高等制药分离工程膜分离课件.ppt

1、资料仅供参考,不当之处，请联系改正。推动力推动力:膜两侧的膜两侧的压力差压力差、浓度差、电位、浓度差、电位差、温度差等。推动力差、温度差等。推动力膜分离分为多种膜分离分为多种过程。过程。压力推动的膜过程有反渗透、纳滤、超压力推动的膜过程有反渗透、纳滤、超滤、微滤滤、微滤 。在压力的作用下，小分子通过在压力的作用下，小分子通过膜，大分子和微粒等被截留，其截留程度膜，大分子和微粒等被截留，其截留程度取决于膜结构。取决于膜结构。1 1）反渗透膜几乎无孔，可以截留大多数）反渗透膜几乎无孔，可以截留大多数溶质（离子）而使溶剂通过，操作压力较溶质（离子）而使溶剂通过，操作压力较高，一般为高，一般为2 21

2、0MPa10MPa； 第五章第五章 膜分离膜分离 （Membrane Separation） 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。反渗透、超过滤微粒过滤的比较资料仅供参考,不当之处，请联系改正。2）纳滤膜孔径为）纳滤膜孔径为25nm，能截留部分离，能截留部分离子及有机物，操作压力为子及有机物，操作压力为0.73 MPa；3 3）超滤膜孔径为）超滤膜孔径为2 220nm20nm，能截留小胶体，能截留小胶体粒子、大分子物质，操作压力为粒子、大分子物质，操作压力为0.10.11 1 MPaMPa；4 4）微滤膜孔径为）微滤膜孔径为0.050.0510m10m，能截留胶，能截留胶体颗粒、微生物及悬浮粒

3、子，操作压力体颗粒、微生物及悬浮粒子，操作压力为为0.050.050.5 MPa0.5 MPa。 第五章第五章 膜分离膜分离 （Membrane Separation） 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。膜过程的分离范围膜过程的分离范围资料仅供参考,不当之处，请联系改正。膜过程的现状与发展趋势 D一透析； MF一微滤； UF一超滤； RO一反渗透；ED一电渗析；CR一控制释放；GS一气体分离； PV一渗透汽化；MD一膜蒸馏；LM一液膜；MR一膜反应器；NF一纳滤； GM一闸膜； AT主动传递资料仅供参考,不当之处，请联系改正。二、膜分离特点二、膜分离特点 （1）无需外加物质，可实现高纯度的分

4、离；）无需外加物质，可实现高纯度的分离；（2）过程不发生相变化，能耗较低；）过程不发生相变化，能耗较低；（3）在常温下进行，适合处理热敏性物料；）在常温下进行，适合处理热敏性物料；（4）设备没有运动的部件，可靠性高，操作、）设备没有运动的部件，可靠性高，操作、维护方便。维护方便。第五章第五章 膜分离膜分离 （Membrane Separation） 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。三、三、膜分离过程的传递机理膜分离过程的传递机理 物质透过膜的三种物质透过膜的三种传递方式传递方式：被动传递、：被动传递、促进传递和主动传递。促进传递和主动传递。被动传递被动传递：物质由高化学位相侧向低化学：物质

5、由高化学位相侧向低化学位相侧传递，化学位差是膜分离传递过程位相侧传递，化学位差是膜分离传递过程的推动力，它可以是压力差、浓度差、电的推动力，它可以是压力差、浓度差、电位差、温度差等。位差、温度差等。 第五章第五章 膜分离膜分离 （Membrane Separation） 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。促进传递促进传递：膜内有载体，在高化学位一：膜内有载体，在高化学位一侧，载体同被传递的物质发生反应，而在侧，载体同被传递的物质发生反应，而在低化学位一侧又将被传递的化学物质释放，低化学位一侧又将被传递的化学物质释放，这种传递过程有很高的选择性。这种传递过程有很高的选择性。主动传递主动传递：膜

6、中的载体同被传递物质在：膜中的载体同被传递物质在低化学位侧发生反应并释放出能量，使被低化学位侧发生反应并释放出能量，使被传递物质由低化学位一侧被传递到高化学传递物质由低化学位一侧被传递到高化学位一侧，物质的传递方向为逆化学位梯度位一侧，物质的传递方向为逆化学位梯度方向。主动传递尚未用于工业过程。方向。主动传递尚未用于工业过程。第五章第五章 膜分离膜分离 （Membrane Separation） 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。膜分离过程的机理膜分离过程的机理 (1)筛分机理：筛分机理：膜的表面具有无数微孔，膜的表面具有无数微孔，膜的孔径分布比较均一，大于膜孔径的分膜的孔径分布比较均一，大

7、于膜孔径的分子被截留，而小于膜孔径的分子可以穿过子被截留，而小于膜孔径的分子可以穿过膜达到分离的目的。膜达到分离的目的。分离机理依据分子大小的差异分离机理依据分子大小的差异，如超滤、，如超滤、微滤过程。微滤过程。第五章第五章 膜分离膜分离 （Membrane Separation） 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。(2)溶解一扩散机理溶解一扩散机理 假设溶质和溶剂都能溶解于膜中，然后各假设溶质和溶剂都能溶解于膜中，然后各自在浓度差或压力差造成的化学位差推动自在浓度差或压力差造成的化学位差推动下扩散通过膜，再从膜下游解吸。溶质和下扩散通过膜，再从膜下游解吸。溶质和溶剂在膜相中溶解度和扩散性的

