Chapter_4_生物分离--膜分离
《生物分离技术》教学大纲
《生物分离技术》教学大纲课程编号：0241005课程性质：专业特色课学时/学分：32/2适用专业：生物工程；生物制药一、课程简介《生物分离技术》是一门研究生物分离过程基本原理及规律的学科，是生物工程专业中的一门重要的技术基础课程。
生物分离技术主要研究生化工程中生物制品的分离和纯化，课程主要讲授传质与生化分离工程的原理和应用，以及生化分离过程中一些主要的分离单元操作和分离工程领域的研究进展及其动态。
《生物分离技术》的教学内容，以不溶物去除、粗分离、纯化和精制的四个阶段来展示生物分离过程的基本原理与应用实践，主要教学内容涉及发酵液的预处理、细胞破碎、萃取法、离子交换法、吸附法、层析分离法、膜分离法、结晶和干燥等单元操作原理及其在生物工程技术领域的应用。
Bioseparation Technology is a course related to the basic principles and rules of bio-separation processes,which is a fundamental course for the students of bioengineering.Bioseparation technology mainly focus on separation and purification of bioproducts from bioprocesses.This course covers theories related to bioseparation engineering and its applications,unit operations, and recent advances in bioseparation engineering area.The content of Bioseparation Technology includes four parties,such as removal of insoluble substances,crude separation,purification and refining.All of them demonstrate the details of bioseparation process and its application practices,including pretreatment of fermentation broth, cell disruption,solvent extraction,ion exchange,adsorption,chromatography,membrane separation,crystallization and drying unit operation.二、教学目的与要求课程的目的通过理论学习，扩大学生对生物分离技术的认识，培养生物提取和分离方面具有一定工程知识的生物工程技术专业人才。
04【课堂笔记】《生物工程下游技术》-膜分离部分
第一章膜分离技术1.1基本概念1.1.1膜（membrane）是什么？膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。
1.1.2特性：1)不管膜多薄，它必须有两个界面。
这两个界面分别与两侧的液体相接触。
2)膜传质有选择性，它可以使流体相中的一种或几种物质透过，而不允许其他物质透过。
1.1.3膜分离过程的原理以选择性膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电位差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。
通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。
1.1.4膜分离的特点1)操作在常温下进行；2)能耗较低3)在很多情况下选择性较高；4)浓缩和纯化可在一个步骤内完成；5)设备易放大，可以分批或连续操作；1.1.5膜的分类1)按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜2)按膜结构：多孔膜、致密膜、液膜：前者微滤膜、超滤膜、纳滤膜，中者反渗透膜、渗透蒸发3)按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜4)按截留分子量：微滤（0.02-10um）、超滤（50-100nm）、纳滤（1nm）、反渗透膜（200Dalton）1.1.6膜分离过程的主要推动力1.2膜分离的理论基础1.2.1膜分离的实质1)溶解速率：与膜表面接触的溶质进入膜内的速率2)扩散速率：溶质进入膜后从膜的一侧到达另一侧的速率1.2.2物质透过膜的方式：被动传递、促进传递、主动传递1)被动传递：物质由高化学位相向低化学位相传递，这一化学位差就是膜分离的推动力2)促进传递：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，而在低化学位一侧又将被传递的物质释放，这种传递过程有很高的选择性。
