第九、十章 料液過濾分離設備

1、發(fā)酵機械與設備發(fā)酵機械與設備n徐徐 明明 芳芳 博博 士士n教教 授授n暨暨 南南 大大 學學 生生 科科 院院n2015-12-11目錄緒論緒論第一篇第一篇 生物質原料處理設備生物質原料處理設備第二篇第二篇 生物反應設備生物反應設備第四篇第四篇 其他設備其他設備n第一章第一章 生物質原料預處理設備生物質原料預處理設備n第二章第二章 生物細胞培養(yǎng)基制備設備生物細胞培養(yǎng)基制備設備n第三章第三章 生物培養(yǎng)基滅菌設備生物培養(yǎng)基滅菌設備n第四章第四章 原料（物料）輸送設備原料（物料）輸送設備生物工程設備課件生物工程設備課件第二篇第二篇 生物反應設備生物反應設備第八章第八章 生物反應器的檢測及控制生物反

2、應器的檢測及控制底物底物生物反應器生物反應器檢測控檢測控制儀表制儀表培養(yǎng)基培養(yǎng)基（滅菌）（滅菌）經加工經加工原料原料酶酶細胞細胞生物催化劑生物催化劑（游離或固定化）（游離或固定化）機械能機械能除除菌菌空氣空氣產品提取純化產品提取純化副產品副產品產品產品廢物廢物熱能熱能原材料原材料營養(yǎng)物營養(yǎng)物典型工業(yè)生物技術過程典型工業(yè)生物技術過程下游加工概述下游加工概述下游加工過程下游加工過程(Down stream processing)發(fā)酵液發(fā)酵液預處理預處理細胞分離細胞分離細胞破碎細胞破碎細胞碎片分離細胞碎片分離初步純化初步純化高度純化高度純化成品加工成品加工第九章 固液分離設備n一、固液分離方法概述一

3、、固液分離方法概述n二、過濾設備二、過濾設備n三、離心分離設備三、離心分離設備n1、n3、按照過濾推動力的差別，過濾機分為哪幾、按照過濾推動力的差別，過濾機分為哪幾類？類？n4、n5、真空轉鼓過濾機、真空轉鼓過濾機n6、為哪幾類？為哪幾類？ 7、如何選擇離心設備、如何選擇離心設備一、固液分離方法概述固液分離方法概述n在生物加工過程中的一些中間產物如：微生物發(fā)酵液、動植物細胞培養(yǎng)液、酶微生物發(fā)酵液、動植物細胞培養(yǎng)液、酶反應液或各種提取液反應液或各種提取液，常常是由固相與液相組成，而且大多數表現為粘度大和成分復雜 。n故這些產物的固固- -液分離比較困難液分離比較困難。 一、固液分離方法概述一、固

4、液分離方法概述n固液分離的方法很多，固液分離的方法很多，n生物工業(yè)中運用的方法有：生物工業(yè)中運用的方法有：n分分離篩、重力沉降、浮選分離、離心分離篩、重力沉降、浮選分離、離心分離和過濾離和過濾等。等。分離方法選擇原則分離方法選擇原則因待處理溶液的性質而異，重要參數：n分離粒子的大小和尺寸分離粒子的大小和尺寸n介質的黏度介質的黏度n粒子和介質之間的密度差粒子和介質之間的密度差n固體顆粒的含量固體顆粒的含量n粒子聚集或絮凝作用的影響粒子聚集或絮凝作用的影響n產品穩(wěn)定性助濾劑的選擇產品穩(wěn)定性助濾劑的選擇n料液對設備的腐蝕性料液對設備的腐蝕性n操作規(guī)模及費用操作規(guī)模及費用n不要帶入新的雜質，方便后續(xù)工

5、序不要帶入新的雜質，方便后續(xù)工序 n最常用的主要是過濾和離心分離。最常用的主要是過濾和離心分離。過濾過濾 n目前工業(yè)生產中用于固液分離固液分離的主要方法，傳統(tǒng)的單元操作。n原理原理：迫使迫使通過通過或或，把固體截留，從而達到，把固體截留，從而達到的目的目的。的。 離心分離離心分離 n原理：利用原理：利用慣性離心力和物質的沉降系慣性離心力和物質的沉降系數或浮力密度的不同而進行的分離數或浮力密度的不同而進行的分離、濃、濃縮等操作?？s等操作。 n使用范圍：使用范圍：固體顆粒很小且黏度很大、固體顆粒很小且黏度很大、過濾速度很慢、甚至難以過濾的懸浮液過濾速度很慢、甚至難以過濾的懸浮液分離有效分離有效，對

