生物工程下游技術(shù)_膜分離過程

1、膜分離技術(shù)在分離物質(zhì)過程中不膜分離技術(shù)在分離物質(zhì)過程中不涉及相變涉及相變，對對能量要求低能量要求低，因此和蒸餾、結(jié)晶、蒸發(fā)，因此和蒸餾、結(jié)晶、蒸發(fā)等需要輸入能量的過程有很大差異；膜分等需要輸入能量的過程有很大差異；膜分離的離的條件一般都較溫和條件一般都較溫和，對于熱敏性物質(zhì)，對于熱敏性物質(zhì)復(fù)雜的分離過程很重要，這兩個因素使得復(fù)雜的分離過程很重要，這兩個因素使得膜分離成為生化物質(zhì)分離的合適方式。此膜分離成為生化物質(zhì)分離的合適方式。此外它外它操作方便、結(jié)構(gòu)緊湊、維修費用低、操作方便、結(jié)構(gòu)緊湊、維修費用低、易于自動化易于自動化，因而是現(xiàn)代分離技術(shù)中一種，因而是現(xiàn)代分離技術(shù)中一種效率較高的分離手段，在

2、生化分離工程中效率較高的分離手段，在生化分離工程中具有重要作用。具有重要作用。( (2) )膜分離技術(shù)在分離工程中的重要作用膜分離技術(shù)在分離工程中的重要作用存在的問題存在的問題在操作中膜面會發(fā)生污染，使膜性能在操作中膜面會發(fā)生污染，使膜性能降低，故有必要采用與工藝相適應(yīng)的膜降低，故有必要采用與工藝相適應(yīng)的膜面清洗方法面清洗方法; ;從目前獲得的膜性能來看，其耐藥性、從目前獲得的膜性能來看，其耐藥性、耐熱性、耐溶劑能力都是有限的，故使耐熱性、耐溶劑能力都是有限的，故使用范圍受限用范圍受限; ;單獨采用膜分離技術(shù)效果有限，因此單獨采用膜分離技術(shù)效果有限，因此往往都將膜分離工藝與其他分離工藝組往往都

3、將膜分離工藝與其他分離工藝組合起來使用。合起來使用。物質(zhì)的識別與透過；物質(zhì)的識別與透過；界面；界面；反應(yīng)場。物質(zhì)的反應(yīng)場。物質(zhì)的識別與透過是使混合物中各組分之間實現(xiàn)分離的內(nèi)識別與透過是使混合物中各組分之間實現(xiàn)分離的內(nèi)在因素；作為界面，膜將透過液和保留液在因素；作為界面，膜將透過液和保留液( (料液料液) )分分為互不混合的兩相；作為反應(yīng)場，膜表面從孔內(nèi)表為互不混合的兩相；作為反應(yīng)場，膜表面從孔內(nèi)表面含有與特定溶質(zhì)具有相互作用能力的官能團，通面含有與特定溶質(zhì)具有相互作用能力的官能團，通過物理作用、化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)提高膜分離的選過物理作用、化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng)提高膜分離的選擇性和分離速度。生物分離

4、過程中采用的膜分離法擇性和分離速度。生物分離過程中采用的膜分離法主要是利用物質(zhì)之間透過性的差別，而膜材料上固主要是利用物質(zhì)之間透過性的差別，而膜材料上固定特殊活性基團，使溶質(zhì)與膜材料發(fā)生某種相互作定特殊活性基團，使溶質(zhì)與膜材料發(fā)生某種相互作用來提高膜分離性能的功能膜研究也很多，代表了用來提高膜分離性能的功能膜研究也很多，代表了膜分離技術(shù)的發(fā)展方向。膜分離技術(shù)的發(fā)展方向。膜在分離過程中具有如下功能膜在分離過程中具有如下功能膜分離過程的類型膜分離過程的類型膜分離過程可以認(rèn)為是一種物質(zhì)被透過或被截留于膜的膜分離過程可以認(rèn)為是一種物質(zhì)被透過或被截留于膜的過程，近似于篩分過程，依據(jù)濾膜孔徑的大小而達到物

5、過程，近似于篩分過程，依據(jù)濾膜孔徑的大小而達到物質(zhì)分離的目的，故可按分離粒子或分子的大小予以分類質(zhì)分離的目的，故可按分離粒子或分子的大小予以分類在生物技術(shù)中應(yīng)用的膜分離過程，根據(jù)推動力本質(zhì)的不在生物技術(shù)中應(yīng)用的膜分離過程，根據(jù)推動力本質(zhì)的不同同，可具體分為四類：以靜壓力差為推動力的過程；可具體分為四類：以靜壓力差為推動力的過程；以蒸氣分壓差為推動力的過程；以濃度差為推動力以蒸氣分壓差為推動力的過程；以濃度差為推動力的過程；以電位差為推動力的過程的過程；以電位差為推動力的過程以靜壓力差為推動力的膜分離過程以靜壓力差為推動力的膜分離過程以靜壓力差為推動力的膜分離有三種：微濾以靜壓力差為推動力的膜分

6、離有三種：微濾( (MF)MF)、超超濾濾( (UF)UF)和反滲透和反滲透( (RO)RO)，它們在粒子或被分離分子的類它們在粒子或被分離分子的類型上具有差別。型上具有差別。(1)(1)微濾微濾 特別適用于微生物、細(xì)胞碎片、微細(xì)沉淀物特別適用于微生物、細(xì)胞碎片、微細(xì)沉淀物和其他在和其他在“微米級微米級”范圍的粒子如范圍的粒子如DNADNA和病毒等的截留和病毒等的截留和濃縮。和濃縮。(2)(2)超濾超濾 適用于分離、純化和濃縮一些大分子物質(zhì)，適用于分離、純化和濃縮一些大分子物質(zhì)，如在溶液中或與親和聚合物相連的蛋白質(zhì)如在溶液中或與親和聚合物相連的蛋白質(zhì)( (親和超濾親和超濾) )、多糖、抗生素以

7、及熱原，也可以用來回收細(xì)胞和處理多糖、抗生素以及熱原，也可以用來回收細(xì)胞和處理膠體懸浮液。膠體懸浮液。(3)(3)反滲透反滲透 海水脫鹽、超純水制備，從發(fā)酵液中分離海水脫鹽、超純水制備，從發(fā)酵液中分離溶劑如乙醇、丁醇和丙酮以及濃縮抗生素、氨基酸等。溶劑如乙醇、丁醇和丙酮以及濃縮抗生素、氨基酸等。以蒸氣分壓差為推動力的膜分離過程以蒸氣分壓差為推動力的膜分離過程(1)(1)膜蒸餾膜蒸餾( (MD) MD) 是在不同溫度下分離兩種水溶液的是在不同溫度下分離兩種水溶液的膜過程膜過程，已經(jīng)用于高純水的生產(chǎn)，溶液脫水濃縮和揮已經(jīng)用于高純水的生產(chǎn)，溶液脫水濃縮和揮發(fā)性有機溶劑的分離，如丙酮和乙醇等。發(fā)性有機

8、溶劑的分離，如丙酮和乙醇等。(2)(2)滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā) 是以蒸氣壓差為推動力的過程，但是在是以蒸氣壓差為推動力的過程，但是在過程中使用的是致密過程中使用的是致密( (無孔無孔) )的聚合物膜。液體擴散能的聚合物膜。液體擴散能否透過膜取決于它們在膜材料中的擴散能力。否透過膜取決于它們在膜材料中的擴散能力。以濃度差為推動力的膜分離過程以濃度差為推動力的膜分離過程滲析是一種重要的、以濃度差為推動力的膜分離過程，滲析是一種重要的、以濃度差為推動力的膜分離過程，它最主要的應(yīng)用是血液它最主要的應(yīng)用是血液( (人工腎人工腎) )的解毒，也用在實驗室的解毒，也用在實驗室規(guī)模的酶的純化上，使用的是微孔膜如膠膜

