切向流超滤系统

管式膜
管式膜不适用于普通水
处理因为能耗较大。它 们适用于高固物浓度的 流体，前处理要求最不 严格。
中空纤维膜
中空纤维膜因
其压力低，通 道无死点，通 量高及能反洗 的优势而在水 处理中得以广 泛的应用。
更为具体的分法
过滤膜能为我们实现哪些目标？
膜的捕获原理
膜的能力
Membrane Functionality
膜材料物理与化学特性
–
物理性质（抗机械力，不至于变形） 可压性 弹性 韧性 化学性质 pH 溶剂 化学兼容性
–
–
热敏性质 温度
一些膜材料的化学兼容性等（表2）
一些膜材料能够耐受pH的能力
Approximate Protein Adsorption of Different Membrane Materials
完整性测试 - Pellicon XL

完整性测试安装
将TANK VALVE关闭，并将其上之接 头移下，关闭回流阀。


完整性测试程序
超过滤膜管匣的包装内含有完整性测 试之规格，不同的管匣有不同的规范 及规格。
测试过程




安装一个注射针筒于软管母接头上，注入空气 于软管中，直到进口压力表读值到达建议的完 整性之压力值。 在PERM 2出口软管加装1mL的定量吸管。 测量定量吸管中之液体体积1分钟，检视测量 值与保证书上之规格是否符合。 将定量吸管移开，缓慢打开回流阀使系统内空 气压力泄掉。 将所有管线及接头安装回原位。
聚酰胺类
如尼龙6 ( PA - 6) 和尼龙66 ( PA 66) 微孔滤膜,这类膜亲水性好,较耐 碱而不耐酸. 在酮、酚、醚及高分 子量醇类中,不易被浸蚀. 孔径型号 也较多. 适用于电子工业中超纯水的过滤、 食品饮料及制药工业中液体的终端 过滤等领域.

聚醚砜

该类膜具有良好的化学稳定性和 热稳定性,耐辐射,滤速快,应用面 也较广. 微孔滤膜在食品饮料及 医药工业中作为高档微孔滤膜产 品已得到认可和应用.
Membrane Material
Hydrophilized PVDF (Durapore, Viresolve) Regenerated Cellulose (PL series)
Protein Adsorption (ug/cm2)
1 - 10 1 - 35 40 - 50 10 -125 150 - 200
切向流过滤VS正向流过滤
切向流技术的典型模式
TFF膜的结构与材质
TFF是以膜为基础的分离技术、因此过
滤膜的结构与材质是其核心之一。 TFF膜的孔径是用分子量（NMWL）来 标定的，比膜标定分子量大的颗粒将被 截留，但是，需要特别指出的是，膜在 截留大部分比其标定分子量大的溶质的 同时，
聚氟类
如聚偏氟乙烯膜( PVDF) 和聚四氟乙烯膜 (PTFE) . 这两类微孔滤膜,都有极好的化学 稳定性,适合在高温下使用. 特别是PTFE 膜, 其使用温度- 40 ℃～260 ℃,并可耐强酸、 强碱和各种有机溶剂,由于具有强疏水性,因 此非常适合于过滤蒸气及各种腐蚀性液体. 国内大部分药厂、酒厂及其它发酵行业用的 空气无菌过滤系统,其终端除菌膜,相当一部 分是采用聚氟类微孔滤膜.
Permeate Filtrate
Membrane Capabilities 膜的能力



Wash Diafiltration透析 + – Removal of low Feed MW solute 除去小分子溶质 – Retentate is kept 截留不变 Membrane is selected to pass Permeate unwanted solute Filtrate while retaining wanted solute(s) Also known as "Constant Volume Washing" / "Buffer Exchange“比如”等体积冲洗””缓冲溶液的置换”
反渗透

