.2，在中性和酸性条件下较稳定。

第一章绪论1.分离技术的三种分类方法各有什么特点？答：（1）按被分离物质的性质分类分为物理分离法、化学分离法、物理化学分离法。

（2）按分离过程的本质分类分为平衡分离过程、速度差分离过程、反应分离过程。

（32.3.答：直接分离是将待测组分从复杂的干扰组分分离出来；间接分离是将干扰组分转入新相，而将待测组分留在原水相中。

4.阐述浓缩、富集和纯化三个概念的差异与联系？答：富集：通过分离，使目标组分在某空间区域的浓度增大。

浓缩：将溶剂部分分离，使溶质浓度提高的过程。

纯化：通过分离使某种物质的纯度提高的过程。

根据目标组分在原始溶液中的相对含量（摩尔分数）的不同进行区分：（方法被分离组分的摩尔分数）富集<0.1；浓缩0.1－0.9；纯化>0.9。

5.回收因子、分离因子和富集倍数有什么区别和联系？答：（1）被分离物质在分离过程中损失量的多少，某组分的回收程度，用回收率来表示。

（2A SA,B ≈（3第二章分离过程中的热力学2.气体分子吸附在固体吸附剂表面时，某吸附等温线可以由朗格缪尔吸附方程得到。

试分析吸附物质的吸附平衡常数K与该气体物质在气相的分压p需满足什么条件才能使朗格缪尔吸附等温线近似为直线。

答：溶质吸附量q 与溶质气体分压p 的关系可以用朗格缪尔吸附方程表示：p K p K q q A A +=1max ，式中qmax 为溶质在固相表面以单分子层覆盖的最大容量；KA 为溶质的吸附平衡常数。

在低压时，p K q q p K A A max 1=，《。

第三章 分离过程中的动力学1.相比可2.在无流和有流情况下，溶质分子的迁移分别用什么公式描述？对公式的物理意义做简单的阐述。

答：无流时：22dx c d D dx dc Y dt dc +-=，有流时：22)(dxx d D dx dc v Y dt dc +'+-= 物理意义：（参考费克第一定律物理意义的形式自己描述）3.费克扩散定律描述的是什么样的特殊条件下溶质分子的迁移？答：费克第一定律dxdy A x J dx dc D J -=-=)(或，是假设溶质浓度c 在扩散方向上不随时间变化，其物理意义为：扩散系数一定时，单位时间扩散通过截面积的物质的量（mol ）与浓度梯度成正比，负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反。

目录第一章绪论 (1)第二章单级平衡过程 (6)第三章多组分精馏和特殊精馏 (19)第四章气体吸收 (24)第五章液液萃取 (27)第六章多组分多级分离的严格计算 (28)第七章吸附 (34)第八章结晶 (35)第九章膜分离 (36)第十章分离过程与设备的选择与放大 (37)第一章绪论1.列出5种使用ESA和5种使用MSA的分离操作。

答：属于ESA分离操作的有精馏、萃取精馏、吸收蒸出、再沸蒸出、共沸精馏。

属于MSA分离操作的有萃取精馏、液-液萃取、液-液萃取（双溶剂）、吸收、吸附。

2.比较使用ESA与MSA分离方法的优缺点。

答：当被分离组分间相对挥发度很小，必须采用具有大量塔板数的精馏塔才能分离时，就要考虑采用萃取精馏（MSA），但萃取精馏需要加入大量萃取剂，萃取剂的分离比较困难，需要消耗较多能量，因此，分离混合物优先选择能量媒介(ESA)方法。

