膜分离工程第一章
《生物分离工程》课程笔记
《生物分离工程》课程笔记第一章绪论一、生物分离工程的历史及应用1. 历史生物分离工程的历史可以追溯到古代酿酒和面包制作时期，但作为一个独立领域的发展始于20世纪。
早期的生物分离技术主要依靠自然现象，如沉淀、结晶等。
随着科技的发展，尤其是生物技术的崛起，生物分离工程逐渐形成一门独立的学科，并得到了迅速发展。
2. 应用生物分离技术在医药、食品、农业、环境保护等领域有广泛的应用。
例如，在疫苗生产中，需要从细胞培养液中分离出病毒或细菌；在抗生素提取中，需要从发酵液中提取抗生素；在蛋白质纯化中，需要从混合蛋白质中分离出目标蛋白质；在果汁澄清中，需要去除果汁中的悬浮固体等。
二、生物分离过程的特点1. 复杂性生物分离过程涉及生物大分子（如蛋白质、核酸、多糖等）的分离和纯化，这些生物大分子在结构和性质上具有很高的复杂性，因此生物分离过程也具有较高的复杂性。
2. 多样性生物分离过程中，针对不同的生物大分子和混合物，需要采用不同的分离方法和工艺，因此生物分离过程具有很高的多样性。
3. 灵敏度生物大分子在分离过程中容易受到外界因素的影响，如温度、pH值、离子强度等，因此生物分离过程需要严格控制条件，具有很高的灵敏度。
4. 易失活性生物大分子在分离过程中容易发生变性、降解等失活现象，因此生物分离过程需要尽量减少这些失活现象的发生。
5. 高价值生物大分子往往具有很高的经济价值，如药物、生物制品等，因此生物分离过程需要高效、高收率地分离目标物质，以满足市场需求。
第二章过滤一、过滤基本概念及预处理1. 过滤基本概念过滤是一种基于孔径大小实现固体与流体分离的技术。
在生物分离工程中，过滤技术被广泛应用于细胞培养液、发酵液、酶反应液等混合物的初步分离和纯化。
过滤过程中，混合物通过过滤介质（如滤纸、滤膜等），固体颗粒被拦截在过滤介质上，而流体则通过过滤介质流出，从而实现分离。
2. 预处理为了提高过滤效率，通常需要对混合物进行预处理。
分离工程ppt课件共52页PPT
将过程所产生的废物最大限度地回收和
循环使用。
产品
原
料
1
1
1
废
物 2
废
物 2
排除
2
1—单元过程；2—处理
实现分离与再循环系统使废物最小化的方法： ●废物直接再循环
例：废水
●进料提纯
例：氧化反应采用纯氧
●除去分离过程中加入的附加物质
例：共沸剂、萃取剂
●附加分离与再循环系统
例：分离废物中的有效物，循环使用
●加氢重整后得到：轻油 非芳烃 苯 甲苯 二甲苯 高级芳烃
目的产物为 对二甲苯
● 特点：
邻二甲苯 间二甲苯 对二甲苯
沸点℃ 熔点72
138.351 13.263
● 涉及到分离过程：精馏：4、7、8 萃取：5、6 结晶：10
目的产 物
总 结：
●降低原材料和能源的消耗，提高有效利用率、 回收利用率、循环利用率；
●开发和采用新技术、新工艺、改善生产操作条 件，以控制和消除污染；
●采用生产装置的闭路循环技术；
●处理生产中的副产物和废物，使之减少和消除 对环境的危害；
●研究、开发和采用低物耗、低能耗、高效率的 “三废”治理技术。
闭路循环系统：
ESA）
改变原溶 液的相对 挥发度
以苯酚作溶 剂由沸点相 近的非芳烃 中分离芳烃 ；以醋酸丁 酯作共沸剂 从稀溶液中 分离醋酸。
返回
1.2.2 速率分离过程
膜分离 场分离
速率分离:
利用溶液中不同组分在某 种推动力（浓度差、压力差、 温度差、电位差等）作用下， 经过某种介质（半透膜）时 的传质速率（透过率、迁移 率、扩速率）差异而实现分 离。
吸
相态 介： 理： 用：
分离工程各章思考题
第一章绪论1.分离工程的定义、作用及分类？2.何为“清洁工艺”？与分离工程有何关系？3.按所依据的物理化学原理不同，传质分离过程可分为那两类？4.列出5种使用ESA和5种使用MSA的分离操作。
试比较使用ESA与MSA分离方法的优缺点。
5.请列举至少4种速率分离过程，并说明其推动力及传递机理。
第二章单级平衡过程1.相平衡常数相关的概念？（K、α、β）2.相平衡关系可用几种方法来表达？3.什么叫泡点、露点？如何计算？设计精馏塔时各处温度如何处理？4.活度系数法计算气液平衡常数的简化形式？5.怎样判断混合物在指定T，P下的相态？若为两相区其气化率和气液相组成怎样计算？第三章多组分多级分离过程分析与简捷计算第一、二节设计变量、多组分精馏1. 基本概念：设计变量；清晰分割；关键组分/非关键组分；分配组分/非分配组分；逆行精馏；最小回流比；全回流意义。
2. 单元及装置设计变量计算及变量组的指定。
3. 如何确定最小回流比和最少理论板数？相应的方程及条件？4. 总结简捷法计算精馏塔的步骤。
第三节萃取精馏和共沸精馏1. 基本概念：特殊精馏；萃取精馏；共沸精馏。
2. 萃取精馏的原理是什么？画出液相进料的萃取精馏流程。
3. 溶剂的作用？选择时考虑因素？4. 萃取精馏特点？其流量、浓度分布特点？5. 共沸精馏的基本原理？6. 理想共沸剂的要求？共沸剂用量的确定？7. 分离均相共沸物的双塔双压法流程及二元非均相共沸精馏流程。