6、那些忌用助濾劑的懸浮液，對那些忌用助濾劑的懸浮液的分離。的分離。 二、過濾設備二、過濾設備 根據過濾機理不同過濾機理不同可分為：澄清過濾和澄清過濾和濾餅過濾濾餅過濾 澄清過濾澄清過濾：當懸浮液通過過濾介質時，固體顆當懸浮液通過過濾介質時，固體顆粒被阻攔或吸附在濾層顆粒上，使濾液得以澄粒被阻攔或吸附在濾層顆粒上，使濾液得以澄清。清。濾餅過濾濾餅過濾：當懸浮液通過濾介質時，固體顆粒當懸浮液通過濾介質時，固體顆粒被介質阻攔而形成濾餅，當濾餅積至一定厚度被介質阻攔而形成濾餅，當濾餅積至一定厚度時就起到過濾作用，此時即可獲得時就起到過濾作用，此時即可獲得澄清的濾液。澄清的濾液。 過濾介質的選擇過濾介質的

7、選擇過濾介質一般按照不同的過濾操作進行分類 ：澄清過濾：澄清過濾：硅藻土、砂、顆?；钚蕴?、玻璃珠、塑料硅藻土、砂、顆?；钚蕴?、玻璃珠、塑料顆粒等顆粒等，填充于過濾器內即構成過濾層；也有用燒結陶瓷、燒結金屬、粘合塑料及用金屬絲繞成的管子等組成的成型顆粒濾層。濾餅過濾濾餅過濾：濾布，濾布，包括等無紡布，。 按照過濾推動力的差別，習慣上把過濾機分為按照過濾推動力的差別，習慣上把過濾機分為：常壓過濾機常壓過濾機推動力太小 自動板框壓濾機 大大縮短了間歇時間，減輕勞動強度 加壓過濾加壓過濾 板框硅藻土過濾機 垂直葉片式硅藻土過濾機 硅藻土過濾機 葉片式硅藻土過濾機 柱式硅藻土過濾機 水平式硅藻土過濾機

8、真空轉鼓過濾機 真空過濾機真空過濾機 無格式轉鼓真空過濾機 濾布循環(huán)行進式（RCF）轉鼓真空過濾機 1、常壓過濾機、常壓過濾機n此類過濾機由于此類過濾機由于推動力太小推動力太小，在工業(yè)中，在工業(yè)中很少用。很少用。n但在啤酒廠麥芽糖化的過濾仍采用這種但在啤酒廠麥芽糖化的過濾仍采用這種壓力差很小的壓力差很小的平底篩過濾機平底篩過濾機。加壓過濾加壓過濾-自動板框壓濾機自動板框壓濾機n舊板框過濾機的缺點是需人工排除濾餅和洗換濾布，舊板框過濾機的缺點是需人工排除濾餅和洗換濾布，設備笨重設備笨重，間歇操作間歇操作，衛(wèi)生條件差衛(wèi)生條件差。但具有過濾。但具有過濾結結構簡單構簡單，單位體積的，單位體積的過濾面積

9、大，裝置緊湊過濾面積大，裝置緊湊等優(yōu)點。等優(yōu)點。n自動板框過濾機是一種較新型的壓濾設備，它使板自動板框過濾機是一種較新型的壓濾設備，它使板框的拆裝、濾餅的脫落卸出和濾布的清洗等操作都框的拆裝、濾餅的脫落卸出和濾布的清洗等操作都自動進行，大大自動進行，大大縮短了間歇時間，減輕勞動強度縮短了間歇時間，減輕勞動強度。圖6-3 型自動板框過濾機濾餅推出板濾餅濾布濾板濾框（2）降框，卸餅及洗刷濾布濾板濾框濾布驅動滾筒濾布張緊裝置濾液濾布濾漿防止濾布蛇形裝置（1）過濾與洗餅過濾、離心與膜分離設備過濾設備2、 板框壓濾機結構圖板框壓濾機結構圖過濾、離心與膜分離設備過濾設備 板框式壓濾機板框式壓濾機濾板和濾框

10、濾板和濾框全自動壓濾機全自動壓濾機DRXA1000-10nPP濾板濾板PP濾布濾布油壓動力單元油壓動力單元5HP 電控箱（電控箱（PLC）進料管理裝置進料管理裝置震動落料系統(tǒng)震動落料系統(tǒng)自動清洗自動清洗自動拉板自動拉板自動卸料自動卸料臺灣原裝產品臺灣原裝產品 過濾、離心與膜分離設備過濾設備- 板框式壓濾機操作過程板框式壓濾機操作過程過濾階段過濾階段洗滌階段洗滌階段當懸浮液通過濾介質時，固當懸浮液通過濾介質時，固體顆粒被介質阻攔而形成濾體顆粒被介質阻攔而形成濾餅，當濾餅積至一定厚度時餅，當濾餅積至一定厚度時就起到過濾作用就起到過濾作用過濾設備 自動板框壓濾機自動板框壓濾機過濾、離心與膜分離設備過

11、濾設備 自動板框壓濾機自動板框壓濾機過濾、離心與膜分離設備IFP自動板框壓濾機工作原理圖自動板框壓濾機工作原理圖降框、卸餅及洗刷濾布板框硅藻土過濾機板框硅藻土過濾機n其結構與上述的板框過濾機沒有多大差別，也是濾其結構與上述的板框過濾機沒有多大差別，也是濾板和濾框的交替排列，板和濾框的交替排列，n只是在只是在過濾介質過濾介質前放置了前放置了涂有硅藻土的金屬絲網。涂有硅藻土的金屬絲網。3、硅藻土過濾機、硅藻土過濾機 頂部為快開式頂蓋，頂部為快開式頂蓋，底部有一條底部有一條水平的濾水平的濾液匯集總管，液匯集總管，兩者之兩者之間垂直排列了許多間垂直排列了許多。每張每張，將其，將其內腔與濾液匯集總管內腔