是最精细的一种膜分离产品，其能有效截留所有 溶解盐份及分子量大于100KD的有机物，同时允 许水分子通过。醋酸纤维类反渗透膜脱盐率一般 大于95%，反渗透复合膜脱盐率一般大于98%。 反渗透膜广泛应用于海水及苦咸水淡化，锅炉补 给水，工业纯水及电子级高纯水制备，饮用纯净 水生产，废水处理和特种分离等过程。在离子交 换前使用反渗透可达幅度降低操作费用和废水排 放量。反渗透纳滤膜的运行压力一般介于苦咸水 的12bar 到海水的70bar。
Cellulose Acetate
Modified ("low protein binding") Polyethersulfones (Biomax) Unmodified Polyethersulfones (PT series) Nylon & other Polyamides
130 - >200
聚碳酸酯和聚酯类
主要是核孔膜. 从研究方面来说,核 孔膜成孔的孔径非常均匀,一般厚度 为5～15μm. 该膜的孔隙率虽然只 有百分之十几,但因膜较薄,所以流体 的过滤速度与上述的几种膜相当. 由 于制做工艺较复杂,规模生产时重孔 率高,且膜价格尚高,应用受到了限制. 目前该类膜也可制成多种孔径规格.
聚烯烃类
如聚丙烯( PP) 拉伸式微孔滤膜 和聚丙烯( PP)纤维式深层过滤 膜. 该类微孔滤膜具有良好的化 学稳定性,可耐酸、碱和各种有机 溶剂. 价格便宜. 但该类膜孔径分 布宽. 规格.
无机基材类微孔滤膜
如陶瓷微孔滤膜,玻璃微孔滤膜,各类 金属微孔滤膜等. 这是近几年来倍受 重视的新一族微孔滤膜.无机微孔滤 膜,具有化学稳定性好,机械强度高、 耐高温、耐生物降解、可洗刷等优点. 特别在高温气体分离和膜催化反应器 及食品加工等行业中,有良好的应用 前景.
Membrane Capabilities 膜的能力



Concentration浓缩 – Removal of solvent and smaller solutes 除去溶剂和小分子溶 质 – Retentate is kept 截留率不变 Membrane is selected to retain wanted solute 膜被选择截留想要的溶 质

捕获机理 大小排除 – 表面捕获/内部捕获 – 吸附 – 颗粒被吸附在膜上
–

Porosity开孔率 Defined by % of membrane made up by the pores定义膜上开孔的比率 – The higher the porosity the higher the permeability – 高开孔率高通透率
理
工业上常用的膜材料及其性能
混合纤维素( CN- CA) CN - CA 是一种较标准的常用微孔滤膜,开 发最早,应用也比较成熟. 由于成孔性能良好, 亲水性强,因此该种滤膜的系列孔径规格分 级最多,从0.05μm 到8μm ,约有近十个孔 径型号,现已广泛应用于制药工业中的药液 除菌过滤,食品饮料中的液体终端过滤、环 境水样的调查和实验室分析检测等.
TFF是什么？

TFF（Tangential Flow Filtration） 切向流过滤，指液体在泵的驱动下沿着膜表面相 切的方向流动，在膜上形成压力，使部分液体透 过膜，而另一部分液体切向地流过膜的表面，将 被膜截流的颗粒和大分子物质冲走，避免他们堆 积在膜表面，造成膜的堵塞和流速下降。也常被 叫做交叉流过滤（cross flow filtration）。
Feed
Retentate
Permeate Filtrate
四种膜过程的对比
Lab－scale切向流超滤系统
主体材料成分
500Ml 样品槽：Acrylic 压克力 样品槽上盖：PP 聚丙烯 样品槽上盖O-ring：EPDM 接头： S.S.不锈钢及PP 软管： LFT Tygon 隔膜式泵外壳：PP玻璃纤维 隔膜式泵隔膜：PTFE 覆膜 逆止阀：PP 及Simriz®

★9所有在仪器上操作的溶剂
以及溶质是否与主体材料有良 好的化学兼容性，比如说尽量 避免高浓度的氯离子或者碘离 子的使用等等。 ★10需特别注意接头（pp）、 开关的密封性问题。
工作模式的模拟
典型的TFF操作步骤