3.气体分离与渗透蒸发这两种膜分离过程有何区别？答：气体分离与渗透蒸发式两种正在开发应用中的膜技术。

气体分离更成熟些，渗透蒸发是有相变的膜分离过程，利用混合液体中不同组分在膜中溶解与扩散性能的差别而实现分离。

4. 海水的渗透压由下式近似计算：π=RTC/M ，式中C 为溶解盐的浓度，g/cm 3；M 为离子状态的各种溶剂的平均分子量。

若从含盐0.035 g/cm 3的海水中制取纯水，M=31.5，操作温度为298K 。

问反渗透膜两侧的最小压差应为多少kPa? 答：渗透压π=RTC/M ＝8.314×298×0.035/31.5=2.753kPa 。

所以反渗透膜两侧的最小压差应为2.753kPa 。

5. 假定有一绝热平衡闪蒸过程，所有变量表示在所附简图中。

求： （1） 总变更量数Nv;（2） 有关变更量的独立方程数Nc ； （3） 设计变量数Ni;（4） 固定和可调设计变量数Nx ,Na ；（5） 对典型的绝热闪蒸过程，你将推荐规定哪些变量？思路1：3股物流均视为单相物流， 总变量数Nv=3(C+2)=3c+6 独立方程数Nc 物料衡算式 C 个热量衡算式1个 相平衡组成关系式C 个 1个平衡温度等式1个平衡压力等式 共2C+3个 故设计变量Ni=Nv-Ni=3C+6-(2C+3)=C+3固定设计变量Nx ＝C+2,加上节流后的压力，共C+3个 可调设计变量Na ＝0 解：（1） Nv = 3 ( c+2 )（2） Nc 物 c 能 1 相 cF ziT F P FV , yi ,T v , P vL , x i , T L , P L习题5附图内在(P ，T) 2 Nc = 2c+3 （3） Ni = Nv – Nc = c+3 （4） Nxu = ( c+2 )+1 = c+3 （5） Nau = c+3 – ( c+3 ) = 0 思路2：输出的两股物流看成是相平衡物流，所以总变量数Nv=2(C+2) 独立方程数Nc ：物料衡算式 C 个 ，热量衡算式1个 ,共 C+1个 设计变量数 Ni=Nv-Ni=2C+4-(C+1)=C+3固定设计变量Nx:有 C+2个加上节流后的压力共C+3个 可调设计变量Na ：有06. 满足下列要求而设计再沸汽提塔见附图，求： （1） 设计变更量数是多少？ （2） 如果有，请指出哪些附加变量需要规定？解： N x u 进料 c+2压力 9 c+11=7+11=18N a u 串级单元 1 传热 1 合计 2 N V U = N x u +N a u = 20 附加变量：总理论板数。

分离⼯程思考题第⼀章1、⽣物技术与⽣物分离的关系是什么？为什么说⽣物分离过程是⽣物技术的重要组成部分？⽣物技术的主要⽬标是⽣物物质的⾼效⽣产，⽽分离纯化是⽣物产品⼯程的重要环节。

因此，⽣物分离是⽣物技术的重要组成部分。

2、⽣物物质有哪些？现代⽣物技术产品的主体是什么？⽣物物质总类繁多，包括⼩分⼦化合物，⽣物⼤分⼦，超⼤分⼦，细胞和具有复杂结构与组成成分的⽣物体组织。

现代⽣物技术产品的主体---蛋⽩质类药物.1)细胞因⼦:⼲扰素、⽣长因⼦、红细胞⽣成素2)激素：胰岛素、⽣长激素3)抗体药物：单克隆抗体、抗体⽚段4)酶类药物：尿激酶5)基因⼯程疫苗6)基因治疗3、⽣物分离过程设计应考虑哪些因素？为什么⾊谱是分离过程的核⼼技术？考虑因素：1)⽬标产物的存在位置：胞内或胞外2)⽬标产物的存在形式：活性表达产物或包含体3)⽬标产物分⼦的⼤⼩、疏⽔性、电荷性质、溶解度和稳定性4)⽬标产物的商业价值和对纯度的要求4、⽣物分离过程有哪些特点？1)⽣化产物的稳定性差，产物可能失活2)分离难度⼤，⼀般需⽤特殊的⾼效分离技术3)⽣物产物的原料构成成分复杂，需要采⽤多种分离技术和多个分离步骤完成⼀个⽬标产物的分离4)对最终产物的质量要求很⾼5)需对原料液进⾏⾼度浓缩5、⽣物分离过程中需要考虑分离对像的哪些性质？1)根据物理性质的差异实现分离i.⼒学性质：密度、尺⼨和形状。

