膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用

1、第五章第五章 膜分離法及其在生膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用物工程中的應(yīng)用（Membrane Separation） 2本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容一、概述一、概述二、膜分離過(guò)程類(lèi)型及膜材料二、膜分離過(guò)程類(lèi)型及膜材料三、膜組件三、膜組件四、濃差極化與膜污染及清洗方法四、濃差極化與膜污染及清洗方法五、膜分離法的應(yīng)用五、膜分離法的應(yīng)用3膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用概概 述述近近2020年發(fā)展起來(lái)的膜分離技術(shù)，已廣泛年發(fā)展起來(lái)的膜分離技術(shù)，已廣泛用于生物工程、食品、醫(yī)藥、化工等工用于生物工程、食品、醫(yī)藥、化工等工業(yè)生產(chǎn)及水處理等各個(gè)領(lǐng)域；業(yè)生產(chǎn)及水處理等各個(gè)領(lǐng)域；膜分離技

2、術(shù)膜分離技術(shù)是用半透膜作為選擇障礙層，是用半透膜作為選擇障礙層，允許某些組分透過(guò)而保留混合物中其它允許某些組分透過(guò)而保留混合物中其它組分，從而達(dá)到分離目的的技術(shù)。組分，從而達(dá)到分離目的的技術(shù)。4膜分離的特點(diǎn)膜分離的特點(diǎn)操作在常溫下進(jìn)行操作在常溫下進(jìn)行, ,設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便；設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便；是物理過(guò)程，不需加入化學(xué)試劑；是物理過(guò)程，不需加入化學(xué)試劑；不發(fā)生相變化（因而能耗較低）；不發(fā)生相變化（因而能耗較低）；在很多情況下選擇性較高；在很多情況下選擇性較高；濃縮和純化可在一個(gè)步驟內(nèi)完成；濃縮和純化可在一個(gè)步驟內(nèi)完成；設(shè)備易放大，可以分批或連續(xù)操作。設(shè)備易放大，可以分批或連續(xù)操作。因而在生物產(chǎn)

3、品的處理中占有重要地位因而在生物產(chǎn)品的處理中占有重要地位膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用概概 述述5膜的定義：膜的定義：膜可定義為兩相之間的不連續(xù)區(qū)間。膜可定義為兩相之間的不連續(xù)區(qū)間?？梢允菤庀?、液相和固相。注意與相可以是氣相、液相和固相。注意與相“界面界面”區(qū)別區(qū)別 。廣義指的廣義指的“膜膜”是指分隔兩相界面，并以特定的形是指分隔兩相界面，并以特定的形式限制和傳遞各種化學(xué)物質(zhì)。式限制和傳遞各種化學(xué)物質(zhì)。可以是：均相的或非均相的；可以是：均相的或非均相的； 對(duì)稱(chēng)的或非對(duì)稱(chēng)的；對(duì)稱(chēng)的或非對(duì)稱(chēng)的； 中性的或荷電的；中性的或荷電的； 固體的或液體的。固體的或液體的。膜分離

4、法及其在生物工程中的應(yīng)用膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用概概 述述6膜的分類(lèi)膜的分類(lèi)對(duì)稱(chēng)膜對(duì)稱(chēng)膜 結(jié)構(gòu)與方向無(wú)關(guān)的膜。結(jié)構(gòu)與方向無(wú)關(guān)的膜。非對(duì)稱(chēng)膜非對(duì)稱(chēng)膜 致密的分離層和多孔支撐層致密的分離層和多孔支撐層復(fù)合膜復(fù)合膜 選擇性膜層沉積于具有微孔的底膜（支選擇性膜層沉積于具有微孔的底膜（支撐層）表面上。撐層）表面上。荷電膜荷電膜 即離子交換膜，是一種對(duì)稱(chēng)膜即離子交換膜，是一種對(duì)稱(chēng)膜微孔膜微孔膜 孔徑為孔徑為0.05-20um的膜。的膜。動(dòng)態(tài)膜動(dòng)態(tài)膜 在多孔介質(zhì)（如陶瓷管）上沉積一層顆在多孔介質(zhì)（如陶瓷管）上沉積一層顆粒物（氧化鋯）作為有選擇作用的膜，此沉積層粒物（氧化鋯）作為有選擇作用的膜，此沉積層

5、與溶液處于動(dòng)態(tài)平衡。與溶液處于動(dòng)態(tài)平衡。7圖圖1 對(duì)稱(chēng)膜對(duì)稱(chēng)膜 圖圖2 非對(duì)稱(chēng)膜非對(duì)稱(chēng)膜8膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用 膜分離過(guò)程類(lèi)型及膜材料膜分離過(guò)程類(lèi)型及膜材料一、膜分離過(guò)程的類(lèi)型一、膜分離過(guò)程的類(lèi)型 常見(jiàn)膜分離過(guò)程常見(jiàn)膜分離過(guò)程微濾（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）滲透氣化（滲透氣化（Pervaporation，PV）9膜分離法與物質(zhì)大小（直徑）的關(guān)系膜