8. 请指出共沸精馏与萃取精馏的主要异同。
第四节吸收和蒸出过程1. 基本概念：吸收因子/蒸出因子2. 吸收的分类？吸收塔内组分分布特点？3. 平均吸收因子法计算吸收过程。
4. 简述精馏和吸收过程的主要不同点。
第六章第三节分离顺序的选择确定分离顺序的经验法有哪些？第七章其他分离技术1.催化精馏实质是什么？有何特点？2.简述溶液结晶过程。
3.常用的固体吸附剂有哪些？简述两床变压吸附过程。
4.膜分离定义是什么？举例说明膜分离在工业上的运用。
MBR工艺全面介绍(原理、流程、应用等)精讲
膜横断面放大照片
第二章.MBR工艺用膜、膜组件
2.1 MBR用膜介绍
陶瓷膜主要是A12O3， Zr02，Ti02和Si02等无机材 料制备的多孔膜，其孔径为 0.1－50μm。具有化学稳定 性好，能耐酸、耐碱、耐有 机溶剂:机械强度大，可反向 冲洗:抗微生物能力强:耐高 温:孔径分布窄，分离效率高 等特点 。陶瓷膜与同类的有 机高分子膜相比具有许多优 点：它坚硬、承受力强、耐 用、不易阻寨，对具有化学 侵害性液体和高温清洁液有 更强的抵抗能力，其主要缺 点就是价格昂贵目，制造过 程复杂。
MBR工艺讲座
MBR工艺用膜、膜组件 MBR工艺 简介 第二章
第一章
大纲
第四章
第三章
MBR系统设计
MBR案例介绍
第一章.MBR工艺简介
1.1
1.2 1.3
MBR含义及其工作原理 MBR工艺分类 MBR工艺优越性 MBR工艺的不足
1.4
1.5 1.6
MBR发展历史
MBR发展前瞻
第一章.MBR工艺简介
在80年代末到90年代初，Zenon环境公司研制成功了两个注册 产品。Zenon环境公司商业化的产品系统——ZenonGem在 1982年进入市场。
20世纪90年代中后期。越来越多的欧洲国家将MBR用于生活污 水和工业废水的处理。
历史
第三阶段 (1995年至 今)
目前主要有四家大公司经营 MBR ，它们分别是加拿大 Zenon 公司， 13本Mitsubishi Rayon公司，法国 Suez．LDE/IDI公司 和日本Kubota公司。
第二章.MBR工艺用膜、膜组件
2.3 三种常见的MBR膜组件
Aan)公司为代 表，它具有膜面 积大，易于安装， 清洗方便等特点
《分离工程》思考题及习题(整理)(1)
《生化分离工程》思考题及习题第一章绪论2、生化分离工程有那些特点？3、简述生化分离过程的一般流程？第二章预处理与固-液分离法1、发酵液预处理的目的是什么？主要有那几种方法？2、何谓絮凝？何谓凝聚？各自作用机理是什么？3、发酵液中去除杂蛋白的原因是什么？方法主要有那些？7、何谓密度梯度离心？其工作原理是什么？第三章细胞破碎法1、革兰氏阳性菌和阴性菌在细胞壁在组成上有何区别？2、细胞破碎主要有那几种方法？3、机械法细胞破碎方法非机械破碎方法相比有何特点？4、何谓化学破碎法？其原理是什么？包括那几种？5、何谓酶法破碎法？有何特点？常用那几种酶类？第四章萃取分离法1、何谓溶媒萃取？其分配定律的适用条件是什么？2、在溶媒萃取过程中pH值是如何影响弱电解质的提取？3、何谓乳化液？乳化液稳定的条件是什么？常用去乳化方法有那些？5、某澄清的发酵液中含260mg/l放线菌D, 现用醋酸丁酯进行多级萃取。
已知平衡常数K=57.0，料液流量450升/时，有机相流量20升/时。
为达到此抗生素收率为98%的要求，需要多少级的萃取过程？(计算题)8、何谓双水相萃取？双水相体系可分为那几类？目前常用的体系有那两种？9、为什么说双水相萃取适用于生物活性大分子物质分离？第五章沉淀分离法1）何谓盐析沉淀？其沉淀机理是什么？有何特点？2) 生产中常用的盐析剂有哪些？其选择依据是什么？3) 何谓分步盐析沉淀？4）何谓等电点沉淀？其机理是什么？pH是如何影响pI的？第六章吸附分离法1、吸附作用机理是什么？2、吸附法有几种？各自有何特点？5、已知80g的活性炭最多能吸附0.78 mol腺苷三磷酸（ATP），这种吸附过程符合兰缪尔等温线。
其中b=2.0×10E3mol/L,请问在1.2L的料液浓度为多少时才能使活性炭吸附能力达90%? （计算题）★第七章离子交换法1、何谓离子交换法（剂）?一般可分为那几种?2、离子交换剂的结构、组成？按活性基团不同可分为那几大类？3、pH值是如何影响离子交换分离的？5、在离子交换层析分离过程中，离子交换剂是如何选择的？6、各类离子交换树脂的洗涤、再生条件是什么？7、软水、去离子水的制备工艺路线？★第八章膜分离技术2）膜在结构上可分为那几种？膜材料主要用什么？3）简述微滤、超滤、纳滤及反渗透膜在膜材料、结构、性能、分离机理及其应用等方面的异同点5）何谓浓差极化现象？它是如何影响膜分离的？减少浓差极化现象的措施？6）膜的清洗及保存方法有那几种？7）膜分离设备按膜组件形式可分为几种？相比较的优缺点？第九章层析技术1）何谓色层分离法？可分为那几大类？4）何谓亲和色层分离法？亲和力的本质是什么？亲和色层中常用的亲和关系有那几种？5）何谓疏水作用层析？其最大的特点是什么？6）凝胶层析的原理是什么？何谓排阻极限？第十章电泳技术2、聚丙稀酰胺凝胶电泳的原理什么？影响其操作的因素主要有那些？3、SDS聚丙稀酰胺凝胶电泳原理是什么？有何应用？第十一章结晶法2、何谓过饱和度？饱和度形成有那几种方法？4、结晶法与沉淀法相比较有何区别？综合题1、已知某一氨基酸G是一酸性氨基酸，水溶性随温度升高而升高，pI=6.2，在中性和酸性条件下较稳定。
