《生化分离工程》BioseparationEngineering第6章膜分离

水
3.反渗透：当外加一个大于渗透压的压力时，水分子从浓盐一侧向稀盐一侧渗透。
（4）纳滤（Nano- Filtration ）
纳滤是间于超滤与反渗透之间的一种膜过滤，于 20世纪80年代初开发，当时称之为低压反渗透。
与反渗透比较，由于纳滤对无机盐的截留率很低， 在过滤过程中，保留液（浓缩液）的渗透压不会明显 提高，因而操作压力较低（大多为0.5~1.5MPa ）。
• 膜两边都是液相，透析过程不改变原 溶液的体积。
• 透析法的缺点是速度慢、处理量少。 • 在生物行业中，主要用于实验室制备
及提纯生物大分子时除去或更换小分 子物质、脱盐和改变溶剂成分。
（6）电渗析（ ED ）
电渗析是以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从 溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作。电渗析主要组成部分是离子 交换膜，分为阳膜，阴膜。阳膜只充许阳离子通过而阴离子被阻挡； 阴膜只允许阴离子通过而阳离子被阻挡。
＞10000 50~10000
2~50 ＜２ ＜0.5 ＜0.5
几种主要膜分离技术特征
名 称
膜结构
对称微孔膜 微滤 （0.05~10μm)
超滤 不对称微孔膜 （１~５0nm)
反渗 透
带皮层的不对 称膜、复合膜
（＜１nm)
驱动力
应用对象
示例
压力 （0.05~0.5MP 清毒、澄清、细胞收集
a)
溶液除菌、澄清，果汁澄清、细胞收集、 水中颗粒物去除
浓度梯度
小分子有机物和无机离子 除去小分子有机物或无机离子，奶制品脱
的去除
盐，蛋白质溶液脱盐等
电渗 析
离子交换膜
电位差
离子脱除、氨基酸分离
苦咸水、海水淡化，纯水制备，锅炉给水， 生产工艺用水
渗透 致密膜或复合 蒸发 膜
醇与水分离，乙酸与水分离，有机溶剂脱 浓度梯度 小分子有机物与水的分离 水，有机液体混合物分离（如脂烃与芳烃
• 膜的种类很多，分类的方法也很多，比较通用的有四 种：即按膜的性质分类、按膜的结构分类、按膜的用 途分类和按膜的作用机理分类。
按膜的来源形态和结构分类
液膜——乳状液膜、带支撑层液膜
合
荷电膜 复合膜
无孔膜
转相膜
成
固膜
有机膜
(不对称) 无荷电膜
复合膜 转相膜
膜
多孔膜——对称膜、不对称膜
无机膜——多孔膜（对称或不对称） 生物膜——原生质膜、细胞膜、动物皮
切向流过滤（Cross-flow Filtration）
浓
差
悬浮液
极
化
层
透过液
膜
切向流过滤
• 又称错流过滤、交叉过滤或十 字流过滤。
• 是一种维持恒压下高速过滤的 技术。其操作特点是使悬浮液 过滤介质表面作切向流动，利 用流体的剪切作用将过滤介质 表面沉积的固体移走。
• 当移走固体的速率与固体的沉 积速率相等时，过滤速率就近 似恒定。
压力
溶液除菌、澄清，注射用水制备，果汁澄
（0.2~1MPa)
细粒子胶体去除可溶性中 清、除菌，酶及蛋白质分离、浓缩与纯化，
等或大分子分离
含油废水处理，印染废水处理，乳化液分
离、浓缩等
压力 （1~10MPa) 小分子溶质脱除与浓缩
低浓度乙醇浓缩，糖及氨基酸浓缩，苦咸 水、海水淡化，超纯水制备
透析
对称的或不对 称的膜
支
活
撑
性
层
层
不对称膜——正反面结构不同。
多孔活性层—厚度0.1~1.0μ m，孔 隙直径0.1~20nm，起选择过滤作用。
支撑层—厚度50~100μ m，孔隙 过滤方向 直径0.1~1.0 μ m ，起支撑作用。
6.3.2 膜材料
• 制造膜的高分子材料很多，大致可分为三大类： （1）天然高分子材料：如醋酸纤维素、再生纤维素等； （2）合成高分子材料：如聚砜、聚酰胺、聚乙酰等； （3）无机材料：陶瓷、电解质复合物、多孔玻璃、ZrO2/
当浓缩相固相浓度高而使流动性下降时，过滤速率将 迅速下降； （4）不能避免膜的污染和堵塞。
6.3 膜与膜装置
6.3.1 膜的分类 6.3.2 膜材料 6.3.3 膜的性能参数 6.3.4 膜装置 6.3.5 膜的污染与清洗
6.3.1 膜的分类
• 膜是间隔两种流体的一个阻挡层。它可以是均相的或 非均相的、对称型的或非对称型的、固体的或液体的、 中性的或荷电性的，其厚度可以从几微米到0.5毫米。
6.2.3膜分离技术的类型
膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近 似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的， 故而可以按分离粒子大小进行分类。