6、分離法與物質(zhì)大?。ㄖ睆剑┑年P(guān)系一、膜分離過(guò)程的類(lèi)型一、膜分離過(guò)程的類(lèi)型膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用 膜分離過(guò)程類(lèi)型及膜材料膜分離過(guò)程類(lèi)型及膜材料10膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用 膜分離過(guò)程類(lèi)型及膜材料膜分離過(guò)程類(lèi)型及膜材料110.5 離子、分子量離子、分子量100的有機(jī)物的有機(jī)物 溶解擴(kuò)散溶解擴(kuò)散 滲透蒸發(fā)0.5 離子、分子量離子、分子量100的有機(jī)物的有機(jī)物 溶解擴(kuò)散溶解擴(kuò)散 反滲透 離子、分子量離子、分子量100的有機(jī)物的有機(jī)物 溶解擴(kuò)散溶解擴(kuò)散 納濾25010001000,000Da的大分子的大分子 體積大小體積大小 超濾5

7、010000 0.0510m的固體粒子的固體粒子 體積大小體積大小 微濾10000固體粒子固體粒子 體積大小體積大小 粒子過(guò)濾孔徑孔徑/nm分離對(duì)象分離對(duì)象 分離機(jī)理分離機(jī)理 膜過(guò)程膜過(guò)程膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用 膜分離過(guò)程類(lèi)型及膜材料膜分離過(guò)程類(lèi)型及膜材料各種膜分離技術(shù)分離范圍各種膜分離技術(shù)分離范圍12膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用 膜分離過(guò)程類(lèi)型及膜材料膜分離過(guò)程類(lèi)型及膜材料131.微濾微濾一、膜分離過(guò)程的類(lèi)型一、膜分離過(guò)程的類(lèi)型142.2.超濾超濾一、膜分離過(guò)程的類(lèi)型一、膜分離過(guò)程的類(lèi)型153.3.反滲透反滲透一、膜分離過(guò)

8、程的類(lèi)型一、膜分離過(guò)程的類(lèi)型16微濾、超濾、納濾和反滲透微濾、超濾、納濾和反滲透一、膜分離過(guò)程的類(lèi)型一、膜分離過(guò)程的類(lèi)型174、電滲析分離原理示意圖、電滲析分離原理示意圖在電位差下用荷電膜從水溶液中分離離子的過(guò)程。在電位差下用荷電膜從水溶液中分離離子的過(guò)程。陽(yáng)膜只充許陽(yáng)離子通過(guò)而陰離子被阻擋；陽(yáng)膜只充許陽(yáng)離子通過(guò)而陰離子被阻擋；陰膜只充許陰離子通過(guò)而陽(yáng)離子被阻擋。陰膜只充許陰離子通過(guò)而陽(yáng)離子被阻擋。 一、膜分離過(guò)程的類(lèi)型一、膜分離過(guò)程的類(lèi)型電位差電位差18 電滲器是利用離子交換膜的選擇透過(guò)性進(jìn)行工電滲器是利用離子交換膜的選擇透過(guò)性進(jìn)行工作，電滲析器主要組成部分是離子交換膜。分為陽(yáng)作，電滲析器主

9、要組成部分是離子交換膜。分為陽(yáng)膜，陰膜。膜，陰膜。一、膜分離過(guò)程的類(lèi)型一、膜分離過(guò)程的類(lèi)型19一、膜分離過(guò)程的類(lèi)型一、膜分離過(guò)程的類(lèi)型5、滲透蒸發(fā)、滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)原理滲透蒸發(fā)原理 它是利用膜與被分離有機(jī)液體混合物中各組分的它是利用膜與被分離有機(jī)液體混合物中各組分的親合力不同親合力不同，而有選擇性地優(yōu)先吸附溶液某一組，而有選擇性地優(yōu)先吸附溶液某一組分，及各組分在膜中分，及各組分在膜中擴(kuò)散速度擴(kuò)散速度不同，來(lái)達(dá)到不同，來(lái)達(dá)到分離分離的目的。因此它不存在蒸餾法中的共沸點(diǎn)的限制，的目的。因此它不存在蒸餾法中的共沸點(diǎn)的限制，可連續(xù)分離、濃縮，直至得到純有機(jī)物。可連續(xù)分離、濃縮，直至得到純有機(jī)物。 分離

10、過(guò)程是用一張滲透蒸發(fā)膜分離過(guò)程是用一張滲透蒸發(fā)膜, ,將進(jìn)料液相和透將進(jìn)料液相和透過(guò)氣相分隔開(kāi)過(guò)氣相分隔開(kāi), ,并在氣相側(cè)抽真空或通以惰性氣流并在氣相側(cè)抽真空或通以惰性氣流, ,把滲透組分的蒸氣壓控制到接近零把滲透組分的蒸氣壓控制到接近零, ,液相中產(chǎn)生的液相中產(chǎn)生的化學(xué)位梯度作為傳質(zhì)推動(dòng)力的膜分離過(guò)程。化學(xué)位梯度作為傳質(zhì)推動(dòng)力的膜分離過(guò)程。20滲透蒸發(fā)原理示意圖滲透蒸發(fā)原理示意圖一、膜分離過(guò)程的類(lèi)型一、膜分離過(guò)程的類(lèi)型21透析原理圖透析原理圖 膜分離過(guò)程的類(lèi)型膜分離過(guò)程的類(lèi)型 6、透析、透析水分子水分子大分子大分子小分子小分子透析膜透析膜由于膜兩側(cè)的溶由于膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度不同，在質(zhì)濃度不同，