12、與濾液匯集總管連接連接 圖6-4 垂直式硅藻土過濾機1234流動方向頂蓋 2-濾液 3-濾液出口 4-濾液進口 5-御渣口(2)水平葉式硅藻土過濾機水平葉式硅藻土過濾機 該過濾機在垂直空心軸上裝該過濾機在垂直空心軸上裝有有許多水平排列的濾許多水平排列的濾葉。葉。濾葉內腔與空心軸內腔相通，濾葉內腔與空心軸內腔相通，濾液從濾葉內腔匯集空心軸，濾液從濾葉內腔匯集空心軸，然后從底部排出。然后從底部排出。 濾葉的上側是一層細金屬濾葉的上側是一層細金屬絲網，作為硅藻土預涂層的絲網，作為硅藻土預涂層的支持介質，中央夾著一層大支持介質，中央夾著一層大孔格粗金屬絲網孔格粗金屬絲網，作為細金，作為細金屬絲網的支持

13、物。屬絲網的支持物。濾葉下側則是金屬薄板。濾葉下側則是金屬薄板。濾 餅濾 液濾 漿H圖 6 - 5 水 平 葉 式 硅 藻 土 過 濾 機4. 柱式硅藻土過濾機柱式硅藻土過濾機 n在柱式過濾機的柱式濾管上在柱式過濾機的柱式濾管上制備硅藻土涂層制備硅藻土涂層時，時，將懸浮液所含硅藻土和液體作垂直于柱將懸浮液所含硅藻土和液體作垂直于柱式濾管面的同向流動。式濾管面的同向流動。n硅藻土沉積在柱式濾管（不銹鋼圓環(huán)）的外硅藻土沉積在柱式濾管（不銹鋼圓環(huán)）的外表面之上形成預涂層，懸浮液中的液體在過表面之上形成預涂層，懸浮液中的液體在過濾推動力作用下穿過預濾層，濾液沿中心濾推動力作用下穿過預濾層，濾液沿中心Y

14、形棒的凹型槽溝排出機外，再攜帶硅藻土進形棒的凹型槽溝排出機外，再攜帶硅藻土進行循環(huán)直到濾液澄清為止。行循環(huán)直到濾液澄清為止。n該機的優(yōu)點是濾層在柱上，不易變形脫落，該機的優(yōu)點是濾層在柱上，不易變形脫落，濾柱為圓形，其過濾表面積會隨濾層的增加濾柱為圓形，其過濾表面積會隨濾層的增加而增加。而增加。123423A -A- 管 板 連 接 接 頭 2 - 不 銹 鋼 環(huán) 3 - Y 形 的 金 屬 棒 4 - 端 蓋AA圖 6 - 6 柱 式 濾 管-封頭 2-柱式濾管 3-殼體圖6-7 柱式過濾機32柱式硅藻土過濾機柱式硅藻土過濾機4 真空轉鼓過濾機結構與工作原理（四區(qū)）真空轉鼓過濾機結構與工作原理

15、（四區(qū)） 這種過濾機的主要元件這種過濾機的主要元件是轉鼓是轉鼓，其內，其內維持一定的真維持一定的真空度空度，與外界大氣壓的壓差即為過濾推動力。，與外界大氣壓的壓差即為過濾推動力。在過濾操作時，在過濾操作時，轉鼓下部浸沒于待處理的料液中轉鼓下部浸沒于待處理的料液中。當轉鼓以低速旋轉時當轉鼓以低速旋轉時(一般為一般為1-2.6r/min)，濾液就，濾液就穿過過濾介質而被吸入轉鼓內腔，而濾渣則被過穿過過濾介質而被吸入轉鼓內腔，而濾渣則被過濾介質阻截，形成濾餅。濾介質阻截，形成濾餅。當轉鼓繼續(xù)轉動，生成的濾餅依次被當轉鼓繼續(xù)轉動，生成的濾餅依次被洗滌、吸干、洗滌、吸干、刮刀卸餅刮刀卸餅。最后通過再生區(qū)

16、，最后通過再生區(qū)，壓縮空氣通過分配閥的壓縮空氣通過分配閥的室進入室進入再生區(qū)，吹落堵在濾布上微粒，使濾布再生再生區(qū)，吹落堵在濾布上微粒，使濾布再生。 圖6-8 真空轉鼓過濾機工作原理1-轉鼓 2-過濾室 3-分配閥 4-料液槽 5-搖擺式攪拌器 6-洗滌液噴嘴 7-刮刀料液洗滌吸干區(qū)過濾區(qū)再生區(qū)卸渣區(qū)壓縮空氣濾出液547632過濾設備 真空過濾機真空過濾機過濾、離心與膜分離設備動畫演示動畫演示水平回轉翻盤式真空過濾器水平回轉翻盤式真空過濾器過濾設備過濾、離心與膜分離設備 真空過濾機真空過濾機動畫演示動畫演示過濾設備 真空過濾機真空過濾機過濾、離心與膜分離設備轉筒真空過濾機轉筒真空過濾機無格式轉