8、差异影响溶剂在膜相中溶解度和扩散性的差异影响着它们的通量大小。着它们的通量大小。(3)孔流模型孔流模型流体通过膜孔的流动为毛细管内的层流流体通过膜孔的流动为毛细管内的层流第五章第五章 膜分离膜分离 （Membrane Separation） 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。四、分离膜应具备四个基本条件：四、分离膜应具备四个基本条件：(1)(1)分离性分离性三个要点三个要点分离膜必须对被分离的混合物具有分离膜必须对被分离的混合物具有选选择透过的能力择透过的能力( (具有分离作用具有分离作用) )。分离能力要适度分离能力要适度。根据被分离混合物。根据被分离混合物的原始状态和分离后要达到的目标来

9、合理的原始状态和分离后要达到的目标来合理确定。因为膜的分离性能和渗透性能是相确定。因为膜的分离性能和渗透性能是相互关联的，分离性能提高，渗透量下降，互关联的，分离性能提高，渗透量下降，这样就提高操作费用。这样就提高操作费用。 第五章第五章 膜分离膜分离 （Membrane Separation） 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。膜分离能力主要取决于膜材料的化学特膜分离能力主要取决于膜材料的化学特性、膜的形态结构和操作条件。性、膜的形态结构和操作条件。 (2)(2)透过性透过性 能够对被分离的混合物进行有选择的透能够对被分离的混合物进行有选择的透过。不需要通过的物质透过速度要低，需过。不需要

10、通过的物质透过速度要低，需要通过的物质透过速率要高。要通过的物质透过速率要高。分离膜的透过性能是它处理能力的主要标分离膜的透过性能是它处理能力的主要标志。工业上，透过量不能过低，否则经济志。工业上，透过量不能过低，否则经济上不合算。膜的透过性能与膜材料的化学上不合算。膜的透过性能与膜材料的化学特性、分离膜的形态结构和操作因素有关。特性、分离膜的形态结构和操作因素有关。 第五章第五章 膜分离膜分离 （Membrane Separation） 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。(3)物理、化学物理、化学稳定性稳定性 分离膜材料：高聚物，需要定期更换。分离膜材料：高聚物，需要定期更换。高聚物的高聚

11、物的“老化老化”问题问题压密现象：压密现象：高聚物膜长期处于高压下会发高聚物膜长期处于高压下会发生被生被压密压密，使膜在长期使用中渗透量慢慢，使膜在长期使用中渗透量慢慢减小，最终不能使用的减小，最终不能使用的现象现象。膜污染：膜污染：在使用过程中与混合物接触的表在使用过程中与混合物接触的表面会被各种各样的杂质所污染，减少了膜面会被各种各样的杂质所污染，减少了膜的有效使用面积。的有效使用面积。第五章第五章 膜分离膜分离 （Membrane Separation） 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。(4)经济性经济性分离膜的价格要合理。价格取决于材料和分离膜的价格要合理。价格取决于材料和制造工艺

12、两方面。不少高聚物很具特色，制造工艺两方面。不少高聚物很具特色，但价格太贵，无法作为商品。但价格太贵，无法作为商品。分离膜要求分离膜要求:具有分离作用的膜越具有分离作用的膜越薄薄越好，越好，(30nm)；膜如果属于；膜如果属于多孔性多孔性的，则膜上的的，则膜上的孔要求越多越好，孔径相差不大，只有这孔要求越多越好，孔径相差不大，只有这样，膜的透过量才能大，分离物的纯度才样，膜的透过量才能大，分离物的纯度才高。高。第五章第五章 膜分离膜分离 （Membrane Separation） 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。2. 膜的分类膜的分类 膜的分类膜的分类资料仅供参考,不当之处，请联系改正。3

13、. 膜材料和制备膜材料和制备固体分离膜大多数是高分子聚合物膜，固体分离膜大多数是高分子聚合物膜，近年来开发了无机材料分离膜。近年来开发了无机材料分离膜。高聚物膜通常是用纤维素类高聚物膜通常是用纤维素类CA、聚砜类、聚砜类PSF、聚酰胺类、聚酰胺类PI、聚酯类、含氟高聚物、聚酯类、含氟高聚物PTEF等材料制成。等材料制成。无机分离膜包括陶瓷膜、玻璃膜、金属无机分离膜包括陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分子筛炭膜等。膜和分子筛炭膜等。 膜材料膜材料资料仅供参考,不当之处，请联系改正。高分子膜制备有相转化法和热致相分离法。L-S法（1）高分子材料溶于溶剂中并加入添加剂配制成膜液。（2）成型。（3）膜中的溶剂