常见膜分离过程： ①微滤（Microfiltration，MF） ②超滤（Ultrafiltration，UF） ③反渗透（Reverse osmosis，RO） ④透析（Dialysis，DS） ⑤电渗析（Electrodialysis，ED） ⑥渗透气化（Pervaporation，PV）
膜分离法与物质大小（直径）的关系
粒径
0.1 1nm 10 100 1μm 10 100 １mm
小分子
病毒 蛋白质
乳胶
超细胶体微粒
细菌 细胞
微粒
反渗透
超滤
微滤
一般过滤
有关微米的一组数据
1μm= 10-3mm 人发直径70-80μm 裸眼可见最小颗粒40μm 金属颗粒50μm 酵母菌 3μm 假单胞菌0.3μm 小RNA 病毒0.03μm
例1：用泵循环使悬浮液流径膜滤器，产生切向流。
浓缩液部分循环
悬浮液 膜
泵
浓缩液
透过液
例2：在膜表面加以搅拌造成悬液流动，产生切向流。 悬浮液
透过液
切向流过滤的缺点：
（1）切向流所产生的剪切作用有可能使蛋白质产物失活， 因而过滤速度受限制；
（2）能耗比一般过滤高，大部分用来使流体快速流动； （3）固相液体含量较高，实际上仍为流体，仅起浓缩作用，
体 – 被膜分开的流体相物质是液体或气体 – 膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜
6.2.1.2膜分离的概念
膜分离的概念： 利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在
的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁 移率不同而实现分离的一种技术。
6.2.2膜分离技术的特点
发酵培养液主要成分尺寸与分子量
（5）透析（Dialysis）
从大分子溶液中透析除去中小分子、无机
盐或更换溶剂。
透析膜
大分子
小分子
水分子
透析过程中，
混合液中的大分子 物质被截留在膜内， 小分子经分子扩散 作用不断透出膜外， 同时水分子（或其 他溶剂）也不断扩 散至膜内，直到膜 内外达到平衡。
透析（Dialysis）过程的特点与应用
发展史：1748年发现；1850’年天然膜应用；1864年第一 张人工无机膜—亚铁氰化铜诞生；1930’有机膜 出现……
1925年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程在工 业上得到应用。
30年代 微孔过滤 40年代 渗析 50年代 电渗析 60年代 反渗透 70年代 超滤 80年代 气体分离 90年代 渗透汽化 现 代 EDI技术
浓缩(超过滤) 精制(结晶、干燥)
6. 膜分离
6.1概述 6.2膜分离概论 6.3膜与膜装置 6.4膜分离理论 6.5操作方式 6.6应用举例
6.1概述
近20年发展起来的膜分离技术，已广泛用于生物工程、食 品、医药、化工等工业生产及水处理等各个领域；膜分离技 术是用半透膜作为选择障碍层，允许某些组分透过而保留混 合物中其它组分，从而达到分离目的的技术。
与超过滤比较，纳滤对低分子有机物有较高的截 留率，过滤过程中保留液（浓缩液）的渗透压有一定 提高，因而操作压力比超滤要高。
纳滤能截留分子量为200~1000之间的有机物质及 高价无机离子。由于许多生物产品的分子量（如抗生 素、多糖、维生素、多肽、柠檬酸等）都在此范围， 因而纳滤在生物工业中比超滤（主要用于生物大分子） 和反渗透（主要是脱盐）有着更广泛的用途。
几种膜分离范围
膜过程 分离机理
分离对象
粒子过滤 体积大小
固体粒子
微滤
体积大小
0.05~10μm的固体粒子
超滤
体积大小
1000~1000,000Da的大分子
纳滤
溶解扩散 离子、分子量＜100的有机物
反渗透 溶解扩散 离子、分子量＜100的有机物
渗透蒸发 溶解扩散 离子、分子量＜100的有机物
孔径/nm
（1）处理效率高，设备易放大； （2）适合于热敏物质分离； （3）失活较少； （4）无相变过程，省能； （5）在分离、浓缩的同时可达到部分纯化； （6）可达较高回收率； （7）系统可密闭，避免外来污染； （8）不外加化学物质，减少环境污染； （9）不适合于分子量相近物质的分离，一般地分子量需
相差10 倍以上才能获得较好的分离。
的分离等
常见膜分离过程简介： （1）微滤（Micro-Filtration）
