膜技术PPT课件

膜的孔径、孔径分布、孔隙度
膜通量
即膜的处理能力（即溶剂透过膜的速率）是膜分离 中的重要指标，一般用膜的渗透通量来表示。它是指单 位时间、单位膜面积上透过溶液的量，对于水溶液体系， 又称透水率或水通量。
截留率和截留分子量
被截流物质的量占料液中含有的截流物质总量的百 分率，称为膜的截留率，它表示了膜对溶质的截留能力。
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关闭程序
1、清洗周期结束后, 切断循环泵, 然后切断 进料泵。
2、关闭阀组件进出口阀, 保证膜的润湿性。 注: 一旦膜已变湿了, 就应保持其湿性, 这 可保证膜的完好性。
3、关闭进料泵及所有的阀。 4、过滤器已清洗好后, 清洁加工流体, 即可
启动操作。
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膜的消毒
为了防止在生产过程中由膜组件 带入杂菌，可在清洗罐中配制0.25% W/W 亚硫酸氢钠溶液，将阀门转换到 清洗状态，启动输料泵，启动各循环 泵40-60分钟，然后用去离子水冲净 （每周可洗二次）
膜分离的示意图
膜
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膜及其分离机理
截留较大的组分，而透 过较小基团的组分。
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膜分离过程的传质形式
在膜分离过程中，膜相际有3种基本传质形 式，即被动传递、促进传递和主动传递。
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膜分离过程机理
以典型的非对称膜为例，分几个区间来描绘。
①主流体系区间(Ⅰ) ②边界层区间(Ⅰ) ③表面区间(Ⅰ) ④表皮层区间
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膜组件形式与可选择的膜分离过程
管式、板式 卷式
中空纤维 锯齿式
反渗透 纳滤
超滤 微滤
并非每种膜分离过程（微滤、超滤、纳 滤、反渗透）都可以通过各种组件形式 实现，以上是其对应关系图。
其中金属膜和陶瓷膜并非组件形式，但 它们都是无机膜，同时都是管式结构。
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二、膜的性能参数
膜孔性能参数
膜分离实用化产生的最大问题：膜透过流速 的迅速下降；二是溶质的阻止率也明显下降， 这种现象是由于膜的劣化和膜污染所引起的。 膜的劣化是由于膜本身的不可逆转的质量变 化而引起的膜性能的变化，造成的原因有如 下三种：化学劣化、物理劣化、生物劣化。
pH、温度、压力都是影响膜劣化的因素。
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压密作用
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物理清洗是将海绵球通到管式膜中进行洗涤，可不 必停止装置的运转，或利用供给液本身间歇地冲洗 膜模件内部，并利用其产生的剪切力来洗涤膜面附 着层。一般采用清液，通过加大流速循环洗涤，称 为正向清洗；也可采用空气、透过液或清洗剂进行 反向冲洗。通过物理清洗，一般能有效地清除因颗 粒沉积造成的膜孔堵塞。在实际生产中，还常采用 等压清洗（又称在线清洗）的方法，一般是每运行 一个短的周期（如运转2h）以后，关闭透过液出口， 这时膜的内、外压力差消失，使得附着于膜面上的 沉积物变得松散，在液流的冲刷作用下，沉积物脱 离膜而随液流流走，达到清洗的目的 。
（3）连续操作 :连续操作是在闭路循环的基础上，将 浓缩液不断排到系统之外。每一级中均有一个循环 泵将液体进行循环，料液由给料泵送入系统中，循 环液浓度不同于料液浓度。各级都有一定量的保留 液渗出，进入下一级。
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膜分离形式比较
死端过滤
错流过滤
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膜分离常用形式
切向流过滤（错流过滤、表面流过滤）
其他试剂：乙醇、酶制剂、表面活性剂、 DMF、 草酸、三聚磷酸钠等
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超滤膜清洗
膜清洗是恢复膜过滤系统、延长寿命, 最 为严格的一部分, 膜每一次使用后均需清 洗, 每天水通量、平均加工流率要作记录, 加工清洗过程出现的一些反常现象也要 作记录。
根据不同的膜及过滤的生料采用不同 的清洗方法, 步骤1、2是在每次运行后进 行的,步骤3、4是在清洗不足或加工的是 浓溶液时进行。
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1、加入首批完全溶解的清洗化学物质到平 衡罐中，注意控制pH值和特定参数的控 制。
2、记录:
时间、组件温度、入口压力、出口压力 进料压力、水通量 、pH值
注: 组件入口压力尽可能低, 出口组件出口 压力维持在22pa, 及适当的再循环流量。
3、指定时间运行清洗溶液。
4、当系统清洗完之后, 再根据上述程序, 对
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化学清洗是用化学药剂，对膜组件进行浸泡， 并应用物理清洗的方法循环清洗，达到清除 膜上污染物的目的。主要利用化学药剂的溶 解、氧化、渗透等作用来达到清洗的目的。
