第十章膜分离技术.

膜分离技术膜分离技术概念：用半透膜作为选择障碍层，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，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。概述人类认识到膜的功能源于1748年，然而用于为人类服务是近几十年的事。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膜，是膜分离技术发展的一个里程碑。常见膜分离方法按分离粒子大小分类：①透析（Dialysis，DS）②微滤（Microfiltration，MF）③超滤（Ultrafiltration，UF）④纳滤（Nanofiltration，NF）⑤反渗透（Reverseosmosis，RO）概述截留分子量：微滤0.02～10μm透析0.5-10nm，3000D～几万D超滤10nm～100nm或5000～50万Dalton纳滤1nm或200～1000Dalton反渗透200Dalton膜分离法与物质大小（直径）的关系概述RONFUFMFF海水脱盐淡化医药工业的纯化水、注射用水生物大分子物质的浓缩与纯化人工肾透析过滤除菌（溶液、空气）应用范围1.高效：由于膜具有选择性，它能有选择性地透过某些物质，而阻挡另一些物质的透过。选择合适的膜，可以有效地进行物质的分离，提纯和浓缩。2.节能：多数膜分离过程在常温下操作，被分离物质不发生相变,是一种低能耗，低成本的单元操作。3.过程简单、容易操作和控制。4.不污染环境。特点（优势）本章内容第一节透析第二节超滤技术第三节微孔膜过滤技术第一节透析一、概述1.原理：透析是采用半透膜作为滤膜,使试样中的小分子经扩散作用不断透出膜外,而大分子不能透过被保留在透析袋内，从而达到大小分子分离的一种膜过滤方法。0.5-10nm，3000D～几万D蛋白质、无机盐无机盐缓冲液透析原理图水分子大分子小分子透析膜2.应用透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。在生物分离方面，常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之类的小分子杂质。由于透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过通量很小，不适于大规模生物分离过程，而在实验室中应用较多。二、透析膜1.透析材料：兽类的膀胱、硝酸纤维素膜、玻璃纸。人工透析膜多为纤维素的衍生物。2.用于透析的半透膜应具备的条件：（1）在溶剂中能形成分子筛状多孔薄膜，只允许小分子溶质通过，而阻止大分子（如蛋白质）通过；（2）化学惰性；在水、盐溶液、稀酸或稀碱溶液中稳定；（3）良好的物理性能：有一定的机械强度和良好的再生性能（1）透析袋预处理：用50%乙醇慢慢煮沸一小时，再分别用50%乙醇、0.01mol/L碳酸氢纳溶液、0.001mol/LEDTA溶液依次洗涤，最后用蒸馏水洗涤三次；（2）透析前，对装有试液的透析袋检查是否有泄漏；（3）透析袋装一半左右，防止膜外溶剂因浓度差渗入将袋涨裂或过度膨胀使膜孔径改变；（4）袋要扎紧以防流失。（5）热敏性物质应置4℃冰箱透析以防变性。（6）搅拌；定期或连续更换外部溶剂可提高透析效果。（7）透析袋的保存：短时间，储存于4℃蒸馏水中，长时间，洗净后置于甘油中（防菌）3.透析过程注意点：二、透析方法及装置1旋转透析器2平面透析器3连续透析器4浅流透析器第二节超滤技术(Ultrafiltrationtechnology)一、超滤的特征定义：超过滤(简称超滤)是一项分子级膜分离手段，以压力差为推动力将不同分子量的物质进行选择性分离。一般用于液相分离，也可用于气相分离。其截断分子量一般为6000到50万，孔径为几十nm，操作压0.2-0.6MPa。