14、部分蒸发。（4）膜浸渍 在水中。（5）膜的预压处理。膜材料膜材料资料仅供参考,不当之处，请联系改正。4膜的分离特性膜的分离特性分离效率、渗透通量和通量衰减系数。分离效率、渗透通量和通量衰减系数。1) 分离效率分离效率。对于溶液脱盐和某些高分子。对于溶液脱盐和某些高分子物质的脱除等可以用物质的脱除等可以用脱除率脱除率（截留率）（截留率）R表表示。示。膜的分离特性膜的分离特性 %100wpwcccR资料仅供参考,不当之处，请联系改正。溶质的溶质的表观分离率表观分离率cb、 cw、cp分别为主体溶液浓度、高压侧分别为主体溶液浓度、高压侧膜处溶液的界面浓度和膜的透过液浓度。膜处溶液的界面浓度和膜的透过

15、液浓度。分离系数分离系数 膜的分离特性膜的分离特性 %100bpbEcccRAAAAxyxy)1 ()1 (AAxy资料仅供参考,不当之处，请联系改正。分离因数的大小反映该体系分离的难易分离因数的大小反映该体系分离的难易程度，程度， 越大，表明两组分的透过速率相越大，表明两组分的透过速率相差越大，膜的选择性越好，分离程度越高差越大，膜的选择性越好，分离程度越高. 等于等于1，则表明膜没有分离能力。，则表明膜没有分离能力。截留分子量截留分子量指截留率为指截留率为60%时所对应的分子量。截时所对应的分子量。截留分子量的高低，反映了膜孔径的大小，留分子量的高低，反映了膜孔径的大小，通常用一系列不同分

16、子量的标准物质进行通常用一系列不同分子量的标准物质进行测定。测定。 ABAB膜的分离特性膜的分离特性 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。2) 2) 渗透通量渗透通量Jw：单位时间内通过单位膜单位时间内通过单位膜面积的透过物质量。面积的透过物质量。3) 通量衰减系数通量衰减系数。膜的渗透通量因浓度。膜的渗透通量因浓度极化、膜的压密以及膜孔堵塞等原因将随极化、膜的压密以及膜孔堵塞等原因将随时间而衰减。时间而衰减。J Jt t、J J1 1为膜运转为膜运转t t小时和小时和1 h1 h后的透过速度；后的透过速度；t t为运转时间为运转时间,m,m为衰减系数。为衰减系数。 膜的分离特性膜的分离特性

17、StVJwmttJJ1资料仅供参考,不当之处，请联系改正。五五 膜组件和膜系统膜组件和膜系统膜分离装置的核心是膜组件，它是将膜、膜分离装置的核心是膜组件，它是将膜、固定膜的支撑材料、间隔物或管式外壳等固定膜的支撑材料、间隔物或管式外壳等通过组装构成的一个单元。通过组装构成的一个单元。1.膜组件的型式膜组件的型式：板框式、卷式、管式、中空纤维式。板框式、卷式、管式、中空纤维式。板框式和卷式膜组件使用平板膜；板框式和卷式膜组件使用平板膜；管式和中空纤维膜组件使用管式膜。管式和中空纤维膜组件使用管式膜。 膜组件和膜系统膜组件和膜系统资料仅供参考,不当之处，请联系改正。板框式膜组件资料仅供参考,不当之

18、处，请联系改正。卷绕式膜组件资料仅供参考,不当之处，请联系改正。卷绕式膜组件卷绕式膜组件资料仅供参考,不当之处，请联系改正。中空纤维膜组件1-1-环氧树脂管板；环氧树脂管板；2-2-纤维束；纤维束；3-3-纤维束端封纤维束端封资料仅供参考,不当之处，请联系改正。管式膜组件n1-多孔外衬管；多孔外衬管；n2-管式膜；管式膜；n3-耐压端套；耐压端套；n4-玻璃钢管；玻璃钢管；n5-渗透液收集外壳渗透液收集外壳资料仅供参考,不当之处，请联系改正。四种膜组件的性能比较资料仅供参考,不当之处，请联系改正。2.膜系统的操作方式膜系统的操作方式膜的操作方式：死端膜的操作方式：死端(deadend)(dea

19、dend)操作和操作和错流错流(cross flow)(cross flow)操作操作死端操作死端操作时，原料中被截留组分的浓度随时，原料中被截留组分的浓度随时间不断增加，渗透物量随时间而减少。时间不断增加，渗透物量随时间而减少。如微滤。优点是回收率高，原料中小分子如微滤。优点是回收率高，原料中小分子全部通过膜，但过程通量衰减严重。全部通过膜，但过程通量衰减严重。 膜组件和膜系统膜组件和膜系统资料仅供参考,不当之处，请联系改正。膜系统的操作方式膜系统的操作方式资料仅供参考,不当之处，请联系改正。错流操作时错流操作时，原料以一定组成进入膜组，原料以一定组成进入膜组件并件并平行流过膜表面平行流过膜

