膜分离技术研究进展培训课件PPT(36张)
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膜分离ppt课件
2
膜分离技术的重要性评论
美国官方文件曾说"18世纪电器改变了整个工业进程，而20世 纪膜技术将改变整个面貌”，又说“目前没有一种技术，能 像膜技术这么广泛地被应用”。
国外有关专家夸大地把膜技术的发展称为“第三次工业革命” 日本则把膜技术作为21世纪的基盘技术进行研究和开发。 在1987年日本东京国际膜与膜过程会议上，明确指出“在21
世纪多数工业中，膜过程扮演着战略的角色”。 世界著名的化工与膜专家，美国国家工程院院士，北美膜学
会会长黎念之博士在 1994年应邀访问我国化工部及所属大学 时说：“要想发展化工就必须发展膜技术”。 他也非常赞同国际上流行的说法“谁掌握了膜技术，谁就掌 握了化工的未来”。
3
4
§4.1 概述
H OH
OH H
H
H H
O
O
CH2OH
H
CH2OH
O
H
O
OH
H H
H OH
n_ 2 2
H OH
OH H
H H
H
O OH
CH2OH
20
醋酸纤维素膜的结构示意图
表皮层，孔径
1%
（8－10）×10-10m
99％
过渡层，孔径 200×10-10m
多孔层，孔径 （1000－4000） ×10-10m
21
聚砜类
复合膜 转相膜
非荷电膜
复合膜 转相膜
多孔膜 不对称膜
膜
固膜
对称膜
无机膜-多孔膜
不对称膜 对称膜
生物膜（原生质、细胞膜）
15
对称膜
荷电膜 液膜
不对称膜 非对称膜
复合膜
对称膜的曲孔道 结构示意图
膜分离技术的重要性评论
美国官方文件曾说"18世纪电器改变了整个工业进程，而20世 纪膜技术将改变整个面貌”，又说“目前没有一种技术，能 像膜技术这么广泛地被应用”。
国外有关专家夸大地把膜技术的发展称为“第三次工业革命” 日本则把膜技术作为21世纪的基盘技术进行研究和开发。 在1987年日本东京国际膜与膜过程会议上，明确指出“在21
世纪多数工业中，膜过程扮演着战略的角色”。 世界著名的化工与膜专家，美国国家工程院院士，北美膜学
会会长黎念之博士在 1994年应邀访问我国化工部及所属大学 时说：“要想发展化工就必须发展膜技术”。 他也非常赞同国际上流行的说法“谁掌握了膜技术，谁就掌 握了化工的未来”。
3
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§4.1 概述
H OH
OH H
H
H H
O
O
CH2OH
H
CH2OH
O
H
O
OH
H H
H OH
n_ 2 2
H OH
OH H
H H
H
O OH
CH2OH
20
醋酸纤维素膜的结构示意图
表皮层，孔径
1%
（8－10）×10-10m
99％
过渡层，孔径 200×10-10m
多孔层，孔径 （1000－4000） ×10-10m
21
聚砜类
复合膜 转相膜
非荷电膜
复合膜 转相膜
多孔膜 不对称膜
膜
固膜
对称膜
无机膜-多孔膜
不对称膜 对称膜
生物膜（原生质、细胞膜）
15
对称膜
荷电膜 液膜
不对称膜 非对称膜
复合膜
对称膜的曲孔道 结构示意图
《膜分离技术》课件
控制运行参数
根据实际运行情况，调整压力、流量等运行 参数，优化处理效果。
应急处理
针对突发故障或水质异常情况，采取相应的 应急处理措施，确保系统稳定运行。
04
膜分离技术的优势与局限 性
优势
高效分离
膜分离技术能够高效地分离混合物中 的不同组分，实现高纯度产品的制备 。
节能环保
膜分离过程通常在常温下进行，能耗 较低，且不产生有害物质，符合绿色 环保理念。
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THANKS