分离工程绪论
1.2.2 速率分离过程
(1) 定义
是在某种推动力（浓度差，压力差，温度差，电位差
等）的作用下，有时在选择性透过膜的作用下，利用各
组分扩散速率的差异实现组分的分离。
(2) 特征
这类过程所处理的原料和产品通常属于同一形态，仅有组 成上的差异。
(3) 典型分离单元操作
膜分离-①超滤 ②反渗透 ③渗析 ④电渗析 ⑤气体渗透分离 ⑥液膜分离 热扩散 32
（4） 萃取 精馏
气体和液 体
溶剂改变 原溶液组 分的相对 挥发度
以苯酚作溶 剂由沸点相 近的非芳烃 中分离甲苯
27
1.2.1 平衡分离过程
（8）共沸精馏
名称
简图
原料 相态
分离媒介
产生相态或 MSA的相态
分离原理
工业应用实例
（ 8） 共沸精馏
汽、 液或 汽液 混合 物
液体共沸 剂（MSA） 和热量 （ESA）
平衡分离
均相混合物
速率分离
变成两相系统
原料与产品同一相， 仅组成不同 膜分离，超滤，反渗透， 渗析，电渗析,场分离
蒸发、精馏、吸收、萃取、结晶
本课程仅讨论传质分离过程。
21
1.2.1 平衡分离过程
能量媒介( ESA，energy separation agent ) - 热，功； 物质媒介（ MSA, matter separation agent）- 吸收剂，萃取剂。
原料：石脑油
沸程120～230 ℃
加氢重整后得到：轻油 非芳烃
苯 甲苯 二甲苯
高级芳烃 邻二甲苯 沸点℃ 144.411 间二甲苯 139.104
目的产物为 对二甲苯
对二甲苯 138.351
2第一章 分离膜和膜分离过程
食品/饮料工业 • 啤酒/果酒/黄酒/葡萄酒的澄清除菌过滤 • 苹果、梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、柠檬 等果汁的澄清除菌过滤 • 苹果、梨、凤梨、草莓、橙、芒果、桃、梅、李、 柠檬等果汁的脱水浓缩 • 葡萄酒/果酒/茶/咖啡芬香气味的浓缩保留 • 豆蛋白/乳清蛋白/白蛋白/单糖/多糖溶液的澄清 与浓缩 • 乳清、奶酶及其他乳品的澄清、脱盐与浓缩 • 蔬菜抽提汁/西红柿汁的脱水浓缩
液膜的制备
面
（a）油包水型液膜
（b）水包油型液膜
第四节 膜的分离特性
1. 膜的分离透过性能：分离效率和渗透通量
脱除率或截留率 Rα = 1-cp/cb （cb原液浓度，cp透过液浓度） 分离系数或分离因子（α）
渗透通量——单位时间内、单位面积膜上透过的 溶液量，JV = V/At
※ 孔径是决定膜的分离透过性能的 主要因素
多孔膜
控制蒸发凝胶法
聚合物 混合溶剂 铸膜液 压滤、脱泡 成膜 控制溶剂蒸发速度 多孔膜
三、复合膜制备工艺
•由同一种材料构成皮层和多孔亚层；另一种 是由不同的聚合物材料构成皮层和亚层。
层压、浸涂、喷涂、 旋转涂敷；界面聚合、 原位聚合、离子聚合、 接枝等。
• 界面聚合 将支撑体浸入含有活泼单体或预聚物水溶液中， 然后将此膜浸入另一个含有另一种活泼单体的 与水不溶的溶剂中，则两种单体或预聚物在两 相界面处发生反应，形成皮层。
各种分离法及适用范围
※ 膜材料能够选择渗透的原因
① 膜中分布微细孔穴，不同孔穴选择性 渗透 ② 膜中存在电荷，吸附、排斥产生选择 性渗透 ③ 被分离物在膜中的溶解、扩散作用产 生选择渗透性
三、膜分离过程的特点
•多数无相变，对能量要求低； •分离条件较温和，适合于热敏性物质分离； •操作方便、结构紧凑、维修费用低、易于 自动化。
3.1 设计变量
2 W=L1
C+4 10C+N+27
9股单元物流数； u NC = 9(C + 2) = 9C + 18 u 故：N i = (10C + N + 27 ) - (9C + 18) = C + N + 9 u 其中：N x = （C + 2） + N +2=C+ N +4 u u Na = N iu - N x =5
u NC : 2( N - 1)股汽、液流量
V0
L1
ห้องสมุดไป่ตู้变量数相等
∴吸收塔设计变量：
Nu = Ne + N - Nu i i r C = N (2C + 5) + 1 - 2( N - 1)(C + 2) = 2C + N + 5
u Nx = 进料变量数(c + 2) + 每级压力
其中： =（ 2 C + 2） + N = 2C + 4 + N
分配比
例2.产物为两相的全凝器
F LA Q LB
e: NC
方程
物料衡算 热量衡算 相平衡 二相T，P相等
e NV = 物流数(C + 2) + 热进(出)数 =（ 3 C + 2） + 1 = 3C + 7 N ie = ( 3C + 7 ) - ( 2C + 3) =C+4 数 其中： C e Nx = （C + 2） +1= C + 3 1 e= N （ C + 4 ） （ C + 3 ） = 1 a C