11、在濃差的作用下，濃差的作用下，左側(cè)高分子溶液左側(cè)高分子溶液中的小分子溶質(zhì)中的小分子溶質(zhì)（如無(wú)機(jī)鹽）（如無(wú)機(jī)鹽）透透向向右側(cè)，右側(cè)的右側(cè)，右側(cè)的水水透向透向左側(cè)，這左側(cè)，這就是透析。就是透析。透析過(guò)程中透析透析過(guò)程中透析膜內(nèi)無(wú)流體流動(dòng)，膜內(nèi)無(wú)流體流動(dòng)，溶質(zhì)以擴(kuò)散的形溶質(zhì)以擴(kuò)散的形式移動(dòng)。式移動(dòng)。22二、膜的材料二、膜的材料分離膜按荷電性分分離膜按荷電性分為中性膜、荷電膜；為中性膜、荷電膜；按材料親疏水性可按材料親疏水性可分為親水膜與疏水分為親水膜與疏水膜。膜。對(duì)膜一般要求：對(duì)膜一般要求：（1）透過(guò)速度）透過(guò)速度（2）選擇性）選擇性（3） 機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度（4） 穩(wěn)定性穩(wěn)定性微濾膜材料：微濾膜材料

12、：聚偏氟乙烯，聚聚偏氟乙烯，聚丙烯，硝酸纖維，醋酸纖維丙烯，硝酸纖維，醋酸纖維超濾膜：超濾膜：聚砜，硝酸纖維，醋聚砜，硝酸纖維，醋酸纖維酸纖維反滲透膜反滲透膜 ：醋酸纖維素衍生物，醋酸纖維素衍生物，聚醚聚醚 ，聚酰胺，聚酰胺天然材料：天然材料：各種纖維素衍生物各種纖維素衍生物人造材料：人造材料：各種合成高聚物各種合成高聚物 特殊材料：特殊材料：復(fù)合膜，無(wú)機(jī)膜復(fù)合膜，無(wú)機(jī)膜,不不銹鋼膜，陶瓷膜銹鋼膜，陶瓷膜目前市售商品膜組件主要有管式、平板式、螺旋卷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式和中空纖維( (毛細(xì)管毛細(xì)管) )式等四種，其中管式和中空式等四種，其中管式和中空纖維式膜

13、組件根據(jù)操作方式不同，又分為內(nèi)壓式和纖維式膜組件根據(jù)操作方式不同，又分為內(nèi)壓式和外壓式。外壓式。膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用 膜膜 組組 件件241.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(zhǎng)約長(zhǎng)約3m的圓管狀多孔支撐體上構(gòu)成的，的圓管狀多孔支撐體上構(gòu)成的，l020根管式膜并聯(lián)，或用管線串聯(lián)，收納在筒狀容根管式膜并聯(lián)，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。器內(nèi)即構(gòu)成管式膜組件。25 管式膜組件的內(nèi)徑較大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合管式膜組件的內(nèi)徑較大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合于處理懸浮物含量較高的料液，分離操作于處理懸浮物含量

14、較高的料液，分離操作完成后的清洗比較容易。但是管式膜組件完成后的清洗比較容易。但是管式膜組件單位體積的過(guò)濾表面積單位體積的過(guò)濾表面積(即比表面積即比表面積)在各種在各種膜組件中最小，這是它的主要缺點(diǎn)。膜組件中最小，這是它的主要缺點(diǎn)。262. .平板膜組件平板膜組件平板膜組件由多枚圓形或長(zhǎng)方形平板膜平板膜組件由多枚圓形或長(zhǎng)方形平板膜以以1mm左右的間隔重疊加工而成，膜間左右的間隔重疊加工而成，膜間襯設(shè)多孔薄膜，供料液或?yàn)V液流動(dòng)。平襯設(shè)多孔薄膜，供料液或?yàn)V液流動(dòng)。平板膜組件比管式膜組件比表面積大得多。板膜組件比管式膜組件比表面積大得多。27283. 螺旋卷式膜組件螺旋卷式膜組件 螺旋卷式膜組件如圖

15、所示。將兩張平板螺旋卷式膜組件如圖所示。將兩張平板膜固定在多孔性濾液隔網(wǎng)上膜固定在多孔性濾液隔網(wǎng)上 (隔網(wǎng)為濾液流隔網(wǎng)為濾液流路路)，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，卷繞在空心管上，空心管用于濾液的回收?？招墓苡糜跒V液的回收。 螺旋卷式膜組件的比表面積大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)螺旋卷式膜組件的比表面積大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格較便宜。但缺點(diǎn)是處理懸浮物濃度單，價(jià)格較便宜。但缺點(diǎn)是處理懸浮物濃度較高的料液時(shí)容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。較高的料液時(shí)容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。2930314.4.中空纖維中空纖維( (毛細(xì)管毛細(xì)管) )式膜組件式膜