3)主动传递：膜中的载体同被传递物质在低化学位侧发生反应并释放能量，使被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方向。
推动力：压力差、浓度差、电位差、温度差1.2.3截留率膜对溶质的截留能力以截留率R表示R＝1－Cp／Cr式中Cp和Cr分别表示透过液（Permeate）和截留液（Retentate）的浓度。
生物分离工程之膜分离过程
MWCO与孔径
截断分子量:（molecular weight cut-off，MWCO）相 当于一定截留率(通常为90％或95％)的分子量，随厂商 而异。由截断分子量按可估计孔道大小。
MWCO（球状蛋白质） 近似孔径（nm)
1000
2
10 000
5
100 000
12
1000 000
29
26
2. 水通量
与醋酸纤维素反渗透膜相比,它具有脱盐率高、通量大、操作 压力要求低、pH 范围广4-11
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近年来开发的新型膜材料
① 复合膜； ② 无机多孔膜； ③ 纳米过滤膜。 ④ 功能高分子膜； ⑤ 聚氨基葡糖
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膜材料 - 不同的膜分离技术
• 透析：醋酸纤维、聚丙烯腈、聚酰胺、 • 微滤膜：硝酸/醋酸纤维，聚氟乙烯，聚丙烯， • 超滤膜：聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维 • 反渗透膜 ：醋酸纤维素衍生物，聚酰胺 • 纳滤膜：聚电解质+聚酰胺、聚醚砜 • 电渗析：离子交换树脂 • 渗透蒸发：弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚乙
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3. 反渗透
利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）而截留离子 物质性质，以膜两侧静压差为推动力，克服渗透压，使溶剂通 过反渗透膜实现对液体混合物进行分离的过程。 操作压差一般为1.5～10.5MPa，截留组分为小分子物质。
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反渗透法
分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，为反渗透
10
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，一般模操作的压力范围在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；
生物分离工程之膜分离
（1） 相转化制膜工艺 • 将均质的制膜液通过溶剂的挥发或向溶液加入非溶
剂或加热制膜液，使液相转变为固相的过程。相转化 制膜工艺中最重要的方法是L—S型制膜法。 • 加拿大人劳勃（S. Leob）和索里拉金（S. Sourirajan） 发明
溶剂
添加剂
均质制膜液
难渗透性溶 质或溶剂
溶剂
均相膜、复 合膜，非对 称膜
乳状液膜、 支撑液膜
五、 膜材料
有机高分子材料
膜材料
无机材料
天然高分子材料 合成高分子材料
• 目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素 酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。
• 以日本为例，纤维素酯类膜占53％，聚砜膜 占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜 占2％。
选择性透膜
膜上游 透膜 膜下游 膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质， 通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压 力差或电位差等）时，使原料侧组分选择性地 透过膜，以达到分离提纯的目的。通常膜原料 侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。
膜的种类
阳离子膜
高分子膜
带电膜
阴离子膜
分 离 膜
液体膜
非带电膜
微滤膜 超滤膜 纳米滤膜
1. 天然材料--纤维素酯类膜材料 纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过1,
4—β—甙链连接起来的天然线性高分子化合物， 其结构式为：
HCH 2O H O
H
O
OH OH
H H
H OH
H OH
OH H
H
H H
O
O
CH 2OH
HCH 2O H O
H
O
OH
H H
H OH
H OH
生物分离工程-膜分离
• 第一节 膜分离技术概述 • 第二节 膜材料及其特性
• 第三节 膜组件 • 第四节 应用
第一节 膜分离技术概述
