膜分離技術(shù)學(xué)習(xí)筆記-適合醫(yī)藥、生工

膜分離膜：一種或兩種流體相之間加入一層薄的凝聚相物質(zhì)。將流體相分割成兩部分，這一薄層物質(zhì)稱為膜。膜的厚度一般為0.5mm以下。膜是由均一的單相或由兩相以上聚合物構(gòu)成的復(fù)合體，穩(wěn)定存在于流體相之間。 膜具有選擇透過性，并在兩側(cè)形成獨立的相界面，并可使兩相之間發(fā)生傳質(zhì)作用。對稱膜膜截面的膜厚方向上孔道分布均勻。對稱膜的傳質(zhì)阻力大，透過量低，并且容易污染，清洗困難。不對稱膜起膜分離作用的表面活性層：膜層很薄，孔徑微細，通透量過大，膜孔不易堵塞，易清洗。起支撐強化作用的情性膜：惰性層孔徑較大，對流體透過無阻力。第一節(jié)、膜技術(shù)1.膜技術(shù)的概念：在一定推動力(壓力等)的作用下，依靠膜的選擇性(孔徑、靜電力等)將液體中的組分進行分離或濃縮的方法。2.膜分離過程的原理：選擇性膜為分離介質(zhì)，通過在膜兩邊施加一個推動力時，由于溶液中各組分透過膜的遷移速率不同，從而達到混合物分離，并實現(xiàn)產(chǎn)物的提取、濃縮、純化等目的。通常膜原料側(cè)稱為膜上游，透過側(cè)稱為下游。膜分離過程的實質(zhì)是物質(zhì)透過或被截留于膜的過程，近似于篩分過程，依據(jù)濾膜孔徑大小而達到物質(zhì)分離的目的。3.常見膜分離類型：①微濾(Microfiltration,MF)②超濾(Ultrafiltration,UF)③納濾④反滲透(Reverseosmosis，RO)⑤透析(Dialysis,DS)⑥電滲析(Electrodialysis,ED)過程微濾超濾納濾反滲透(無孔膜)分離目的溶液脫脫粒子溶液脫大分子大分子溶液脫小分子大分子分級溶劑脫有機組分脫高價離子脫色、濃縮溶劑脫溶質(zhì)含小分子溶質(zhì)溶液濃縮透過組分溶液、氣體小分子溶液溶劑低價小分子溶質(zhì)溶劑截留組分0.02μm-10μm粒子1nm~20mm大分子溶質(zhì)lnm以上溶質(zhì)0.1nm-1nm小分子溶質(zhì)透過組分在料液中的含量少量小分子溶質(zhì)少量大分子溶質(zhì)大量溶劑少量小分子溶質(zhì)大量溶劑低價小分子溶質(zhì)大量溶劑膜類型多孔膜非對稱膜非對稱膜/復(fù)合膜非對稱膜/復(fù)合膜進料、透過物的物態(tài)液體或氣體液體液體液體簡圖(1)微濾利用篩分原理，分離、截留直徑為0.02μm到1μm大小的粒子，即微濾膜的孔徑為0.02μm到10μm。采用壓力為0.05~0.5Mpa。主要在細胞收集、液-固分離等方面使用分離機制：①物質(zhì)在膜表面及微孔內(nèi)的吸附截留（深層過濾)②架橋截留（濾餅層過濾）③膜表面的機械截留(篩分作用)(2)超濾超濾是一項分子級膜分離手段，以壓力差為推動力將不同分子量的物質(zhì)進行選擇性分離。它可分離分子量從3kDa~1000kDa的可溶性大分子物質(zhì)，對應(yīng)孔徑為1nm到20nm。采用壓力為0.1~IMPa，用途廣泛。應(yīng)用：①大分子物質(zhì)的脫鹽和濃縮，以及大分子物質(zhì)溶劑系統(tǒng)的交換平衡②大分子物質(zhì)的分級分離③生化制劑或其它制劑的去熱源超濾原理一般認為超濾是一種篩分過程。