20、表面，沿膜组件内不同位，沿膜组件内不同位置，原料组成逐渐变化。原料流被分为渗置，原料组成逐渐变化。原料流被分为渗透物流和截留物流。透物流和截留物流。错流操作有并流、逆流、渗透物全混错错流操作有并流、逆流、渗透物全混错流和完全混合四种方式。流和完全混合四种方式。逆流效果最好。错流系统有利于控制污逆流效果最好。错流系统有利于控制污染，但回收率较低。染，但回收率较低。膜系统的操作方式膜系统的操作方式资料仅供参考,不当之处，请联系改正。级级:有膜组件以串联或并联方式连在一起有膜组件以串联或并联方式连在一起构成，膜分离过程有单级和多级过程。构成，膜分离过程有单级和多级过程。单级和多级过程方式有单级和多级

21、过程方式有单程系统和循环单程系统和循环系统系统。单程系统单程系统:原料液没有循环，原料体积在原料液没有循环，原料体积在整个流程内逐渐减少。整个流程内逐渐减少。循环系统循环系统: :原料通过泵加压而多次流过每原料通过泵加压而多次流过每一级。每一级均有循环泵以使流体力学的一级。每一级均有循环泵以使流体力学的条件达到最佳状态，且每一级压降较低。条件达到最佳状态，且每一级压降较低。 膜系统的操作方式膜系统的操作方式资料仅供参考,不当之处，请联系改正。单程和循环系统资料仅供参考,不当之处，请联系改正。两级循环系统资料仅供参考,不当之处，请联系改正。3.浓差极化浓差极化1)1)浓差极化形成的原因浓差极化形

22、成的原因:在膜装置操作中，在膜装置操作中，由于压力的作用，使溶质和溶剂都趋向穿由于压力的作用，使溶质和溶剂都趋向穿过膜。溶剂基本上可以全部通过。大部分过膜。溶剂基本上可以全部通过。大部分溶质无法通过而被截留在膜的高压侧表面溶质无法通过而被截留在膜的高压侧表面上累积，造成由膜表面到主体溶液之间的上累积，造成由膜表面到主体溶液之间的浓度梯度，引起溶质从膜表面向主体流扩浓度梯度，引起溶质从膜表面向主体流扩散，这种现象就称为散，这种现象就称为“浓差极化浓差极化”。浓差极化时，膜的传递性能和分离性能浓差极化时，膜的传递性能和分离性能均下降，从而将缩短其使用寿命。均下降，从而将缩短其使用寿命。 膜组件和膜

23、系统膜组件和膜系统资料仅供参考,不当之处，请联系改正。2)改善浓差极化的方法改善浓差极化的方法 提高流速提高流速。 加填料法加填料法。如将。如将29100m的小球放的小球放入被处理的液体中，以减小膜边界层的厚入被处理的液体中，以减小膜边界层的厚度而增大透过速度。度而增大透过速度。加填料的方法是不适宜板式和卷式组件。加填料的方法是不适宜板式和卷式组件。 装设湍流促进器装设湍流促进器。浓差极化浓差极化资料仅供参考,不当之处，请联系改正。增设脉冲装置增设脉冲装置。在流程中增设一脉冲发。在流程中增设一脉冲发生装置。振幅越大或频率越高，透过速度也生装置。振幅越大或频率越高，透过速度也越大。虽动力增加了越

24、大。虽动力增加了2550，但透过速，但透过速度提高了度提高了70，有相当的经济价值。，有相当的经济价值。搅拌法搅拌法。在膜面附近增设搅拌器，也可。在膜面附近增设搅拌器，也可以把装置放在磁力搅拌器上回转使用。传质以把装置放在磁力搅拌器上回转使用。传质系数与搅拌器的转数成直线关系。系数与搅拌器的转数成直线关系。浓差极化浓差极化资料仅供参考,不当之处，请联系改正。4. 膜污染和劣化膜污染和劣化膜污染膜污染:由于在膜表面上形成了由于在膜表面上形成了附着层附着层(膜膜孔堵塞孔堵塞)因素导致了膜性能变化，可采用清因素导致了膜性能变化，可采用清洗方法，使膜性能得以恢复。洗方法，使膜性能得以恢复。膜劣化膜劣化

25、: :膜自身发生了不可逆转的变化等膜自身发生了不可逆转的变化等内部因素内部因素导致了膜性能变化。导致了膜性能变化。 膜在使用过程中的最大问题是膜污染和膜在使用过程中的最大问题是膜污染和劣化。劣化。在压力、流速、温度和料液浓度都在压力、流速、温度和料液浓度都一定时，一定时，膜污染使膜的渗透通量随操作时膜污染使膜的渗透通量随操作时间而迅速下降，使膜过程不能继续进行。间而迅速下降，使膜过程不能继续进行。膜组件和膜系统膜组件和膜系统资料仅供参考,不当之处，请联系改正。膜的污染和劣化的分类及其成因膜的污染和劣化的分类及其成因资料仅供参考,不当之处，请联系改正。 化学性劣化化学性劣化: 由于料液由于料液p