16、組件 中空纖維或毛細(xì)管膜組件由數(shù)百至數(shù)中空纖維或毛細(xì)管膜組件由數(shù)百至數(shù)百萬(wàn)根中空纖維膜固定在圓筒形容器內(nèi)構(gòu)百萬(wàn)根中空纖維膜固定在圓筒形容器內(nèi)構(gòu)成。成。嚴(yán)格地講，內(nèi)徑為嚴(yán)格地講，內(nèi)徑為404080um80um的膜稱(chēng)中空纖的膜稱(chēng)中空纖維膜，而內(nèi)徑為維膜，而內(nèi)徑為0.250.252.5mm2.5mm的膜稱(chēng)毛細(xì)的膜稱(chēng)毛細(xì)管膜。由于兩種膜組件的結(jié)構(gòu)基本相同，管膜。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(chēng)為中空纖維膜故一般將這兩種膜裝置統(tǒng)稱(chēng)為中空纖維膜組件。組件。有內(nèi)壓式和外壓式兩種操作。有內(nèi)壓式和外壓式兩種操作。32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)33膜分離

17、的特點(diǎn)膜分離的特點(diǎn)? ?操作在常溫下進(jìn)行操作在常溫下進(jìn)行, ,設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便；設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便；是物理過(guò)程，不需加入化學(xué)試劑；是物理過(guò)程，不需加入化學(xué)試劑；不發(fā)生相變化（因而能耗較低）；不發(fā)生相變化（因而能耗較低）；在很多情況下選擇性較高；在很多情況下選擇性較高；濃縮和純化可在一個(gè)步驟內(nèi)完成；濃縮和純化可在一個(gè)步驟內(nèi)完成；設(shè)備易放大，可以分批或連續(xù)操作。設(shè)備易放大，可以分批或連續(xù)操作。因而在生物產(chǎn)品的處理中占有重要地位因而在生物產(chǎn)品的處理中占有重要地位34常見(jiàn)膜分離過(guò)程常見(jiàn)膜分離過(guò)程?微濾（微濾（Microfiltration，MF）超濾（超濾（Ultrafiltration，UF）反滲

18、透（反滲透（Reverse osmosis，RO）透析（透析（Dialysis，DS）電滲析（電滲析（Electrodialysis，ED）滲透氣化（滲透氣化（Pervaporation，PV）35目前膜組件主要那幾種形式？目前膜組件主要那幾種形式？有管式、平板式、螺旋卷式和中空纖維有管式、平板式、螺旋卷式和中空纖維(毛細(xì)毛細(xì)管管)式等四式等四36膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用濃差極化與膜污染及清洗方法濃差極化與膜污染及清洗方法一、濃差極化現(xiàn)象：一、濃差極化現(xiàn)象：在膜分離過(guò)程中，膜表面上溶在膜分離過(guò)程中，膜表面上溶質(zhì)濃度高于主體溶質(zhì)濃度的現(xiàn)象。是一個(gè)可逆過(guò)質(zhì)濃度高

19、于主體溶質(zhì)濃度的現(xiàn)象。是一個(gè)可逆過(guò)程，只有膜分離運(yùn)行過(guò)程才發(fā)生。程，只有膜分離運(yùn)行過(guò)程才發(fā)生。 濃差極化的產(chǎn)生：濃差極化的產(chǎn)生：溶劑向膜面流動(dòng)引起溶質(zhì)向膜面流動(dòng)，溶劑向膜面流動(dòng)引起溶質(zhì)向膜面流動(dòng)，當(dāng)溶質(zhì)向膜面的流動(dòng)速度與濃度梯度使溶質(zhì)向本體溶液擴(kuò)當(dāng)溶質(zhì)向膜面的流動(dòng)速度與濃度梯度使溶質(zhì)向本體溶液擴(kuò)散速度達(dá)到平衡時(shí)，膜面形成一個(gè)穩(wěn)定的濃度梯度區(qū)。散速度達(dá)到平衡時(shí)，膜面形成一個(gè)穩(wěn)定的濃度梯度區(qū)。37 濃差極化導(dǎo)致膜的透過(guò)量降低。濃差極化導(dǎo)致膜的透過(guò)量降低。 通過(guò)減小料液中溶質(zhì)濃度，改善膜面流體通過(guò)減小料液中溶質(zhì)濃度，改善膜面流體力學(xué)條件，可以減輕濃差極化度。力學(xué)條件，可以減輕濃差極化度。38二、膜污

20、染二、膜污染定義定義: :膜在使用中，雖然操作條件保持不變，但通過(guò)量膜在使用中，雖然操作條件保持不變，但通過(guò)量仍逐漸降低的現(xiàn)象稱(chēng)為膜污染。仍逐漸降低的現(xiàn)象稱(chēng)為膜污染。污染的原因：污染的原因：附著層：附著層：濾餅：料液中懸浮物在膜面的堆積。濾餅：料液中懸浮物在膜面的堆積。凝膠：溶解性有機(jī)物濃縮后粘附于膜面。凝膠：溶解性有機(jī)物濃縮后粘附于膜面。水垢：溶解性無(wú)機(jī)物生成的水垢軟附于膜面。水垢：溶解性無(wú)機(jī)物生成的水垢軟附于膜面。吸附層：膠體物質(zhì)或微生物的吸附。吸附層：膠體物質(zhì)或微生物的吸附。堵塞：堵塞：料液中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子吸附、沉積在料液中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子吸附、沉積在膜表面或膜