生物分离技术：Chapter 1 生物分离工程概述
表1 通过发酵法生产的生物产品类别
Molecular type
Antibiotics Amino acids
Enzymes Organic acids and
solvents Vitamins, yeast, growth
factors, nucleotides Miscellaneous-dextrans,
学时 3学时 3学时 3学时 2学时 4学时 4学时 4学时 3学时 2学时 2学时
教材及参考书目
▪ 教材《新编生物工艺学》下册
俞俊棠
▪ 《生物分离原理及技术》
欧阳平凯
▪ 《生物分离工程》
孙彦
▪ 《生化分离工程》
严希康
▪ 《现代生物分离工程》
曹学君
▪ 《生物分离技术》
谭天伟
▪ 《Bioseparation Process Science》 Antonio
表2生物分离方法与化工分离方法的比较分离技术分离方法原理应用离心离心过滤离心沉降离心力筛分菌体泡沫分离泡沫分离汽液平衡细胞碎片膜分离微滤超滤纳滤反渗透压差筛分细胞萃取有机溶剂萃取双水相萃取超临界流体萃取液液平衡抗生素色谱凝胶色谱反相色谱离子交换色谱亲和色谱筛分分配平衡静电作用蛋白质电泳凝胶电泳等电点电泳筛分电荷核酸蛋白质结晶沉淀溶液结晶等电点沉淀液固平衡有机酸多肽大约80的化工分离方法可应用于生物分离技术中
时，还必须关注特定杂质的去除；
与传统的化学试剂的纯度概念不同，生物产 物对有害物质有严格的控制，生产过程也要求 有严格的管理，在最终产品中往往不允许有极 微量的有害杂质存在。
表 2 生物分离方法与化工分离方法的比较
分离技术 分离方法
原理
应用
离心 泡沫分离
分离课后习题及答案
第一章绪论1.分离技术的三种分类方法各有什么特点？答：（1）按被分离物质的性质分类分为物理分离法、化学分离法、物理化学分离法。
（2）按分离过程的本质分类分为平衡分离过程、速度差分离过程、反应分离过程。
（32.3.答：直接分离是将待测组分从复杂的干扰组分分离出来；间接分离是将干扰组分转入新相，而将待测组分留在原水相中。
4.阐述浓缩、富集和纯化三个概念的差异与联系？答：富集：通过分离，使目标组分在某空间区域的浓度增大。
浓缩：将溶剂部分分离，使溶质浓度提高的过程。
纯化：通过分离使某种物质的纯度提高的过程。
根据目标组分在原始溶液中的相对含量（摩尔分数）的不同进行区分：（方法被分离组分的摩尔分数）富集<0.1；浓缩0.1－0.9；纯化>0.9。
5.回收因子、分离因子和富集倍数有什么区别和联系？答：（1）被分离物质在分离过程中损失量的多少，某组分的回收程度，用回收率来表示。
（2A SA,B ≈（3第二章分离过程中的热力学2.气体分子吸附在固体吸附剂表面时，某吸附等温线可以由朗格缪尔吸附方程得到。
试分析吸附物质的吸附平衡常数K与该气体物质在气相的分压p需满足什么条件才能使朗格缪尔吸附等温线近似为直线。
答：溶质吸附量q 与溶质气体分压p 的关系可以用朗格缪尔吸附方程表示：p K p K q q A A +=1max ，式中qmax 为溶质在固相表面以单分子层覆盖的最大容量；KA 为溶质的吸附平衡常数。
在低压时，p K q q p K A A max 1=，《。
第三章 分离过程中的动力学1.相比可2.在无流和有流情况下，溶质分子的迁移分别用什么公式描述？对公式的物理意义做简单的阐述。
答：无流时：22dx c d D dx dc Y dt dc +-=，有流时：22)(dxx d D dx dc v Y dt dc +'+-= 物理意义：（参考费克第一定律物理意义的形式自己描述）3.费克扩散定律描述的是什么样的特殊条件下溶质分子的迁移？答：费克第一定律dxdy A x J dx dc D J -=-=)(或，是假设溶质浓度c 在扩散方向上不随时间变化，其物理意义为：扩散系数一定时，单位时间扩散通过截面积的物质的量（mol ）与浓度梯度成正比，负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反。
重庆大学生物分离工程_第一章 缓冲溶液和膜技术
缺点：不易加工，造价高。
复合材料
种类：如将含水金属氧化物（氧化锆）等胶体微粒或聚丙烯 酸等沉淀在陶瓷管的多空介质表面形成膜，其中沉淀层起 筛分作用。
优点：此膜的通透性大，通过改变pH值容易形成和除去沉 淀层，清洗容易。
缺点：稳定性差。
膜的制造
不对称膜通常用相转变法(phase inversion method)制造，其一般步骤如下：
包括孔径，孔径分布，空隙度。 完整性试验 用于试验膜和组件是否完整或渗漏。
膜两侧溶液间的传递方程
浓差极化模型(concen-tration
polarization） 适应范围：反渗透、超滤和微滤。 定义：在膜分离操作中，所有溶质 均被透过液传送到膜表面，不能完 全透过膜的溶质受到膜的截留作用， 在膜表面附近浓度升高，见图。这 种在膜表面附近浓度高于主体浓度 的现象谓之浓度极化或浓差极化)。