26、H值超出膜的允值超出膜的允许范围而导致膜的水解或氧化反应等化学许范围而导致膜的水解或氧化反应等化学因素造成的劣化；因素造成的劣化；物理性劣化物理性劣化:膜结构在很高的压力下导致膜结构在很高的压力下导致致密化或在干燥状态下发生不可逆转性变致密化或在干燥状态下发生不可逆转性变形等物理因素造成的劣化。形等物理因素造成的劣化。生物性劣化生物性劣化:由于处理料液中的微生物的由于处理料液中的微生物的存在导致膜发生生物降解反应等生物因素存在导致膜发生生物降解反应等生物因素造成的劣化。造成的劣化。膜污染和劣化膜污染和劣化资料仅供参考,不当之处，请联系改正。降低膜的污染和劣化的方法降低膜的污染和劣化的方法: 1

27、)预处理法预处理法 有热处理、调节有热处理、调节pH值、加螯值、加螯合剂合剂(EDTA等等)、氯化、活性炭吸附、化学、氯化、活性炭吸附、化学净化、预微滤和预超滤等。净化、预微滤和预超滤等。如通过调整料液如通过调整料液pH值或加人抗氧剂等防值或加人抗氧剂等防止膜的化学性劣化止膜的化学性劣化;对于蛋白质分离或浓缩，当对于蛋白质分离或浓缩，当pH值调节到值调节到对应于蛋白质的等电点时，污染程度较轻。对应于蛋白质的等电点时，污染程度较轻。膜污染和劣化膜污染和劣化资料仅供参考,不当之处，请联系改正。2)操作方式优化操作方式优化膜污染的防治及渗透通量的强化可通过膜污染的防治及渗透通量的强化可通过操作方式的

28、优化来实现，如控制初始渗透操作方式的优化来实现，如控制初始渗透通量通量(低压操作，恒定通量操作模式和过滤低压操作，恒定通量操作模式和过滤初始通量控制在临界通量以下初始通量控制在临界通量以下)，反向操作，反向操作模式，高分子溶液的流变性，脉动流、鼓模式，高分子溶液的流变性，脉动流、鼓泡、振动膜组件，超声波照射等。泡、振动膜组件，超声波照射等。 膜污染和劣化膜污染和劣化资料仅供参考,不当之处，请联系改正。3)膜组件结构优化膜组件结构优化膜分离过程设计中，膜组件内流体力学膜分离过程设计中，膜组件内流体力学条件的优化，即预先选择料液操作流速和条件的优化，即预先选择料液操作流速和膜渗透通量，并考虑到所需

29、动力，是确定膜渗透通量，并考虑到所需动力，是确定最佳操作条件的关键。最佳操作条件的关键。4)膜组件清洗膜组件清洗 膜的清洗方法有水力清洗、机械清洗、膜的清洗方法有水力清洗、机械清洗、化学清洗和电清洗四种。化学清洗和电清洗四种。膜污染和劣化膜污染和劣化资料仅供参考,不当之处，请联系改正。52 超滤超滤一一. 超滤的基本原理超滤的基本原理 超滤超滤:通过膜的筛分作用将溶液中大于膜通过膜的筛分作用将溶液中大于膜孔的大分子溶质截留，使溶质与溶剂及小孔的大分子溶质截留，使溶质与溶剂及小分子组分分离的膜过程。分子组分分离的膜过程。膜孔的大小和形状对分离起主要作用。膜孔的大小和形状对分离起主要作用。超滤过程

30、的对象是大分子，膜的孔径常超滤过程的对象是大分子，膜的孔径常用被截留分子的分子量的大小来表征。膜用被截留分子的分子量的大小来表征。膜的截留率与被截留组分的截留分子量有关。的截留率与被截留组分的截留分子量有关。 超滤超滤资料仅供参考,不当之处，请联系改正。超滤的基本原理超滤的基本原理资料仅供参考,不当之处，请联系改正。用标准的缓冲液或水溶液对不同截留分子用标准的缓冲液或水溶液对不同截留分子量膜测得的截留率与分子量的关系曲线。取量膜测得的截留率与分子量的关系曲线。取截留率分别为截留率分别为50、90、100时所对应时所对应的分子量为截留分子量，以及取的分子量为截留分子量，以及取S曲线的切曲线的切线

31、与截留率为线与截留率为100时的横坐标上的交点为时的横坐标上的交点为截留分子量，图中的截留分子量，图中的A曲线，其截留分子量曲线，其截留分子量相应为相应为1000、3000、8000和和3500。S曲线的曲线的形状可说明该膜的孔径分布及性能，形状可说明该膜的孔径分布及性能，S曲线越陡则截留分子量范围愈窄，膜的曲线越陡则截留分子量范围愈窄，膜的性能亦愈好。性能亦愈好。超滤的基本原理超滤的基本原理资料仅供参考,不当之处，请联系改正。超滤的基本原理超滤的基本原理膜截留分子量与截留率间的关系资料仅供参考,不当之处，请联系改正。超滤的基本原理超滤的基本原理截留分子量与膜孔径的关系超滤常采用非对称膜，膜孔