超濾膜表面分布有一定大小和形狀的孔，在一定的壓力作用下，含有大、小分子溶質(zhì)的溶液流過超濾膜表面時，溶劑和小分子物質(zhì)(如無機鹽類)透過膜，而大分子溶質(zhì)(如蛋白質(zhì))則被截留在膜上。實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，不僅是膜表面的孔的大小對分離有影響，膜表面的化學(xué)特性對大分子溶質(zhì)的截留也有著重要的作用。超濾膜對溶質(zhì)的截留作用主要有以下方面：機械截留作用：指膜具有截留比它孔徑大或與孔徑相當(dāng)?shù)念w粒的作用。物理作用或吸附截留作用：包括吸附和電性能的影響。架橋作用：通過電鏡可以觀察到，在微孔濾膜孔的入口處，微粒因架橋作用同樣也可以被截留。膜內(nèi)部截留：指將微粒截留在膜內(nèi)部而不是在膜表面。不同材料的膜具有不同的溶劑及環(huán)境耐受性，也具有不同的濾過速度和分離選擇性，適用的分離范圍和使用對象也不一樣。常用的超濾儀無攪攔式超濾裝置、攪拌或振動式裝置(3)納濾以壓力差為推動力的膜分離過程，以表面帶有靜電基團的微孔復(fù)合膜(膜孔徑1-2nm)為過濾介質(zhì)，操作壓力高(1-3MPa)，可截留分子量200-1000的小分子化合物及多價鹽等，可將濃縮和脫鹽合為一體。分離機制：①根據(jù)篩分效應(yīng)對不帶電荷的物質(zhì)進行截留；②對電解質(zhì)的分離根據(jù)道南效應(yīng)：電荷排斥。(4)反滲透以壓力差為推動力的膜分離過程，以非對稱性微孔膜(膜孔徑為0.5nm-10nm)為過濾介質(zhì)，截留無機鹽及分子量大于100的小分子化合物，而水分子可以透過。操作壓力一般為1-10MPa，主要用于小分子有機物(糖、氨基酸、抗生素等)的濃縮，脫鹽水。分離機制：當(dāng)鹽水側(cè)所施加的壓力大于滲透壓時，鹽水側(cè)的溶劑將滲透到純水側(cè)，這就是反滲透。實現(xiàn)反滲透的條件：利用遠大于滲透壓的外壓，使純?nèi)軇┩ㄟ^膜，而低分子量的化合物被截留。(5)透析采用半透膜作為濾膜，從而達到大小分子分離的一種膜分離方法。樣品液主要成分是生物大分子，是分離過程中需要留下的部分，被稱作“保留液”。“純凈”溶劑即水或緩沖液是供經(jīng)薄膜擴散出來的小分子物質(zhì)逗留的空間場所，或是提供平衡小分子的“倉庫”，被稱作“滲出液”透析常用設(shè)備-透析袋：早期用獸類的膀胱；現(xiàn)代主要用再生維素膜、纖維素酯膜等高分子聚合物。用于透析的半透膜應(yīng)具備的條件①在溶劑中能形成分子篩狀多孔薄膜，只允許小分子溶質(zhì)通過，而阻止大分子(如蛋白質(zhì))通過；②化學(xué)惰性；在水、鹽溶液、稀酸或稀堿溶液中穩(wěn)定；③良好的物理性能；有一定的機械強度和良好的再生性能，可以重復(fù)使用。透析過程注意點①透析前，對裝有試液的透析袋檢查是否有泄漏；②透析袋裝一半左右，防止膜外溶劑因濃度差滲入將袋漲裂或膨脹使膜孔徑改變；③定期或連續(xù)更改外部溶劑可溶提高透析效果。透析法的應(yīng)用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，主要用于大分子溶液的脫鹽。