缓冲溶液的种类
非双性离子和无机离子缓冲液 双性离子缓冲液
标准缓冲溶液—它是由规定浓度的某些逐级离解常数相差较小的 单一两性物质或不同型体的两性物质所组成。校正pH计用的标准 缓冲溶液，如酒石酸氢钾、邻苯二甲酸氢钾、 KH2PO4—Na2HPO4， 硼砂的溶液也具有缓冲作用。
缓冲溶液配制
膜分离法与物质大小的关系。
透析和反渗透
透析是以膜两侧的浓度差为传质推动力，从溶液中分 离出小分子物质的过程。在生物分离中主要用于蛋 白质的脱盐。
反渗透是在透析膜浓度高的一侧施加大于渗透压的压 力，利用膜的筛分性质，使浓度较高的溶液进一步 浓缩。用于海水淡化，药物浓缩，纯水制造。
微滤和超滤
微滤和超滤都是利用膜的筛分性质，以压差 为传质推动力，主要用于截留固体微粒和高分子 溶质。
化工传质分离工程课后习题答案
目录第一章绪论 (1)第二章单级平衡过程 (6)第三章多组分精馏和特殊精馏 (19)第四章气体吸收 (24)第五章液液萃取 (27)第六章多组分多级分离的严格计算 (28)第七章吸附 (34)第八章结晶 (35)第九章膜分离 (36)第十章分离过程与设备的选择与放大 (37)第一章绪论1.列出5种使用ESA和5种使用MSA的分离操作。
答：属于ESA分离操作的有精馏、萃取精馏、吸收蒸出、再沸蒸出、共沸精馏。
属于MSA分离操作的有萃取精馏、液-液萃取、液-液萃取（双溶剂）、吸收、吸附。
2.比较使用ESA与MSA分离方法的优缺点。
答：当被分离组分间相对挥发度很小，必须采用具有大量塔板数的精馏塔才能分离时，就要考虑采用萃取精馏（MSA），但萃取精馏需要加入大量萃取剂，萃取剂的分离比较困难，需要消耗较多能量，因此，分离混合物优先选择能量媒介(ESA)方法。
3.气体分离与渗透蒸发这两种膜分离过程有何区别？答：气体分离与渗透蒸发式两种正在开发应用中的膜技术。
气体分离更成熟些，渗透蒸发是有相变的膜分离过程，利用混合液体中不同组分在膜中溶解与扩散性能的差别而实现分离。
4. 海水的渗透压由下式近似计算：π=RTC/M ，式中C 为溶解盐的浓度，g/cm 3；M 为离子状态的各种溶剂的平均分子量。
若从含盐0.035 g/cm 3的海水中制取纯水，M=31.5，操作温度为298K 。
问反渗透膜两侧的最小压差应为多少kPa? 答：渗透压π=RTC/M ＝8.314×298×0.035/31.5=2.753kPa 。
所以反渗透膜两侧的最小压差应为2.753kPa 。
5. 假定有一绝热平衡闪蒸过程，所有变量表示在所附简图中。
求： （1） 总变更量数Nv;（2） 有关变更量的独立方程数Nc ； （3） 设计变量数Ni;（4） 固定和可调设计变量数Nx ,Na ；（5） 对典型的绝热闪蒸过程，你将推荐规定哪些变量？思路1：3股物流均视为单相物流， 总变量数Nv=3(C+2)=3c+6 独立方程数Nc 物料衡算式 C 个热量衡算式1个 相平衡组成关系式C 个 1个平衡温度等式1个平衡压力等式 共2C+3个 故设计变量Ni=Nv-Ni=3C+6-(2C+3)=C+3固定设计变量Nx ＝C+2,加上节流后的压力，共C+3个 可调设计变量Na ＝0 解：（1） Nv = 3 ( c+2 )（2） Nc 物 c 能 1 相 cF ziT F P FV , yi ,T v , P vL , x i , T L , P L习题5附图内在(P ，T) 2 Nc = 2c+3 （3） Ni = Nv – Nc = c+3 （4） Nxu = ( c+2 )+1 = c+3 （5） Nau = c+3 – ( c+3 ) = 0 思路2：输出的两股物流看成是相平衡物流，所以总变量数Nv=2(C+2) 独立方程数Nc ：物料衡算式 C 个 ，热量衡算式1个 ,共 C+1个 设计变量数 Ni=Nv-Ni=2C+4-(C+1)=C+3固定设计变量Nx:有 C+2个加上节流后的压力共C+3个 可调设计变量Na ：有06. 满足下列要求而设计再沸汽提塔见附图，求： （1） 设计变更量数是多少？ （2） 如果有，请指出哪些附加变量需要规定？解： N x u 进料 c+2压力 9 c+11=7+11=18N a u 串级单元 1 传热 1 合计 2 N V U = N x u +N a u = 20 附加变量：总理论板数。
分离工程思考题
分离⼯程思考题第⼀章1、⽣物技术与⽣物分离的关系是什么？为什么说⽣物分离过程是⽣物技术的重要组成部分？⽣物技术的主要⽬标是⽣物物质的⾼效⽣产，⽽分离纯化是⽣物产品⼯程的重要环节。
因此，⽣物分离是⽣物技术的重要组成部分。
2、⽣物物质有哪些？现代⽣物技术产品的主体是什么？⽣物物质总类繁多，包括⼩分⼦化合物，⽣物⼤分⼦，超⼤分⼦，细胞和具有复杂结构与组成成分的⽣物体组织。