32、径为超滤常采用非对称膜，膜孔径为(15)(15)1010-8-8m m，膜表，膜表面有效截留层的厚度为面有效截留层的厚度为(1100)(1100)1010-7-7m m，操作压差为，操作压差为0.10.5MPa0.10.5MPa，可分离分子量约为，可分离分子量约为50010000005001000000的分子。的分子。资料仅供参考,不当之处，请联系改正。截留率的影响因素截留率的影响因素：（除相对分子量）：（除相对分子量）(1)分子特性分子特性：相对分子量相同时，线状的分子截留率相对分子量相同时，线状的分子截留率较低，有支链的分子截留率较高，球形分较低，有支链的分子截留率较高，球形分子的截留率最

33、大。子的截留率最大。对于带电荷分子，具有与膜相反电荷的对于带电荷分子，具有与膜相反电荷的分子截留率较低。分子截留率较低。若膜对溶质具有吸附作用时，溶质的截若膜对溶质具有吸附作用时，溶质的截留率增大。留率增大。超滤的基本原理超滤的基本原理资料仅供参考,不当之处，请联系改正。(2)其他高分子溶质其他高分子溶质：当两种以上的高分子溶质共存时，溶质当两种以上的高分子溶质共存时，溶质的截留率要高于其单独存在的情况。这是的截留率要高于其单独存在的情况。这是由于浓度极化现象使膜表面的浓度高于主由于浓度极化现象使膜表面的浓度高于主体浓度。体浓度。(3)操作条件操作条件：温度越高温度越高，料液的粘度越小，扩散系

34、数，料液的粘度越小，扩散系数越大越大, ,可提高膜通量可提高膜通量。 当料液的当料液的pH值等于某蛋白质的等电点时值等于某蛋白质的等电点时，溶质的截留率高于其他溶质的截留率高于其他pH下的截留率下的截留率。 截留率的影响因素截留率的影响因素资料仅供参考,不当之处，请联系改正。料液流速料液流速 提高料液流速，可有效减轻膜表面的浓差提高料液流速，可有效减轻膜表面的浓差极化。但流速也不能太快，否则会产生过大极化。但流速也不能太快，否则会产生过大的压力降，并加速膜分离性能的衰退。的压力降，并加速膜分离性能的衰退。操作压力操作压力在一定的范围内，膜通量随操作压力的增在一定的范围内，膜通量随操作压力的增加

35、而增大，但当压力增加至某一临界值时，加而增大，但当压力增加至某一临界值时，膜通量将趋于恒定。但操作压力也不能过高，膜通量将趋于恒定。但操作压力也不能过高，否则膜可能被压密。否则膜可能被压密。 截留率的影响因素截留率的影响因素资料仅供参考,不当之处，请联系改正。进料浓度进料浓度随着超滤过程的进行，料液主体的浓度随着超滤过程的进行，料液主体的浓度逐渐增高，粘度和边界层厚度亦相应增大。逐渐增高，粘度和边界层厚度亦相应增大。料液主体浓度过高无论在技术上还是经济料液主体浓度过高无论在技术上还是经济上都是不利的，因此对超滤过程中料液主上都是不利的，因此对超滤过程中料液主体的浓度应加以限制。体的浓度应加以限

36、制。 截留率的影响因素截留率的影响因素资料仅供参考,不当之处，请联系改正。超滤中不同料液的最高允许浓度超滤中不同料液的最高允许浓度 应用类别应用类别最高允许最高允许浓度浓度应用类别应用类别最高允许最高允许浓度浓度颜料和分散染料颜料和分散染料3050植物、动物细胞植物、动物细胞510510油水乳状液油水乳状液50705070蛋白和缩多氨酸蛋白和缩多氨酸10201020聚合物乳胶和分聚合物乳胶和分散体散体30603060多糖和低聚糖多糖和低聚糖110110胶体、非金属、氧化胶体、非金属、氧化物、盐物、盐不定不定多元酚类多元酚类510510尘泥、固体、泥土尘泥、固体、泥土10501050合成的水溶性

37、聚合合成的水溶性聚合物物515515低分子有机物低分子有机物1515资料仅供参考,不当之处，请联系改正。料液预处理料液预处理: :用预过滤器除去料液中的悬浮物；用预过滤器除去料液中的悬浮物；用絮凝法除去料液中的胶体物；用絮凝法除去料液中的胶体物；用活性炭吸附除去料液中的部分有机物等用活性炭吸附除去料液中的部分有机物等; ;通过调节料液的通过调节料液的pHpH值可使蛋白质、酶、微生值可使蛋白质、酶、微生物等对膜有污染的组分远离其等电点物等对膜有污染的组分远离其等电点; ;用氯气、次氯酸钠、臭氧等进行杀菌用氯气、次氯酸钠、臭氧等进行杀菌( (料液中料液中含有较多的细菌、藻类及其他微生物含有较多的细

38、菌、藻类及其他微生物 ) ) 。 截留率的影响因素截留率的影响因素资料仅供参考,不当之处，请联系改正。二超滤过程的传质机理与模型二超滤过程的传质机理与模型在稳态下超滤渗透通量的大小随着温度在稳态下超滤渗透通量的大小随着温度和进料速度的升高而增加，随着进料分子和进料速度的升高而增加，随着进料分子的浓度和尺寸的增加而下降。的浓度和尺寸的增加而下降。 浓差极化与凝胶极化模型浓差极化与凝胶极化模型(concentration polarization) 描述超滤过程的模型描述超滤过程的模型浓度极化浓度极化：在膜分离操作中，溶质均被：在膜分离操作中，溶质均被透过液传送到膜表面上，不能完全透过膜透过液传送