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膜的常规清洗剂： 常用酸性清剂：硝酸、柠檬酸、磷酸 碱性清洗剂：NaOH 络和剂：EDTA 氧化剂：次氯酸钠、 高锰酸钾、双氧水
⑤多孔支撑区间
⑥表面区间(Ⅱ)
⑦边界层区间(Ⅱ)
图5-6 物质经过非对称膜的传递示意
⑧主流体区间(Ⅱ)
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膜分离过程的类型
1．按推动力的不同进行分类
（1）以静压差为推动力的膜分离过程 如反 渗透(RO或HF)、超过滤(UF)、纳滤（NF）、 微孔过滤(MF)、气体分离（GS）、膜蒸馏 （MD）及渗透气化（PV）等。
系统冲洗。利用补水阀补水，利用排污
阀排放
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5、冲洗系统直至交叉流膜上的清洗化学物 质被洗净。
6、调节阀、泵参数, 以致于在先前水通量 系数下, 存在同样的条件。
7、记录步骤1-6, 每一步所用清洗化学物质 及操作参数。记录每次清洗步骤前后的 清洗资料、报告、参数。
8、清洗周期完成后, 记录最终的水通量, 膜 再生性能到可接受的水平。关闭UF, 按照 关闭程序所述操作。
按膜分离过程分类
1. 微滤膜：孔径≥0.1微米， ≥ 50万MWCO 2. 超滤膜：1,000-50万MWCO 3. 纳滤膜：150-1000 MWCO 4. 反渗透膜：≤150 MWCO (MWCO即Molecular Weight Cut Off ，中文为截留分子量)
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按膜的材质分类
1. 有机膜
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膜分离过程
根据截留分子量和孔径的差异可以分为悬浮：固体、细菌
微滤 孔径>0.1μm，
截留分子量 30-50 万 以上 超滤 0.1~0.01μm 截留分
蛋白质、色素、多糖等 大分子有机物、热原
子量 1000~50 万 Da
抗生素、低聚糖及二
纳滤 截留分子量
价以上离子等
150~1000Da
反渗透 氯化钠截留率≥99%
（2）以浓度差为推动力的膜分离过程 如透 析（D）、气体分离（GS）及液膜分离等。
（3）以电位差为推动力的膜分离过程 如电 渗析（ED）等。
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2．按操作方式不同进行分类
(1)开路循环:循环泵关闭，全部溶液用给料泵F送回料 液槽，只有透过液排出到系统之外。
(2)闭路循环 :浓缩液（未透过的部分）不返回到料液 槽，而是利用循环泵R送回到膜组件中，形成料液 在膜组件中的闭路循环。闭路循环中，循环液中目 标产物浓度的增加比开路循环操作快，故透过通量 小于开路循环
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膜的水解作用
醋酸纤维素是有机酯类化合物，乙酰基以酯 的形式结合在纤维素分子中，比较容易水解， 特别是在酸性较强的溶液中，水解速度更快。 水解的结果是乙酰基脱掉，醋酸纤维膜的截 留率降低，甚至完全失去截留能力。
在实际应用中，可控制进液pH和进料温度， 控制膜的水解。
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浓差极化
在膜分离过程中，由于水和小分子溶质透过膜，大分子溶质 被截留而在膜表面处聚积，使得膜表面上被截留的大分子溶 质浓度增大，高于主体中大分子溶质的浓度，这种现象称为 浓差极化。浓差极化可使膜的传递性能及膜的处理能力迅速
单糖、一价离子 水等小分子溶剂
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膜分离系统的基本组成
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膜分离的特点
1、选择性好 分子级水平进行物质分离，普通过滤工艺所无法达到的精度。
2、能耗低、可低温操作 无相态变化，特别适用于稀料液及热敏性料液浓缩。
3、不需添加化学试剂 物理分离过程，不用化学试剂和添加剂，产品不受污染。
4、设备可封闭运行、可间歇或连续运行、易操作维护、易放大、占 地小、易实现自控、配套设备少
膜技术
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膜分离技术
第一节 膜及其应用 第二节 膜分离过程 第三节 膜分离过程中的问题及处理 第四节 膜分离技术实施 第五节 液膜分离技术
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学习目标
■了解膜的分类及结构特性，各种膜组件的 性能以及膜在生物技术行业中的应用； ■了解膜分离过程的类型；
■理解膜分离过程机理及膜在使用中常见问 题分析；
CA PS PES PVDF TFM（薄层复合膜）
2. 无机膜
陶瓷膜 不锈钢膜
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按膜组件形式分类
1. 板式 2. 管式 3. 卷式 4. 中空纤维式
注:无机膜属于 管式结构
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中空纤维
中空纤维流细小，易堵塞、易断丝，
