膜技术

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。

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。 截留分子量是指截留率为90%时所对应的溶质分子 量。

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。
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
其他试剂：乙醇、酶制剂、表面活性剂、 DMF、 草酸、三聚磷酸钠等
蛋白质、色素、多糖等 大分子有机物、热原
抗生素、低聚糖及二 价以上离子等
单糖、一价离子
水等小分子溶剂
膜分离系统的基本组成
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。
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。
膜技术
膜分离技术
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 膜及其应用 膜分离过程 膜分离过程中的问题及处理 膜分离技术实施 液膜分离技术
学Baidu Nhomakorabea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； ■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。
中空纤维流道细小，易堵塞、易断丝， 只适合于处理非常澄清的料液
卷式

卷式流道 稍宽，可 以处理经 过合适预 过滤的料 液。
管式

管式膜 流道较 粗，可 以处理 含固量 高的料 液
板式

板式膜 流道宽， 可以处 理含固 量较高 的料液
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。
第二节 膜分离过程
膜分离的示意图
膜
膜及其分离机理
截留较大的组分，而透 过较小基团的组分。
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。
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)
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, 对系 统冲洗。利用补水阀补水，利用排污阀排放
④表皮层区间 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)
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。 （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。
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。
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。
压密作用



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。
膜组件形式与可选择的膜分离过程

反渗透
纳滤
超滤
微滤
管式、板式 卷式 中空纤维 锯齿式


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。
二、膜的性能参数

膜孔性能参数
膜的孔径、孔径分布、孔隙度
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 。
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
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 无机膜、有机膜

按膜材质分


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
按膜分离过程分类
1. 2. 3. 4.
微滤膜：孔径≥0.1微米， ≥ 50万MWCO 超滤膜：1,000-50万MWCO 纳滤膜：150-1000 MWCO 反渗透膜：≤150 MWCO
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。
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 降低，还可缩短膜的使用寿命。主要表现为：①渗透压升
(MWCO即Molecular Weight Cut Off ，中文为截留分子量)
按膜的材质分类
1.
有机膜

2.
无机膜

CA PS PES PVDF TFM（薄层复合膜）
陶瓷膜 不锈钢膜
按膜组件形式分类
1. 2. 3.
4.
板式 管式 卷式 中空纤维式
注:无机膜属于 管式结构
中空纤维
膜分离形式比较
死端过滤
错流过滤
膜分离常用形式
切向流过滤（错流过滤、表面流过滤）
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 >0.1 μ m ， 截留分子量 30-50 万 以上 超滤 0.1~0.01μ m 截留分 子量 1000~50 万 Da 纳滤 截留分子量 150~1000Da 反渗透 氯化钠截留率≥99%
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
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 •
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
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： 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；
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 •
第三节 膜分离过程中的问题及处理


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。
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。
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）

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 。
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 （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。