制药分离工程第8~15章

第8章 膜分离考点：概念，优点，根据孔径大小分的几种膜分离技术的区别及其特点和概念，浓差极化的概念，影响超滤速度的因素.8.1 概述● 膜分离的特点：与传统分离过程相比，具有无相变、设备简单、操作容易、能耗低和对处理物料无污染等优点。

(考点、作业)● 几种膜过滤过程特征比较： 膜分离过程 驱动力（压力差）/MPa 传递机理 透过膜的物质被膜截留的物质 膜的类型 微滤（MF ） 0.01~0.2 颗粒大小形状水、溶剂和溶解物 悬浮物、细菌类、微粒子 多孔膜 超滤（UF ）0.1~0.5分子特性、大小形状 溶剂、离子和小分子 生物制品、胶体和大分子非对称膜反渗透（RO ） 1.0~10 溶剂的扩散传递 水、溶剂 全部颗粒物、溶质和盐 非对称膜复合膜 纳滤（NF ）0.5~2.5离子大小和电荷水、溶剂溶质、二价盐、糖和染料复合膜8.2 超滤● 超滤：是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜孔径在0.05μm~1nm 之间，实际应用中一般不以孔径表征超滤量，而是以截留分子量（MWCO ，又称切割分子量）来表征。

(考点、作业)● 浓差极化：当溶剂透过膜，而溶质留在膜上时，膜面上溶质浓度增高，这种膜面上溶质浓度高于主体中溶质浓度的现象称为浓差极化。

浓差极化可造成膜的通量大大降低，对膜分离过程产生不良影响。

（错流过滤可减少浓差极化。

）(考点、作业)● 影响超滤速度的因素(考点)：除了膜性能外，影响超滤速度的因素还有很多。

1) 压力的影响：当压力降低时，通量J 较小，膜面上尚未形成浓差极化层，此时，J 与膜两侧的压力差Δp 成正比。

当压力逐渐增大时，膜面上开始形成浓差极化层，J 随Δp 增大的速度开始减慢。

当压力继续增大，浓差极化层达到凝胶层浓度，J 不随Δp 而改变，因为当压力继续增大时，随暂时可使流量增加，但凝胶层厚度也随之增大，即阻力增大，而使通量回落。

2) 进料浓度的影响：进料浓度对通量也有影响，当形成凝胶层后，由式bg m c c K J ln可知，J 应和lncb 成线性关系，且当J=0时，cb=cg ，即对某一特定溶质的溶液来说，不同温度和膜面流速下的数据应汇集于浓度轴上一点，该点即为凝胶层浓度。

3) 温度的影响：一般来说，温度升高导致通量增大，这是因为温度升高使溶液黏度降低和扩散管系数增大。

4)流速的影响：在超滤中，为减少浓差极化，通常采用错流操作。

增大料液流速会减小浓差极化层厚度，从而使通量增大，或者说，流速增大可使传质系数增大，因而通量增大。

8.3 微滤、纳滤和反渗透简介●概念(考点)：微孔过滤（微滤）是以静压差为推动力，利用膜的“筛分”作用分离的膜过程。

反渗透：是与自然渗透过程相反的膜分离过程。

渗透和反渗透是通过半透膜来完成的。

在浓溶液一侧施加比自然渗透压更高的压力，迫使浓溶液中的溶剂反向透过膜，流向稀溶液的一侧，从而达到分离提纯的目的。

纳滤：又称低压反渗透，是膜分离技术的一个新兴领域，其分离性能介于反渗透与超滤之间，允许一些无机盐和某些溶剂透过膜，从而达到分离目的。

●超滤、微滤、纳滤和反渗透的特点（见作业8-6）第九章吸附（重点）考点：吸附分离过程（三个过程），常用吸附剂（基本性能、如何选择、怎么再生）9.1 概述●吸附：吸附是指在一定的操作条件下，流体与固体多孔物质接触时，流体中的一种或多种组分传递到多孔物质外表面和微孔内表面并附在这些表面上的过程。

9.2 吸附分离原理状态●吸附作用机理：固体表面分子或原子所处的不同于固体内部分子或原子所处的状态。

分子内是平衡的。

而界面上的分子同时受到不相等的来自两相的分子的作用力，因此界面上所受到的力是不对称的，作用力的合力方向指向固体内部，能从外界吸附分子、原子或离子，并在其表面形成多分子层或单分子层。