现代⽣物技术产品的主体---蛋⽩质类药物.1)细胞因⼦:⼲扰素、⽣长因⼦、红细胞⽣成素2)激素：胰岛素、⽣长激素3)抗体药物：单克隆抗体、抗体⽚段4)酶类药物：尿激酶5)基因⼯程疫苗6)基因治疗3、⽣物分离过程设计应考虑哪些因素？为什么⾊谱是分离过程的核⼼技术？考虑因素：1)⽬标产物的存在位置：胞内或胞外2)⽬标产物的存在形式：活性表达产物或包含体3)⽬标产物分⼦的⼤⼩、疏⽔性、电荷性质、溶解度和稳定性4)⽬标产物的商业价值和对纯度的要求4、⽣物分离过程有哪些特点？1)⽣化产物的稳定性差，产物可能失活2)分离难度⼤，⼀般需⽤特殊的⾼效分离技术3)⽣物产物的原料构成成分复杂，需要采⽤多种分离技术和多个分离步骤完成⼀个⽬标产物的分离4)对最终产物的质量要求很⾼5)需对原料液进⾏⾼度浓缩5、⽣物分离过程中需要考虑分离对像的哪些性质？1)根据物理性质的差异实现分离i.⼒学性质：密度、尺⼨和形状。
⽤于重⼒沉降、离⼼、膜分离等ii.热⼒学性质：溶解度、挥发度等。
⽤于如蒸馏、蒸发、结晶、吸附和离⼦交换等iii.传质性质：粘度、扩散系数、热扩散现象等。
即利⽤传质速度的差别进⾏分离iv.电磁性质：荷电性质、电荷分布、等电点等。
⽤于电泳、电渗析、离⼦交换、磁性分离等2)根据化学性质的差异实现分离i.化学性质包括热⼒学(化学平衡)、反应动⼒学(反应速率)和光化学特性等。
ii. 化学吸附和化学吸收即利⽤化学性质实现分离。
3) 根据⽣物学性质的差异实现分离a) ⽣物分⼦间的识别作⽤，如亲和⾊谱b) 利⽤酶的⽴体选择性，如对⼿性分⼦进⾏选择性修饰后以增⼤分⼦间差异，从⽽⽤常规⽅法进⾏分离6、什么是平衡分离？什么是差速分离？差速分离（速度分离）分离机理：根据溶质在外⼒作⽤下产⽣的移动速度的差异实现分离。
分离工程题库附答案
分离工程题库附答案分离工程题库附答案第一章绪论填空题：1、分离技术的特性表现为其（重要性）、（复杂性）和（多样性）。
2、分离过程是（混合过程）的逆过程，因此需加入（分离剂）来达到分离目的。
3、分离过程分为（机械分离）和（传质分离）两大类4、分离剂可以是（能量）或（物质），有时也可两种同时应用。
5、若分离过程使组分i及j之间并没有被分离，则（a s ij=1）。
6、可利用分离因子与1的偏离程度，确定不同分离过程分离的（难易程度）。
7、平衡分离的分离基础是利用两相平衡（组成不相等）的原理，常采用（平衡级）作为处理手段，并把其它影响归纳于（级效率）中。
8、传质分离过程分为（平衡分离）和（速率分离）两类。
9、速率分离的机理是利用溶液中不同组分在某种（推动力）作用下经过某种介质时的（传质速率）差异而实现分离。
10、分离过程是将一混合物转变为组成（互不相等）的两种或几种产品的哪些操作。
11、工业上常用（分离因子）表示特定物系的分离程度，汽液相物系的最大分离程度又称为（固有分离因子）。
12、速率分离的机理是利用传质速率差异，其传质速率的形式为（透过率）、（迁移率）和（迁移速率）。
13、绿色分离工程是指分离过程（绿色化的工程）实现。
14、常用于分离过程的开发方法有（逐级经验放大法）、（数学模型法）选择题：1、分离过程是一个（A）a.熵减少的过程；b.熵增加的过程；c.熵不变化的过程；d.自发过程2、组分i、j之间不能分离的条件是（C）a.分离因子大于1；b.分离因子小于1；c.分离因子等于13、平衡分离的分离基础是利用两相平衡时（A）实现分离。
a.组成不等；b.速率不等；c.温度不等4、当分离因子（C）表示组分i及j之间能实现一定程度的分离。
a.a ij=1b.a s ij=1c.a ij<15.下述操作中，不属于平衡传质分离过程的是（C）a.结晶；b.吸收；c.加热；d.浸取。
6、下列分离过程中属机械分离过程的是（D）：a.蒸馏；b.吸收；c.膜分离；d.离心分离。
生物分离工程概述第一章
Table 2. Spectrum of separation in biotechnology (used in fermentation industry)
By the purpose of biotechnology, we mean the use of carefully cultured microorganisms, animal cells, and plant cells to produce products useful to humans. （生物技术的目标就是指利用培养微生物、动物细胞、植物细胞来生产对人有用的产品。） * 生物技术（biotechnology）是指利用生物细胞（包含微生物、动植物细胞）、生物程序（biological process）或其代谢物质的特性或成份，来制造产品以提升人类生活素质的科学技术，它是一门跨学科的交叉学科。 广义的生物技术（传统生物科技） 指传统整合微生物学、动物学、植物学、细胞学、化学、物理学、工程学等科学而成的技术学问。 传统生物科技主要是应用酿造发酵、配育新种等技术以达目的（例如酿酒、品种改良等）。 狭义的生物技术（新生物科技） 指新发展出来的各项关键技术，例如遗传学、蛋白质工程技术、细胞融合技术等。 新生物科技主要是应用生物化学或分子生物方法，改变细胞或分子的遗传性质以达目的。
Left: 严希康, 第二版, 北京: 化学工业出版社, 2010. Right: 田瑞华，第一版，北京：科学出版社，2008.