21、孔中，造成膜孔徑變小或堵塞。膜表面或膜孔中，造成膜孔徑變小或堵塞。39 膜污染與濃差極化的區(qū)別：膜污染與濃差極化的區(qū)別： 膜污染引起通量衰減是不可逆的（必膜污染引起通量衰減是不可逆的（必須通過(guò)清洗的辦法才能消除），而濃須通過(guò)清洗的辦法才能消除），而濃差極化是可逆的（變更操作條件可使差極化是可逆的（變更操作條件可使?jié)獠顦O化消除）。濃差極化消除）。40 膜污染可使膜的滲透量下降，且可使膜污染可使膜的滲透量下降，且可使膜發(fā)生劣化，導(dǎo)致膜的使用壽命縮短。膜發(fā)生劣化，導(dǎo)致膜的使用壽命縮短。 減輕膜污染的方法：減輕膜污染的方法： 進(jìn)料液的預(yù)處理，進(jìn)料液的預(yù)處理，達(dá)到膜組件的進(jìn)水標(biāo)達(dá)到膜組件的進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)。準(zhǔn)。

22、 5-10m的過(guò)濾器的過(guò)濾器除去膠體、固懸物、除去膠體、固懸物、鐵銹等鐵銹等 絮凝、絮凝、PH值值除去一些污染物除去一些污染物41改善膜的性質(zhì)（表面性質(zhì)如表面極性和電改善膜的性質(zhì)（表面性質(zhì)如表面極性和電荷性）荷性）如研制蛋白質(zhì)難吸附的膜（表面添加具有如研制蛋白質(zhì)難吸附的膜（表面添加具有OH-或磺酸基等親水基的材料）?；蚧撬峄扔H水基的材料）。改善流體力學(xué)條件：通道結(jié)構(gòu)等改善流體力學(xué)條件：通道結(jié)構(gòu)等改善操作條件。改善操作條件。如適當(dāng)提高水溫加速分子擴(kuò)散；調(diào)如適當(dāng)提高水溫加速分子擴(kuò)散；調(diào)pH值遠(yuǎn)離值遠(yuǎn)離蛋白的等電點(diǎn)。蛋白的等電點(diǎn)。42 膜污染處理：膜污染處理：經(jīng)清洗后，如純水的水通量達(dá)到經(jīng)清洗后，

23、如純水的水通量達(dá)到或接近原來(lái)水平，則認(rèn)為污染已消除。或接近原來(lái)水平，則認(rèn)為污染已消除。 物理清洗方法：物理清洗方法：靜置浸泡加高流速水沖洗；采用靜置浸泡加高流速水沖洗；采用泡沫塑料軟球或海棉球擦洗；反沖洗；超聲波法泡沫塑料軟球或海棉球擦洗；反沖洗；超聲波法等。等。 化學(xué)清洗：化學(xué)清洗： 起溶解作用的物質(zhì)：酸、堿、酶、表面活性劑、起溶解作用的物質(zhì)：酸、堿、酶、表面活性劑、分散劑等；分散劑等； 切斷離子結(jié)合作用的方法：改變離子強(qiáng)度、切斷離子結(jié)合作用的方法：改變離子強(qiáng)度、pH等；等； 起氧化作用的物質(zhì)：過(guò)氧化氫、次氯酸鹽等。起氧化作用的物質(zhì)：過(guò)氧化氫、次氯酸鹽等。 起滲透作用的物質(zhì)：磷酸鹽等。起滲透

24、作用的物質(zhì)：磷酸鹽等。43膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用膜分離法及其在生物工程中的應(yīng)用膜分離的應(yīng)用膜分離的應(yīng)用 膜分離技術(shù)在膜分離技術(shù)在純凈水處理純凈水處理中的應(yīng)用中的應(yīng)用 膜分離技術(shù)在膜分離技術(shù)在電子工業(yè)用水電子工業(yè)用水中的應(yīng)用中的應(yīng)用 膜分離技術(shù)在膜分離技術(shù)在給水及循環(huán)水處理給水及循環(huán)水處理中的應(yīng)用中的應(yīng)用 超濾技術(shù)超濾技術(shù)除熱原除熱原 超濾技術(shù)超濾技術(shù)澄清藥酒和中藥制劑澄清藥酒和中藥制劑 超濾技術(shù)在超濾技術(shù)在輕工、食品輕工、食品中的應(yīng)用中的應(yīng)用 膜分離技術(shù)在膜分離技術(shù)在生物化工生物化工中的應(yīng)用中的應(yīng)用 超濾技術(shù)在超濾技術(shù)在膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器中的應(yīng)用中的應(yīng)用44一、膜分離技術(shù)在純凈水