一、基本概念
膜分离 (membrane separation)
利用具有一定选择透过特性的过滤介
质进行物质的分离纯化，是人类最早应
用的分离技术之一，如酒的过滤，中草 药的提取等。
膜(Membrane)是什么？有何特性？
选择性透膜
膜上游 透膜 膜下游 膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质， 通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压 力差或电位差等）时，使原料侧组分选择性地 透过膜，以达到分离提纯的目的。通常膜原料 侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。
二、膜的种类
阳离子膜 带电膜 高分子膜
阴离子膜
微滤膜
分 离 膜
非带电膜
醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等
聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等 聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺 等 涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等 聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧 烷等
非纤维素酯 类
聚酯、烯烃类 含氟(硅)类
其他
壳聚糖，聚电解质等
2. 按膜的分离原理及适用范围分类 根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将 其分为微孔膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗 析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。 3. 按膜的形态分类
(4)中空纤维(Hollow Fiber)膜组件
•将大量的中空纤维安装在一个管状容器内,中空纤维的一端以
环氧树脂与管外壳壁固封制成膜组件。 •料液从中空纤维组件的一端流人, 沿纤维外侧平行于纤维束流 动,透过液则渗透通过中空纤维壁进入内腔,然后从纤维在环氧 树脂的固封头的开端引出,原液则从膜组件的另一端流出。
生物分离工程 第四章 膜分离技术[可修改版ppt]
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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。
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
（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。
（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。
渗透与反渗透
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。
pBpAR v1Tln B A
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
N2
D2
c2 l
溶剂
溶质
摩尔通量：
N1
D1c1v1 RT
p
l
N2
D2
c2 l
质量通量： 体积通量：
J1A 1 p
JV
J1
L
LPp
J2 D2mlc2
反渗透原理
c2P
J2 JV
LP pc2
提高反渗透操作压力有利于实现溶质的高 度浓缩。
（2）超滤和微滤的概念
超滤
生物膜分离技术
生物膜分离技术生物膜分离技术是一种用于分离和提取膜结构的新型技术。
它广泛应用于生物制药、环境工程、食品加工等领域。
本文将介绍生物膜分离技术的原理、应用和前景。
一、生物膜分离技术的原理生物膜分离技术是基于生物界面化学的原理，利用生物膜对物质的选择性吸附和分离进行操作。
主要原理包括渗透压、表面电荷和亲疏水性等因素的相互作用。
通过调整这些因素，可以实现对不同成分的选择性分离。
二、生物膜分离技术的应用2.1 生物制药领域生物膜分离技术在生物制药领域具有重要的应用价值。
通过对菌层的生物膜进行分离和提取，可以获得纯净的菌体和细胞内产物，从而提高生物制药的产量和纯度。
此外，生物膜分离技术还可以用于分离和提纯重组蛋白、抗体和酶等生物制品。
2.2 环境工程领域在环境工程领域，生物膜分离技术可以用于废水处理和污泥处理等方面。
通过将废水通过含有特定菌层的膜进行过滤，可以有效地去除污染物和细菌，实现废水的净化和回收。
此外，生物膜分离技术还可以用于处理污泥中的有机物和重金属等物质。
2.3 食品加工领域在食品加工领域，生物膜分离技术可以用于提取食品中的活性成分和功能性物质。
例如，可以利用生物膜分离技术从葡萄酒中提取多酚类物质，从乳制品中提取乳酸菌等。
这样不仅可以提高食品的品质和保鲜期，还可以开发出更多的新产品。