17、鼓真空過濾機無格式轉鼓真空過濾機 n它是在標準型轉它是在標準型轉鼓真空過濾機基鼓真空過濾機基礎上開發(fā)的新機礎上開發(fā)的新機種，其特點是：種，其特點是：沒有空格室、整沒有空格室、整個轉鼓內腔都是個轉鼓內腔都是真空狀態(tài)、結構真空狀態(tài)、結構簡單、單位面積簡單、單位面積過濾能力大、反過濾能力大、反吹管與濾液管隔吹管與濾液管隔開、洗滌能力強、開、洗滌能力強、效率高。效率高。 出料口進 料 口溢流口下 機 殼上 機 殼噴 淋 管吸 入 管反 吹 閥轉 鼓圖 6 - 9 G W 2 .5 /1 .2 -N真 空 過 濾 機濾布循環(huán)行進式（濾布循環(huán)行進式（RCF）轉鼓真空過濾機）轉鼓真空過濾機 nRCF轉鼓真空

18、過濾機在普通轉鼓式真空過濾轉鼓真空過濾機在普通轉鼓式真空過濾機的基礎上在其轉鼓的表面再安裝了一條由機的基礎上在其轉鼓的表面再安裝了一條由轉鼓驅動的首尾閉合的濾布帶。因行進方向轉鼓驅動的首尾閉合的濾布帶。因行進方向的轉折，使濾餅脫離濾布。濾布在行進過程的轉折，使濾餅脫離濾布。濾布在行進過程中從正反兩方面受到洗刷而再生中從正反兩方面受到洗刷而再生。 234567891011 圖6-10 RCF真空轉鼓過濾機工作原理1-過濾筒 2-洗滌水 3-真空調整 4-過濾槽 5-攪拌裝置 6-洗滌液 7-刮板 8-濾餅剝離滾 9-噴嘴 10-張緊滾 11-濾布脫水脫液洗滌真空剝離234567891011 圖6

19、-10 RCF真空轉鼓過濾機工作原理1-過濾筒 2-洗滌水 3-真空調整 4-過濾槽 5-攪拌裝置 6-洗滌液 7-刮板 8-濾餅剝離滾 9-噴嘴 10-張緊滾 11-濾布脫水脫液洗滌真空剝離濾布循環(huán)行進式真空過濾機的工作工藝圖 橡膠帶式真空過濾機的工作原橡膠帶式真空過濾機的工作原理理 四、離心分離設備四、離心分離設備 n液相非均一系的分離過程中，利用離心力來液相非均一系的分離過程中，利用離心力來達到達到液液-液分離、液液分離、液-固分離或液固分離或液-液液-固分離固分離的方法統(tǒng)稱為離心分離。的方法統(tǒng)稱為離心分離。n離心分離可分為三種形式：離心分離可分為三種形式： 離心沉降：離心沉降：利用固液

20、兩相的相對密度差，在離利用固液兩相的相對密度差，在離心機無孔轉鼓或管子中進行懸浮液的分離操作。心機無孔轉鼓或管子中進行懸浮液的分離操作。 離心過濾離心過濾：利用離心力并通過過濾介質，在有孔利用離心力并通過過濾介質，在有孔轉鼓離心機中分離懸浮液的操作。轉鼓離心機中分離懸浮液的操作。 超離心：超離心：利用不同溶質顆粒在液體中各種部分分利用不同溶質顆粒在液體中各種部分分布的差異，分離不同相對密度液體的操作。布的差異，分離不同相對密度液體的操作。 離心分離的優(yōu)缺點離心分離的優(yōu)缺點：n離心分離是常用的分離發(fā)酵液的方法，離心分離是常用的分離發(fā)酵液的方法，與壓濾相比較，它具有分離速度快，效與壓濾相比較，它具

21、有分離速度快，效率高，操作時衛(wèi)生條件好等優(yōu)點。率高，操作時衛(wèi)生條件好等優(yōu)點。n適合于大規(guī)模的分離過程。適合于大規(guī)模的分離過程。n離心分離設備投資費用高，能耗較大。離心分離設備投資費用高，能耗較大。離心分離離心分離 n原理：利用原理：利用慣性離心力和物質的沉降系慣性離心力和物質的沉降系數或浮力密度的不同而進行的分離數或浮力密度的不同而進行的分離、濃、濃縮等操作?？s等操作。 n使用范圍：使用范圍：固體顆粒很小且黏度很大、固體顆粒很小且黏度很大、過濾速度很慢、甚至難以過濾的懸浮液過濾速度很慢、甚至難以過濾的懸浮液分離有效分離有效，對那些忌用助濾劑的懸浮液，對那些忌用助濾劑的懸浮液的分離。的分離。 n