（作业）●吸附过程的分类（考点、作业）：（1）根据操作方式分：①变温吸附分离②变压吸附分离③变浓度吸附分离④色谱吸附分离⑤循环吸附分离技术（2）按照作用力的本质即按照吸附质和吸附剂的作用的不同，分：（考点）①物理吸附:吸附剂和吸附质通过分子间范德华力产生的吸附作用称为物理吸附。

物理吸附无选择特异性，但随着物系的不同，吸附量有较大差异。

不需要较高活化能。

通常是可逆的，即吸附和解析可同时进行。

特点：吸附区域为自由界面；吸附层为多层；吸附是可逆的；吸附的选择性较差。

②化学吸附：固体原子表面的价态为完全被饱和，还有剩余的成键能力，导致吸附剂与吸附质之间发生化学反应而产生吸附作用，称为化学吸附。

选择性强，需要一定的活化能，只能是单分子层吸附。

特点：吸附区域成为未饱和的原子；吸附层数为单层；吸附过程是可逆的；吸附的选择性好。

③交换吸附：吸附剂表面如果由极性分子或离子组成，则会吸引溶液中带相反电荷的离子，形成双电层，同时在吸附剂和溶液间发生离子交换，这种吸附叫做交换吸附。

特点：吸附区域为单层或多层；吸附过程可逆；吸附的选择性较好。

综述，物理吸附在分离过程中应用最广，化学吸附较少，交换吸附在生物工程的下游技术中得到越来越广泛的应用。

●物理吸附和化学吸附的主要区别（作业）理化指标物理吸附化学吸附吸附作用力范德华力化学键力（多为共价键）吸附热近似等于气体凝结热，较小，ΔH＜0 近似等于化学反应热，较大，ΔH＞0选择性低高吸附层单或多分子层单分子层吸附速率快，易于平衡慢，不易平衡可逆性可逆不可逆发生吸附温度低于吸附质临界温度高于吸附质沸点●常用吸附剂（考点，选择题，详细看见课本152）：有机吸附剂：活性炭、吸附树脂、纤维素、聚酰胺等；无机吸附剂：硅胶、氧化铝、沸石等。

活性炭和大孔树脂在制药中应用较多。

1)活性炭：非极性吸附剂。

主要用于分离水溶性成分，例如氨基酸、糖类等。

其吸附作用在水溶液中最强，有机溶剂中较弱。

2)硅胶：极性吸附剂。

天然——硅藻土，人工合成——硅胶。

酸性吸附剂，适用于中性或酸性成分的层析。

弱酸性阳离子吸附剂，可通过离子交换吸附碱性化合物。

3)氧化铝：广泛应用于生物碱、核苷类、氨基酸、蛋白质及维生素、抗生素等物质的分离，尤其适用于亲脂性成分。

碱性极性吸附剂。

对于分离生物碱类的分离较为理想。

但碱性氧化铝不宜用于醛、酮、酯、内酯等类型的化合物分离。

不宜用于酸性成分分离4)聚合物吸附剂：只有多孔骨架，没有交换基团。

常用域微生物制药行业，分离抗生素或维生素等。

5)沸石：沸石分子筛-沸石，强极性的吸附剂。

它是一种硅铝酸金属盐的晶体，对极性分子有很大的亲和能力。

对外来物的吸附力远超其他吸附剂。

用于石油馏分的分离、各种气体和液体的干燥，如分离二甲苯，空气中分离氧气。

●影响吸附的因素（见作业9-4）9.3 吸附剂的再生（考点）吸附剂的再生：是指在吸附剂本身不发生变化或变化很小的情况下，采用适当的方法将吸附质从吸附剂中除去，以恢复吸附剂的吸附能力，从而达到重复使用的目的。

常用方法：1)溶剂洗涤：对于性能稳定的大孔聚合物吸附剂，一般用水、稀酸、稀碱或有机溶剂就可以实现再生。

2)加热：大多数吸附剂，如硅胶、活性炭、分子筛等。

3)其他：还可通过化学法、生物降解法。

工业上多采用水蒸气（或惰性气体）吹扫的方法。

第十章离子交换考点：影响扩散的因素，离子交换剂，各种概念，性能指标，不考计算和设备10.1 概述●离子交换法：应用合成的离子交换树脂等离子交换剂作为吸着剂，将溶液中的物质，依靠库仑力吸附在树脂上，发生离子交换后，再用合适的洗脱剂将吸附物从树脂上洗脱下来，达到分离、浓缩、提纯的目的，是一种利用离子交换剂与溶液中离子之间所发生的交换反应进行固液分离的一种方法。