只适合于处理非常澄. 清的料液
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卷式
卷式流道 稍宽，可 以处理经 过合适预 过滤的料 液。
1、使用膜过滤，能耗低，具有节能的特性； 2、膜过滤无相变，不会破坏产品结构； 3、膜再生性好，使用寿命长； 4、操作简单，可以实现自动控制； 5、可在常温下连续操作、可直接放大、可专一配膜等特点； 6、且各种膜过滤具有不同分离机制，适用于不同对象和要
求。
7、特别适合用于热敏性物质的分离；
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第二节 膜分离过程
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考虑选用膜技术的导则
不宜采用膜技术的分离过程
•具有相似分子量的化合物的分离 •高渗透压料液的高倍浓缩
适宜考虑膜技术的分离过程
•有机物与无机盐的分离、多糖低聚糖与单糖等的分离 •稀溶液的浓缩，热敏性料液的浓缩 •分子量相差10倍以上物质的分离（超滤） •料液的澄清过滤、冷除菌、除热原
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第三节 膜分离过程中的问题及处理
■能够正确使用膜进行分离操作，能分析膜 分离过程中的常见问题，能根据不同的分离 体系进行膜选择，能对膜进行常规处理及维 护。
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第一节 膜及其应用
一、膜的分类
按膜分离过程分
微滤、超滤、纳滤、反渗透
按膜材质分
无机膜、有机膜
按膜组件分类
板式膜（含锯齿式）、管式膜、卷式膜、中 空纤维式膜
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截留分子量是指截留率为90%时所对应的溶质分子 量。
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三、膜技术应用
发酵工业 制药工业 食品工业 染料工业 果汁工业 生物化工
环保领域
冶金工业 能源工业 电子工业 石油工业 制水工业
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膜在生物制药中的应用
膜分离过程作为一种新型的分离技术，已经用于酶、 活性蛋白、氨基酸、维生素、抗生素、疫苗等物质的分离 纯化。膜分离特点：
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膜污染
膜污染（水生物污垢）是指由于膜表面形成 了析着层或膜孔堵塞等外部因素导致膜性能 下降的现象。其中膜的渗透通量下降是一个 重要的膜污染标志 。
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膜的污染来源
发酵液中构成膜污染的主要污染源
❖蛋白 ❖淀粉 ❖胶体 ❖无机盐垢
中药体系中构成膜污染的主要污染源
❖蛋白 ❖淀粉、多糖、鞣质等 ❖果胶、油脂 ❖无机盐 ❖腊
在压力作用下，膜的水通量随运行时间的延长而逐 渐降低。膜外观厚度减少1/2~1/3，膜由半透明变为 透明，这表明膜的内部结构发生了变化，这种变化 和高分子材料的可塑性有关。内部结构变化使膜体 收缩，这种现象称为膜的压密作用。
引起压密的主要因素是操作压力和温度。压力越高， 压密作用越大。
克服膜的压密现象，除控制操作压力和进料温度外， 主要在于改进膜的结构。如皮层采用亲水性，有选 择性功能的物质构成，并且有致密结构；支撑层由 刚性耐压较强的高分子材料组成，这种膜结构抗压 密性强。
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膜污染的预防和消除
膜污染后需经清洗处理。膜的清洗是恢复膜 分离性能、延长膜使用寿命的重要操作。根 据膜的性能和污染原因，合理确定清洗方法， 在药品分离生产中，常用物理法、化学法或 两者结合的方法进行清洗。
料液的预处理是预防膜污染的有效措施之一， 针对料液的具体情况，可以选择多种预处理 方法。
降低，还可缩短膜的使用寿命。主要表现为：①渗透压升 高，渗透通量降低；②截留率降低；③膜面上结垢， 使膜孔阻塞，逐渐丧失透过能力。在生产实际中，要 尽可能消除或减少浓差极化现象的发生。
浓差极化造成的渗透通量降低是可逆的，通过改变膜分离操 作方式，提高料液流速来减轻浓差极化现象。错流操作时， 料液与膜面平行流动，料液的流动可有效防止和减少被截留 物质在膜面上的沉积。流速增大，靠近膜面的浓度边界层厚 度减小，将减轻浓差极化的影响，有利于维持较高的渗透通 量。
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管式
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管式膜 流道较 粗，可 以处理 含固量 高的料 液
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板式
板式膜 流道宽， 可以处 理含固 量较高 的料液
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锯齿式（Ultra-flo）
锯齿式为板式的 改进形式，板面 有棱纹结构，膜 被扭曲为锯齿状， 料液流过形成湍 流来破坏膜面的 污染。
因此，过滤性能 优异，过滤速度 高于管式和板式 结构，且污染更 少、容易清洗、 能耗更低。