9、管。酶的傳規(guī)模的酶的純化上，使用的是微孔膜如膠膜管。酶的傳統(tǒng)純化辦法是使用滲析袋，從樣品中除去無用的低相對統(tǒng)純化辦法是使用滲析袋，從樣品中除去無用的低相對分子質(zhì)量溶質(zhì)和置換存在于滲透液中的緩沖液，由于在分子質(zhì)量溶質(zhì)和置換存在于滲透液中的緩沖液，由于在樣品中鹽和有機溶劑的濃度高，滲透壓的結(jié)果導(dǎo)致水向樣品中鹽和有機溶劑的濃度高，滲透壓的結(jié)果導(dǎo)致水向滲透袋內(nèi)遷移，體積增加，所以滲透在除去多余的低相滲透袋內(nèi)遷移，體積增加，所以滲透在除去多余的低相對分子質(zhì)量溶質(zhì)的同時，引進了一個新的緩沖溶液。對分子質(zhì)量溶質(zhì)的同時，引進了一個新的緩沖溶液。以電位差為推動力的膜分離過程以電位差為推動力的膜分離過程離子交換膜

10、電滲析離子交換膜電滲析( (EDTM)EDTM)，簡稱電滲析，是一個膜分離簡稱電滲析，是一個膜分離過程，在該過程中，離子在電勢的驅(qū)動下，通過選擇性過程，在該過程中，離子在電勢的驅(qū)動下，通過選擇性滲透膜，從一種溶液向另一種溶液遷移。用于該過程的滲透膜，從一種溶液向另一種溶液遷移。用于該過程的膜，只有共價結(jié)合的陰或陽離子交換基團。陰離子交換膜，只有共價結(jié)合的陰或陽離子交換基團。陰離子交換膜只能透過陰離子，陽離子交換膜則只能透過陽離子。膜只能透過陰離子，陽離子交換膜則只能透過陽離子。將離子交換膜浸入電解質(zhì)溶液，并在膜的兩側(cè)通以電流將離子交換膜浸入電解質(zhì)溶液，并在膜的兩側(cè)通以電流時，則只有與膜上固定電

11、荷相反的粒子才能通過膜時，則只有與膜上固定電荷相反的粒子才能通過膜。項目 膜類型 操作壓力 分離機理 適用范圍 技術(shù)特點 不足之處 微濾(MF) 對稱微孔膜0.0210m 0.01 MPa0.2 MPa 顆粒大小、形狀 含微?；蚓w溶液的分離 操作簡便，通水量大，工作壓力低，制水率高。 有機污染物的分離效果較差。 超濾(UF) 不對稱微孔膜0.0010.1m 0.1 MPa0.5 MPa 顆粒大小、形狀 有機物或微生物溶液的分離 與微濾技術(shù)相似。 與微濾技術(shù)相似。 納濾(NF) 帶皮層不對稱復(fù)合膜150 nm 0.5 MPa2.5 MPa 優(yōu)先吸附、表面電位 硬水或有機物溶液的脫鹽 可對原水進

12、行部分脫鹽和軟化，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)飲用水。 常需預(yù)處理， 工作壓力較高。 反滲透(RO) 帶皮層不對稱復(fù)合膜1 nm 1.0 MPa10 MPa 優(yōu)先吸附、溶解擴散 海水或苦咸水的淡化 幾乎可去除水中一切雜質(zhì)，包括懸浮物、膠體、有機物、鹽、微生物等。 工作壓力高； 制水率低；能耗大。 各種膜分離法的原理和應(yīng)用范圍各種膜分離法的原理和應(yīng)用范圍原理原理 RO membrane NF membrane UF membrane MF membrane原理原理動漫動漫納濾在工業(yè)上的應(yīng)用納濾在工業(yè)上的應(yīng)用-膜分離法包含著非常豐富的內(nèi)容，在生物分離領(lǐng)域應(yīng)用的膜分膜分離法包含著非常豐富的內(nèi)容，在生物分離領(lǐng)域應(yīng)用的膜分

13、離法包括微濾離法包括微濾(Microfiltration,MF)、超濾超濾(Ultrafiltration，UF)、反滲透反滲透(Reverse osmosis，RO)、透析透析(Dialysis，DS)、電滲析電滲析(Electrodialysis，ED)和滲透氣化和滲透氣化(Pervaporation，PV)等，各種膜分離法的原理和應(yīng)用范圍列于上表等，各種膜分離法的原理和應(yīng)用范圍列于上表。 如圖如圖5.1所示，一個容器中間用一張可透過溶劑所示，一個容器中間用一張可透過溶劑( (水水) )，但不，但不能透過溶質(zhì)的膜隔開，兩側(cè)分別加入純水和含溶質(zhì)的水溶液。能透過溶質(zhì)的膜隔開，兩側(cè)分別加入純水和

14、含溶質(zhì)的水溶液。若膜兩側(cè)壓力相等，在濃差的作用下作為溶劑的水分子從溶若膜兩側(cè)壓力相等，在濃差的作用下作為溶劑的水分子從溶質(zhì)濃度低質(zhì)濃度低( (水濃度高水濃度高) )的一側(cè)的一側(cè)( (A側(cè)，純水側(cè)，純水) )向濃度高的一側(cè)向濃度高的一側(cè)( (B側(cè)，水溶液側(cè)，水溶液) )透過，這種現(xiàn)象稱為滲透。促使水分子透過的推透過，這種現(xiàn)象稱為滲透。促使水分子透過的推動力稱為滲透壓動力稱為滲透壓。當(dāng)當(dāng)B B側(cè)與側(cè)與A A側(cè)之間的壓差等于滲透壓時，兩側(cè)之間的壓差等于滲透壓時，兩側(cè)的化學(xué)位相等達到平衡狀態(tài)側(cè)的化學(xué)位相等達到平衡狀態(tài)( (圖圖5.1a) )，此時兩側(cè)的化學(xué)位此時兩側(cè)的化學(xué)位分別為分別為5.1.1 反滲

15、透反滲透圖5.1 滲透與反滲透式中式中 A A，B B為為A A、B B兩側(cè)的化學(xué)位（兩側(cè)的化學(xué)位（kJ/kmolkJ/kmol）；）； p pA A, p, pB B為為A A、B B兩側(cè)的壓力（兩側(cè)的壓力（kJ/mkJ/m3 3）；）； p p，為標(biāo)準(zhǔn)壓力和標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)位；為標(biāo)準(zhǔn)壓力和標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)位； 1 1為溶劑（水）的摩爾體積為溶劑（水）的摩爾體積（m m3 3/ kmol/ kmol） a aA A，a aB B為為A A、B B兩側(cè)溶劑的和度。兩側(cè)溶劑的和度。 因為因為A AB B，所以可得所以可得或其中，其中， pA pB為為膜兩側(cè)溶液的滲透壓差。如果膜兩側(cè)溶液的滲透壓差。如果A A側(cè)為