膜分离技术基础概论
《膜分离技术》教案第一章：膜分离技术概述1、膜科学与基础科学的关系膜科学与基础科学的关系如下图所示。
2、膜的定义及特性所谓的膜，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。
膜的特性：不管膜多薄, 它必须有两个界面。
这两个界面分别与两侧的流体相接触。
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，而不允许其它物质透过。
3、膜的分离过程原理膜分离过程原理：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。
4、分离膜的种类5、膜分离技术发展简史高分子膜的分离功能很早就已发现。
1748年，耐克特（A. Nelkt ）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。
1861年，施密特（A. Schmidt ）首先提出了超过滤的概念。
他提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子，其精度比滤纸高得多。
这种过滤可称为超过滤。
按现代观点看，这种过滤应称为微孔过滤。
然而，真正意义上的分离膜出现在20世纪60年代。
1961年，米切利斯（A. S. Michealis ）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水—丙酮—溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜。
美国Amicon 公司首先将这种膜商品化。
50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜的研究。
1967年，DuPont 公司研制成功了以尼龙—66为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。
同一时期，丹麦DDS 公司研制成功平板式反渗透膜组件。
反渗透膜开分离膜高分子膜液体膜生物膜带电膜非带电膜阳离子膜阴离子膜过滤膜精密过滤膜 超滤膜 反渗透膜纳米滤膜始工业化。
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•
d＝4γ COSθ ／P
（17-3）
• 式中d为孔径，γ 为液体的表面张力，θ 为液体与膜间的接 触角，P为泡点压力。
• 孔径和孔径分布也可直接用电子显微镜观察得到，特别是微 孔膜，其孔隙大小在电镜的分辨范围内。
膜过程的一些术语完整性实验
• 本法用于试验膜和组件是 否完整或渗漏。 • 将微、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。
气体透过橡胶膜的研究 发现了扩散定律，至今用于通过膜的扩散； 制备了早期的人工半渗透膜
发现气体通过橡皮有不同的的渗透率，发现 渗析（Dialysis）现象
1860～ Van‘t Hoff， 渗透压定律 1977 Tranbe，Preffer 1906 Kahlenbery 观察到烃/乙醇溶液选择透过橡胶薄膜
× 保留液 出口封闭
压缩空气
膜过程的一些术语浓差极化
1 2 3
浓差极化：在膜分
离过程中，一部分溶质 被截留，在膜表面及靠 近膜表面区域的浓度越 来越高，造成从膜表面 到本体溶液之间产生浓 度梯度，这一现象称为 “浓差极化”。
Cf Cm
Cp
浓差 极化层
膜层
渗透侧 极化层
克服浓差极化的方法
浓差极化的减少
1961年，米切利斯（A. S. Michealis）等人用各种
比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水—
丙酮—溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量
的膜，这种膜是真正的超过滤膜。美国Amicon公
司首先将这种膜商品化。
膜工业的发展史
分离过程 微滤 年代 1925 目前主要厂商 应用 Millipore Corp，Pall corp.，Asahi 微电子、医学、 Chemical 食品、化工等 Oonics Ins.，Tokuyama Soda， Asahi Glass 苦咸水脱盐、水 分解、氯碱工业
膜过程的一些术语
错流过滤的优点：
(1)便于连续化操作过程中控制循环比； (2)流体流动平行于过滤表面，产生的表面剪切力带走 膜表面的沉积物，防止污染层积累，使之处于动态 平衡，从而有效地改善液体分离过程，使过滤操作 可以在较长的时间内连续进行； (3)错流过滤所产生的流体剪切力和惯性举力能促进膜 表面的溶质向流体主体的反向运动，提高过滤速度。
• 1960年Loeb和Sourirajan以相转化法制备出 第一张具有高透水性和高脱盐率的不对称 膜（醋酸纤维素反渗透膜），是膜分离技 术发展的一个里程碑。它不仅使反渗透过 程从实验室走向工业应用，而且这种新的 制膜工艺引起科技和工业界的广泛重视； 推动了膜分离技术进入了实用和装置的研 制阶段。
天津工业大学（膜天公司）
3）无机膜（陶瓷膜）：南京工业大学（久吾高科）
国内膜分离技术发展概况
1967年上海化工厂聚乙烯异相离子交换膜正式投 产，开始全国海水淡化大会战。 20世纪80年代，开发膜技术列入科技攻关和发展 计划，形成了一定规模的膜产业。 1995年中国膜工业协会成立，进入规模发展的新 阶段。
膜分离工程参考教材
教材 材 安树林主编 膜科学技术实用教程 天津市“十五”重点建设教 化学工业出版社 2005
参考书 邵刚编著. 膜法水处理技术. 冶金工业出版社. 2000 时钧,袁权,高从堦主编. 膜技术手册. 化学工业出版社. 2001
膜分离概述
定义： 具有选择性分离的功能薄膜 材料。
美国官方文件 “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 世界的面貌”，“目前没有一种技术， 能像膜技术这么广泛地被应用”