截留0.05~10μm 的悬浮物，使悬浮液澄清，在生物工业 中的主要应用有：细胞、细胞碎片、胶体、蛋白质沉淀物悬 浮液的浓缩过滤，以代替高速离心机；无菌空气的制备；培 养基的无菌过滤，以代替加热灭菌，保证营养成分不被破坏。
6.2膜分离概论
6.2.1膜及膜分离的概念 6.2.2膜分离技术的特点 6.2.3膜分离技术的类型 6.2.4膜分离的基本特征
6.2.1膜及膜分离的概念
6.2.1.1膜的概念 在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分
隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。 – 膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合
对称膜与不对称膜
对称膜的膜厚方向上孔道结构均匀，它的传质阻力大， 透过通量低，并且容易污染，清洗困难；不对称膜支撑层孔 径很大，对流体透过无阻力，而活性层很薄，孔径细微，因 此透过量大、膜孔不易堵塞、容易清洗。目前的超滤和反渗 透膜多为不对称膜。
※不对称膜—存在透过速率与机械强度之间的矛盾 透过速率高→膜厚度小、孔穴密→机械强度↓
微
成分
动植物 细胞
生
物
病
蛋白质 酶
抗体
糖
有Biblioteka Baidu酸
无 机
毒 多糖 抗生素
氨基酸 盐
分子量
(kD)
——
—— —— 10~103
0.3~ 1.0
0.2~ 0.4
0.1~ 0.01~ 0.5 0.1
尺寸 104~ 102~ 30~ 2~ (nm) 105 104 300 10
0.6~ 0.8~ 0.4~ 0.2~ 1.2 1.0 0.8 0.4
《生化分离工程》
Bioseparation Engineering 第6章 膜分离
生化分离过程的一般流程：
原料液
细胞分离(离心，过滤)
路线一 细胞－胞内产物
路线二 清液－胞外产物
路线一B 包含体
细胞破碎 碎片分离
路线一A
溶解(加盐酸胍、脲) 复性
粗分离(盐析、萃取、超过滤等) 纯化(层析、电泳)
脱盐(凝胶过滤、超过滤)
可截留0.1~1nm的溶质，可分离小分子有机物和无机盐，广泛 应用于制造超纯水、海水淡化和污水处理等，在生物工业中的主要 应用有：对生物碱、激素、疫苗、抗菌素、氨基酸等物质进行分离 浓缩；液酶、啤酒等的不加热浓缩；某些食品的脱盐。
反渗透原理示意图
水
1.渗透：水分子从稀盐一侧向浓盐一侧渗透。
水
2.平衡点与渗透压：水分子的渗透达动态平衡。
（2）超过滤（Ultra- Filtration ）
截留1~20nm的大分子溶质，可对含有大分子溶质的溶液进行浓缩、 提纯和分级，在生物工业中的主要应用有：对酶、蛋白质、噬菌体、病毒、 核酸、疫苗、多糖等大分子物质进行浓缩、提纯和分级；用作细胞反应 器；用作酶反应器。
（3）反渗透（Reverse Osmosis）
含盐蛋白质料液
水
－ 阴极
+
+
+ +
-
+ +
+
+＋
－
+
+＋
－
+ +
＋
+ +
+
+
＋+
盐水 纯蛋白质溶液
+
+ +
+ +
+ +
+
+
+
+
－
+ +
+
+
－+
盐水
+
阳极
6.2.4膜分离的基本特征——切向流过滤
一般过滤:
悬浮液
滤
饼
过
滤
透过液
介
质
一般过滤
对于膜过滤，所过滤的悬浮 液，颗粒尺寸小、可压缩性强， 如仍采用一般过滤，其形成的滤 饼阻力将很大，并最终导致过滤 过程无法进行，因而一般过滤的 流动方式不适合膜过滤。
1960年Loeb和Sourirajan制备出第一张具有高透水性和高 脱盐率的不对称反渗透膜，是膜分离技术发展的一个里程碑。 自此以后，不仅在膜材料范围上有了极大扩展，而且在制膜 技术、组件结构及设备研制方面也取得了重大进展。
膜分离技术它具有设备简单、操作方便、无相变、无化 学变化、处理效率高和节省能量等优点，已作为一种单元操 作日益受到人们极大重视。
微 滤 、 超
微滤
▲■●◆×
▲■●◆× ▲■●◆×
× ×
悬浮粒子
▲
■
●
◆
×
× ×
滤
、
▲■●◆ ◆
纳 滤
超滤
▲ ■ ● ◆◆ ▲ ■ ● ◆◆
大分子
和 反 渗 透
纳滤
▲■●
▲
■
●
● ●
▲ ■ ●●
糖 二价盐 游离酸
截 留 物 的
反渗透
▲■
■
▲■■
▲ ■■
单价盐 不游离酸
比 较
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水
▲ 膜的分类与物性