39、到膜表面上，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高，这种在膜表面附近浓度高于主浓度升高，这种在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象。体浓度的现象。 超滤超滤资料仅供参考,不当之处，请联系改正。凝胶极化凝胶极化(gel polarization):膜表面附近浓膜表面附近浓度升高，增大膜两侧的渗透压差，使有效度升高，增大膜两侧的渗透压差，使有效压差减小，透过通量降低。当膜表面附近压差减小，透过通量降低。当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质会析出，的浓度超过溶质的溶解度时，溶质会析出，形成凝胶层的现象。形成凝胶层的现象。凝胶层的形成对透过产生

40、附加传质阻力。凝胶层的形成对透过产生附加传质阻力。透过通量透过通量 传质机理与模型传质机理与模型)(gmLVRRpJ资料仅供参考,不当之处，请联系改正。传质机理与模型传质机理与模型浓度极化模型资料仅供参考,不当之处，请联系改正。凝胶层阻力资料仅供参考,不当之处，请联系改正。在稳态操作条件下，溶质的透过质量通在稳态操作条件下，溶质的透过质量通量与反扩散通量之间达到物料平衡量与反扩散通量之间达到物料平衡边界条件边界条件积分积分浓度极化模型方程浓度极化模型方程 传质机理与模型传质机理与模型dxdcDcJcJVpV0,xccbxccm,)ln(pbpmVcccckJDk 资料仅供参考,不当之处，请联系

41、改正。当溶质在膜表面形成凝胶化层时，透过当溶质在膜表面形成凝胶化层时，透过阻力很大，阻力很大，cp很小，得凝胶化模型为很小，得凝胶化模型为传质机理与模型传质机理与模型)ln(bgVcckJ 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。三超滤分离操作过程三超滤分离操作过程1 1浓缩浓缩操作方式操作方式:浓缩为目的的膜分离有开路循浓缩为目的的膜分离有开路循环、闭路循环和连续浓缩三种操作。环、闭路循环和连续浓缩三种操作。1)开路循环开路循环 循环泵循环泵R关闭，全部溶液用给料泵关闭，全部溶液用给料泵F送回送回料液槽，透过液排出到系统之外。设目标料液槽，透过液排出到系统之外。设目标产物的截留率为产物的截留率为

42、R，建立料液槽内目标产，建立料液槽内目标产物的物料衡算式物的物料衡算式 超滤分离操作过程超滤分离操作过程资料仅供参考,不当之处，请联系改正。浓缩操作示意图浓缩操作示意图1开路循环操作：开路循环操作：R关闭关闭2闭路循环操作：闭路循环操作：R开启开启3连续浓缩操作：连续浓缩操作：R开启开启 注注:四通阀四通阀V的开闭的开闭给料泵给料泵循环泵循环泵四通阀四通阀资料仅供参考,不当之处，请联系改正。浓缩操作浓缩操作过程过程)1 ()(RQcdtVcd00, 0ccVVtQdtdV料液体积料液体积V、浓度、浓度c、截留率截留率R和透过液流量和透过液流量Q料液浓度随体积变化方程料液浓度随体积变化方程 RV

43、Vcc)(00资料仅供参考,不当之处，请联系改正。产物浓缩倍数产物浓缩倍数CF收率收率REC膜的截留率越大，产物收率和浓缩倍数膜的截留率越大，产物收率和浓缩倍数越高。越高。 浓缩操作浓缩操作过程过程RVVCF)(010)(RVVREC资料仅供参考,不当之处，请联系改正。开路循环操作中，循环液中溶质浓度不开路循环操作中，循环液中溶质浓度不断上升，若流量和压差不变，断上升，若流量和压差不变，透过通量将透过通量将随操作时间不断降低随操作时间不断降低。此时凝胶极化模型。此时凝胶极化模型方程适用，透过液流量为：方程适用，透过液流量为：达到浓缩液所需时间达到浓缩液所需时间 浓缩操作浓缩操作过程过程)ln(

44、ccqQgdccccccRqVtgR)/ln()/(/100资料仅供参考,不当之处，请联系改正。2)闭路循环闭路循环:浓缩液不返回到料液罐，而浓缩液不返回到料液罐，而是利用循环泵是利用循环泵R送回到膜组件中，形成料送回到膜组件中，形成料液在膜组件中的闭路循环。循环液中目标液在膜组件中的闭路循环。循环液中目标产物浓度的增加比开路循环操作快，产物浓度的增加比开路循环操作快，透过透过通量小于开路循环通量小于开路循环。膜组件内的流速可不。膜组件内的流速可不依靠料液泵的供应速度。依靠料液泵的供应速度。3)连续操作连续操作:在闭路循环操作的基础上，在闭路循环操作的基础上，将浓缩液不断排出到系统之外的操作方