由于透析過程以濃差為傳質(zhì)推動力，膜的透過量很小，不適用于大規(guī)模生物分離過程，但在實驗室中應(yīng)用較多。(6)電滲析利用離子交換膜和直流電場的作用，從水溶液和其他不帶電組分中分離帶點離子組分的一種電化學(xué)分離過程。離子交換膜：一種由功能高分子物質(zhì)構(gòu)成的薄膜狀的離子交換樹脂，分為陽離子交換膜和陰離子交換膜。離子交換膜之所以具有選擇透過性，主要是由于膜上孔隙和離子基團的作用。含有小分子電解質(zhì)(如氯化鈉)的蛋白質(zhì)溶液進行電滲析時，大分子蛋白質(zhì)不能通過膜，但電解質(zhì)卻可以透過膜向兩端的電極移動。常見膜分離方法的原理及應(yīng)用范圍方法傳質(zhì)推動力分離原理應(yīng)用微濾壓差(0.05-0.5MIPa)節(jié)分除菌、回收菌、分離病毒超濾壓差(0.1-1.0MPa)篩分蛋白質(zhì)、多肽和多糖的回收濃縮納濾壓差（0.5-2MPa)篩分+溶解擴散苦咸水脫鹽、溶液濃縮反滲透壓差（1.0-10MPa)溶解擴散鹽、氨基酸、糖的濃縮透析濃度差擴散脫鹽、除變性劑電滲析電位差離子交換脫鹽、氨基酸和有機酸的分離4.膜分離的特點①操作在常溫或低溫下進行，適宜于熱敏物質(zhì)分離濃縮；②是物理過程，不需要加入化學(xué)試劑，透過液(酸、堿或鹽溶液)可循環(huán)使用，降低了成本，并減少對環(huán)境的污染；③不發(fā)生相的變化(因而能耗較低)；④選擇性較高；⑤過濾、濃縮和吸附可集成；⑥設(shè)備易放大，可以分批或連續(xù)操作。⑦膜結(jié)構(gòu)類似但分離機理不同，選擇合適的膜與操作參數(shù)，可得到較高回收率；⑧系統(tǒng)可密閉循環(huán)，防止外來污染。第二節(jié)、表征膜性能的參數(shù)1.膜孔道特征包括：孔徑：反應(yīng)孔的大小。最大孔徑、平均孔徑。孔徑分布：是指膜中一定大小的孔的體積占整個孔體積的百分數(shù)?？紫抖龋菏侵缚左w積占整個膜體積的比?？芍苯佑秒婄R檢測(微孔膜)膜的完整性實驗：用于檢測膜或組件是否完整或滲漏。2.水通量(J)單位時間、單位膜面積透過的水的體積，一般采用純水在0.35Mpa、25℃條件下進行實驗而得到。J=V/StV為透過液的容積；S為膜的有效面積：t為時間①同類膜，孔徑越大，水通量越大②水通量J不能代表處理大分子料液的透過速度，因為大分子溶質(zhì)會沉積在膜表面，使濾速下降(約為純水通量的10%)。③由J的數(shù)值可了解膜是否污染和清洗是否徹底。3.截留率σ超濾膜對溶質(zhì)的截留能力用載留率σ來表示，σ=1-Cp/CB式中Cp和CB分別表示在某一瞬間，透過液和截留液的濃度。如果σ=1，則Cp=0，表示溶質(zhì)全部被截留；如果σ=0，則Cp=CB，表示溶質(zhì)能自由透過膜。4.截留分子量(MWCO)通過測定分子量不同的球形蛋白質(zhì)或水溶性聚合物的截留率，可獲得膜的截留率與溶質(zhì)分子量之間的關(guān)系曲線，即截留曲線。一般截留率為90%或95%的溶質(zhì)分子量定義為膜的截留分子量。SIWCO（球狀蛋白質(zhì)）近似孔徑（nm）1000210,0005100,000121000.00028截留曲線得到的截留率與分子量之間的關(guān)系稱為截留曲線。