25、處理中的應(yīng)用一、膜分離技術(shù)在純凈水處理中的應(yīng)用 超純水制備裝置：超純水制備裝置：中空纖維超濾組件，除去中空纖維超濾組件，除去微生物、膠體和大分子物質(zhì)。微生物、膠體和大分子物質(zhì)。 一般的純凈水：一般的純凈水：反滲透設(shè)備（復(fù)合膜組件）反滲透設(shè)備（復(fù)合膜組件），可除去，可除去98%的無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)物、膠體及細(xì)菌、的無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)物、膠體及細(xì)菌、熱原、病毒等。熱原、病毒等。45二、膜分離技術(shù)在電子工業(yè)用水中的應(yīng)用二、膜分離技術(shù)在電子工業(yè)用水中的應(yīng)用 電子元件生產(chǎn)：電子元件生產(chǎn)：需高純水用來(lái)清洗或配制需高純水用來(lái)清洗或配制各種溶液，不同的電子元件，對(duì)純水的不各種溶液，不同的電子元件，對(duì)純水的不同用途，對(duì)水質(zhì)

26、的要求不同。同用途，對(duì)水質(zhì)的要求不同。 如：如：電解容器生產(chǎn)中，要用純水清洗（不電解容器生產(chǎn)中，要用純水清洗（不能含有離子）。電子管生產(chǎn)中，要用純水能含有離子）。電子管生產(chǎn)中，要用純水配液。生產(chǎn)一個(gè)顯像管需用純水配液。生產(chǎn)一個(gè)顯像管需用純水80kg。 微電子工業(yè)微電子工業(yè)中要用高純水和超純水清洗硅中要用高純水和超純水清洗硅片。片。300-378L/每塊每塊46三、膜分離技術(shù)在給水及循環(huán)水處理中的應(yīng)用三、膜分離技術(shù)在給水及循環(huán)水處理中的應(yīng)用 應(yīng)用于發(fā)電廠。鍋爐內(nèi)外給水處理等。應(yīng)用于發(fā)電廠。鍋爐內(nèi)外給水處理等。 技術(shù)：技術(shù)：RO、活性炭過(guò)濾等。、活性炭過(guò)濾等。四、超濾技術(shù)除熱原四、超濾技術(shù)除熱原熱

27、原：熱原：細(xì)胞內(nèi)毒素，是細(xì)胞新陳代謝和細(xì)菌死后細(xì)胞內(nèi)毒素，是細(xì)胞新陳代謝和細(xì)菌死后分解的產(chǎn)物。分解的產(chǎn)物。熱原的效能：熱原的效能：對(duì)人注射后，對(duì)人注射后，15min-8h會(huì)發(fā)生冷感、會(huì)發(fā)生冷感、寒戰(zhàn)、體溫升高，出冷汗等，甚至休克死亡，還寒戰(zhàn)、體溫升高，出冷汗等，甚至休克死亡，還會(huì)引起白血球下降。會(huì)引起白血球下降。47 高壓消毒對(duì)熱原無(wú)用：高壓消毒對(duì)熱原無(wú)用：熱原具很強(qiáng)的耐熱熱原具很強(qiáng)的耐熱性，性，180-200加熱加熱2h或或250 加熱加熱30min才才可徹底破壞，可徹底破壞，115 消毒消毒15min熱原降效熱原降效25%。 傳統(tǒng)用傳統(tǒng)用過(guò)濾加活性炭吸附過(guò)濾加活性炭吸附除去針劑用水中除去針

28、劑用水中的熱原。現(xiàn)在有一種的熱原。現(xiàn)在有一種超濾膜超濾膜，可一次除去，可一次除去熱原。熱原。 熱原分子大小熱原分子大小2-10nm，分子量，分子量20000-1000000之間，一般用截留分子量之間，一般用截留分子量6000左右左右的膜。的膜。48五、藥酒和中藥制劑的澄清五、藥酒和中藥制劑的澄清 藥酒和中藥制劑藥酒和中藥制劑中存在有大量的鞣質(zhì)、蛋白中存在有大量的鞣質(zhì)、蛋白質(zhì)、淀粉、樹(shù)脂等大分子物質(zhì)，是一種膠體溶質(zhì)、淀粉、樹(shù)脂等大分子物質(zhì)，是一種膠體溶液。這些大分子物質(zhì)既無(wú)藥效又難以去除。液。這些大分子物質(zhì)既無(wú)藥效又難以去除。 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心采用超濾法去采用

29、超濾法去除藥酒和中藥制劑中的雜質(zhì)取得了很好的效果。除藥酒和中藥制劑中的雜質(zhì)取得了很好的效果。透過(guò)液澄清透明，大分子雜質(zhì)全部去除，有效透過(guò)液澄清透明，大分子雜質(zhì)全部去除，有效成分均可透過(guò)膜。成分均可透過(guò)膜。49六、六、超濾技術(shù)在輕工、食品中的應(yīng)用超濾技術(shù)在輕工、食品中的應(yīng)用主要集中在：主要集中在： 果汁的澄清、濃縮；果汁的澄清、濃縮； 乳制品的濃縮、純化；乳制品的濃縮、純化； 生物制品的濃縮；生物制品的濃縮； 飲用水的制備；飲用水的制備； 醬油以及米醋的澄清、濃縮除濁；醬油以及米醋的澄清、濃縮除濁； 發(fā)酵工業(yè)中發(fā)酵液的純化；發(fā)酵工業(yè)中發(fā)酵液的純化； 酒制品的純化和澄清。酒制品的純化和澄清。50超