（作业）10.2 离子交换剂●离子交换树脂：指能在溶液中交换离子的固体，可分为三个部分，一是交联放入具有三维空间立体结构的网状骨架，通常不溶于酸、碱和有机溶剂。

化学稳定性良好；一部分是联结在骨架上的功能基团(活性基团)；另一部分是活性基团所携带的相反电荷的离子，称为可交换离子。

●无机离子交换剂：主要是一些具有一定晶体结构的硅铝酸盐。

最具代表的事沸石类。

沸石的晶格由SiO2、Al2O3的四面体构成。

（考点）●合成无机离子交换剂：主要有合成沸石（熔融型沸石和凝胶型沸石）和分子筛。

（考点）●离子交换树脂：离子交换树脂是一种具有活性交换基团的不溶性高分子共聚物。

由惰性骨架、固定基团和可交换离子三部分组成。

按活性基团不同可分为阳离子树脂和阴离子树脂。

（作业）●几种离子交换树脂：1)强酸性阳离子交换树脂：这类树脂通常连有磺酸基，其酸性相当于硫酸，因此类似于固体硫酸。

吸水性强，是一种广谱性阳离子交换树脂。

2)弱酸性阳离子交换树脂：带有-COOH、-AsO3H2,SeO3H2等功能团。

3)强碱性阴离子交换树脂：带有季铵基。

44)弱碱性阴离子交换树脂：活性基团有伯胺、仲胺和叔胺。

5)螯合树脂：根据络合反应的原理，将某些螯合基团引入树脂的结构中，该种螯合基团与待分离的离子间，既可以既可以形成离子键，又可以形成配位键。

形成的环状络合物在结构上类似于螃蟹的两只大螯牢牢地夹住一个猎物。

选择性很高，适用于采用常规方法难以处理的某些贵金属、稀有金属、稀土金属的提取与精制。

（考点）6)两性树脂：将两种阳、阴离子基团一起连接在树脂骨架上，构成两性树脂。

两只功能集团发挥各自的作用，分别进行阳离子和阴离子交换。

（考点）7)蛇笼树脂：与两性树脂类似，即在同一树脂颗粒内含有两种聚合物，分别带有阳、阴离子功能团。

这种树脂传质通道短，交换速度快，只需大量水冲洗即可恢复其交换能力。

8)氧化-还原树脂：这类树脂带有氧化-还原基团，可与周围的活性物质发生氧化还原反应。

3.性能指标（考点，见作业10-4）10.3 分离原理●影响膜扩散速度的因素1)浓度：扩大溶液中离子的浓度，可增大扩散速度。

2)温度：温度对膜扩散和颗粒扩散的影响大体相同，每升高1℃，扩散速度将增加3%~5%。

3)搅拌速度：搅拌可使膜扩散速度增加.●影响颗粒扩散速度的因素（考点）除了浓度、温度外还有以下。

1)电荷的影响：对于阳离子，每增加一个电荷，内扩散速度将降低10倍。

阴离子电荷的增减对内扩散速度的影响交系较小，一般每增加一个电荷，内扩散速度大约降低2~3倍。

2)树脂的交联度：交联度低的树脂内扩散速度大，这是因为交联度低的树脂网眼大，阻力小，便于扩散。

树脂的交联度对阴离子的内扩散速度影响不大，但对阳离子的影响较大。

3)颗粒半径：颗粒越小，外扩散和内扩散都越快。

颗粒扩散速度与树脂颗粒大小的平方成反比。

但颗粒过小，导致离子交换柱的阻力增大，密度增大，从而影响速度。

因此要选择适当大小的交换剂颗粒。

4)交换容量：离子的内扩散速度随着树脂交换容量的增加而降低。

5)活泼基团的性质：颗粒扩散速度与活泼基团的数目和性质有关。

强酸（或碱）性的阳（或阴）离子交换树脂的交换速度是非常快的，但是，在H+（或OH-）式的弱酸性（或弱碱性）阳（或阴）离子树脂是非常慢的。