質(zhì)量好的膜應(yīng)有陡直的截斷曲線，可使不同分子量的溶質(zhì)分離完全；反之，坦途的截斷曲線會導(dǎo)至分離不完全。影響截留率的因素①分子形狀：線性分子容易透過：②吸附作用：溶質(zhì)吸附于膜孔壁上，降低膜孔有效直徑③大分子溶質(zhì)影響：若同時存在兩種大分子溶質(zhì)，大分子溶質(zhì)在膜表面積聚，小分子透過，分子量相差10倍以上。④溫度和濃度：溫度上升，黏度下降，截留率下降⑤錯流速度：錯流速度增大，截留率減小，因為濃差極化作用減小。⑥pH、離子強度：影響蛋白質(zhì)分子構(gòu)型，影響截留率。第三節(jié)、分離機制1.毛細管流動模型針對超濾和微濾，是簡單的篩分過程溶質(zhì)或懸浮物料按大小不同而分離，比膜孔徑小的物質(zhì)和溶劑(水)一起通過膜，而較大的物質(zhì)則被截留。膜是多孔性的，膜內(nèi)有很多孔道，水以滯留方式在孔道內(nèi)流動，因而服從Hagen-Poiseuille方程。J=J:通量ε:膜的孔隙度D:圓柱形孔道的直徑L：膜的有效厚度?p：膜兩側(cè)壓力差μ：上式適用于圓柱形毛細管，但實際情況比較復(fù)雜，孔道可能是死孔道，即一端是封閉的，孔道大小也不均勻，因而適用于填床的Carman-Kozeny公式比較符合實際情況。J=k':與孔結(jié)構(gòu)有關(guān)的無因次常數(shù)S0:意義：通量J與壓力差?p2.溶解擴散模型反滲透：假定溶劑或溶質(zhì)分子首先溶解在膜中(溶解)溶解于膜表層中的液體在化學(xué)位差推動力的作用下，向另一側(cè)擴散(擴散)適合于均勻膜、無機鹽的反滲透(脫水)Fick定律：在單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的單位截面積的擴散物質(zhì)流量(擴散通量J)與該截面處的濃度梯度成正比，也就是說，濃度梯度越大，擴散通量越大。J=D：擴散系數(shù)(m2/s)C：擴散物質(zhì)的體積濃度?C/“-”：表示擴散方向為濃度梯度的反方向，即擴散組元由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散3.優(yōu)先吸附-毛細孔流理論水溶液中脫鹽的反滲透是多孔的，并具有一定的親水性，在膜上面始練吸附著一層純水層，其厚度為幾個水分子大小，在壓力下，就可連續(xù)使純水層流經(jīng)毛細孔。純水層厚度：t=若毛細孔直徑等于2倍純水層的厚度，則可使純水的透過速度最大，而鹽又不能漏出，即達到最大程度脫鹽，此時的毛細孔徑稱為“臨界孔徑”。4.納濾模型納濾膜：截留率大于95%的最小分子約為1nm稱之為納濾膜。驅(qū)動力：篩分、電位驅(qū)動5.濃差極化-凝膠模型當(dāng)溶劑透過膜，而溶質(zhì)留在膜上時，它使得膜面上溶質(zhì)濃度增大，高于主體中的溶質(zhì)濃度，這種現(xiàn)象稱為濃差極化。濃差極化對通量影響很大，實際操作中盡量減小濃差極化作用。反滲透:膜面上溶質(zhì)濃度大，滲透壓高，致使有效壓力差降低，通量減小：超濾和微濾:高分子和膠體溶液，濃度高時會在膜上形成凝膠層，增大了阻力而使通量降低，稱為凝膠極化。穩(wěn)態(tài)操作下，溶質(zhì)的透過通量與邊界層向膜面?zhèn)魉腿苜|(zhì)通量和向主體溶液擴散通量間達到物料平衡，積分后可得：J=KJ：通量D：溶質(zhì)的擴散系數(shù)δ：邊界層厚度Cs：膜面濃度Cb:主體濃度Cp:透過液濃度濃差極化現(xiàn)象的后果：膜面附近濃度升高，膜兩側(cè)滲透壓差增大，有效壓差減小，透過通量降低：膜面附近濃度超過溶解度時，析出溶質(zhì)，形成凝膠層，此時通量為：