膜分离技术需要使用特定的化学品进行清洗和维护，因此化学品成本 也是需要考虑的因素。
环境效益分析
减少污染排放
膜分离技术可以有效地减少工业 废水中的有害物质排放，减轻对 环境的污染。
节约资源
膜分离技术可以提高资源的利用 率，减少浪费，对环境保护具有 积极的影响。
提高生产效率
膜分离技术可以优化生产流程， 提高生产效率，降低能耗和资源 消耗，从而减少对环境的负面影 响。
特点
孔径分布均匀、过滤精度 高、阻力小。
03
膜分离技术的工艺流程
原水预处理
去除大颗粒杂质
通过过滤、沉淀等方法去除原水中较大的颗粒、悬浮物和杂质。
降低浊度
通过加入絮凝剂、沉淀等方法降低原水的浊度，提高水质清晰度。
调节pH值
根据不同膜材料的特性，通过加酸或加碱调节原水的pH值至适宜 范围。
膜组件的安装与调试
2
膜分离技术可以有效地去除医药产品中的杂质和 有害物，膜分离技术的应用前 景越来越广阔，为新药研发和生产提供了新的技 术支持。
06
膜分离技术的经济效益分 析
投资成本分析
设备购置成本
膜分离技术的设备购置成本较高，包括膜组件、泵、管道等。
膜分离技术.ppt
新的液膜体系
• 流动液膜(包容液膜)
R：接受相 F：料液 M：液膜
优点：减少膜液从微孔中流失
液体薄膜渗透萃取
Ｆ：料液 Ｒ：接受相 Ｍ：膜相
优点：传质通量较高，可以长期稳定地实现 连续操作。
内耦合萃反交替分离 （inner-coupled extraction-stripping process）
特点：超滤的优点是没有相的转移，无需添 加任何强烈化学物质，可以在低温下操作，过 滤速度较快，便于做无菌处理等
超滤膜对某一溶质的阻止程度可表示为： R = (1－Cp / Cf) × 100
Cp 和Cf分别是溶质在过滤产物中和原料中的浓度
二、超滤装置
（一）超滤膜组件 1、管式膜组件 2、平板式膜组件 3、螺旋卷式膜组件 4、中空纤维式膜组件
（二）超滤器
三、超滤操作
超滤技术≠超滤膜/超滤组件
影响超滤的主要因素：
1. 料液流速 2 . 操作压力
3 . 温度 4. 运行周期
随着超滤过程的进行，在膜表面逐渐形成凝胶层， 使透过通量下降，当通量达到某一最低数值时，就需 要进行冲洗，这段时间成为运行周期。运行周期的变 化与清洗情况有关。
•单位体积内的膜面积大，极大的渗透性
液膜相对离子交换树脂优点
• 设备简单 • 化学药品用量少 • 更具选择性
液膜优点
是一种简单、高效、专一、快速、 经济、节能，具有实现机械化、连 续化、自动化潜力的多用途新型分 离工艺
பைடு நூலகம் 液膜分离难点
• 液膜的不稳定性及其寿命问题 • 对不同的物质其液膜溶液配制均不相同，且无 完整的规律可循 • 选用同时满足液膜分离所需的溶解性、络合性 和选择性要求是流动载体是不容易的 • 液膜处理的对象只限于溶液体系等。
膜分离技术PPT
优化膜结构
通过改变膜孔径、孔道形状和分布等结构参数，提高 膜的分离性能和通量。
强化传质过程
采用促进传递、电场辅助等方法强化传质过程，提高 分离效率。
降低能耗
优化操作条件，如降低操作压力、提高操作温度等， 以降低膜分离过程的能耗。
面临挑战及解决思路
膜污染问题
开发抗污染膜材料、优化操作条件和 采用清洗技术等措施减轻膜污染问题。
石油化工
用于油品脱硫、脱蜡、脱色等石油加工过程，以及化工原料的分 离和提纯。
环保领域
应用于废气处理、重金属回收、垃圾渗滤液处理等环保工程。
05 膜污染与防治策略
膜污染类型及成因分析
无机物污染
由水中的金属离子、矿物质等无机物在膜表面积聚形成，降低膜的 通量。
有机物污染
水中的有机物，如腐殖质、蛋白质等，在膜表面吸附和沉积，导致 膜孔堵塞。