22、旋轉角速度（弧度/秒）表示，并取為n以f表示 222900RuRnfggR是代表離心機特點的重要參數，是代表離心機特點的重要參數，。增加轉鼓的半徑及轉數均可以增大分離因數增加轉鼓的半徑及轉數均可以增大分離因數n 常 速 離 心 機 常 速 離 心 機 f 2 x 105。2離心設備離心設備 （1）沉降式螺旋分離或卸料離心機）沉降式螺旋分離或卸料離心機推廣橡膠毛邊分離機 專利產品)創(chuàng)新設圖6-14 臥式螺旋卸料沉降離心機 1差速器 2左主軸承座 3機殼 4轉鼓 5螺旋輸送器 6擠壓機構 7右主軸承座 8防護罩 9進料機構固體液體98765432（2）碟片式離心機）碟片式

23、離心機 n在在 n一般根據排出固體的方法可以將碟片式離一般根據排出固體的方法可以將碟片式離心機心機分為以下幾大類：分為以下幾大類： 人工排渣的碟片式離心機人工排渣的碟片式離心機 噴嘴排渣碟片式噴嘴排渣碟片式 離心機離心機 活塞排渣碟片式離心機活塞排渣碟片式離心機 活門排渣的噴嘴碟片式離心機活門排渣的噴嘴碟片式離心機 n殼由轉鼓帶動殼由轉鼓帶動n內設有內設有n錐角為錐角為60120n碟片一般用碟片一般用0.8mm的不銹鋼的不銹鋼或鋁制成形或鋁制成形n碟片之間的間隙為碟片之間的間隙為0.52.5mm。n在轉鼓直徑最大處在轉鼓直徑最大處裝有直徑為裝有直徑為=1.0mm的噴嘴。的噴嘴。 菌體及濃縮液菌

24、體及濃縮液輕液出口輕液出口進料圖8-13 碟片式離心機示意圖離心機的選擇與使用 生物分離過程的一般流程生物分離過程的一般流程原料液原料液細胞分離細胞分離( (離心，過濾離心，過濾) )細胞胞內產物細胞胞內產物路線一路線一路線二路線二細胞破碎細胞破碎碎片分離碎片分離路線一路線一A A路線一路線一B B清液胞外產物清液胞外產物粗分離粗分離( (沉淀沉淀/ /超過濾超過濾/ /萃取萃取) )純化純化( (層析、離子交換、吸附層析、離子交換、吸附) )脫鹽脫鹽( (凝膠過濾、超濾凝膠過濾、超濾) )濃縮濃縮( (超濾超濾) )精制精制( (結晶、干燥結晶、干燥) )包含體包含體溶解溶解( (加鹽酸胍、

25、脲加鹽酸胍、脲) )復性復性本章主要知識點本章主要知識點？優(yōu)點優(yōu)點:1)、能耗低。膜分離不涉及相變，對能量要求低，與蒸餾、能耗低。膜分離不涉及相變，對能量要求低，與蒸餾、結晶和蒸發(fā)相比有較大的差異；結晶和蒸發(fā)相比有較大的差異；2)、3)、操作方便，結構緊湊、維修成本低、易于自動化。、操作方便，結構緊湊、維修成本低、易于自動化。1)、，故需采用與工藝，故需采用與工藝相適應的膜面清洗方法；相適應的膜面清洗方法；2)、穩(wěn)定性、耐藥性、耐熱性、耐溶劑能力有限，、穩(wěn)定性、耐藥性、耐熱性、耐溶劑能力有限，3)、單獨的膜分離技術功能有限，需與氣他分離技術連用。、單獨的膜分離技術功能有限，需與氣他分離技術連用

26、。2膜分離技術的類型膜分離技術的類型以濃度差為推動力的過程：以濃度差為推動力的過程：A、透析技術、透析技術(Dialysis, DS)以電場力為推動力的過程：以電場力為推動力的過程：A、電透析，、電透析，B、離子交換電透析、離子交換電透析以靜壓力差為推動力的過程：以靜壓力差為推動力的過程：A、微濾、微濾(microfiltration)，B、超濾、超濾(untrafiltration)，C、反滲透、反滲透(reverse osmosis)以蒸氣壓差為推動力的過程：以蒸氣壓差為推動力的過程：A、膜蒸餾，、膜蒸餾，B、滲透蒸餾、滲透蒸餾微濾微濾(micro-filtration, MF)超濾超濾(

27、untra-filtration, UF)反滲透反滲透(reverse osmosis, RO)透析透析(Dialysis, DS)電透析電透析(electro-dialysis, ED)納米膜分離納米膜分離(Selective, RO)親和過濾親和過濾(affinity filtration, AF)滲透氣化滲透氣化(pervaporation, PV)可以按不同的方式對膜進行分類：可以按不同的方式對膜進行分類： 微濾膜微濾膜0.02514m；超濾膜超濾膜0.0010.02m (10200 )；反滲透膜反滲透膜0.00010.001m (110 )；納米過濾膜，平均直徑納米過濾膜，平均直徑2