45、式。将浓缩液不断排出到系统之外的操作方式。连续操作效率最低，通过膜组件的溶质浓连续操作效率最低，通过膜组件的溶质浓度一直保持在最高水平度一直保持在最高水平(为浓缩产品浓度为浓缩产品浓度)，透过通量最小透过通量最小。浓缩操作浓缩操作过程过程资料仅供参考,不当之处，请联系改正。多级串联操作多级串联操作：提高透过通量。：提高透过通量。将多个膜组件串联，上一级膜组件的浓将多个膜组件串联，上一级膜组件的浓缩液进入下一级膜组件继续浓缩，最后一缩液进入下一级膜组件继续浓缩，最后一级膜组件的浓缩液达到所需的浓缩水平。级膜组件的浓缩液达到所需的浓缩水平。由于进入每一级膜组件的浓缩液浓度逐渐由于进入每一级膜组件的

46、浓缩液浓度逐渐升高，从而使操作过程的平均透过通量高升高，从而使操作过程的平均透过通量高于单级过程的透过通量。于单级过程的透过通量。 浓缩操作浓缩操作过程过程资料仅供参考,不当之处，请联系改正。多级串联连续操作多级串联连续操作资料仅供参考,不当之处，请联系改正。2洗滤洗滤(Diafiltration透滤透滤)洗滤操作目的：洗滤操作目的：除去菌体或高分子溶液除去菌体或高分子溶液中的小分子溶中的小分子溶质。质。洗滤过程中向原料罐连续加入水或缓冲洗滤过程中向原料罐连续加入水或缓冲液，若保持料液液，若保持料液量和透过通量不变，料液量和透过通量不变，料液体积体积V V越小，所需洗滤液体积越小，所需洗滤液体

47、积V VD D越小。洗滤越小。洗滤前首先稀释浓缩液，可减少洗滤液用量。前首先稀释浓缩液，可减少洗滤液用量。但浓缩后，目标产物浓度增大，透过通量但浓缩后，目标产物浓度增大，透过通量下降。所以，存在最佳料液浓度，使洗滤下降。所以，存在最佳料液浓度，使洗滤时间最短。时间最短。 洗滤洗滤资料仅供参考,不当之处，请联系改正。洗滤洗滤资料仅供参考,不当之处，请联系改正。四、超滤应用四、超滤应用超滤的工业应用有三类：浓缩；小分子超滤的工业应用有三类：浓缩；小分子溶质的分离；大分子溶质的分级。溶质的分离；大分子溶质的分级。1 1小分子生物产物的回收小分子生物产物的回收氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等氨基酸、

48、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵产品的相对分子质量在发酵产品的相对分子质量在2000以下，可以下，可选用选用MMCO为为11 0431 04的超滤膜，的超滤膜，可从发酵液中回收小分子发酵产物，然后可从发酵液中回收小分子发酵产物，然后利用反渗透法进行浓缩和除去相对分子质利用反渗透法进行浓缩和除去相对分子质量更小的杂质。量更小的杂质。 四、超滤应用四、超滤应用资料仅供参考,不当之处，请联系改正。 2蛋白质的回收、浓缩与纯化蛋白质的回收、浓缩与纯化蛋白质的透过与其相对分子质量、浓度、蛋白质的透过与其相对分子质量、浓度、带电性质以及膜表面的吸附层结构、溶液带电性质以及膜表面的吸附层结构、溶液的的pHpH

49、、离子强度和膜的孔径、结构有关。、离子强度和膜的孔径、结构有关。对特定的蛋白质，根据其分子特性，选对特定的蛋白质，根据其分子特性，选合适的膜，并对料液进行预处理合适的膜，并对料液进行预处理( (如调节如调节pHpH，离子强度等离子强度等) )，以提高目标产物的回收率。，以提高目标产物的回收率。选择适当选择适当MMCOMMCO的超滤膜，可进行蛋白质的超滤膜，可进行蛋白质的浓缩和去除其中的小分子物质，回收率的浓缩和去除其中的小分子物质，回收率可达可达9 59 5以上。以上。 四、超滤应用四、超滤应用资料仅供参考,不当之处，请联系改正。3中药有效成分和有效部位的分离纯化中药有效成分和有效部位的分离纯

50、化中药含有无机盐、生物碱、氨基酸和有机中药含有无机盐、生物碱、氨基酸和有机酸、酚类、酮类、皂苷、甾族和萜类化合物酸、酚类、酮类、皂苷、甾族和萜类化合物以及鞣质、蛋白质、淀粉、纤维素等，其分以及鞣质、蛋白质、淀粉、纤维素等，其分子量从几十到几百万道尔顿。药物有效成分子量从几十到几百万道尔顿。药物有效成分生物碱、黄酮、苷等的分子量较小，大多数生物碱、黄酮、苷等的分子量较小，大多数不超过不超过1000Da；分子量高的蛋白质、淀粉和；分子量高的蛋白质、淀粉和纤维素等非药用性成分或药用性较差的成分。纤维素等非药用性成分或药用性较差的成分。 四、超滤应用四、超滤应用资料仅供参考,不当之处，请联系改正。5.