污水处理
采用膜生物反应器（MBR） 技术，结合膜分离和生物 处理，提高污水处理效率 和水质。
气体分离领域应用实例
氧气、氮气分离
工业气体分离
利用气体分离膜的选择透过性，从空 气中分离出氧气和氮气。
应用于合成气、氨分解气等工业气体 的分离和纯化。
天然气处理
通过膜分离技术去除天然气中的二氧 化碳、硫化氢等酸性气体，提高天然 气品质。
创新膜制备技术展望
1 2
3D打印技术
利用3D打印技术实现膜材料的精确控制和复杂 结构的制造，提高膜的分离性能和机械强度。
表面改性技术
通过表面涂覆、接枝等方法对膜表面进行改性， 提高膜的选择性、通量和抗污染性能。
3
纳பைடு நூலகம்技术
利用纳米技术制造纳米孔道或纳米结构，提高膜 的分离精度和效率，同时降低能耗。
通过改变膜孔径、孔道形状和分布等结构参数，提高 膜的分离性能和通量。
强化传质过程
采用促进传递、电场辅助等方法强化传质过程，提高 分离效率。
降低能耗
优化操作条件，如降低操作压力、提高操作温度等， 以降低膜分离过程的能耗。
面临挑战及解决思路
膜污染问题
开发抗污染膜材料、优化操作条件和 采用清洗技术等措施减轻膜污染问题。
石油化工
用于油品脱硫、脱蜡、脱色等石油加工过程，以及化工原料的分 离和提纯。
环保领域
应用于废气处理、重金属回收、垃圾渗滤液处理等环保工程。
05 膜污染与防治策略
膜污染类型及成因分析
无机物污染
由水中的金属离子、矿物质等无机物在膜表面积聚形成，降低膜的 通量。
有机物污染
水中的有机物，如腐殖质、蛋白质等，在膜表面吸附和沉积，导致 膜孔堵塞。
污水处理
采用膜生物反应器（MBR） 技术，结合膜分离和生物 处理，提高污水处理效率 和水质。
气体分离领域应用实例
氧气、氮气分离
工业气体分离
利用气体分离膜的选择透过性，从空 气中分离出氧气和氮气。
应用于合成气、氨分解气等工业气体 的分离和纯化。
天然气处理
通过膜分离技术去除天然气中的二氧 化碳、硫化氢等酸性气体，提高天然 气品质。
创新膜制备技术展望
1 2
3D打印技术
利用3D打印技术实现膜材料的精确控制和复杂 结构的制造，提高膜的分离性能和机械强度。
表面改性技术
通过表面涂覆、接枝等方法对膜表面进行改性， 提高膜的选择性、通量和抗污染性能。
3
纳பைடு நூலகம்技术
利用纳米技术制造纳米孔道或纳米结构，提高膜 的分离精度和效率，同时降低能耗。
膜分离技术 PPT课件
3 核孔滤膜有极平滑的表面，同一面上高低之差小于0.3μm， 为作显微分析提供了十分理想的背景，过滤后可就地观测。
4 聚碳酸酯核孔滤膜不易染色，可以选择性地将滤膜表面的生 物有机物染色，使图像更为清晰。
5 聚碳酸酯核孔滤膜有较好的化学稳定性和热稳定性。能够在 1210C温度下重复地高压消毒。
6 核孔滤膜有较高的强度和韧性。它能够弯曲、折叠而不断裂。
（3） L-S相转化法
荷电材料通过L-S相转化法直接成膜。
2020/5/20
现代食品分离技术（3）
28
5 烧结法
2020/5/20
现代食品分离技术（3）
29
6 蚀刻法
当具有一定能量的带电粒子进人塑料
薄膜等绝缘固体时，它在所经过的路径上 使周围的分子电离、激发，聚合物分子的 长链断裂，并生成自由基，形成辐射损伤 区——径迹。受辐射损伤的分子较正常分 子更易被化学蚀刻剂所溶解，故辐照后经 化学腐蚀，可在薄膜上得到形状、尺寸比 较整齐的孔洞 。
24
2 相转化（L-S法）
将高分子溶液浸入非溶剂浴中，高分子 聚合物在界面快速析出，形成极薄的致密层， 而在致密层的下面形成了多孔层，这种外密 内疏的界面即是膜的基本结构。