J=CG:凝膠層濃度溶質(zhì)截留特性的改變：C其中，Cp<Cp’減小濃差極化的措施：①錯流；②進料流速增大；③湍流程度提高，設(shè)備改進；④提高操作溫度6.阻力模型考慮到類似濾餅等阻力的影響，單位面積的處理量與水通量呈反比。實際應(yīng)用中，膜面積增大1倍，處理量增大4倍，膜的更換費用減少一半。增大膜面積7.管狀收縮效應(yīng)在膠體溶液的超濾和微濾中，實際通量要比用濃差極化-凝膠層模型估算的要大得多。膠體溶液在管中流動時，顆粒有離開管壁向中心運動的趨向，稱為管狀收縮效應(yīng)。處理渾濁液體時，窄通道超濾器可取。第五節(jié)、影響膜的因素一、影響膜的因素膜的化學(xué)性質(zhì)蛋白質(zhì)類和溶液的pH無機鹽溫度料液濃度、流速、壓力(一)膜的化學(xué)性質(zhì)膜的親疏水性、荷電性影響膜與不同溶液間相互作用的大小。一般靜電相互作用較易預(yù)測，而親疏水性卻很難預(yù)測。尤其對生物發(fā)酵系統(tǒng)，其組成極為復(fù)雜，必須對不同對象用各種膜進行實驗選擇。(二)蛋白種類與溶液pH值不同蛋白質(zhì)特性也不同，所以較難預(yù)測該因素的影響。對于荷電膜而言，當(dāng)?shù)鞍缀呻娦耘c膜固定離子電性相同時，污染程度較??；pH對蛋白在水中溶解性及構(gòu)象有很大的影響，在pI時蛋白溶解度最低、通量最低，但吸附量最高，即膜污染最嚴重：pH有時也會對截留率有影響。例如在極端pH下超濾蛋白質(zhì)時，常使截留率增大，這是由于吸附在膜上蛋白質(zhì)和溶液中蛋白質(zhì)帶相同電荷而相互排斥的緣故。(三)無機鹽無機鹽通過兩條途徑對膜污染產(chǎn)生重大影響無機鹽復(fù)合物會在膜表面或膜孔直接沉淀，或使膜對蛋白質(zhì)的吸附增強而污染膜：無機鹽改變可溶液離子強度，影響到蛋白質(zhì)的溶解性、構(gòu)象與懸浮狀態(tài)，使沉積的沉積層的疏密程度改變，因此對膜的透水率產(chǎn)生影響。(四)溫度的影響一般來說，溫度升高都會導(dǎo)致通量增大，因為溫度升高使黏度降低和擴散系數(shù)增大。由于水的黏度每升高1℃，約降低2.5%，所以，一般可認為，每升高1℃，通量約增加3%。(五)料液濃度、流速與壓力的影響1.濃度在超濾中間歇操作(濃縮模式)：Cb上升，J下降透析過濾或連續(xù)操作：料液濃度Cb基本不變，所以J也不變。J=CG：膜面濃度達到極大值Cb：主體濃度2.流速：錯流過濾增大料液流速會減小濃差極化層厚度，從而使通量增大；流速增大可使傳質(zhì)系數(shù)增大，從而使通量增大。3.壓力J=當(dāng)壓力較低時，通量J較小，膜面上尚未形成濃差極化層，此時J與膜兩側(cè)的壓力差△P成正比。當(dāng)壓力逐漸增大時，膜面上開始形成濃差極化層，J隨△P而增大的速度開始減慢。