浓缩程序理论（DOC 14页）.doc

天马行空官方博客：/tmxk_docin ;QQ:1318241189 浓缩 在生物程序中所生产的物质常溶在溶剂（水）中成稀薄的溶液，必须经过浓缩(concentrating)的过程将浓度提高。依照浓缩所需的能量大小次序为膜分离(membrane separation)、蒸发(evaporation)与冷冻浓缩(freeze concentration)等三种程序。本章将探讨膜分离与蒸发。冷冻浓缩是一种结晶分离的过程，待有机会探讨结晶时再行讨论。 膜分离 一、前言 膜分离（membrane separation）利用具有一定选择性透过特性的过滤介质进行物质的分离存化。膜在分离过程中，对于物质做识别与渗透使混合物中各组成分之间产生分离；作为分隔的界面，将透过液和保留液分为互不混合的两相；作为反应场，在膜表面及孔内表面含有与特定溶质具有相互作用能力的官能团，通过物理作用、化学反应或生化反应提高膜分离的选择性和分离速度。 二、膜分离法及其原理 膜分离法包含着非常丰富的内容，在生物分离领域应用的膜分离法包括微滤（Microfiltration，MF）、超滤（Ultra-filtration，UF）、逆渗透（Reverse osmosis，RO）、透析（Dialysis，DS）、电渗析（Electrodialysis，ED）和渗透汽化（Pervaporation，PV）等。 （一）渗透压与逆渗透 一个容器中间用一张半透膜隔开。半透膜可透过溶剂（水），但不能透过溶质。膜的两侧分别加入纯水和含溶质的水溶液，若膜两侧压力相等，在浓度差的作用下作为溶剂的水分子从溶质浓度低（水浓度高）的一侧向溶质浓度高的一侧透过，这种现象称为渗透。促使水分子透过的推动力称为渗透压。 溶质浓度越高，渗透压越大，水分子由渗透压小的一侧向渗透压大的方向移动。如果欲使高渗透压溶液中的溶剂（水）透过到低渗透压左侧，在右侧所施加的压力必须大于此渗透压，这种操作称为逆渗透。一般逆渗透的操作压力常达到几十个大气压。 图中侧1为纯水，右侧2为水溶液中间以渗透膜隔开，分别为溶质与溶剂的莫耳分率。水分子可以扩散通过渗透膜，而溶质分子无法透过。平衡时两侧的压力差称为渗透压(osmotic pressure) 因为其中为纯溶剂的莫耳体积。，为溶液中溶质的莫耳分率，在稀薄溶液时所以溶液的渗透压常表示成 ，或， 其中为溶质的莫耳浓度。 RO膜无明显的孔道结构，其透过机理尚不十分清楚。目前多采用热力学方法解释RO膜的透过机理，而不考虑膜的结构和性质，其中溶解-扩散模型简单实用。该溶质假设溶剂或溶质首先溶解在膜中，然后扩散通过RO膜。 （二）超滤和微滤 与RO膜一样，超滤（UF）和微滤（MF）都是利用膜的筛分性质，以压差为传质推动力。但与RO膜相比，UF膜和MF膜具有明显的孔道结构，主要用于截留高分子溶质或固体微粒。UF膜的孔径较MF膜小，主要用于处理不含固形成份的液料，其中分子量较小的溶质和水分透过膜，而分子量较大的溶质备截留。因此，超滤是根据高分子溶质之间或高分子与小分子溶质之间分子量的差别进行分离的方法。超滤过程中，膜两侧渗透压差较小，所以操作压力比逆渗透操作低，一般为0.1~1.0MPa。微滤一般用于悬浮液（粒子粒径为0.1~数μ）的过滤，在生物分离中，广泛用于菌体的分离和浓缩。微滤过程中膜两侧的渗透压差可忽略不计，由于膜孔径较大，操作压力比超滤更小，一般为0.05~0.5MPa。RO法适用于1nm以下小分子的浓缩；UF法适用于分离或浓缩直径1~50nm的生物大分子（蛋白质、病毒等）；MF法适用于细胞、细菌和微粒子的分离，目标物质的大小范围为0.01μm~10μm。 （三）透析 利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜将含有高分子溶质和其它小分子溶质的溶液（左侧）与纯水或缓冲液（右侧）分隔，由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，左侧高分子溶液中的小分子溶质（例如无机盐）透向右侧，右侧中的水透向左侧，这就是透析。 透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。在生物分离方面，主要用于生物大分子溶液的脱盐。由于透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过通量很小，不适用于大规模生物分离过程，而在实验室中应用较多。 （四）电渗析 电渗析是利用分子的荷电性质和分子大小的差别进行分离的膜分离法，可用于小分子电解质（例如氨基酸、有机酸）的分离和溶液的脱盐。电渗析操作所用的膜材料为离子交换膜，即在膜表面和孔内共价键合有离子交换基团，如磺酸基（－SO3-）等酸性阳离子交换基和季铵基（─N+R3）等碱性阴离子交换基。键合阳离子交换基的膜称作阳离子交换膜，键合阴离子交换基的膜称作阴离子交换膜。在电场的作用下，前者选择性透过阳离子，后者选择性透过阴离子。 电渗析在工业上多用于海水和卤水的淡化以及废水处理。作