蛋白酶液恒流泵平板式超滤膜△P出背压阀超滤过程示意图：△P进透出液截留液当溶液体系经由水泵进入超滤器时，在滤器内的超滤膜表面发生分离，溶剂（水）和其它小分子量溶质透过具有不对称微孔结构的滤膜，大分子溶质和微粒（如蛋白质、病毒、细菌、胶体等）被滤膜阻留，从而达到分离、提纯和浓缩产品的目的。二、超滤膜（一）超滤膜的构造各向同性膜：膜的厚度较大，孔隙为一定直径的圆柱形。各向异性膜：膜质分为两层：功能层和支持层。喇叭口滤膜：孔隙不是圆柱体，而是梯形圆台（二）超滤膜的选用超滤的选用应注意：1分子量截留值：阻留率达90%以上的最小被截留物质的分子量。2流动速率：在一定压力下每分钟通过单位面积膜的液体量来表示。3其他（1）操作温度（2）化学耐受性（3）膜的吸附性质（4）膜的无菌处理三、超滤过程和装置（一）浓差极化现象外源压力迫使分子量较小的溶质通过薄膜，大分子被截留于膜表面，并逐渐形成浓度梯度，这就是浓差极化现象。造成：流速下降、影响膜的选择性、甚至堵塞克服极化的措施：震动、搅拌、错流、切流。（二）实验用超滤器（1）无搅拌式装置（2）搅拌或震动式装置（3）小棒超滤器（4）浅道系统超滤装置（5）中空纤维超滤浓差极化严重，流速慢，需较大压力，适用于浓缩少量稀溶液无搅拌式装置搅拌可加快膜面大分子扩散作用搅拌或震动式装置用于实验室中处理少量浓度较稀的大分子样液，可以同时处理多个试样小棒超滤器可用于大分子混合物的分级分离，以及细菌、病毒、热原的滤除，也可用于大分子溶液的浓缩、脱盐浅道系统超滤装置流速高，适用于工业中生产中空纤维超滤（三）工业用超滤装置设计要求：有效过滤面积大支撑装置强度大极化现象小典型装置：板式、管式、螺旋卷式、中空纤维截留液透过液料液膜支撑板隔板平板式膜组件内压管式：多孔管膜料液外压管式：料液内压式：膜涂在管内，料液由管内走；外压式：膜涂在管外，料液由管外间隙走。管式膜组件管式膜结构图管式图各种膜组件的结构示意图（四）影响超滤流速和选择性的因素溶质分子性质：大小、形状和带电性质。超滤膜的性质：孔径、结构、吸附性。超滤装置和操作：膜或组合膜的构造、超滤器的结构以及操作压力、搅拌情况.液体物料的温度、粘度、pH、离子强度。四、超滤的操作和应用（一）超滤膜和超滤器的处理超滤膜不能干燥和受污染洗净，除菌，操作正确可用1-2年，暂时不用时，保存于30%甘油甲醛等溶液中（二）过滤操作洗去保养液—超滤—洗涤—保养（三）应用浓缩和脱盐应用最多不消耗试剂，无相转移，可在低温下进行，简便分级分离和纯化串联式超滤超滤分离与酶反应连用广泛用于纤维素糖化、蛋白酶对蛋白质的水解、淀粉酶对淀粉的水解等分离。外循环式膜生物反应器底物（培养基）泵阀膜组件透过液▼产物反应器膜组件截留酶或微生物菌体,而使小分子产物透过。外循环式膜生物反应器适用于连续微生物发酵和连续酶反应过程。中空纤维膜生物反应器◆培养基循环液高分子产物（单抗）细胞膜高分子产物（单抗）细胞膜小分子产物用于动物细胞培养，动物细胞生长于中空纤维膜组件的壳内，小分子产物（废弃物）不断排出，新鲜的培养基连续灌注，可保证细胞长期稳定并且高速度生产有用物质。细胞密度可达109/cm3。是工业培养杂交瘤细胞生产单克隆抗体的主要方法之一。4除热原热源（pyrogen）又称细菌内毒素，是细菌新陈代谢和细菌死后分解的产物，主要成分是脂多糖、脂蛋白等，相对分子质量较大。热源的致热效能很强，人比动物对热源要敏感，在静脉注射药液时，如果将热源带进血液，会对人体造成相当大的危害。传统的针剂除热源的方法是活性炭吸附，造成产品损失。用超滤法可有效的除去热源，如产品分子量1000以下，可用截留分子量1万左右的膜比较合适。以多孔薄膜为过滤介质，压力差为推动力，利用筛分原理使不溶性粒子（0.1-10um）得以分离的操作。操作压力0.05-0.5MPa。第三节微孔膜过滤技术一、微孔膜的特点和应用范围特点：设备简单操作简便、快速分辨率高、重现性好一些膜具有结合生物大分子的特殊能力，用于特殊测定应用范围：0.01～0.05μm：噬菌体、病毒或大的胶体颗粒。0.1μm：试剂的超净、分离沉淀和胶体悬液。0.2μm：高纯水的制备、制剂除菌、细菌计数、空气病毒定量测定等。