⽤于重⼒沉降、离⼼、膜分离等ii.热⼒学性质：溶解度、挥发度等。

⽤于如蒸馏、蒸发、结晶、吸附和离⼦交换等iii.传质性质：粘度、扩散系数、热扩散现象等。

即利⽤传质速度的差别进⾏分离iv.电磁性质：荷电性质、电荷分布、等电点等。

⽤于电泳、电渗析、离⼦交换、磁性分离等2)根据化学性质的差异实现分离i.化学性质包括热⼒学(化学平衡)、反应动⼒学(反应速率)和光化学特性等。

ii. 化学吸附和化学吸收即利⽤化学性质实现分离。

3) 根据⽣物学性质的差异实现分离a) ⽣物分⼦间的识别作⽤，如亲和⾊谱b) 利⽤酶的⽴体选择性，如对⼿性分⼦进⾏选择性修饰后以增⼤分⼦间差异，从⽽⽤常规⽅法进⾏分离6、什么是平衡分离？什么是差速分离？差速分离（速度分离）分离机理：根据溶质在外⼒作⽤下产⽣的移动速度的差异实现分离。

分离工程题库附答案分离工程题库附答案第一章绪论填空题：1、分离技术的特性表现为其（重要性）、（复杂性）和（多样性）。

2、分离过程是（混合过程）的逆过程，因此需加入（分离剂）来达到分离目的。

3、分离过程分为（机械分离）和（传质分离）两大类4、分离剂可以是（能量）或（物质），有时也可两种同时应用。

5、若分离过程使组分i及j之间并没有被分离，则（a s ij=1）。

6、可利用分离因子与1的偏离程度，确定不同分离过程分离的（难易程度）。

7、平衡分离的分离基础是利用两相平衡（组成不相等）的原理，常采用（平衡级）作为处理手段，并把其它影响归纳于（级效率）中。

8、传质分离过程分为（平衡分离）和（速率分离）两类。

9、速率分离的机理是利用溶液中不同组分在某种（推动力）作用下经过某种介质时的（传质速率）差异而实现分离。

10、分离过程是将一混合物转变为组成（互不相等）的两种或几种产品的哪些操作。

11、工业上常用（分离因子）表示特定物系的分离程度，汽液相物系的最大分离程度又称为（固有分离因子）。

12、速率分离的机理是利用传质速率差异，其传质速率的形式为（透过率）、（迁移率）和（迁移速率）。

13、绿色分离工程是指分离过程（绿色化的工程）实现。

14、常用于分离过程的开发方法有（逐级经验放大法）、（数学模型法）选择题：1、分离过程是一个（A）a.熵减少的过程；b.熵增加的过程；c.熵不变化的过程；d.自发过程2、组分i、j之间不能分离的条件是（C）a.分离因子大于1；b.分离因子小于1；c.分离因子等于13、平衡分离的分离基础是利用两相平衡时（A）实现分离。

a.组成不等；b.速率不等；c.温度不等4、当分离因子（C）表示组分i及j之间能实现一定程度的分离。

a.a ij=1b.a s ij=1c.a ij<15.下述操作中，不属于平衡传质分离过程的是（C）a.结晶；b.吸收；c.加热；d.浸取。

6、下列分离过程中属机械分离过程的是（D）：a.蒸馏；b.吸收；c.膜分离；d.离心分离。

《膜分离技术》教案第一章：膜分离技术概述1、膜科学与基础科学的关系膜科学与基础科学的关系如下图所示。

2、膜的定义及特性所谓的膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。

膜的特性：不管膜多薄, 它必须有两个界面。

这两个界面分别与两侧的流体相接触。

膜传质有选择性，它可以使流体相中的一种或几种物质透过，而不允许其它物质透过。

3、膜的分离过程原理膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电位差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。

通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。

4、分离膜的种类5、膜分离技术发展简史高分子膜的分离功能很早就已发现。

1748年，耐克特（A. Nelkt ）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。

1861年，施密特（A. Schmidt ）首先提出了超过滤的概念。

他提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子，其精度比滤纸高得多。

这种过滤可称为超过滤。

按现代观点看，这种过滤应称为微孔过滤。

然而，真正意义上的分离膜出现在20世纪60年代。

1961年，米切利斯（A. S. Michealis ）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水—丙酮—溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜。

美国Amicon 公司首先将这种膜商品化。

50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜的研究。

1967年，DuPont 公司研制成功了以尼龙—66为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。

同一时期，丹麦DDS 公司研制成功平板式反渗透膜组件。

反渗透膜开分离膜高分子膜液体膜生物膜带电膜非带电膜阳离子膜阴离子膜过滤膜精密过滤膜 超滤膜 反渗透膜纳米滤膜始工业化。