L-S法是相转移方法中最重要和简便的方 法。是制膜技术发展史上的里程碑。迄今， 反渗透、超滤、气体分离等所用膜大都用此 法 制 造 。 L-S 法 制 成 的 膜 ， 分 离 层 仅 0.1 一 1μm，透过阻力小。
2020/5/20
现代食品分离技术（3）
21
按制造方法分
• 流涎膜：醋酸纤维素平板膜等。 • 浇铸膜：醋酸纤维素平板膜等。 • 延展膜：金属致密膜等。 • 纺丝膜：中空纤维膜、毛细管膜。 • 天然生物膜：直接（改性）利用。
4 聚碳酸酯核孔滤膜不易染色，可以选择性地将滤膜表面的生 物有机物染色，使图像更为清晰。
5 聚碳酸酯核孔滤膜有较好的化学稳定性和热稳定性。能够在 1210C温度下重复地高压消毒。
6 核孔滤膜有较高的强度和韧性。它能够弯曲、折叠而不断裂。
（3） L-S相转化法
荷电材料通过L-S相转化法直接成膜。
2020/5/20
现代食品分离技术（3）
28
5 烧结法
2020/5/20
现代食品分离技术（3）
29
6 蚀刻法
当具有一定能量的带电粒子进人塑料
薄膜等绝缘固体时，它在所经过的路径上 使周围的分子电离、激发，聚合物分子的 长链断裂，并生成自由基，形成辐射损伤 区——径迹。受辐射损伤的分子较正常分 子更易被化学蚀刻剂所溶解，故辐照后经 化学腐蚀，可在薄膜上得到形状、尺寸比 较整齐的孔洞 。
24
2 相转化（L-S法）
将高分子溶液浸入非溶剂浴中，高分子 聚合物在界面快速析出，形成极薄的致密层， 而在致密层的下面形成了多孔层，这种外密 内疏的界面即是膜的基本结构。
L-S法是相转移方法中最重要和简便的方 法。是制膜技术发展史上的里程碑。迄今， 反渗透、超滤、气体分离等所用膜大都用此 法 制 造 。 L-S 法 制 成 的 膜 ， 分 离 层 仅 0.1 一 1μm，透过阻力小。
2020/5/20
现代食品分离技术（3）
21
按制造方法分
• 流涎膜：醋酸纤维素平板膜等。 • 浇铸膜：醋酸纤维素平板膜等。 • 延展膜：金属致密膜等。 • 纺丝膜：中空纤维膜、毛细管膜。 • 天然生物膜：直接（改性）利用。
第二章 膜分离技术 PPT课件
第二章 膜分离技术
第一节 概
述
• 一、膜分离技术的发展简史 • 1784年，法国学者Abble Nelkee发现水能自然地 扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内，首次揭示了膜 分离现象。 • 1855年，Fick制成超滤半透膜。 • 1861年，Thomas Graham发现了透析现象。 • 20世纪60年代中期，膜分离技术的发展进入了新 时代。 Reid、Sourirajan等 。 • 20世纪80年代以来，膜技术进入高速发展阶段。 • 20世纪90年代以来，膜技术的发展相对较为平稳。
膜两侧蒸汽压 组分的挥发性 挥发性大的组 挥发性小的组 疏水性膜 差 差异进行分离 分 分 化学反应和浓 根据反应促进 电解质离子 度差 传递和扩散传 递进行分离
Hale Waihona Puke 非电解质离子 乳状液膜、 支撑液膜
七、膜分离的优点
在常温下进行
有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质，如抗生素等医药 、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩
五、表征膜性能的参数
膜的物化稳定性：膜的强度、允许使用的压 力、温度、pH以及对有机溶剂和化学药品 的耐受力，是决定膜使用寿命的主要因素。 膜的分离性能 1 c 1.分离效率：表观截留率 Re c 100 % Jw=V/St 2.渗透通量： 3.通量衰减系数： Jt=J1tn
p b
无机多孔膜的三种结构
三、膜材料