16、純水，則側(cè)為純水，則a aA1 1，上上式變?yōu)槭阶優(yōu)闉槿芤簽槿芤築的滲透壓。若溶液的滲透壓。若溶液B為稀溶液，則為稀溶液，則aB xB 1yB ，其中其中xB和和yB分別為溶劑和溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)。因為分別為溶劑和溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)。因為ln(1- yB) yB ，所以，所以或其中其中cB為溶質(zhì)的摩爾濃度為溶質(zhì)的摩爾濃度mol/dm3 。從上式可以看出，溶質(zhì)濃度越高，滲透壓越大。如果欲使從上式可以看出，溶質(zhì)濃度越高，滲透壓越大。如果欲使B側(cè)溶液中的溶劑側(cè)溶液中的溶劑( (水水) )透過到透過到A側(cè)，在側(cè)，在B側(cè)所施加的壓力必須大側(cè)所施加的壓力必須大于此滲透壓，這種操作稱為反滲透于此滲透壓，這種操作稱為

17、反滲透( (圖圖5.1b) )。一般反滲透的一般反滲透的操作壓力常達到幾十個大氣壓。操作壓力常達到幾十個大氣壓。RO膜無明顯的孔道結(jié)構(gòu)，其膜無明顯的孔道結(jié)構(gòu)，其透過機理尚不十分清楚。目前多采用熱力學(xué)方法解釋透過機理尚不十分清楚。目前多采用熱力學(xué)方法解釋RO膜的膜的透過機理，而不考慮膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，其中溶解擴散模型透過機理，而不考慮膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，其中溶解擴散模型簡單實用。該模型假設(shè)溶劑或溶質(zhì)首先溶解在膜中，然后擴簡單實用。該模型假設(shè)溶劑或溶質(zhì)首先溶解在膜中，然后擴散通過散通過RO膜膜。 與RO膜一樣，超濾(UF)和微濾(MF)都是利用膜的篩分性質(zhì)，以壓差為傳質(zhì)推動力。但與RO膜相比，UF膜和M

18、F膜具有明顯的孔道結(jié)構(gòu)，主要用于截留高分子溶質(zhì)或固體微粒。UF膜的孔徑較MF膜小，主要用于處理不含固形成分的料液，其中相對分子質(zhì)量較小的溶質(zhì)和水分透過膜，而相對分子質(zhì)量較大的溶質(zhì)被截留。因此，超濾是根據(jù)高分子溶質(zhì)之間或高分子與小分子溶質(zhì)之間相對分子質(zhì)量的差別進行分離的方法。超濾過程中，膜兩側(cè)滲透壓差較小，所以操作壓力比反滲透操作低，一般為0.11.0MPa。微濾一般用于懸浮液(粒子粒徑為0.1數(shù)微米)的過濾，在生物分離中，廣泛用于菌體的分離和濃縮。微濾過程中膜兩側(cè)的滲透壓差可忽略不計，由于膜孔徑較大，操作壓力比超濾更小，一般為0.050.5MPa。圖5.2大致給出了RO、UF和MF等膜分離法與

19、物質(zhì)尺寸之間的關(guān)系。可以看出，RO法適用于1nm以下小分子的濃縮；UF法適用于分離或濃縮直徑150nm的生物大分子(蛋白質(zhì)、病毒等)；MF法適用于細(xì)胞、細(xì)菌和微粒子的分離，目標(biāo)物質(zhì)的大小范圍為0.110m 。5.1.2 超濾和微濾超濾和微濾5.2 5.2 膜分離法與物質(zhì)大小膜分離法與物質(zhì)大小( (直徑直徑) )的關(guān)系的關(guān)系在超濾和微濾過程中，流體在膜孔道內(nèi)層流動。假設(shè)孔道為圓在超濾和微濾過程中，流體在膜孔道內(nèi)層流動。假設(shè)孔道為圓柱形，孔徑均勻，則透過通量可用根據(jù)動量衡算推導(dǎo)的柱形，孔徑均勻，則透過通量可用根據(jù)動量衡算推導(dǎo)的Hagen-Poiseuille方程表達（溶劑的體積通量）方程表達（溶劑

20、的體積通量）其中，其中，為膜的空隙率，為膜的空隙率，d dporepore為為孔道直徑，孔道直徑，p為濾液粘度。為濾液粘度。由于膜的孔道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔徑不均勻，并且有些孔道還可能是由于膜的孔道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔徑不均勻，并且有些孔道還可能是一端封閉的，所以一端封閉的，所以Hagen-Poiseuille方程與實際的超濾或微濾方程與實際的超濾或微濾過程差距較大。適用于固定床內(nèi)流體通量與壓降關(guān)系的過程差距較大。適用于固定床內(nèi)流體通量與壓降關(guān)系的Carman-Kozeny 方程與實際的超濾或微濾過程更接近，該方方程與實際的超濾或微濾過程更接近，該方程為程為其中，其中，K為與孔道結(jié)構(gòu)有關(guān)的無為與孔道結(jié)構(gòu)有關(guān)的

21、無因次常數(shù)，因次常數(shù)，S0為孔道比表面積。為孔道比表面積。從上述兩式均可看出，透過通量與壓差成正比，與濾液粘度從上述兩式均可看出，透過通量與壓差成正比，與濾液粘度成反比。這是分析超濾和微濾過程速度的基礎(chǔ)。成反比。這是分析超濾和微濾過程速度的基礎(chǔ)。如圖如圖5.3所示，利用具有一定孔徑大小、高分子溶質(zhì)不能透過所示，利用具有一定孔徑大小、高分子溶質(zhì)不能透過的親水膜將含有高分子溶質(zhì)和其他小分子溶質(zhì)的溶液的親水膜將含有高分子溶質(zhì)和其他小分子溶質(zhì)的溶液( (左側(cè)左側(cè)) )與純水或緩沖液與純水或緩沖液( (右側(cè)右側(cè)) )分隔，由于膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度不同，分隔，由于膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度不同，在濃差的作用下，左側(cè)高分

22、子溶液中的小分子溶質(zhì)在濃差的作用下，左側(cè)高分子溶液中的小分子溶質(zhì)( (例如無機例如無機鹽鹽) )透向右側(cè)，右側(cè)中的水透向左側(cè)，這就是透析。圖透向右側(cè)，右側(cè)中的水透向左側(cè)，這就是透析。圖5.3所所示的透析操作中，通常將右側(cè)純水或緩沖液稱為透析液，所示的透析操作中，通常將右側(cè)純水或緩沖液稱為透析液，所用親水膜稱為透析膜。透析過程中透析膜內(nèi)無流體流動，溶用親水膜稱為透析膜。透析過程中透析膜內(nèi)無流體流動，溶質(zhì)以擴散的形式移動，摩爾透過通量質(zhì)以擴散的形式移動，摩爾透過通量N為為N=K0(c1c2) 其中其中， K0為包括膜內(nèi)擴散和為包括膜內(nèi)擴散和膜兩側(cè)表面液膜傳質(zhì)阻力在膜兩側(cè)表面液膜傳質(zhì)阻力在內(nèi)的總傳質(zhì)

23、系數(shù)，內(nèi)的總傳質(zhì)系數(shù)， c1和和c2分分別為膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度別為膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度。圖圖5.3 透析原理透析原理5.1.3 透析透析圖圖5.3透析膜一般為孔徑透析膜一般為孔徑510nm的親水膜，的親水膜，例如纖維素膜、聚丙烯氰膜和聚酰胺膜等。例如纖維素膜、聚丙烯氰膜和聚酰胺膜等。生化實驗室中經(jīng)常使用的透析袋直徑為生化實驗室中經(jīng)常使用的透析袋直徑為580 mm，將料液裝入透析袋中，封口后浸入到透將料液裝入透析袋中，封口后浸入到透析液中，一析液中，一定時間后即可完成透析，必要時定時間后即可完成透析，必要時需更換透析液。處理量較大時，為提高透析需更換透析液。處理量較大時，為提高透析速度，常使用比表面積