★11严格控制运行压力，密切关注压力的 变化，仪器运行过程中不能随便离开。进 口压力一般控制在30psi左右，上限不可超 过60psi。 ★12注重用后的维护，清洗／消毒工作必 须按照规定进行。 ★13每次试验开始和结束都必须做膜包的 完整性测试，只有当测量值小于或等于保 证书上之规格才能够使用或者保藏。
TFF System（切向流超滤系统）
研发部：李福祥
2008.2.25
摘要
TFF相关的概念 TFF膜的结构以及材质 TFF膜的物理与化学特性 TFF的分类及其应用现状 过滤膜的原理及其在实验与生产中的应用 切向流超滤系统的简介 切向流超滤系统的操作过程 膜包的完整性测试 附录：TFF相关术语
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Clarification澄清 Removal of larger solutes 除去大溶质 Filtrate is kept 滤出液不变
Membrane Capabilities 膜的能力
Feed Retentate


Membrane is selected to pass the wanted solute 被选择膜必须可以让目 标溶质透过
微滤
Hale Waihona Puke Baidu能截留0.1-1
微米之间的颗粒。微 滤膜允许大分子和溶解性固体（无 机盐）等通过，但会截留住悬浮物， 细菌，及大分子量胶体等物质。微 滤膜的运行压力一般为0.7bar。
超滤

能截留0.002-0.1 微米之间的大分子 物质和杂质。微滤膜允许小分子物 质和溶解性固体（无机盐）等的通 过，同时将截留下胶体，蛋白质， 微生物和大分子有机物，用于表示 超滤膜孔径大小的切割分子量范围 一般在1,000-500,000 KD之间，超 滤膜的运行压力一般为1-7bar。
也会截留一部分比其分子量小的溶质。 因为溶质的形状、可压缩性、和与溶液 中其它物质的相互作用，都会影响膜对 它的截留性。另外，不同的超滤膜生产 厂家，标定膜分子量的标准不同。 ★1根据试验的分离目的，过滤中想除去什 么？目标物质的分子量为多少？并以此 来确定膜包的分子量。（备注）

★2所有上仪器的样品都必须进行预处
• ★4待过滤的产品溶液是什么?组成,性质,
稳定性
• ★5了解溶剂、溶质
– pH – 离子强度 – 粘性、浓度 – 操作温度
过滤膜材质的确定 ★6注意清洗/消毒化学物质的选择
★7膜的联粘/吸附性质、溶质与膜的相互作用
★8确认以上信息后再选择所用膜的材质。
TFF的分类

按照分离的精度一般可将其 分为：微滤,超滤,纳滤和反 渗透（RO）
Sources: A.M.Pitt J.Paren.Sci.Tech. May 1987 pp 110-114, C. Samy Pharm.Tech.Intl. Nov. 1992 pp 38-48, Millipore in-house tests
• ★3严格控制操作流速与压力（具体看膜
包说明
TFF分类方法II—根据膜组件的结构
主要有四大类: 1.平板膜 2.卷式 3.管式 4.中空纤维

平板式膜
历史上第一类超
滤膜是板式膜， 因为难于保证膜 表面适当的流速 及复杂的密封问 题，这类膜的应 用非常有限。前 处理要求不严格。
卷式膜

卷式膜利用板式膜 作为起点，因为卷 式膜的格网带来死 点及无法反洗，通 常不适用于工业原 水处理。它们适用 于高温、高压物料 分离或物料稳定的 其他应用，前处理 要求最严格。
纳滤

能截留纳米级（0.001 微米）的物质。纳滤膜的操 作区间介于超滤和反渗透之间，其截留有机物质的 分子量约为200-800KD 左右，截留溶解盐类的能 力为20%-98%之间，对可溶性单价阴离子盐的去 除率低于高价阴离子盐，如对氯化钠及氯化钙的去 除率为20%-80%，而对硫酸镁和硫酸钠的去除率 为90%-98%。纳滤一般用于去除地表水中的有机 物和色素，地下水中的硬度及镭，且部分去除溶解 盐，食品和医药生产中有用物质的提取，浓缩。纳 滤膜的运行压力压力一般为3.5-30bar。