有机膜材料 1．纤维素衍生材料：醋酸纤维素、硝酸纤维 素等。 2. 聚砜:性能优于纤维素 3. 其它高分子材料：较高的机械强度，耐pH 范围宽及较耐高温 无机膜材料 金属、金属化合物、陶瓷、玻璃以及沸石等。
醋酸纤维素膜材料的特点
（1）同时兼有滤液流量高和截留性能好两大优点。 （2）原料来源丰富，价格低廉，可生物降解。 （3）不耐高温，耐游离氯低于1 mg/kg，耐pH 2~8。 （4）易被细菌和酶所降解。 （5）压力长时间作用下膜结构会变得紧密而使截留 量下降。
第一节 概
述
• 一、膜分离技术的发展简史 • 1784年，法国学者Abble Nelkee发现水能自然地 扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内，首次揭示了膜 分离现象。 • 1855年，Fick制成超滤半透膜。 • 1861年，Thomas Graham发现了透析现象。 • 20世纪60年代中期，膜分离技术的发展进入了新 时代。 Reid、Sourirajan等 。 • 20世纪80年代以来，膜技术进入高速发展阶段。 • 20世纪90年代以来，膜技术的发展相对较为平稳。
膜两侧蒸汽压 组分的挥发性 挥发性大的组 挥发性小的组 疏水性膜 差 差异进行分离 分 分 化学反应和浓 根据反应促进 电解质离子 度差 传递和扩散传 递进行分离
Hale Waihona Puke 非电解质离子 乳状液膜、 支撑液膜
七、膜分离的优点
在常温下进行
有效成分损失极少，特别适用于热敏性物质，如抗生素等医药 、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩
五、表征膜性能的参数
膜的物化稳定性：膜的强度、允许使用的压 力、温度、pH以及对有机溶剂和化学药品 的耐受力，是决定膜使用寿命的主要因素。 膜的分离性能 1 c 1.分离效率：表观截留率 Re c 100 % Jw=V/St 2.渗透通量： 3.通量衰减系数： Jt=J1tn
p b
无机多孔膜的三种结构
三、膜材料
有机膜材料 1．纤维素衍生材料：醋酸纤维素、硝酸纤维 素等。 2. 聚砜:性能优于纤维素 3. 其它高分子材料：较高的机械强度，耐pH 范围宽及较耐高温 无机膜材料 金属、金属化合物、陶瓷、玻璃以及沸石等。
醋酸纤维素膜材料的特点
（1）同时兼有滤液流量高和截留性能好两大优点。 （2）原料来源丰富，价格低廉，可生物降解。 （3）不耐高温，耐游离氯低于1 mg/kg，耐pH 2~8。 （4）易被细菌和酶所降解。 （5）压力长时间作用下膜结构会变得紧密而使截留 量下降。
膜分离 (Membrane Separation)PPT课件
Na+ +
固定离子
Cl-
正极 阴离子交换膜 负极
高分子膜中间有足够大的孔隙，水中的离子 在膜孔隙通道（比膜厚度大得多）中电迁移运 动。例如，在水溶液中, 阴离子交换膜的活性 基团会发生离解，留下的是带正电荷的固定基 团，构成了强烈的正电场。在外加直流电场作 用下，根据异电相吸原理，溶液中带负电的阴 离子就可被它吸引、传递而通过离子交换膜到 另一侧，而带正电荷的阳离子则离子膜上固定 负电荷基团的排斥不能通过交换膜。
静压膜分离操作
1) 膜的选择性
2) 常用被分离溶质的截留率/去留率表示：
3)
R = (CF－CP)/ CF×100%
4) CF：原液浓度, CP：透过液中溶质浓度。
2) 浓度极化现象
通常沉淀溶液过滤时会出现“滤饼”现象, 使滤膜
孔洞受阻变小, 流速变慢。
对于实际过程, 膜的排除率应修正为：
(CM －CP) / (CF－CP) = exp (JV /k) JV ： 膜 透 过 流 束 (cm2/cm·s) ； k ： 物 质 移 动 系 数