28、nm。 （2）按膜結構分）按膜結構分 對稱性膜，不對稱膜、復合膜等。對稱性膜，不對稱膜、復合膜等。 （3）按材料分為）按材料分為 高分子合成聚合物膜，無機材料膜等高分子合成聚合物膜，無機材料膜等；n有機高分子膜有機高分子膜生物分離過程中，對膜料要有如下要求：生物分離過程中，對膜料要有如下要求： 膜材料的種類膜材料的種類天然高分子材料天然高分子材料種類：纖維素衍生物，如醋酸纖維、硝酸纖維和再生纖維種類：纖維素衍生物，如醋酸纖維、硝酸纖維和再生纖維優(yōu)點優(yōu)點：，也可作，也可作超濾膜和微濾膜；再生纖維素可用于制造透析膜和微濾膜超濾膜和微濾膜；再生纖維素可用于制造透析膜和微濾膜。缺點缺點：醋酸纖維膜最高

29、使用溫度和醋酸纖維膜最高使用溫度和pH范圍有限，在范圍有限，在45-50 C，pH3-8。種類：種類：聚砜、聚酰胺、聚酰亞胺、聚丙烯晴、聚烯類和含氟聚砜、聚酰胺、聚酰亞胺、聚丙烯晴、聚烯類和含氟聚合物，其中，聚合物，其中，。優(yōu)點：耐高溫優(yōu)點：耐高溫(70-80 C，可達，可達125 C)，pH1-13，耐氯能力，耐氯能力強，可調節(jié)的孔徑寬強，可調節(jié)的孔徑寬(1-20nm)；。 缺點：但聚砜的耐壓差，壓力極限在缺點：但聚砜的耐壓差，壓力極限在0.5-1.0MPa。無機材料無機材料種類：種類：陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼和碳素等陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼和碳素等。目前實用化有孔徑0.1um微濾膜和截留10k

30、D的超濾膜，其中以。主要利用主要利用，膜厚方向上不對稱，膜厚方向上不對稱優(yōu)點：優(yōu)點：機械強度高、耐高溫、耐化學試劑和有機溶劑。缺點：缺點：不易加工，造價高。種類：種類：如將含水金屬氧化物（氧化鋯）等膠體微?；蚓郾┧岷饘傺趸铮ㄑ趸啠┑饶z體微?；蚓郾┧岬瘸恋碓谔沾晒艿亩嗫战橘|表面形成膜，其中沉淀層起篩分等沉淀在陶瓷管的多空介質表面形成膜，其中沉淀層起篩分作用。作用。優(yōu)點：優(yōu)點：此膜的通透性大，通過改變pH值容易形成和除去沉淀層，清洗容易。缺點缺點：穩(wěn)定性差穩(wěn)定性差。 -（1）核核孔形整齊，孔道直通，呈圓柱形，孔徑分布范圍小。在分離性能、通透性和耐污染方面優(yōu)于一般的微孔濾膜，但造價較高。

31、對稱膜對稱膜(symmetric membrane)膜截面的膜厚度上孔道結構均勻。早期的膜多為對稱膜。缺點：傳質阻力大，通透性低，且容易污染阻塞，清洗困難。膜結構特征膜結構特征（2）膜對稱性）膜對稱性不 對 稱 膜不 對 稱 膜 ( a s y m m e t r i c membrane) 膜在厚度上的孔道結構不均勻，不對稱膜主要由起膜分離作用的表面活性層(0.2-0.5um)和起支撐作用的惰性層(50-100um)構成。惰性層孔徑很大，對通過流體阻力很小。 ，微濾膜以對稱結構為主，膜結構特征-特征：特征：膜的孔道特征包括孔徑、孔徑分布和孔隙率膜的孔道特征包括孔徑、孔徑分布和孔隙率。超濾膜和

32、微濾膜的孔徑、孔徑分布和孔隙率可通過電子顯微鏡電子顯微鏡直接觀測到。直接觀測到。微濾膜最大孔徑：微濾膜最大孔徑：可用泡點法(bubble point method)測定。在膜表面覆蓋一層水，用水濕潤膜孔，從下面通入空氣，當壓力升高到有穩(wěn)定的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毠苤型瞥龅膭恿科胶?，得到計算最大孔徑公式 式中，為水的表面張力；pb為泡點壓力；為水與膜面的接著角度。因為親水膜可被水完全濕潤，故親水膜的 0，cos 1，所以 膜結構特征-定義：定義：在一定條件下(一般為0.1MPa，溫度20C)，單單位時間單位膜面積的水通量位時間單位膜面積

33、的水通量(in: m3 m-2 h-1)。意義：意義：A、對同類膜，孔徑越大，水通量越大；、對同類膜，孔徑越大，水通量越大；B、水通量并不能完全衡量和預測實際料液的透過流通量、水通量并不能完全衡量和預測實際料液的透過流通量。AWJw5微濾膜用平均孔徑標志膜的型號微濾膜用平均孔徑標志膜的型號. 超濾膜用截留分子量標志膜的型號超濾膜用截留分子量標志膜的型號.分子截留率分子截留率(rejection coefficient): 表征膜對溶質的截留能力。表觀截留率表觀截留率：由于膜表面的極化濃度不易測定，通常只能測定料液的體積濃度(bulk concentration)，因此常用表觀截留率，其定義為：