三、生物膜分离技术的前景生物膜分离技术作为一种新型的分离提取技术，在各个领域都有广阔的应用前景。
首先，生物膜分离技术相比传统的分离技术具有更高的选择性和效率，能够更好地满足人们对纯净产品的需求。
其次，生物膜分离技术具有可持续发展的特点，能够实现资源的循环利用和废物的减少。
最后，随着生物膜分离技术的不断研究和发展，将会有更多的创新和应用出现，为人们的生活和产业带来更多的机遇和挑战。
综上所述，生物膜分离技术是一项具有重要应用价值和发展前景的新型技术。
通过对其原理和应用的研究，可以更好地推动其在不同领域的应用和发展，促进科技创新和经济发展。
生物工程下游技术 膜分离PPT课件
按材料分：合成有机聚合物膜、 无机材料膜
5
6
7
8
膜分离技术类型
按分离粒子大小进行分类：
9
5.2.1反渗透
▪概念：将溶质通过一层具有选择性的半透膜，从溶 液中分离出来。分离时的推动力是压强，由于被分 离物质的分子量和直径大小差别及膜孔结构不同， 其采用的压强大小不同。反渗透膜的操作压力高达 10 MPa。膜孔径范围在0.0001~0.001 μm之间；
▪原理：
由于超滤和反渗透过程都是用一种半透膜把两种不 同浓度的溶液隔开（淡水或盐水），因此都存在渗 透压。
渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度； 一般说来，无机小分子的渗透压要比有机大分子溶
质的渗透压高得多。
10
11
渗透是由于存在化学势存在梯度而引起 的自发扩散现象。
溶液中水的化学势
16
超滤的基本方程
JvLp(p)
Lp
：穿透度（单位时间、 单位膜面积的处理量）
应用：生物制品的浓缩和纯化：小分子如柠檬 酸和抗生素,大分子如多糖、蛋白质
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5.2.3微滤
▪适用范围：尺寸为0.1-10μm（微米级）的微生 物和微粒子的截留与浓缩、净化与分离特点： 相态不变，无需加热、操作压力低，泵与管对 材料要求不高，可用间歇和连续操作。
膜分离：利用具有一定选择性透过的过滤介质进 行物质分离的技术。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。
3
膜分离的特点 （1）能耗低，无相变 （2）操作条件温和 （3）污染难清除，不能耐受极端条件 （4）需与其它技术结合应用
4
5.2各种膜分离技术及其原理
按孔径大小：微滤膜、超滤膜、 反渗透膜、纳滤膜
生物工程下游技术_膜分离过程
N=K0(c1－c2)
其中， K0为包括膜内扩散和 膜两侧表面液膜传质阻力在 内的总传质系数， c1和c2分 别为膜两侧的溶质浓度。
图5.3 透析原理
图5.3透析膜一般为孔径5～10nm的亲水膜， 例如纤维素膜、聚丙烯氰膜和聚酰胺膜等。 生化实验室中经常使用的透析袋直径为5～80 mm，将料液装入透析袋中，封口后浸入到透 析液中，一·定时间后即可完成透析，必要时 需更换透析液。处理量较大时，为提高透析 速度，常使用比表面积较大的中空纤维透析 装置(详见5.3节)。 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， 不适于大规模生物分离过程，而在实验室中 应用较多。
原理 动漫
纳滤在工业上的应用
--------
-----------
----------
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(Ultrafiltration， UF)、反渗透(Reverse osmosis，RO)、透析(Dialysis，DS)、 电渗析(Electrodialysis，ED)和渗透气化(Pervaporation， PV)等，各种膜分离法的原理和应用范围列于上表。
5.2 膜分离法与物质大小(直径)的关系
在超滤和微滤过程中，流体在膜孔道内层流动。假设孔道为圆 柱形，孔径均匀，则透过通量可用根据动量衡算推导的 Hagen-Poiseuille方程表达（溶剂的体积通量）
其中，ε为膜的空隙率，dpore为 孔道直径，μp为滤液粘度。
由于膜的孔道结构复杂，孔径不均匀，并且有些孔道还可能是 一端封闭的，所以Hagen-Poiseuille方程与实际的超滤或微滤 过程差距较大。适用于固定床内流体通量与压降关系的 Carman-Kozeny 方程与实际的超滤或微滤过程更接近，该方 程为
膜分离ppt课件
·
5
压力
·
6
膜分离过程的特点：
① 多数膜分离过程无相变发生， 能耗通常较低。 ② 膜分离过程一般无需从外界加入其他物质，从
而可以节省资源和保护环境。 ③ 膜分离过程可使分离与浓缩、分离与反应同时
实现，从而大大提高了分离效率。 ④ 膜分离过程通常在温和条件下进行，因而特别
适用于热敏性物质的分离、分级、浓缩与富集。
第4章 膜分离
§4.1 概述 §4.2 纳滤 §4.3 超滤 §4.4 微滤
·
1
膜分离 (membrane separation)
膜分离技术发展的历史