根据溶质与流动载体之间的可逆化学反应提出了促进传递概念上世纪60年代中期bloch等采用支撑液膜研究了金属提取过程黎念之发明乳化液膜推演出了促进传递膜的新概念并导致了后来各种新型液膜的发明?湿法冶金?废水处理?核化工?气体分离?有机物分离?生物制品分离与生物医学分离?化学传感器与离子选择性电极液膜过程和萃取类似但它的萃取与反萃取分别发生在膜的两侧界面溶质从料液相萃入膜相并扩散到膜相另一侧再被反萃入接收相由此实现萃取与反萃取的内耦合
应用：
➢ 低聚糖的分离和精制 ➢ 果汁的高浓度浓缩
多肽和氨基酸的分离
离子与荷电膜之间存在道南(Donnan) 效应,即相同电荷排斥 而相反电荷吸引的作用。氨基酸和多肽在等电点时是中性的, 当高于或低于等电点时带正电荷或负电荷。由于一些纳滤膜带 有静电官能团, 基于静电相互作用, 对离子有一定的截留率, 可 用于分离氨基酸和多肽。纳滤膜对于处于等电点状态的氨基酸 和多肽等溶质的截留率几乎为零, 因为溶质是电中性的并且大 小比所用的膜孔径要小。而对于非等电点状态的氨基酸和多肽 等溶质的截留率表现出较高的截留率, 因为溶质离子与膜之间 产生静电排斥, 即Donnan 效应而被截留。
《膜分离技术》PPT课件
蛋白质、无机盐
缓冲液
精选ppt
无机盐
34
2. 微 滤
以多孔薄膜为过滤介质，压力差为推动力，利用 筛分原理使不溶性粒子（0.1-10um）得以分离的 操作。操作压力0.05-0.5MPa。
精选ppt
35
• 微滤应用 1) 除去水/溶液中的细菌和其它微粒； 2) 除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白 质等多种溶液中的菌体； 3) 除去饮料、酒类、酱油、醋等食品中的 悬浊物、微生物和异味杂质。
F
精选ppt
11
17.1 膜材料 与膜的制造
精选ppt
12
膜材料的特性
• 对于不同种类的膜都有一个基本要求：
– 耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压 力，一般膜操作的压力范围在0.1~0.5MPa，反渗透 膜的压力更高，约为1~10MPa
– 耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要 – 耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解； – 化学相容性：保持膜的稳定性； – 生物相容性：防止生物大分子的变性； – 成本低；
孔膜，其孔隙大小在电镜的分辨范围内。
精选ppt
28
4完整性试验
• 本法用于试验膜和组件是 否完整或渗漏。
• 将超滤器保留液出口封闭， 透过液出口接上一倒置的 滴定管。自料液进口处通 入一定压力的压缩空气， 当达到稳态时，测定气泡 逸出速度，如大于规定值， 表示膜不合格。
× 保留液 出口封闭
压缩空气
• 透析过程中透析膜内无流体流动，溶质 以扩散的形式移动。
精选ppt
32
透析原理图
大分子
透析膜 小分子
水分子
精选ppt
33
透析法的应用
常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之类 的小分子杂质，
缓冲液
精选ppt
无机盐
34
2. 微 滤
以多孔薄膜为过滤介质，压力差为推动力，利用 筛分原理使不溶性粒子（0.1-10um）得以分离的 操作。操作压力0.05-0.5MPa。
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35