34、在實際膜分離過程中，由于存在濃度極化現象，真實截留率為:顯然，如不存在濃度極化現象，R表觀 R真實。如R表觀 = 1，則cf = 0，即溶質完全被截留；如 R表觀 = 0，則 cf = cb， 即溶質可自由透過膜。mpccR10超濾膜的分子截留作用截留分子的測定：截留分子的測定：平板膜的截留率可用攪拌型超濾器間歇測定。操作在較低壓力和適當的攪拌速度下進行，避免發(fā)生濃度極化。其中，c0和c分別為溶質的初始濃度和超濾后的濃度，V0和V分別為料液的初始和超濾后體積。超濾膜的分子截留作用截留曲線截留曲線:意義：意義：A、曲線陡直，孔徑分布小，膜有較好的分子量切割作用；B、相反，孔徑分布較寬，膜的分子量

35、切割作用較差。：通過測定分子量不同的球形蛋白質或水溶性聚合物的截留率，可獲得膜的截留率與溶質分子量之間的關系曲線，即截留曲線。一般將在截留率為90%的溶質分子量定義為膜的截留分子量(molecular weight cutoff, MWCO)。膜的評價膜的評價：當然，MWCO只表征膜特征的一個參數，不能作為唯一指標。超濾膜的分子截留作用截留率的影響因素截留率的影響因素A、分子特征：、分子特征：分子量相同時，線形分子截留率較低；支鏈分子較高，球狀分子最大。B、電荷：、電荷：對于荷電膜，膜相同的分子截留率低；反之，截留率較高。C、膜吸附、膜吸附：溶質與膜有相互吸附的，截留率高；相反，截留率較低。D

36、、其他高分子的影響：、其他高分子的影響：當有兩種以上的高分子溶質存在時，其中某一溶質的截留率高高于單獨存在的情況。這主要是由于：a、競爭性抑制；b、濃度的極現象使膜表面的濃度高于主體濃度。圖E、操作條件：、操作條件：溫度升高，黏度下降，則截留率降低。膜面流速增大，則濃度極化減低，截留率升高。F、pH 值：當料液的pH值等于蛋白質的pI時，由于蛋白質的凈電荷為零，蛋白質間的靜電排斥最小，使蛋白質在膜表面形成的凝膠極化層濃度最大，即透過阻力最大。此時，溶質的截留率高于其他pH下的截留率。圖超濾膜的分子截留作用pI乳球蛋白乳球蛋白= 5.2微濾（微濾（MF）：以多孔細小薄膜為過濾介質，以多孔細小薄膜

37、為過濾介質，為為推動力，使不溶性物質得以分離的操作，推動力，使不溶性物質得以分離的操作，超濾（超濾（UF）：分離介質同上，但孔徑更小，分離介質同上，但孔徑更小，分離推動力仍為分離推動力仍為壓力差壓力差， 是一種以是一種以壓力差壓力差為推動力為推動力，從從的膜的膜分離操作，孔徑范圍在分離操作，孔徑范圍在0.00010.001 m之間；（由于分離的溶劑分子往往很小，之間；（由于分離的溶劑分子往往很小，不能忽略滲透壓的作用，故而成為反滲透不能忽略滲透壓的作用，故而成為反滲透）； 以以壓力差壓力差為推動力，從為推動力，從溶液中分離溶液中分離3001000小分子小分子量的膜分離過程，孔徑分布在平均量的膜

38、分離過程，孔徑分布在平均2nm；： 以以為推動力，利用為推動力，利用離子交換膜的離子交換膜的選擇透過性選擇透過性，從溶液中脫除或富集電解質的膜分離操作從溶液中脫除或富集電解質的膜分離操作；微濾微濾超濾超濾納濾納濾反滲透反滲透懸浮顆粒懸浮顆粒大分子有機物大分子有機物糖類等小分子有機物，二價鹽糖類等小分子有機物，二價鹽或多價鹽或多價鹽單價鹽單價鹽水水6.1 微濾(MF)原理原理：，同一般過濾有很大重疊。操作操作：同一般過濾。膜兩側的滲透壓可忽略膜兩側的滲透壓可忽略，操作壓在，操作壓在0.05-0.5Mpa。用途：用途：除去除去0.1um10um的顆粒，用于細胞、細菌、細胞的顆粒，用于細胞、細菌、細

39、胞器的分離器的分離。計算：計算： ：膜的孔隙率，：膜的孔隙率， ：濾液黏度，濾液黏度，K：為與孔道結構有關的無為與孔道結構有關的無因次常數，因次常數，S0為孔道比表面積為孔道比表面積。意義意義： Jv與壓力差與壓力差 p成正比，與濾液的黏度成反比，這是分成正比，與濾液的黏度成反比，這是分析微濾過程的理論基礎析微濾過程的理論基礎。原原理：理：篩分篩分操作：操作：一般采用切向流體，以減少固相沉積。操作壓在。：A、高分子溶質之間，以及、高分子溶質之間，以及高分子與小分子溶質高分子與小分子溶質之間之間的分離；的分離；B、Pro濃縮，濃縮，C、病毒的分離和富積，、病毒的分離和富積，C、回收、回收細胞，處