膜分离技术已被国际上公认为20世纪末至21世纪中 期最有发展前途、甚至会导致一次工业革命的重大 生产技术，所以可称为前沿技术，是世界各国研究 的热点。如果将20世纪50年代初视为现代高分子膜 分离技术研究的起点，截止现在，其发展致可分为 三个阶段：①50年代为奠定基础阶段；②60年代和 70年代为发展阶段，③ 80年代至今为发展深化阶段。
·
7
⑤膜分离过程不仅适用于从病毒、细菌到微粒广泛范
围的有机物和无机物的分离，而且还适用于许多由
理化性质相近的化合物构成的混合物如共沸物或近
沸物的分离以及其他一些特殊体系的分离。
⑥膜分离过程的规模和处理能力可在很大范围内变化，
而其效率、设备单价、运行费用等变化不大。
⑦膜组件结构紧凑，操作方便，可在频繁的启停下工
孔膜的有效扩散系数。基于膜和两类溶质的下列数据，估
计两类溶质在25下的穿膜流率。假定膜两侧的水溶液够稀，
组分间的扩散可以忽略不计。膜数据如下。
材料
微孔云母
厚度/μm
4.24
平均孔径/nm
生物分离工程的原理是什么
生物分离工程的原理是什么生物分离工程是一种利用生物化学和生物技术原理，通过物理、化学和生物学方法对生物体进行分离、提纯和纯化的过程。
它是一门综合性学科，涵盖了许多领域的知识和技术，如生物物理学、生物化学、分子生物学、生物工程等。
其核心原理是基于不同生物体的差异性，通过合适的实验设计和操作步骤，将目标物质从混合物中有效地分离出来。
生物分离工程的主要原理包括：1. 物理分离原理：物理分离是通过物料的物理性质进行分离，常用的方法包括离心、超滤、膜分离等。
离心是利用物料的不同密度和体积进行离心分离，如离心机可以分离细胞沉淀和液体上清。
超滤是利用滤膜的分子筛效应，根据分子尺寸的不同分离物质，常用于分离大分子如蛋白质和脱盐。
膜分离是利用逆渗透、微滤膜等，通过膜孔的大小和物料的压力差分离目标物质。
2. 化学分离原理：化学分离是利用物料的化学性质进行分离，常用的方法包括酸碱沉淀、吸附分离、电泳等。
酸碱沉淀是通过改变溶液pH值，使某些物质在酸或碱条件下形成不溶性沉淀，从而实现分离的目的。
吸附分离是利用物料在吸附介质上的亲和性差异进行分离，如利用离子交换树脂进行蛋白质与离子的吸附分离。
电泳是利用电场对带电物质进行迁移，根据它们的电荷、尺寸和形状的差异进行分离，如凝胶电泳可用于分离核酸。
3. 生物分离原理：生物分离是利用生物体本身的特性进行分离，如利用免疫反应进行分离，常用的方法有免疫吸附分离、免疫磁珠分离等。
免疫吸附分离是利用抗体与特定抗原间的特异性相互作用，将目标物质从混合物中吸附分离出来。
免疫磁珠分离是将磁性微珠与特异性抗体结合，形成抗原-抗体-磁珠复合物，通过外加磁场使复合物在液相中快速沉降，实现目标物质的分离。
此外，生物分离工程还可以应用到各种类型的生物体中，如微生物、植物和动物细胞等。
不同的生物体要素和目标物质的特性决定了最适合使用的分离方法。
生物分离工程在生物工业、医药制造和农业领域具有广泛应用，如制药过程中的药物提取和纯化、农田灌溉水的净化等。
膜分离ppt课件
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）
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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
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膜 筛 分 分 离 机 理
膜分离技术的类型
膜分离法 微滤(MF) 超滤(UF) 反渗透(RO) 透析(DS)
传质推动力
压差 (0.05~0.5MPa)
压差 (0.1~1.0MPa)
压差 (1.0~10MPa)
浓度差
分离原理 筛分 筛分 筛分 筛分
电渗析(ED)
电位差
荷电、筛分
渗透气化(PV) 压差、温差 溶质与膜的亲和作用
能耗高，成本偏 高
主要技术指标
其乙醇渗透通量 >1000 g/m2h，选择 性 >15
优先透醇渗透汽 化后透过液的乙醇 浓度达30-60%
渗透汽化的特点：
– 溶质发生相变，消除了渗透压的作用，可在 较低压力下进行
– 一次分离度高、操作简单、无污染、低能耗 – 便于放大及与其它过程耦合和集成 （如发
微滤(MF)
–膜孔径较大，0.05-10um， –适用于悬浮液（菌体细胞、
胶体颗粒和悬浮微粒子） 的分离，截留物粒径： 0.1-10um； –操作压力：比UF小，0.050.5MPa。膜两侧渗透压可 忽略，甚至可在常压下操 作。
超滤(UF)
─ 定义：根据高分子溶质之间或高 分子与小分子溶质之间相对分子 量的差别进行分离的方法 –膜孔径：0.001-0.05um，比 MF膜小。 –适用范围：处理不含固形成 分料液，分离或浓缩1-50nm 的生物大分子（蛋白、酶等） –操作压力：膜两侧渗透压较 小，操作压力较反渗透低， 0.1-1.0MPa，但较MF高
Hale Waihona Puke 膜的功能：– 物质的识别与透过；（分离的内在因素） – 相界面；（透过液与料液被分为互不混合的两
相） – 反应场（膜表面及孔内表面的功能基团）。
生物分离中的膜分离法主要是利用了膜对物质 的识别与透过功能.