24、較大的中空纖維透析速度，常使用比表面積較大的中空纖維透析裝置裝置(詳見詳見5.3節(jié)節(jié))。 透析法在臨床上常用于腎透析法在臨床上常用于腎衰竭患者的血液透析。在生物分離方面，主衰竭患者的血液透析。在生物分離方面，主要用于生物大分子溶液的脫鹽。由于透析過要用于生物大分子溶液的脫鹽。由于透析過程以濃差為傳質(zhì)推動力，膜的透過通量很小，程以濃差為傳質(zhì)推動力，膜的透過通量很小，不適于大規(guī)模生物分離過程，而在實驗室中不適于大規(guī)模生物分離過程，而在實驗室中應(yīng)用較多。應(yīng)用較多。電滲析是利用分子的荷電性質(zhì)和分子大小的電滲析是利用分子的荷電性質(zhì)和分子大小的差別進行分離的膜分離法，可用于小分子電差別進行分離的膜分離法，

25、可用于小分子電解質(zhì)解質(zhì)( (例如氨基酸、有機酸例如氨基酸、有機酸) )的分離和溶液的的分離和溶液的脫鹽。電滲析操作所用的膜材料為離子交換脫鹽。電滲析操作所用的膜材料為離子交換膜，即在膜表面和孔內(nèi)共價鍵合有離子交換膜，即在膜表面和孔內(nèi)共價鍵合有離子交換基團，如磺酸基基團，如磺酸基( (SO-3）等酸性陽離子交換基）等酸性陽離子交換基和季銨基和季銨基( (NR3 ) )等堿性陰離子交換基。鍵等堿性陰離子交換基。鍵合陰離子交換基的膜稱作陰離子交換膜，鍵合陰離子交換基的膜稱作陰離子交換膜，鍵合陽離子交換基的膜稱作陽離子交換膜。在合陽離子交換基的膜稱作陽離子交換膜。在電場的作用下，前者選擇性透過陰離子，

26、后電場的作用下，前者選擇性透過陰離子，后者選擇性透過陽離子。者選擇性透過陽離子。5.1.4 電滲析電滲析如圖如圖5.4所示，陽離子交換膜所示，陽離子交換膜C和陰離子交換膜和陰離子交換膜A各兩張交各兩張交錯排列，將分離器隔成錯排列，將分離器隔成5個小室個小室如圖兩端與膜垂直的方向如圖兩端與膜垂直的方向加電場，即構(gòu)成電滲析裝加電場，即構(gòu)成電滲析裝置。以溶液脫鹽為目的時，置。以溶液脫鹽為目的時，料液置于脫鹽室料液置于脫鹽室( (1、3、5) )，另兩室另兩室( (2、4) )內(nèi)放入適當(dāng)內(nèi)放入適當(dāng)?shù)碾娊庖?。在電場的作用的電解液。在電場的作用下，電解質(zhì)發(fā)生電泳，由下，電解質(zhì)發(fā)生電泳，由于離子交換膜的選擇

27、性透于離子交換膜的選擇性透過特性，脫鹽室的溶液脫鹽，而過特性，脫鹽室的溶液脫鹽，而2、4室的鹽濃度增大。電滲室的鹽濃度增大。電滲析過程也可連續(xù)操作，此時料液連續(xù)流過脫鹽室析過程也可連續(xù)操作，此時料液連續(xù)流過脫鹽室( (1、3、5) )，而低濃度電解液連續(xù)流過而低濃度電解液連續(xù)流過2、4室。從脫鹽室出口得到脫鹽的室。從脫鹽室出口得到脫鹽的溶液，從溶液，從2、4室出口得到濃縮的鹽溶液。電滲析在工業(yè)上多室出口得到濃縮的鹽溶液。電滲析在工業(yè)上多用于海水和苦水的淡化以及廢水處理。作為生物分離技術(shù)，用于海水和苦水的淡化以及廢水處理。作為生物分離技術(shù)，電滲析可用于氨基酸和有機酸等生物小分子的分離純化。電滲析

28、可用于氨基酸和有機酸等生物小分子的分離純化。滲透氣化的原理示于圖滲透氣化的原理示于圖5.5。疏水膜的。疏水膜的一側(cè)通入料液，另一側(cè)一側(cè)通入料液，另一側(cè)( (透過側(cè)透過側(cè)) )抽真抽真空空( (圖圖5.5) )或通入惰性氣體，使膜兩側(cè)或通入惰性氣體，使膜兩側(cè)產(chǎn)生溶質(zhì)分壓差。在分壓差的作用下，產(chǎn)生溶質(zhì)分壓差。在分壓差的作用下，料液中的溶質(zhì)溶于膜內(nèi)，擴散通過膜，料液中的溶質(zhì)溶于膜內(nèi)，擴散通過膜，在透過側(cè)發(fā)生氣化，氣化的溶質(zhì)被膜在透過側(cè)發(fā)生氣化，氣化的溶質(zhì)被膜裝置外設(shè)置的冷凝器冷凝回收。因此，裝置外設(shè)置的冷凝器冷凝回收。因此，滲透氣化法根據(jù)溶質(zhì)間透過膜的速度滲透氣化法根據(jù)溶質(zhì)間透過膜的速度不同，使混合

29、物得到分離。膜與溶質(zhì)不同，使混合物得到分離。膜與溶質(zhì)的相互作用決定溶質(zhì)的滲透速度，的相互作用決定溶質(zhì)的滲透速度，根據(jù)相似相溶的原理，疏水性較大的溶質(zhì)易溶于疏水膜，因此根據(jù)相似相溶的原理，疏水性較大的溶質(zhì)易溶于疏水膜，因此滲透速度高，在透過一側(cè)得到濃縮。氣化所需的潛熱用外部熱滲透速度高，在透過一側(cè)得到濃縮。氣化所需的潛熱用外部熱源供給。與前述的反滲透相比，滲透氣化過程中溶質(zhì)發(fā)生相變，源供給。與前述的反滲透相比，滲透氣化過程中溶質(zhì)發(fā)生相變，透過側(cè)溶質(zhì)以氣體狀態(tài)存在，因此消除了滲透壓的作用，從而透過側(cè)溶質(zhì)以氣體狀態(tài)存在，因此消除了滲透壓的作用，從而使?jié)B透氣化在較低的壓力下進行，適于高濃度混合物的分離

30、。使?jié)B透氣化在較低的壓力下進行，適于高濃度混合物的分離。5.1.5 滲透氣化滲透氣化滲透氣化法利用溶質(zhì)之間膜透過性的差別，滲透氣化法利用溶質(zhì)之間膜透過性的差別，特別適用于共沸物和揮發(fā)度相差較小的雙特別適用于共沸物和揮發(fā)度相差較小的雙組分溶液的分離。例如，利用滲透氣化法組分溶液的分離。例如，利用滲透氣化法濃縮乙醇，由于膜的選擇性透過乙醇的特濃縮乙醇，由于膜的選擇性透過乙醇的特性、可消除共沸現(xiàn)象，得到高濃度乙醇。性、可消除共沸現(xiàn)象，得到高濃度乙醇。因此，滲透氣化又稱膜蒸餾。滲透氣化膜因此，滲透氣化又稱膜蒸餾。滲透氣化膜主要為多孔聚乙烯膜、聚丙烯膜和含氟多主要為多孔聚乙烯膜、聚丙烯膜和含氟多孔膜等。