具有分离选择性的人造液膜是马丁（Martin）在
60年代初研究反渗透时发现的，这种液膜是覆盖在
固体膜之上的，为支撑液膜。
60年代中期，美籍华人黎念之博士发现含有表面
活性剂的水和油能形成界面膜，从而发明了不带有
固体膜支撑的新型液膜。
70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流动
载体的液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性。
膜的种类
根据 膜的 材质
根据 材料 来源
根据 膜的 结构
根据 膜的 功能
固 体 膜
液 体 膜
天 然 膜
合 成 膜
多 孔 膜
致 密 膜
离 子 交 换 膜
渗 析 膜
微 孔 过 滤 膜
超 过 滤 膜
反 渗 透 膜
渗 透 汽 化 膜
气 体 渗 透 膜
பைடு நூலகம்
无机材料膜
有机高分子膜
固体膜
对称膜
根据膜断面 的物理形态
由Jw的数值可了解膜是否污染和清洗是否彻底。
膜过程的一些术语孔道特征-孔径
孔径常用泡点法（bubble-point method）测定，对微孔膜尤 为适用。 将膜表面复盖一层溶剂（通常为水），从下面通入空气，逐渐 增大空气压力，当有稳定气泡冒出时的压力，称为泡点压力 • 根据下式，即可计算出孔径：
膜分离发展过程和趋势
反 渗 透 超 滤 微 透 滤 析
低增长
电 渗 控析 制 气释 体放 渗分 透离 汽 双化 极 液膜 膜
高增长
活 化 传 递
闸 膜
膜 反 应 器
可用？
我国膜技术发展史
• 我国1958年开始研究离子交换膜和电渗析，1966年开始 研究RO、UF、MF、液膜、气体分离等膜分离过程应用与 开发研究。80年代后期又陆续开展了渗透汽化、膜萃取、 膜蒸馏和膜反应等新膜过程的研究，并着手进行膜技术 的推广应用工作。 • 国内主要的膜研究和推广单位： 1）气体分离：大连化学物理研究所（天邦膜公司） 2）液体分离：杭州水处理技术中心（西斗门公司）
截断曲线
得到的截留率与分子量之间的关系称为截断曲线。 质量好的膜应有陡直的截断曲线,可使不同分子量的溶质分离完全；
反之，斜坦的截断曲线会导致分离不完全。
水通量
水通量：纯水在一定压力，温度(0.35MPa，25℃)下试
验，透过水的速度L / hm2。 JW = W / A t
同类膜，孔径，水通量Jw。 水通量Jw不能代表处理大分子料液的透过速度，因为大分子 溶质会沉积在膜表面，使滤速下降（约为纯水通量的10%）
显 微 镜 下 膜 的 照 片
膜断面结构
海绵状结构
指状结构
2、膜科学的发展史
年代
1748 1827 1831 1855 1861～ 1966
科学家
Abbe Nelkt Dutrochet J.V.Mitchell Fick Graham
主要内容
水能自发地穿过猪膀胱进入酒精溶液，发生 渗透现象 名词渗透作用（Osmosis）的引入
1967年，DuPont公司研制成功了以尼龙—66为主 要组分的中空纤维反渗透膜组件。同一时期，丹 麦DDS公司研制成功平板式反渗透膜组件。反渗 透膜开始工业化。
自上世纪60年代中期以来，膜分离技术
真正实现了工业化。首先出现的分离膜是 超过滤膜（简称UF膜）、微孔过滤膜（MF 膜）和反渗透膜（RO膜）。以后又开发了 许多其它类型的分离膜。80年代气体分离 膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了 进—步提高。
水 小分子 大分子
料液
膜
渗透液
“21世纪的多数工业中，膜技术扮演着 战略的角色”
“谁掌握了膜技术，谁就掌握了21世纪 化工的未来”
1、膜分离概述
• 概念：用半透膜作为选择障碍层，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，允许某些组分透过而保留混合物 中其它组分，从而达到分离目的的技术。
膜分离工程
• 第1章 绪论 • 第2章 膜材料与膜制备 • 第3章 膜分离工程学概述 • 第4章 微滤、超滤 • 第5章 纳滤、反渗透
• 第6章 渗透汽化 • 第7章 膜生物反应器MBR
• 第8章 膜过程设计
• 第9章 膜污染与控制
• 第10章 膜前沿-膜与环境
绪论
• • • • • • 1、膜的概念 2、膜科学发展史 3、膜的分类 4、膜过程的一些重要概念 5、膜的主要应用 6、膜分离其他内容
不对称膜 复合膜
平板膜
根据固体 膜的形态
管式膜
中空纤维膜
卷式膜
固体膜按结构分类
分为： 对称膜(Symmetric Membrane) 非对称膜(Asymmetric Membrane) 复合膜(Composite Membrane)
膜过程的一些术语-错流
终端过滤 污染严重
错流过滤 污染轻
膜分离的形式——错流过滤
电渗析
反渗透 渗析 超滤 气体分离 渗透汽化
1960
1965 1965 1970 1980 1990
Film Tech./DOW， 海水脱盐、饮用 Hydronautics/Nitto，Torray，Ddu 水生产、食品工 Pont 业、造纸工业等 Enka/AKZO，Gambro，Asahi Chemical Amicon Corp.，Koch Eng.Inc.， Nittl Denko Permea/Air Prod.，Ube Ind.， Hoechst/Celanese GFT GmbH 血液渗析、工业 废液等 制药工业、乳品 工业等 医疗、燃烧过程 等 无水乙醇生产
降低压力
降低膜表面的浓度
降低溶质在料液中的浓度 排除膜表面 的浓集物 边界层减薄 机械清洗
垂直于膜 的混合 桨式混合器 静态混合器
提高膜面粒子 反向传递
增加流速
增加扩散
细的通道
短的液流周期
• 膜使用中最大的问题是膜污染
膜过程的一些术语 膜污染 膜污染
• 膜污染：指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子