膜的发展历史
第一节 各种膜分离法及原理
膜分离过程的本质
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.
条件温和，通常在常温下进行，特别适合处理热敏性 物料；
无相转变（除渗透气化外），能耗低； 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。
膜过程
微滤 (MF)
超滤 (UF)
纳滤 (NF) 反渗透 (RO)
基，选择性透过阳离子 R S O 3 H 解 离 R S O 3 H
–阴离子交换膜：键合季铵基（－N+R3))等碱性阴离子交 换基，选择性透过阴离子
R N ( C H 3 ) 3 O H 解 离 R N ( C H 3 ) 3 O H
膜技术简介
膜分离：以选择性透过特 性的膜为分离介质，通过 在膜两边施加一个推动力 （如浓度差、压力差或电 位差等）时，使料液侧组 分选择性地透过膜，以达 到分离提纯的目的.
水 小分子 大分子 料液
膜
透过液
膜的概念
在一种流体相或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相 物质，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
微滤、超滤、纳滤和反渗透
微滤 超滤 纳滤 反渗透
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（如细胞、颗粒）
× ×
悬浮粒子
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大分子 （如蛋白质、酶）
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糖 二价盐 游离酸
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单价盐 不游离酸
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水
▲ 膜的分类与物性
第四章 膜分离
(membrane separation)
本章教学目的与要求
（1）掌握膜分离的概念、熟悉膜的功能、膜 分离技术的特点
（2）掌握超滤、微滤、透析、反渗透等主要 膜分离技术的原理、特点、分离操作和应用；
（3）了解渗透汽化、电渗析等的定义 （4）熟悉各种商品化膜组件 （5）熟悉膜分离技术的应用
渗透汽化浓缩乙醇示意图
水分子
醇分子
优先透水膜
1）水优先选择 性透过 2）主要用于乙 醇脱水，制备 无水乙醇或浓 缩乙醇 3）取代传统共 沸精馏，降低 能耗
乙醇脱水
在乙醇-水体系的膜分离系统中， 根据膜的优 先选择透过性，可将膜分为： 1）优先透水膜（应用较多） 2）优先透醇膜 （应用较少）
优先透醇膜主要用于与燃料乙醇发酵过程耦合， 实现乙醇原位分离，可以减小乙醇对发酵过程 的抑制作用，实现连续发酵。
压力驱动膜分离示意简图
Pressure
三、透析(Dialysis,DS)
透析膜：具有一定孔径大小，高分子溶质不能透 过，而水和小分子溶质（如无机盐）能透过的亲 水膜
透析：利用透析膜将料液（含有高分子、小分子 溶质）与透析液（纯水或缓冲液）分隔，在浓差 作用下，料液中小分子溶质(如无机盐）会透过 膜进入透析液，而透析液中的水透过膜进入料液。
氨基酸和有机酸等小分子电解质的分离及 溶液脱盐。
电渗析器
特点:能耗低、产水量大、脱盐率、高稳定性 强 广泛用于医药、食品、硬水软化、海水淡化 、电子、化工等方面
五、渗透气化（或渗透蒸发\膜蒸馏）
定义：