31、由于膜材料的進步，孔膜等。由于膜材料的進步，80年代以后年代以后滲透氣化技術(shù)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，在乙醇、丁滲透氣化技術(shù)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，在乙醇、丁醇等揮發(fā)性發(fā)酵產(chǎn)物的發(fā)酵分離耦合過醇等揮發(fā)性發(fā)酵產(chǎn)物的發(fā)酵分離耦合過程中的應(yīng)用開發(fā)研究非?；钴S。程中的應(yīng)用開發(fā)研究非?；钴S。5.2 膜及其特性膜及其特性膜的定義膜的定義: : 在一定流體相中，有一薄層凝聚相物質(zhì)，在一定流體相中，有一薄層凝聚相物質(zhì)，把流體相分隔成為兩部分，把流體相分隔成為兩部分，這一薄層物質(zhì)稱為膜這一薄層物質(zhì)稱為膜。膜本身是均勻的一相或是由兩相以上凝聚物質(zhì)所構(gòu)膜本身是均勻的一相或是由兩相以上凝聚物質(zhì)所構(gòu)成的復(fù)合體。被膜分隔開的流體相物質(zhì)是液體或

32、氣成的復(fù)合體。被膜分隔開的流體相物質(zhì)是液體或氣體。膜的厚度在體。膜的厚度在0.5mm以下，否則就不稱為膜。不以下，否則就不稱為膜。不管膜本身薄到何等程度，至少要具有兩個界面，通管膜本身薄到何等程度，至少要具有兩個界面，通過它們分別與兩側(cè)的流體相物質(zhì)接觸，膜可以是完過它們分別與兩側(cè)的流體相物質(zhì)接觸，膜可以是完全可透性的，也可以是半透性的但不應(yīng)該是完全全可透性的，也可以是半透性的但不應(yīng)該是完全不透性的。它的面積可以很大，獨立地存在于流體不透性的。它的面積可以很大，獨立地存在于流體相間，也可以非常微小而附著于支撐體或載體的微相間，也可以非常微小而附著于支撐體或載體的微孔隙上。膜還必須具有高度的滲透選

33、擇性，作為一孔隙上。膜還必須具有高度的滲透選擇性，作為一種有效的分離技術(shù)，膜傳遞某物質(zhì)的速度必須比傳種有效的分離技術(shù)，膜傳遞某物質(zhì)的速度必須比傳遞其他物質(zhì)快。遞其他物質(zhì)快。生物分離過程常用的膜分離技術(shù)為超濾、微濾和反滲透。為生物分離過程常用的膜分離技術(shù)為超濾、微濾和反滲透。為實現(xiàn)高效率的膜分離操作，對膜材料有如下要求：實現(xiàn)高效率的膜分離操作，對膜材料有如下要求：(1)(1)起過濾作用的有效膜厚度小，超濾和微濾膜的開孔率高，起過濾作用的有效膜厚度小，超濾和微濾膜的開孔率高，過濾阻力?。贿^濾阻力??；(2)(2)膜材料為惰性，不吸附溶質(zhì)膜材料為惰性，不吸附溶質(zhì)( (蛋白質(zhì)、細(xì)胞等蛋白質(zhì)、細(xì)胞等) )

34、，從而使膜，從而使膜不易污染，膜孔不易堵塞；不易污染，膜孔不易堵塞；(3)(3)適用的適用的pHpH和溫度范圍廣，耐高溫火茵，耐酸堿清洗劑，穩(wěn)和溫度范圍廣，耐高溫火茵，耐酸堿清洗劑，穩(wěn)定性高，使用壽命長；定性高，使用壽命長；(4)(4)容易通過清洗恢復(fù)透過性能；容易通過清洗恢復(fù)透過性能；(5)(5)滿足實現(xiàn)分離目的的各種要求，如對菌體細(xì)胞的截留、對滿足實現(xiàn)分離目的的各種要求，如對菌體細(xì)胞的截留、對生物大分子的通透性或截留作用等。生物大分子的通透性或截留作用等。目前市售膜的種類很多，主要有天然高分子、合成高分子和目前市售膜的種類很多，主要有天然高分子、合成高分子和無機材料。下面簡要介紹制造超濾、

35、微濾和反滲透膜的各種無機材料。下面簡要介紹制造超濾、微濾和反滲透膜的各種膜材料。膜材料。5.2.1 膜材料膜材料1.1.天然高分子材料天然高分子材料 主要是纖維素的衍生物，有醋酸纖維、硝酸纖維和再生主要是纖維素的衍生物，有醋酸纖維、硝酸纖維和再生纖維素等。其中醋酸纖維膜的截鹽能力強，常用作反滲透膜、纖維素等。其中醋酸纖維膜的截鹽能力強，常用作反滲透膜、也可用作微濾膜和超濾膜。醋酸纖維膜使用最高溫度和也可用作微濾膜和超濾膜。醋酸纖維膜使用最高溫度和pH范圍有限，一般使用溫度低于范圍有限，一般使用溫度低于4550，pH38。再生纖再生纖維素可制造透析膜和微濾膜。維素可制造透析膜和微濾膜。 2.2.

36、合成高分子材料合成高分子材料 市售膜的大部分為合成高分子膜，種類很多，主要有聚市售膜的大部分為合成高分子膜，種類很多，主要有聚砜、聚丙烯晴、聚酰亞胺、聚酰胺、聚烯類和含氟聚合物等。砜、聚丙烯晴、聚酰亞胺、聚酰胺、聚烯類和含氟聚合物等。其中聚砜是最常用的膜材料之一，主要用于制造超濾脂。聚其中聚砜是最常用的膜材料之一，主要用于制造超濾脂。聚砜膜的特點是耐高溫砜膜的特點是耐高溫( (一般為一般為7080，有些可高達，有些可高達125度度) )，適用適用pH范圍廣范圍廣( (pH113) )，耐氯能力強，可調(diào)節(jié)孔徑范圍耐氯能力強，可調(diào)節(jié)孔徑范圍寬寬( (120nm) )。但聚砜膜耐壓能力較低，一般平板

37、膜的操作但聚砜膜耐壓能力較低，一般平板膜的操作力極限為力極限為0.51.0MPa。聚酰胺膜的耐壓能力較高，對溫度聚酰胺膜的耐壓能力較高，對溫度和和pHpH都有很好的穩(wěn)定性，使用壽命較長，常用于反滲透。都有很好的穩(wěn)定性，使用壽命較長，常用于反滲透。3 無機材料無機材料 主要有陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼和碳素等。目主要有陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼和碳素等。目前實用化的無機膜主要有孔徑前實用化的無機膜主要有孔徑0.1m以上的微濾膜以上的微濾膜和截留相對分子質(zhì)量和截留相對分子質(zhì)量l0kD以上的超濾膜，其中以陶以上的超濾膜，其中以陶瓷材料的微濾膜最為常用。多孔陶瓷膜主要利用氧瓷材料的微濾膜最為常用。多孔陶瓷膜主

38、要利用氧化鋁、硅膠、氧化鋯和鈦等陶瓷微粒燒結(jié)而成，膜化鋁、硅膠、氧化鋯和鈦等陶瓷微粒燒結(jié)而成，膜厚方向不對稱。無機膜的特點是機械強度高，耐高厚方向不對稱。無機膜的特點是機械強度高，耐高溫、耐化學(xué)試劑和耐有機溶劑，但缺點是不易加工，溫、耐化學(xué)試劑和耐有機溶劑，但缺點是不易加工，造價較高。造價較高。 另一類無機微濾膜為動態(tài)膜另一類無機微濾膜為動態(tài)膜( (dynamic membrane) )，是將含水金屬氧化物是將含水金屬氧化物( (如氧化鋯如氧化鋯) )等膠體微?；蚓郾饶z體微粒或聚丙烯酸等沉積在陶瓷管等多孔介質(zhì)表面形成的膜，其烯酸等沉積在陶瓷管等多孔介質(zhì)表面形成的膜，其中沉積層起篩分作用。動態(tài)