• 微滤应用 1) 除去水/溶液中的细菌和其它微粒； 2) 除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白 质等多种溶液中的菌体； 3) 除去饮料、酒类、酱油、醋等食品中的 悬浊物、微生物和异味杂质。
F
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17.1 膜材料 与膜的制造
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12
膜材料的特性
• 对于不同种类的膜都有一个基本要求：
– 耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压 力，一般膜操作的压力范围在0.1~0.5MPa，反渗透 膜的压力更高，约为1~10MPa
– 耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要 – 耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解； – 化学相容性：保持膜的稳定性； – 生物相容性：防止生物大分子的变性； – 成本低；
孔膜，其孔隙大小在电镜的分辨范围内。
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28
4完整性试验
• 本法用于试验膜和组件是 否完整或渗漏。
• 将超滤器保留液出口封闭， 透过液出口接上一倒置的 滴定管。自料液进口处通 入一定压力的压缩空气， 当达到稳态时，测定气泡 逸出速度，如大于规定值， 表示膜不合格。
× 保留液 出口封闭
压缩空气
• 透析过程中透析膜内无流体流动，溶质 以扩散的形式移动。
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32
透析原理图
大分子
透析膜 小分子
水分子
精选ppt
33
透析法的应用
常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之类 的小分子杂质，
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发酵-渗透汽化分离耦合生产燃料乙醇
0.5 %乙醇循环或排放 优先透水 渗透汽化 90-95 % 乙醇 > 99% 乙醇
常规乙醇发酵
生物质 进料
优先透醇 渗透汽化 7-10 %乙醇
工艺存在的主要 问题
产物抑制作用
能耗高，成本偏 高
5-10 %乙 醇蒸汽
发酵罐
> 30 % 乙醇 5 %乙醇循环
发酵－膜分离耦合技术
生物反应和分离耦合的发展
与工业生物技术 的兴起密切相关 分离技术的进步 促进了发展 三个主要技术： 萃取、膜分离、吸附
世界专利
250 207 200 150 100 59 50 11 0 13 11 1991-1995 1996-2000 2001-2005
1981-1985 1986-1990
• 流动相超滤技术 (Carrier phase ultrafiltration)
水分子
膜
醇分子
膜分离技术优点
占地少，处理效率高，设备易于放大； 条件温和，可在室温或低温下操作，适宜于 热敏感物质分离浓缩； 化学与机械剪切作用小，减少失活； 无相转变（除渗透气化外），节能； 有相当好选择性，可在分离、浓缩的同时达 到部分纯化目的；
系统可密闭循环，防止外来污染；易于和反 应或其他分离过程集成和耦合。
主要问题 1. 乙醇浓度低2~4% 2. 能耗高
3. 效益差
乙醇起始浓度对乙醇蒸馏能耗的影响
热
秸秆乙醇 (2-4%)
精馏等 生 物 乙 烯 燃 料 乙 醇 提高乙醇蒸馏起始浓度 是降低能耗的关键!!!