40、理膠體懸浮液細胞，處理膠體懸浮液。計算：計算： Carman-Kozeny方程(見上)。優(yōu)點：優(yōu)點：A、消除了濾餅的阻力，過濾效率高；B、超濾回收率高；C、濾液的質量好；D、減少處理步驟 滲透壓差滲透壓差 條件：極稀溶液。透過液溶質濃度(c2p)方程：v1為溶劑水的摩爾體積(m3/mol)；aA和aB分別為A、B兩側溶劑的活度；為膜兩側的滲透壓差; c2為溶質在膜兩側濃度差；p為膜兩側壓力差；L solute和Lsolvent分別為溶質和溶劑在膜中的滲透系數。意義：反滲透反滲透 1 1. . 反滲透的基本原理反滲透的基本原理 。當把溶劑和溶液。當把溶劑和溶液( (或把兩種不同濃度的溶液或把兩種

41、不同濃度的溶液) )分別分別置于此膜的兩側時，純溶劑將自然穿過半透膜而自發(fā)地向溶置于此膜的兩側時，純溶劑將自然穿過半透膜而自發(fā)地向溶液液( (或從低濃度溶液向高濃度溶液或從低濃度溶液向高濃度溶液) )一側流動，這種現象叫做一側流動，這種現象叫做。當滲透過程進行到溶液的液面便產生一壓當滲透過程進行到溶液的液面便產生一壓頭頭H H，以抵銷溶劑向溶液方向流動的趨勢，即達到平衡，此，以抵銷溶劑向溶液方向流動的趨勢，即達到平衡，此H H稱為該稱為該參見圖參見圖6-10)6-10)。圖圖6-10 滲透滲透與半滲透示意與半滲透示意圖圖 ， 。 在這種情況下，若在溶液的液面上再施加一個在這種情況下，若在溶液的

42、液面上再施加一個大于大于的壓力的壓力P P時，溶劑將與原來的滲透方向相反，時，溶劑將與原來的滲透方向相反，開始從溶液向溶劑一側流動，這就是所謂的開始從溶液向溶劑一側流動，這就是所謂的反滲透反滲透(reverse osmosis)(reverse osmosis)，參見圖參見圖6-86-8（b b）。）。凡基于此原理所進行的濃縮或純化溶液的分離方法，凡基于此原理所進行的濃縮或純化溶液的分離方法，一般稱之為反滲透工藝。一般稱之為反滲透工藝。 6.3 反滲透(RO) 意義：意義：A、膜的選擇性。膜的選擇性。B、壓力的選擇性、壓力的選擇性。壓力越高，壓力越高，因此，因此，提高反滲透的壓力提高反滲透的壓

43、力有利于實現有利于實現，或提高海水淡化質量或提高海水淡化質量。 應用：應用：。滲透與反滲透實現超濾和反滲透的條件實現超濾和反滲透的條件 6.4 透析(DS)原理原理：濃差擴散操作：操作：用途用途：A、人工腎，腹膜透析；B、樣品脫電解質；C、濃縮富積；D、氣體分離(利用透析袋對不同氣體的通透性)優(yōu)點：優(yōu)點：A、方法和設備簡單，價格低廉；B、實驗室最常用的樣品脫鹽方法缺點：缺點：A、透析的速度緩慢；B、溶質稀釋。6.5 電透析(ED，IEED)電透析電透析(Electro-dialysis, ED)原理原理：在透析的基礎上加上直流電，極極大加快離子的透析速度。大加快離子的透析速度。操作：操作： 用

44、途：用途：樣品快速脫鹽樣品快速脫鹽。優(yōu)點：優(yōu)點：A、設備簡單，B、透析速度極快（提高幾十倍），C、電流直接指示電透析終點，D、減輕溶質的稀釋。終點判斷：終點判斷：A、Cl- + Ag+ = AgCl ;B、電導恒定.電滲析技術納濾膜的性質與特點納米過濾的分離機理)(apLJpw行行 業(yè)業(yè)處理對象處理對象行行 業(yè)業(yè)處理對象處理對象制藥工業(yè)制藥工業(yè) 母液中有效成分的回母液中有效成分的回收收抗菌素抗菌素的分離純化的分離純化維生素維生素的的分離純化分離純化氨基酸氨基酸的脫鹽與純化的脫鹽與純化化工行業(yè)化工行業(yè)酸堿純化、回收酸堿純化、回收電鍍液中銅的回電鍍液中銅的回收收食品工業(yè)食品工業(yè)乳清脫鹽乳清脫鹽與濃縮與濃縮苛性堿回收苛性堿回收純水制備純水制備超高純水超高純水水的脫鹽水的脫鹽地下水的凈化地下水的凈化染料工業(yè)染料工業(yè) 活性染料的脫鹽與回