39、膜的特點是透過通量大，中沉積層起篩分作用。動態(tài)膜的特點是透過通量大，通過改變通過改變pH值容易形成或除去沉積層，因此清洗比值容易形成或除去沉積層，因此清洗比較容易，但缺點是穩(wěn)定性較差。較容易，但缺點是穩(wěn)定性較差。 膜的種類膜的種類根據(jù)膜的材質(zhì)固體膜液體膜根據(jù)材料來源天然膜合成膜無機材料膜有機高分子膜根據(jù)膜的結(jié)構(gòu)多孔膜致密膜離子交換膜滲析膜微孔過濾膜超過濾膜反滲透膜滲透汽化膜氣體滲透膜根據(jù)膜的功能 固體膜固體膜根據(jù)膜斷面的物理形態(tài)根據(jù)固體膜的形態(tài)對稱膜不對稱膜復(fù)合膜平板膜管式膜中空纖維膜核徑蝕刻膜膜材料種類膜材料種類高分子分高分子分離膜材料離膜材料纖維素衍生物類纖維素衍生物類聚砜類聚砜類聚酰胺類

40、聚酰胺類聚酰亞胺類聚酰亞胺類聚酯類聚酯類聚烯烴類聚烯烴類乙烯類聚合物乙烯類聚合物含硅聚合物含硅聚合物含氟聚合物含氟聚合物甲殼素類甲殼素類無機膜無機膜致密膜致密膜多孔膜多孔膜致密的金屬膜致密的金屬膜致密的固體電解質(zhì)膜致密的固體電解質(zhì)膜致密的致密的”液體充實固體化液體充實固體化“動態(tài)原位形成的致密膜動態(tài)原位形成的致密膜Pd膜及膜及Pd合金膜合金膜Ag膜及膜及Ag合金膜合金膜氧化鋯膜氧化鋯膜復(fù)合固體氧化膜復(fù)合固體氧化膜多孔負(fù)載膜多孔負(fù)載膜多孔金屬膜，多孔不銹鋼膜多孔金屬膜，多孔不銹鋼膜多孔多孔Ni膜，多孔膜，多孔Ag膜，多孔膜，多孔Pd膜，多孔膜，多孔Ti膜膜多孔陶瓷膜，包括多孔陶瓷膜，包括Al2O

41、3膜，膜，SiO2膜，膜，ZrO2膜，膜，TiO2膜膜（多孔玻璃膜分子篩膜，包括碳分子篩）（多孔玻璃膜分子篩膜，包括碳分子篩）種類種類具體分類具體分類纖維素衍生物纖維素衍生物類類再生纖維素，硝酸纖維素，二醋酸纖維素，三醋再生纖維素，硝酸纖維素，二醋酸纖維素，三醋酸纖維素，乙基纖維素，其他纖維素衍生物酸纖維素，乙基纖維素，其他纖維素衍生物聚砜類聚砜類雙酚雙酚A型聚砜，聚芳醚酚，酚酞型聚醚酚，聚醚酮型聚砜，聚芳醚酚，酚酞型聚醚酚，聚醚酮聚酰胺類聚酰胺類脂肪族聚酰胺，聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，交聯(lián)脂肪族聚酰胺，聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，交聯(lián)芳香聚酰胺芳香聚酰胺聚酰亞胺類聚酰亞胺類脂肪族二酸聚酰亞胺，全芳

42、香聚酰亞胺，含氟聚脂肪族二酸聚酰亞胺，全芳香聚酰亞胺，含氟聚酰亞胺酰亞胺聚酯類聚酯類滌綸，聚對苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯滌綸，聚對苯二甲酸丁二醇酯，聚碳酸酯聚烯烴類聚烯烴類聚乙烯，聚丙烯，聚聚乙烯，聚丙烯，聚4-甲基甲基-1-戊烯戊烯乙烯類聚合物乙烯類聚合物聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚氯乙烯，聚偏氯乙烯聚丙烯腈，聚乙烯醇，聚氯乙烯，聚偏氯乙烯含硅聚合物含硅聚合物聚二甲基硅氧烷，聚三甲基硅氧烷聚二甲基硅氧烷，聚三甲基硅氧烷含氟聚合物含氟聚合物聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯甲殼素類甲殼素類無無1. .孔道結(jié)構(gòu)孔道結(jié)構(gòu) 膜的孔道結(jié)構(gòu)因膜材料和制造方法而異膜的孔道結(jié)構(gòu)因膜材料和制造方法而異。膜

43、的孔道結(jié)構(gòu)膜的孔道結(jié)構(gòu)對膜的透過通量、耐污染能力等操作性能具有重要影響。早對膜的透過通量、耐污染能力等操作性能具有重要影響。早期的膜多為對稱膜期的膜多為對稱膜( (symmetric membrane) )，即膜截面的即膜截面的膜厚方向上孔道結(jié)構(gòu)均勻，如圖膜厚方向上孔道結(jié)構(gòu)均勻，如圖5.6所示。對稱膜的傳質(zhì)阻所示。對稱膜的傳質(zhì)阻力大，透過通量低，并且容易污染，清洗困難力大，透過通量低，并且容易污染，清洗困難。60年代開年代開發(fā)的不對稱膜解決了上述對稱膜的弊端，從而開創(chuàng)了膜分離發(fā)的不對稱膜解決了上述對稱膜的弊端，從而開創(chuàng)了膜分離技術(shù)發(fā)展的新篇章。如圖技術(shù)發(fā)展的新篇章。如圖5.7所示，不對稱膜所示

44、，不對稱膜( (asymmetric membrane) )主要由起膜分離作用的表面活性層主要由起膜分離作用的表面活性層( (0.20.5）和起支撐強化作用的惰性層和起支撐強化作用的惰性層( (50100m) )構(gòu)成。惰性層孔構(gòu)成。惰性層孔徑很大，對透過流體無阻力，由于不對稱膜起膜分離作用的徑很大，對透過流體無阻力，由于不對稱膜起膜分離作用的表面活性層很薄，孔徑微細(xì)，因此透過通量大、膜孔不易堵表面活性層很薄，孔徑微細(xì)，因此透過通量大、膜孔不易堵塞、容易清洗。日前的超濾和反滲透膜多為不對稱膜。圖塞、容易清洗。日前的超濾和反滲透膜多為不對稱膜。圖5.7a所示的不對稱膜為指狀結(jié)構(gòu)，多用于超濾膜，而反

45、滲透所示的不對稱膜為指狀結(jié)構(gòu)，多用于超濾膜，而反滲透5.2.2 膜的結(jié)構(gòu)特點膜的結(jié)構(gòu)特點膜的結(jié)構(gòu)多為海綿狀，如圖膜的結(jié)構(gòu)多為海綿狀，如圖5.7b所示。高分子微濾膜所示。高分子微濾膜以對稱膜為主，即示于圖以對稱膜為主，即示于圖5.6的彎曲孔道膜。新型無的彎曲孔道膜。新型無機陶瓷微濾膜多為不對稱膜。另一種微濾膜是采用電機陶瓷微濾膜多為不對稱膜。另一種微濾膜是采用電子技術(shù)制造的核孔微濾膜子技術(shù)制造的核孔微濾膜( (nuclepore membrane) )，孔形規(guī)整、孔道直通并呈圓柱形構(gòu)，孔徑分布范圍小，孔形規(guī)整、孔道直通并呈圓柱形構(gòu)，孔徑分布范圍小，在透過通量、分離性能及耐污染方面均優(yōu)于彎曲孔道在