膜（亲水膜或疏水膜）的一侧通 入料液，另一侧抽真空或通惰性 气体，在膜两侧溶质分压差的作 用下，料液中的溶质溶于膜内， 扩散通过膜，并在透过侧发生气 化，使液体混合物得到分离的膜 分离法。 分离机理：溶解－扩散机理 各溶质与膜的亲合作用的不同， 造成溶质间透过膜的速度不同， 而实现分离
电荷作用膜分离机理
Membra阳ne膜
在水溶液中, 阳膜的 活性基团会发生解离， 留下带负电荷的固定 基团，构成了强烈负 电场
C
E
+
-
在外加直流电场作用
下，根据异电相吸原理，
L
阳离子可被它吸引、传
递而通过膜到另一侧，
Positively charged lysozyme
Negatively charged CEA
酵法制乙醇与渗透气化耦合）
应用领域
1）有机物脱水：无水乙醇、燃料乙醇的制备 2）水中微量有机物的脱除：废水处理，从中脱除挥 发性有机成分，如氯化物等 3）发酵液中提取有机物，如乙醇 4）有机混合物的分离：共沸物和挥发度相差较小的 双组分溶液的分离
补充：膜分离技术的特点
处理效率高，可实现连续分离，操作容易且易于实现 自动控制。
0.05~10μm的固体粒子
0.025~14μm
1000~1000,000Da的大分子 0.001~0.05 μm
纳滤
筛分
离子、分子量100-1000的有机物
２nm
反渗透 筛分
离子、分子量＜100的有机物
0.1~1 nm
渗透蒸发 溶解扩散 离子、分子量＜100的有机物
＜0.5nm
一、反渗透(reverse osmosis, RO)
密得多. ─主要用于截留分子量为100-1000左右的物质，可以使一价
盐和小分子物质透过. ─具有较小的操作压力（0.5～1.5MPa）。
2.纳滤的应用领域 海水及苦咸水的淡化； 原水处理及高纯水制备； 在食品行业中，纳滤膜可用于果汁生产，大大节能； 在医药行业可用于氨基酸生产、抗生素回收等方面；
应用举例 除菌，回收菌体，分离病毒 蛋白质等大分子的回收与浓缩
脱盐，淡水制造 脱盐，除变性剂 脱盐,氨基酸与有机酸的分离 共沸物的分离（如乙醇浓缩）
生物分离中最常用的膜分离技术：超滤、微滤和反渗透、透 析。
各种膜分离范围
分离过程 分离机理 粒子过滤 筛分
分离对象 固体粒子
孔径
＞10um
微滤 筛分 超滤 筛分
膜分离法与物质大小（直径）的关系
粒径
0.1 1nm 10 100 1μm 10
小分子
病毒 蛋白质
乳胶
超细胶体微粒
细菌 细胞
微粒
100 １mm
反渗透
微滤 超滤
一般过滤
补充：纳滤（nanofiltration, NF）
1. 纳滤膜的特点 ─纳滤膜孔径为纳米级，介于反渗透膜(RO)和超滤膜(UF)之
间，因此称为“纳滤”。 ─纳滤膜的表层较RO膜的表层要疏松得多，但较UF膜的要致
推动 力
压差
压差
压差
压差
各种膜分离技术的总结
分离机理 筛分 筛分 筛分 筛分
透过物
截留物
膜类型
水、溶剂、溶解 物
水、溶剂、小分 子
水、一价离子、
悬浮物颗粒
胶体和>截留 分子量的生物 大分子
有机物、多价 离子
纤维多孔膜 非对称性膜 复合膜
水、溶剂
溶质、盐
非对称性膜 复合膜
透析
浓差
(DS)
筛分
渗透蒸发 分压差、 (PV) 温差
渗透和渗透压：
– 渗透：膜（可透过溶剂,不能透过 溶质）两侧压力相等时，在浓度 差作用下，溶剂从溶质浓度低的 一侧向溶质浓度高的一侧透过的 现象，称为渗透（a）。
– 渗透压：渗透现象中，促使水分 子透过的推动力。
− 渗透平衡：随着水的 渗透，高浓度水溶液 一侧的液面升高，压 力增大， 当两侧的压 差等于渗透压时，处 于渗透平衡状态（ｂ）
阻力小 （3） 惰性 膜材料为惰性，不吸附溶质(蛋白质、细胞等)，