當(dāng)壓力繼續(xù)增大時，濃差極化層濃度達到凝膠層濃度，J不隨△P而改變。二、膜過濾裝置膜組件：由膜、固定膜的支撐體、間隔物以及收納這些部件的容器構(gòu)成的一個單元構(gòu)件，是膜分離的基本單元設(shè)備。原料液以一定的流速流入膜組件，由于其中某一組分更容易透過膜，所以進入膜組件的物流通過膜組件以后分為兩股，即滲透液和截留液。膜過濾裝置類型：(a)板式、(b)管式、(c)卷式、(d)中空纖維式板式膜組件平板式：由濾板、濾膜透過水膜、剛性支持板交替重系緊螺栓疊組裝在一起。改進的膜透過水平板式組件由膜、間隔器、膜交替重疊組裝。優(yōu)點缺點構(gòu)造簡單，死體積小，膜片易更換；流道的截面積大，線速度較高，不易被異物堵塞；密封邊界長，內(nèi)部壓力損失大；制造成本高。管式膜組件在圓筒狀多孔支撐體的內(nèi)側(cè)或外側(cè)刮制上一層半透膜而得到的圓管形分離膜，再將一定數(shù)量的這種膜管以一定方式聯(lián)成一體而組成。料液以平行于膜面的方式流過膜的孔道向外滲透。內(nèi)壓式：膜涂在管內(nèi)，料液由管內(nèi)走，透過膜的滲透溶液在管外側(cè)被收集。外壓式：膜涂在管外，料液由管外間隙走，滲透溶液則由管外側(cè)滲透通過膜進入多孔支撐管內(nèi)。優(yōu)點缺點流動狀態(tài)好，膜污染少；安裝、清洗、換膜、維修方便；能處理含有懸浮固體的溶液。管式膜的制備條件較難控制：單位體積內(nèi)有效膜表面?。恢圃斐杀靖?。卷式膜組件按膜、多孔支撐體、膜、原水側(cè)隔網(wǎng)依次疊合，緊密的卷繞于中央滲透管，再裝進圓柱形壓力容器里，構(gòu)成一個膜組件。優(yōu)點缺點結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積內(nèi)的有效膜面積大；制備成本較低，目前應(yīng)用最廣泛。容易被污染，不適合處理含有懸浮固體的料液；清洗困難。中空纖維式膜組件由大量極細的空心膜管(膜絲)和固定端及外殼組成，其本身不需要支撐材料即可耐受較高的壓力，具有很高的填充密度，具有極大的膜面積。中空纖維膜組件的最大特點是單位裝填膜面積比所有其他組件大，最高可達到30000m2/m2中空纖維膜組件也可分為外壓式和內(nèi)壓式。優(yōu)點缺點可耐受較大的壓力；單位體積內(nèi)有效膜面積最大；結(jié)構(gòu)輕便，制造成本低；反沖洗容易，清洗效果好。膜管使用中容易破裂(斷絲)，易被污染。組件性能比較板式管式卷式中空纖維式填充密度30-50030-200200-800500-9000承壓性能低/高高高中等抗污染性能中等很好差中等膜清洗簡單簡單一般簡單相對造價高高中等低主要應(yīng)用UF、MF、NF、RONF、UF、MFRO、UF、MFRO三、超濾過程的操作方式連續(xù)操作間歇操作：分批濃縮模式、透析過濾模式在整個操作時間內(nèi)的平均濃度較低，平均通量較高，所需膜面積較小，裝置簡單，成本較低；需要較大的儲槽，適用于規(guī)透過液模較小，藥物和生物制品中。產(chǎn)品在系統(tǒng)中停留時間較短，對熱敏或剪切力敏感的產(chǎn)品有利，容易實現(xiàn)自動化，主要用于大規(guī)模生產(chǎn)連續(xù)操作中，級數(shù)