46、透過通量、分離性能及耐污染方面均優(yōu)于彎曲孔道型微濾膜，但造價較高。型微濾膜，但造價較高。圖5.6 對稱膜的彎曲孔道結(jié)構(gòu)示意圖圖5.7 不對稱膜的截面結(jié)構(gòu)示意圖2.2.膜的孔道特性膜的孔道特性膜的孔道特性包括孔徑、孔徑分布和孔隙率。超濾和微濾膜的膜的孔道特性包括孔徑、孔徑分布和孔隙率。超濾和微濾膜的孔徑、孔徑分布和孔隙率可通過電子顯微鏡直接觀察測定。此孔徑、孔徑分布和孔隙率可通過電子顯微鏡直接觀察測定。此外，微濾膜的最大孔徑還可通過泡點法外，微濾膜的最大孔徑還可通過泡點法( (bubble point method) )測量，即在膜表面覆蓋一層水，用水濕潤膜孔測量，即在膜表面覆蓋一層水，用水濕潤

47、膜孔，從下面通人空從下面通人空氣，當(dāng)壓力升高到有穩(wěn)定氣泡冒出時稱為泡點，此時的壓力稱氣，當(dāng)壓力升高到有穩(wěn)定氣泡冒出時稱為泡點，此時的壓力稱為泡點壓力?；诳諝鈮毫朔砻鎻埩⑺畯哪た酌?xì)管中為泡點壓力?；诳諝鈮毫朔砻鎻埩⑺畯哪た酌?xì)管中推出的動量平衡，可得到計算最大孔徑的公式推出的動量平衡，可得到計算最大孔徑的公式式中式中 dmax 為最大孔徑；為最大孔徑；為水的表面張力；為水的表面張力；為水與膜為水與膜面的接觸角度；面的接觸角度；p pb b 為泡點壓力。為泡點壓力。因為親水膜可被水完全潤濕，故親水膜的因為親水膜可被水完全潤濕，故親水膜的0，cos1，所所以，以， dmax4/ p

48、b除核孔微濾膜的孔徑比較均一外，其他膜的孔徑均有較大除核孔微濾膜的孔徑比較均一外，其他膜的孔徑均有較大的分布范圍。圖的分布范圍。圖5.8為超濾膜孔徑分布之一例。為超濾膜孔徑分布之一例。圖圖5.8 Millipore公司公司PTGC超超濾膜的孔徑分布濾膜的孔徑分布膜的另一特性是其純水的透過通量，通稱膜的另一特性是其純水的透過通量，通稱水通量水通量。水通量是在。水通量是在一定的條件下一定的條件下( (一般壓力為一般壓力為0.1MPa，溫度為溫度為20度度) )通過測量透通過測量透過一定量純水所需的時間來測定。表過一定量純水所需的時間來測定。表5.2和表和表5.3分別列出了部分別列出了部分超濾膜和微

49、濾膜的水通量?？梢钥闯鏊侩S著膜的截留分分超濾膜和微濾膜的水通量?？梢钥闯鏊侩S著膜的截留分子量（子量（UF膜，表膜，表5.2）或膜孔徑）或膜孔徑( (MF膜，表膜，表5.3) )的增大而增大。的增大而增大。同時，膜材料的種類對水通量的影響顯著，不同廠商生產(chǎn)的膜同時，膜材料的種類對水通量的影響顯著，不同廠商生產(chǎn)的膜之間水通量的差別也很大。之間水通量的差別也很大。5.2.3 水通量水通量由于純水并非實際物系，因此水通量不能用來衡量和預(yù)測實際由于純水并非實際物系，因此水通量不能用來衡量和預(yù)測實際料液的透過通量。在實際膜分離操作中，由于溶質(zhì)的吸附、膜料液的透過通量。在實際膜分離操作中，由于溶質(zhì)的

50、吸附、膜孔的堵塞以及后述的濃度極化或凝膠極化現(xiàn)象的產(chǎn)生，都會造孔的堵塞以及后述的濃度極化或凝膠極化現(xiàn)象的產(chǎn)生，都會造成透過的附加阻力，使透過通量大幅度降低。一般來講，在菌成透過的附加阻力，使透過通量大幅度降低。一般來講，在菌體或蛋白質(zhì)的膜分離濃縮過程中，隨著操作的進行，透過通量體或蛋白質(zhì)的膜分離濃縮過程中，隨著操作的進行，透過通量急劇下降，根據(jù)操作條件和料液性質(zhì)不同，急劇下降，根據(jù)操作條件和料液性質(zhì)不同，520min即降至最即降至最低。許多實驗研究證明，膜孔徑越大，通量下降速度越快，大低。許多實驗研究證明，膜孔徑越大，通量下降速度越快，大孔徑微濾膜的穩(wěn)定通量比小孔徑膜小，有時其至微濾膜通量比孔

51、徑微濾膜的穩(wěn)定通量比小孔徑膜小，有時其至微濾膜通量比超濾膜還要小。這主要是由于溶質(zhì)微粒容易進入到孔徑較大的超濾膜還要小。這主要是由于溶質(zhì)微粒容易進入到孔徑較大的膜孔中堵塞膜孔造成的。如圖膜孔中堵塞膜孔造成的。如圖5.9所示所示，在伴隨反洗的酵母懸浮在伴隨反洗的酵母懸浮液錯流過濾過程中，存在透過通量最大的微濾膜孔徑。在細(xì)菌液錯流過濾過程中，存在透過通量最大的微濾膜孔徑。在細(xì)菌懸浮液的錯流過濾過程亦有類似現(xiàn)象，最佳膜孔徑與菌體大小懸浮液的錯流過濾過程亦有類似現(xiàn)象，最佳膜孔徑與菌體大小有關(guān)。因此，用膜分離法處理含菌體細(xì)胞或懸浮微粒的料液時，有關(guān)。因此，用膜分離法處理含菌體細(xì)胞或懸浮微粒的料液時，要根

52、據(jù)料液性質(zhì)選擇膜孔徑適當(dāng)、不易堵塞、溶質(zhì)吸附作用小要根據(jù)料液性質(zhì)選擇膜孔徑適當(dāng)、不易堵塞、溶質(zhì)吸附作用小的親水膜，這樣不僅可提高分離速度，還可以提高分離質(zhì)量和的親水膜，這樣不僅可提高分離速度，還可以提高分離質(zhì)量和目標(biāo)產(chǎn)物的回收率。目標(biāo)產(chǎn)物的回收率。5.3 膜膜 組組 件件 由膜、固定膜的支撐體、間隔物由膜、固定膜的支撐體、間隔物( (spacer) )以及以及收納這些部件的容器構(gòu)成的一個單元收納這些部件的容器構(gòu)成的一個單元( (unit) )稱為膜稱為膜組件組件( (membrane module) )或膜裝置。膜組件的結(jié)或膜裝置。膜組件的結(jié)構(gòu)根據(jù)膜的形式而異，目前市售商品膜組件主要有構(gòu)根據(jù)膜

53、的形式而異，目前市售商品膜組件主要有管式、平板式、螺旋卷式和中空纖維管式、平板式、螺旋卷式和中空纖維( (毛細(xì)管毛細(xì)管) )式等式等四種，其中管式和中空纖維式膜組件根據(jù)操作方式四種，其中管式和中空纖維式膜組件根據(jù)操作方式不同，又分為內(nèi)壓式和外壓式。不同，又分為內(nèi)壓式和外壓式。1.管式膜組件管式膜組件 管式膜組件是將膜固定在內(nèi)徑管式膜組件是將膜固定在內(nèi)徑1025mm，長長約約3m的園管狀多孔支撐體上構(gòu)成的，的園管狀多孔支撐體上構(gòu)成的，l020根管式根管式膜并聯(lián)膜并聯(lián)( (圖圖a) )，或用管線串聯(lián)，收納在筒狀容器內(nèi)或用管線串聯(lián)，收納在筒狀容器內(nèi)即構(gòu)成管式膜組件。管式膜組件的內(nèi)徑較大，結(jié)構(gòu)即構(gòu)成管