0.45μm：水的超净化处理、色谱分析时流动相的处理、放射免疫测定、光测介质溶液的净化以及锅炉水中Fe(OH)3的分析等。二、微孔滤膜(一)微孔滤膜的种类（了解）再生纤维素纤维素酯膜:硝酸纤维素酯膜.醋酸纤维素酯膜.混合纤维素酯膜聚四氟乙烯膜聚氯乙烯膜超细玻璃纤维滤膜（三）微孔滤膜的性质与检测1孔径孔径的均一程度，一般相当均一膜孔径检测方法：气泡压力法、细菌过滤法(最大孔径)、水流量法(平均孔径)、2孔隙率一般较高，达80%-90%3厚度及重量一般厚度120μm-150μm，密度小4阻力和流速阻力小，防颗粒堵塞，膜表面堆积。三、微孔滤膜过滤设备和操作设备：注射式过滤器、玻璃滤器、平板滤器、筒式滤器等。1过滤系统的严密性2滤膜的湿润3过滤速度4过滤系统的清洗和消毒5串滤技术操作与注意事项四、微孔膜过滤的应用（一）在生化中的应用1溶液澄清2结合测定3蛋白质及核酸含量测定（二）在制药工业中的应用1药液中微粒及细菌的滤除2抗生素的无菌检验2.反渗透原理：根据溶液的吸附扩散原理，以压力差为主要推动力的膜过程。在浓溶液一侧施加一外加压力[（1000-10000）KPa]，当此压力大于溶液的渗透压时，就会迫使溶液中的溶剂反向透过孔径为0.1-1nm的非对称膜流向稀溶液一侧。反渗透法渗透和反渗透应用：从水溶液中分离出水苦咸水与海水淡化纯水生产废水处理低分子量物质水溶液的浓缩如氨基酸，抗生素、维生素等的浓缩仪器工业中液体食品（牛奶、果汁等）的部分脱水纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来。纳滤(NF，Nanofiltration)是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程。原理：筛分作用：纳滤膜能截留易透过超滤膜的那部分溶质，同时又可使被反渗透膜所截留的盐透过荷电效应：纳滤膜常带电荷，荷电纳滤膜可通过静电斥力排斥溶液中与膜上所带电荷相同的离子1.纳滤纳滤膜分离机理示意图-＋＋－料液带负电荷的膜透过通量＋＋－－纳滤膜技术的特点：具有离子选择性：由于在膜上或膜中常带有荷电基团，通过静电相互作用，可实现不同价态离子的分离，故有时也称“选择性”反渗透（SelectiveRO）操作压力低：通常比反渗透低，由于所施加的跨膜压差比用反渗透达到同样的渗透能量所必须施加的压差低，有时也称“低压反渗透”。纳滤应用：（1）小分子量的有机物质的分离；（2）有机物与小分子无机物的分离；（3）溶液中一价盐类与二价或多价盐类的分离；（4）盐与其对应酸的分离。3.膜的污染(fouling)膜的污染大体可分为沉淀污染、吸附污染、生物污染1沉淀污染沉淀污染对RO和NF的影响尤为显著。当过滤液中盐的浓度超过了其溶解度，就会在膜上形成沉淀或结垢。普遍受人们关注的污染物是钙、镁、铁和其它金属的沉淀物，如氢氧化物、碳酸盐和硫酸盐等。2吸附污染有机物在膜表面的吸附通常是影响膜性能的主要因素。随时间的延长，污染物在膜孔内的吸附或累积会导致孔径减少和膜阻增大，这是难以恢复的。与膜污染相关的有机物特征包括它们对膜的亲和性，分子量，功能团和构型。一般来讲膜的亲水性越强有机物不宜吸附。而疏水作用可增加其在膜上的积累，导致严重的吸附污染。膜的污染(fouling)3生物污染是指微生物在膜内积累，从而影响系统性能的现象。膜组件内部潮湿阴暗，是一个微生物生长的理想环境，微生物粘附和生长形成生物膜。老化生物膜主要分解成蛋白质、核酸、多糖酯等，强烈吸附在膜面上引起膜表面改性。微生物生物膜，可直接(通过酶作用)或间接(通过局部pH或还原电势作用)降解膜材料，造成膜寿命缩短，膜结构完整性被破坏。细菌对不同聚合物粘附速率大不相同。如聚酰胺膜比醋酸纤维素膜更易受细菌污染。所以，生物亲和性被降低和易清洗的聚合物为材质的分离膜，会阻碍生物膜的生长。膜的污染(fouling)防止膜污染的方法可以通过控制膜污染影响因素，减少膜污染的危害，延长膜的有效操作时间，减少清洗频率，提高生产能力和效率，因此在用微滤，超滤分离，浓缩细胞，菌体或大分子产物时，必须注意以下几点:①进