30、濾技術(shù)分離、濃縮與純化酶制劑：超濾技術(shù)分離、濃縮與純化酶制劑：傳統(tǒng)：傳統(tǒng)：離心除菌離心除菌多次硫酸銨沉淀多次硫酸銨沉淀透析透析脫脫鹽等（費(fèi)時(shí)、手續(xù)繁雜、回收率低）鹽等（費(fèi)時(shí)、手續(xù)繁雜、回收率低）超濾技術(shù)：超濾技術(shù)：發(fā)酵液吸附發(fā)酵液吸附洗脫洗脫超濾脫鹽超濾脫鹽超超濾濃縮濾濃縮有機(jī)溶劑沉淀）有機(jī)溶劑沉淀）例如：例如：將僅有將僅有4-6酶活單位酶活單位/毫升、比活為毫升、比活為0.64的的青霉素?；赴l(fā)酵液吸附洗脫，然后用青霉素?；赴l(fā)酵液吸附洗脫，然后用超濾分超濾分離離濃縮、脫鹽，可得到濃縮、脫鹽，可得到200酶活單位酶活單位/毫升，比毫升，比活力活力20的酶溶液，酶回收的酶溶液，酶回收80%，時(shí)

31、間僅為一，時(shí)間僅為一天。天。傳統(tǒng)方法需一周時(shí)間，回收率僅為傳統(tǒng)方法需一周時(shí)間，回收率僅為30-50%。51七、膜分離技術(shù)在生物化工中的應(yīng)用七、膜分離技術(shù)在生物化工中的應(yīng)用 生物化工中，膜分離主應(yīng)用于分離、濃生物化工中，膜分離主應(yīng)用于分離、濃縮、分級(jí)與純化生物產(chǎn)品。縮、分級(jí)與純化生物產(chǎn)品。521 1、微生物菌體分離、微生物菌體分離 對(duì)于發(fā)酵的胞外產(chǎn)物，首先要除去懸浮的對(duì)于發(fā)酵的胞外產(chǎn)物，首先要除去懸浮的微生物、離子與膠體。目前，較好的固液分離微生物、離子與膠體。目前，較好的固液分離方法是過(guò)濾或離心。方法是過(guò)濾或離心。 例如：采用超濾法去除谷氨酸發(fā)酵液中的例如：采用超濾法去除谷氨酸發(fā)酵液中的菌體，

32、不僅可以將發(fā)酵原液中谷氨酸含量濃縮菌體，不僅可以將發(fā)酵原液中谷氨酸含量濃縮1010倍，為菌體的再利用創(chuàng)造了條件；而且超濾倍，為菌體的再利用創(chuàng)造了條件；而且超濾透過(guò)液中谷氨酸含量、透過(guò)液中谷氨酸含量、pHpH等理化指標(biāo)與發(fā)酵液等理化指標(biāo)與發(fā)酵液相同，但不含菌體，且蛋白含量很低，再利用相同，但不含菌體，且蛋白含量很低，再利用等電點(diǎn)法提取谷氨酸時(shí)，收率可達(dá)到等電點(diǎn)法提取谷氨酸時(shí)，收率可達(dá)到90.96%90.96%，比傳統(tǒng)等電點(diǎn)法高比傳統(tǒng)等電點(diǎn)法高7 7個(gè)百分點(diǎn)。個(gè)百分點(diǎn)。532 2、超濾親和純化、超濾親和純化 超濾技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和親和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)超濾技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和親和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)的一種分離技術(shù)。的一種

33、分離技術(shù)。 親合階段：親合階段：用大分子親和欲分離的生物產(chǎn)品用大分子親和欲分離的生物產(chǎn)品分子，形成高分子復(fù)合物。分子，形成高分子復(fù)合物。 洗滌階段：洗滌階段：用超濾膜進(jìn)行超濾，將復(fù)合物截用超濾膜進(jìn)行超濾，將復(fù)合物截留，得到純化。留，得到純化。 解離階段：解離階段：加入低分子親和基團(tuán)或改變?nèi)芤杭尤氲头肿佑H和基團(tuán)或改變?nèi)芤簵l件，如條件，如pH等，復(fù)合物解離。超濾，產(chǎn)品透等，復(fù)合物解離。超濾，產(chǎn)品透過(guò)膜。過(guò)膜。 再生階段：再生階段：使大分子親和基團(tuán)復(fù)性，再用。使大分子親和基團(tuán)復(fù)性，再用。54需考慮幾點(diǎn)：需考慮幾點(diǎn)： 大分子親和基團(tuán)要盡量選擇尺寸較大的，大分子親和基團(tuán)要盡量選擇尺寸較大的，因而可以對(duì)應(yīng)

