生物分离工程 膜分离技术.pptxVIP

第1页/共129页生物分离工程 膜分离技术第2页/共129页授课内容各种膜分离法及其原理膜材料及其特性膜组件操作特性膜的污染与清洗第3页/共129页学习目的和要求 在掌握各种膜分离方法和原理的基础上，进一步了解膜特性及操作特点和影响膜分离速度的因素以及膜分离过程。清楚膜分离法在生物产物回收和纯化方面的应用。 第4页/共129页1、引言（1）膜的概念 在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，其把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体被膜分开的流体相物质是液体或气体膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜第5页/共129页（2）膜分离 膜分离是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纯化。第6页/共129页（3）膜分离技术膜分离技术：利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。第7页/共129页（4）分离过程中膜的功能 物质的识别和透过 是使混合物中各组分之间实现分离的内在因素；界面 提供一种状态，将透过液和保留液分为互不混合的两相反应场 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、化学或生化反应提高膜分离的选择性和分离度； 第8页/共129页（5）膜的分类按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜第9页/共129页2、各种膜分离方法及其原理微滤和超滤反渗透透析纳滤电渗析渗透气化第10页/共129页要求 学习要求：各种膜分离法及其原理理解：微滤、超滤、反渗透、透析、电渗析和渗透汽化等方法的原理应用：掌握各种膜的应用范围第11页/共129页膜分离技术的类型和定义膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进行分类：微滤（MF）：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力差为推动力，使不溶性物质得以分离的操作，孔径分布范围在0.025~14μm之间；超滤（UF）：分离介质同上，但孔径更小，为0.001~0.02 μm，分离推动力仍为压力差，适合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质；第12页/共129页反渗透（RO）：是一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作，孔径范围在0.0001 ~0.001 μm之间；（由于分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，故而成为反渗透）；纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离300~1000小分子量的膜分离过程，孔径分布在平均2nm；电渗析：以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作；第13页/共129页悬浮颗粒微滤超滤大分子有机物糖类等小分子有机物，二价盐或多价盐纳滤单价盐反渗透各种膜的分离特性水第14页/共129页各种膜分离方法的应用范围第15页/共129页（1）渗透和渗透现象水分子透过半透膜由纯水迁移到盐水溶液中的现象叫做渗透第16页/共129页第17页/共129页渗透与反渗透第18页/共129页渗透压 随着渗透过程进行，通过半透膜进入盐水溶液中的水分子与通过半透膜离开盐水溶液的水分子相等，所以它们处于动态平衡。此时，盐水溶液和纯水间的液面差表示盐水的渗透压。 渗透压的大小与盐水的浓度直接相关。 第19页/共129页反渗透的概念 在外加压力驱动下借助半透膜的选择截留作用溶剂由高浓度溶液透过半膜向低浓度渗透称为反渗透 第20页/共129页反渗透原理 根据不可逆过程的热力学，非离子型溶剂的摩尔通量N1与化学势梯度成正比，溶剂的摩尔通量：溶剂的质量通量：第21页/共129页反渗透原理 溶质传质的主要推动力在于浓差。根据Fick定律，其摩尔通量为 溶剂溶质摩尔通量：质量通量：体积通量：第22页/共129页反渗透原理 提高反渗透操作压力有利于实现溶质的高度浓缩。第23页/共129页（2）超滤和微滤的概念超滤 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。微滤 微滤是一种从悬浮液中分离固形成分的方法，是根据料液中的固形成分与溶液溶质在尺寸上的差异进行分离的方法 第24页/共129页超滤原理超滤膜一般为非对称膜，具有较小的孔径（约为10一200?），能够截留分子量为0.5kDa以上的溶质分子或生物大分子。料液在压力差作用下，其中溶剂透过膜上的微孔形成透过液；而大分子溶质则被截留，从而实现料液中大分子溶质和溶剂间的分离。超滤膜对溶质的截留机理主要是筛分作用，超滤膜的膜孔大小和形状决定超滤膜的截留效果。除此以外，溶质大分子在膜表面和孔道内的吸附和滞留也具有截留溶质大分子的作用。超滤所用操作压差在0.1~1.0 MPa之间。第2