BTU PER POUND OF ETHANOL PRODUCED
浓缩乙醇 (20-95%)
10%
- 需要大量的实验工作
- 需要消耗一定量的蛋白质 - 费时，同时成本高
因此，急需开发新的实验技术快速判定给定膜的适用性，并能 经济，方便，快速地优化超滤分离蛋白质的操作条件。
超滤过程优化实验新技术
• 脉冲进样技术 (Pulsed sample injection technique)
2000年由Ghosh and Cui 提出 (J Membr Scodification
Nutrients Oxygen
Fermentation
Microbes
Happy growing
Drug producing
Downstream Processing
Remove cells/debris Smash the microbes Kill the microbes
分馏塔
主要技术指标
其乙醇渗透通量 >1000 g/m2h，选择 性 >15
发酵
渗透汽化—分馏
渗透汽化脱水
优先透醇渗透汽
关键技术： （1）优先透醇膜的研制 （2）过程优化
化后透过液的乙醇 浓度达30-60%
超滤分离蛋白质
超滤法分离纯化蛋白的过程优化
• 筛选合适的膜 • 优化操作条件
- 需要对每个参数逐个进行系统的实验
L: Positively charged lysozyme layer
渗透气化分离原理
它的基本原理是利用膜与被分离有机液体混和物中各组份的亲
合力不同而有选择地优先吸附溶解某一组份，及各组份在膜中扩散 速度不同来达到分离的目的，因此它不存在蒸馏法中的共沸点的限
制，可连续分离、浓缩，直至得到纯有机物。
膜筛分分离机理
电荷作用膜分离机理
Membrane
膜－溶 质电荷 相互作 用
C
E
L
Positively charged lysozyme
Negatively charged CEA
溶质－ 溶质电 荷相互 作用
C: Convective force;
E: Electrostatic force;
化学工程设计专业委员会成立大会暨 全国化工化学工程设计技术中心站年会
2007年11月18 - 22日，桂林
膜分离技术研究进展
万印华
中国科学院过程工程研究所 生化工程国家重点实验室 Email: yhwan@
膜分离技术的地位和影响
美国官方文件曾说"18世纪电器改变了 整个工业进程，而20世纪膜技术将改 变整个面貌”，“目前没有一种技术 ，能像膜技术这么广泛地被应用” 日本和欧洲则把膜技术作为21世纪的 基盘技术进行研究和开发 “谁掌握了膜技术，谁就掌握了化学 工业的未来”- Norman N. Li，美国 科学院院士，著名华裔科学家 膜分离已得到广泛应用。21世纪是工 业生物技术的世纪，膜技术将扮演重 要角色
渗透汽化(Pervaporation，简称PV)是一种新型膜 分离技术，是在液体混合物中组分蒸汽压差推动 下，利用不同组分在特定聚合物/无机膜中溶解 与扩散速率不同来实现不同组分分离的目的 适合具有一定挥发性物质的分离，从混合物中分 离出少量物质 按功能分：优先透水膜、优先透有机物膜和有机 物分离膜 其突出的优点是能够以低的能耗实现蒸馏、萃取、 吸附等传统的方法难于完成的分离任务
16%
超高能量消耗
6%
原料乙醇液浓度
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
MASS FRACTION OF ETHANOL IN FEED
通过精馏从不同原始浓度提升到90%的能量消耗 （Aldrldge et al., Ind. Eng. Chem. Process. Des. Dev. 1984. 23：733）
年份
国际专利申请数量
存在的问题
分离设备：较难满足发酵过程 分离介质：对细胞存在毒害作用 分离过程：不能有效移走抑制物
秸秆发酵生产生物乙醇
秸秆
组分 分离 木质素 半纤维 素
寡糖植保素 可降解材料 生物农药 地膜材料
高效纤维素酶 剩 余 物 转 化
系统能 量自供
纤维素 固态发酵
酒精 乙烯
有机肥 生物饲 料
Concentrate and Purify the product
Formulate product
Market
压力驱动膜分离示意简图
Pressure
MF 0.1 mm - 10 mm UF 5 - 100 nm (10kD - 1MD) NF < 5 nm (MW 200D - 10kD)
渗透汽化膜分离的应用