34、選大孔徑的膜，縮短洗滌時(shí)因而可以對(duì)應(yīng)選大孔徑的膜，縮短洗滌時(shí)間。間。 在保持復(fù)合物截留率的前提下盡量用高透在保持復(fù)合物截留率的前提下盡量用高透水量的膜。水量的膜。 親和結(jié)合強(qiáng)度也要適中。親和結(jié)合強(qiáng)度也要適中。55563 3、膜生物反應(yīng)器、膜生物反應(yīng)器 膜生物反應(yīng)器（膜生物反應(yīng)器（Membrane Membrane bioreactor,MBRbioreactor,MBR）是膜分離過(guò)程與）是膜分離過(guò)程與生物反應(yīng)過(guò)程耦合的生物反應(yīng)裝置，生物反應(yīng)過(guò)程耦合的生物反應(yīng)裝置，可應(yīng)用于動(dòng)植物細(xì)胞的高密度培養(yǎng)、可應(yīng)用于動(dòng)植物細(xì)胞的高密度培養(yǎng)、微生物發(fā)酵和酶反應(yīng)過(guò)程。微生物發(fā)酵和酶反應(yīng)過(guò)程。 57 中空纖維膜生

35、物反應(yīng)器中空纖維膜生物反應(yīng)器培養(yǎng)基培養(yǎng)基廢物廢物高分子產(chǎn)物（單抗）高分子產(chǎn)物（單抗）細(xì)胞細(xì)胞膜膜58中空纖維膜生物反應(yīng)器中空纖維膜生物反應(yīng)器 上圖為中空纖維膜生物反應(yīng)器，用于動(dòng)物細(xì)胞上圖為中空纖維膜生物反應(yīng)器，用于動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)，細(xì)胞密度可達(dá)培養(yǎng)，細(xì)胞密度可達(dá)10109 9/cm/cm3 3, ,而利用一般的培而利用一般的培養(yǎng)器細(xì)胞密度只能達(dá)到養(yǎng)器細(xì)胞密度只能達(dá)到10106 6 -10-107 7/cm/cm3 3 。在培養(yǎng)。在培養(yǎng)過(guò)程中，動(dòng)物細(xì)胞生長(zhǎng)于中空纖維膜組件的殼過(guò)程中，動(dòng)物細(xì)胞生長(zhǎng)于中空纖維膜組件的殼體內(nèi)側(cè)，體內(nèi)側(cè)，小分子產(chǎn)物（廢棄物）不斷排出，新小分子產(chǎn)物（廢棄物）不斷排出，新鮮的培

36、養(yǎng)基連續(xù)灌注，鮮的培養(yǎng)基連續(xù)灌注，可保證細(xì)胞長(zhǎng)期穩(wěn)定并可保證細(xì)胞長(zhǎng)期穩(wěn)定并且高速度生產(chǎn)有用物質(zhì)。利用中空纖維膜生物且高速度生產(chǎn)有用物質(zhì)。利用中空纖維膜生物反應(yīng)器培養(yǎng)反應(yīng)器培養(yǎng)雜交瘤細(xì)胞雜交瘤細(xì)胞是工業(yè)生產(chǎn)單克隆抗體是工業(yè)生產(chǎn)單克隆抗體的主要方法之一。的主要方法之一。59外循環(huán)式膜生物反應(yīng)器外循環(huán)式膜生物反應(yīng)器60外循環(huán)式膜生物反應(yīng)器外循環(huán)式膜生物反應(yīng)器上圖是生物反應(yīng)器與膜分離裝置上圖是生物反應(yīng)器與膜分離裝置分體設(shè)置分體設(shè)置的外的外循環(huán)式膜生物反應(yīng)器。外部膜組件截留酶或微循環(huán)式膜生物反應(yīng)器。外部膜組件截留酶或微生物菌體，而使小分子產(chǎn)物透過(guò)。外循環(huán)式膜生物菌體，而使小分子產(chǎn)物透過(guò)。外循環(huán)式膜生物反

37、應(yīng)器是一種生物反應(yīng)器是一種連續(xù)連續(xù)全混釜型反應(yīng)器全混釜型反應(yīng)器（CSTRCSTR），適用于連續(xù)），適用于連續(xù)微生物發(fā)酵微生物發(fā)酵和和連續(xù)酶反連續(xù)酶反應(yīng)應(yīng)過(guò)程。過(guò)程。它還適用它還適用淀粉和纖維素淀粉和纖維素等高分子物質(zhì)的酶解。等高分子物質(zhì)的酶解。由于高分子由于高分子底物和酶底物和酶被超濾膜完全截留，所以被超濾膜完全截留，所以可提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和酶的使用效率。可提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和酶的使用效率。61膜反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)膜反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn) 固液分離效率高；固液分離效率高； 系統(tǒng)微生物濃度、容積負(fù)荷高；系統(tǒng)微生物濃度、容積負(fù)荷高； 有利于去除難降解的生物大分子；有利于去除難降解的生物大分子； 保證系統(tǒng)對(duì)廢物有較高的去除率；保證系統(tǒng)對(duì)廢物有較高的去除率； 耐沖擊負(fù)荷：處理液量大小波動(dòng)對(duì)去除效果影響耐沖擊負(fù)荷：處理液量大小波動(dòng)對(duì)去除效果影響不大。不大。 出水水質(zhì)好。出水水質(zhì)好。 SS：懸浮物；：懸浮物；