54、式膜組件。管式膜組件的內(nèi)徑較大，結(jié)構(gòu)簡單，適合于處理懸浮物含量較高的料液，分離操簡單，適合于處理懸浮物含量較高的料液，分離操作完成后的清洗比較容易。但是管式膜組件單位體作完成后的清洗比較容易。但是管式膜組件單位體積的過濾表面積積的過濾表面積( (即比表面積即比表面積) )在各種膜組件中最小，在各種膜組件中最小，這是它的主要缺點。這是它的主要缺點。2. .平板膜組件平板膜組件 平板膜組件與板式換熱器或加壓葉濾機相平板膜組件與板式換熱器或加壓葉濾機相似，由多枚圓形或長方形平板膜以似，由多枚圓形或長方形平板膜以1mm左有的左有的間隔重疊加工而成，膜間襯設(shè)多孔薄膜，供料間隔重疊加工而成，膜間襯設(shè)多孔薄

55、膜，供料液或濾波流動液或濾波流動( (圖圖b) )。平板膜組件比管式膜組件平板膜組件比管式膜組件比表面積大得多。在實驗室中，經(jīng)常使用將一比表面積大得多。在實驗室中，經(jīng)常使用將一張平板膜固定在容器底部的攪拌槽式過濾器。張平板膜固定在容器底部的攪拌槽式過濾器。3. .螺旋卷式膜組件螺旋卷式膜組件 將兩張平板膜固定在多孔性濾液隔網(wǎng)上將兩張平板膜固定在多孔性濾液隔網(wǎng)上( (隔網(wǎng)隔網(wǎng)為濾液流路為濾液流路) )，兩端密封。兩張膜的上下分別襯設(shè)一，兩端密封。兩張膜的上下分別襯設(shè)一張料液隔網(wǎng)張料液隔網(wǎng)( (為料液流路為料液流路) )，卷繞在空心管上，空心，卷繞在空心管上，空心管用于濾液的回收。管用于濾液的回收

56、。 螺旋卷式膜組件的比表面積大，結(jié)構(gòu)簡單，價螺旋卷式膜組件的比表面積大，結(jié)構(gòu)簡單，價格較便宜。但缺點是處理懸浮物濃度較高的料液時格較便宜。但缺點是處理懸浮物濃度較高的料液時容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。4. .中空纖維中空纖維( (毛細(xì)管毛細(xì)管) )式膜組件式膜組件 中空纖維或毛細(xì)管膜組件由數(shù)百至數(shù)百萬根中空中空纖維或毛細(xì)管膜組件由數(shù)百至數(shù)百萬根中空纖維膜固定在圓筒形容器內(nèi)構(gòu)成纖維膜固定在圓筒形容器內(nèi)構(gòu)成( (圖圖d) )。嚴(yán)格地講，內(nèi)嚴(yán)格地講，內(nèi)徑為徑為4080um的膜稱中空纖維膜，而內(nèi)徑為的膜稱中空纖維膜，而內(nèi)徑為0.252.5mm的膜稱毛細(xì)管膜。由于兩種膜組件的結(jié)構(gòu)基本的膜稱毛細(xì)管

57、膜。由于兩種膜組件的結(jié)構(gòu)基本相同，故一般將這兩種膜裝置統(tǒng)稱為中空纖維膜組件。相同，故一般將這兩種膜裝置統(tǒng)稱為中空纖維膜組件。毛細(xì)管膜的耐壓能力在毛細(xì)管膜的耐壓能力在1.0 MPa以下，主要用于超濾和以下，主要用于超濾和微濾；中空纖維膜的耐壓能力較高，常用于反滲透。微濾；中空纖維膜的耐壓能力較高，常用于反滲透。由于中空纖維膜組件由許多極細(xì)的中空纖維構(gòu)成，采由于中空纖維膜組件由許多極細(xì)的中空纖維構(gòu)成，采用外壓式操作用外壓式操作( (料液走殼方料液走殼方) )時，流動容易形成溝流效時，流動容易形成溝流效應(yīng)應(yīng)( (channelling) )，凝膠吸附層的控制比較困難；采用凝膠吸附層的控制比較困難；采

58、用內(nèi)壓式操作內(nèi)壓式操作( (料液走腔內(nèi)料液走腔內(nèi)) )時，為防止堵塞，需對料液時，為防止堵塞，需對料液進行預(yù)處理，除去其中的微粒。進行預(yù)處理，除去其中的微粒。中空纖維超濾膜組件中空纖維超濾膜組件膜斷面圖膜斷面圖 反滲透膜與裝置反滲透膜與裝置超濾膜裝置超濾膜裝置外壓式膜組件結(jié)構(gòu)外壓式膜組件結(jié)構(gòu)內(nèi)壓式膜組件結(jié)構(gòu)內(nèi)壓式膜組件結(jié)構(gòu)膜分離設(shè)備流程圖膜分離設(shè)備流程圖5.4 操作特性操作特性5.4.1 濃度極化模型濃度極化模型反滲透、超濾和微濾操作各具特點，影響透過通量的因素很多。反滲透、超濾和微濾操作各具特點，影響透過通量的因素很多。但這三種膜分離操作的透過通量基本上均可用濃度極化或凝膠但這三種膜分離操作

59、的透過通量基本上均可用濃度極化或凝膠極化模型描述。極化模型描述。濃度濃度( (凝膠凝膠) )極化模型的要點是極化模型的要點是：在膜分離操作在膜分離操作中，所有溶質(zhì)均被透過液傳送到膜表面上，不能完全透過膜的中，所有溶質(zhì)均被透過液傳送到膜表面上，不能完全透過膜的溶質(zhì)受到膜的截留作用，在膜表面附近濃度升高，溶質(zhì)受到膜的截留作用，在膜表面附近濃度升高，如圖如圖5.11所所示。示。這種在膜表面附近濃度高于主體濃度的現(xiàn)象稱為濃度極化這種在膜表面附近濃度高于主體濃度的現(xiàn)象稱為濃度極化或濃差極化或濃差極化( (concentration polarization) )。膜表面附近濃度升膜表面附近濃度升高，增大

60、了膜兩側(cè)的滲透壓差，使有效壓差減小，透過通量降高，增大了膜兩側(cè)的滲透壓差，使有效壓差減小，透過通量降低。當(dāng)膜表面附近的濃度超過溶質(zhì)的溶解度時，溶質(zhì)會析出，低。當(dāng)膜表面附近的濃度超過溶質(zhì)的溶解度時，溶質(zhì)會析出，形成凝被層。當(dāng)分離含有菌體、細(xì)胞或其他固形成分的料液時，形成凝被層。當(dāng)分離含有菌體、細(xì)胞或其他固形成分的料液時，也會在膜表面形成凝膠層。這種現(xiàn)象稱為凝膠極化也會在膜表面形成凝膠層。這種現(xiàn)象稱為凝膠極化( (gel polarization) )。凝膠層的形成對透過產(chǎn)生附加的傳質(zhì)阻力，同凝膠層的形成對透過產(chǎn)生附加的傳質(zhì)阻力，同此透過通量一般表示為此透過通量一般表示為其中，其中，RmRm和和R