第五章 过滤与膜分离技术

对称膜
膜的分类
分类依据 分类
来源
天然膜、合成膜
状态
固体膜、液膜、气膜
材料
有机膜、无机膜
结构
对称膜（微孔膜、均质膜）、非对称膜、复合膜
电性
非荷电膜、荷电膜
形状
平板膜、管式膜、中空纤维膜
制备方法 烧结膜、延展膜、径迹刻蚀膜、相转换膜、动力 形成墨
分离体系 气-气、气-液、气-固、液-液、液-固分离膜
分离机理 吸附性膜、扩散性膜、离子交换膜、选择性膜、 非选择性膜
• 3.螺旋卷式膜组件
• 螺旋卷式膜组件如图c所示。将两张平板膜固定 在多孔性滤液隔网上(隔网为滤液流路)，两端 密封。两张膜的上下分别衬设一张料液隔网(为 料液流路)，卷绕在空心管上，空心管用于滤液 的回收。
• 螺旋卷式膜组件的比表面积大，结构简单，价 格较便宜。但缺点是处理悬浮物浓度较高的料 液时容易发生堵塞现象。
分离过程 反渗透膜、渗透膜、气体分离膜、电渗析膜、渗 析膜、渗透蒸发膜
• 2. 膜材料的性能
• ① 耐压 • ② 耐温 • ③ 耐酸碱性 • ④ 化学相容性 • ⑤ 生物相容性 • ⑥ 低成本
二、 膜组件
由膜、固定膜的支撑体、间隔物 (spacer)以及收纳这些部件的容器构成 的一个单元(unit)称为膜组件 (membrane module)或膜装置。膜组件 的结构根据膜的形式而异，目前市售商 品膜组件主要有平板式、管式、螺旋卷 式和中空纤维(毛细管)式等四种。
③砂滤棒。 ④板框式压滤机。
⑤微孔滤膜过滤器。
⑥其它。
超滤装置、钛滤器、多孔聚乙烯烧结管过滤器等。
②垂熔玻璃滤器
系以硬质玻璃烧结成具有一定孔经的滤 板，再粘连不规格的漏斗、滤球而成。 按滤板孔径大小分为1～6六种规格，由 于厂家不同，代号不同。一般1～2号滤 除大颗粒的沉淀，3～4号滤除细沉淀 物，，5～6号可滤除细菌。应用时在板 上面盖1～2层纸，以减压抽即可。
• 低温保存的蛋白质溶液，可提前将产品 或样品放置于室温使其温度适当升高， 再用系列膜过滤，以提高过滤效率。
五、影响过滤的因素
混合物中悬浮颗粒的性 质和大小
混合液的黏度 操作条件
助滤剂的使用
过滤分离设备和技术
（1）混合物中悬浮颗粒的性质和大 小• 一般情况下，悬浮颗粒越大，粒子越坚
硬，大小越均匀，过滤越容易进行。
（5）过滤分离设备和技术
为提高过滤速率和效果一般采用如下措施： ①选择合适的过滤介质 ②增大过滤的表面积 ③增加助滤剂 ④增加过滤推动力 ⑤提高温度。
第二节 膜和膜组件
• 1.膜的分类
• 1)按膜的孔径大小分 微滤膜0.025～10µm； 超滤膜0.001～0.02µm；反渗透膜0.0001～ 0.001µm；纳滤膜，平均直接2nm。
④板框式压滤机
由多个中空滤框和实心滤板交替排列在支架上 组成，是一种加压下间歇操作的过滤设备。广 泛应用于培养基制备的过滤及霉菌、放线菌、 酵母菌和细菌等多种发酵液的固液分离。适合 于固体含量1-10%的悬浮液的分离。
优点 过滤面积大，结构简单，价格低，动力消耗少， 对不同过滤特性的发酵液适应性强。
过滤介质的种类
①滤纸。 常用滤纸的孔径为1～7µm。 ②脱脂棉。 适用于口服液体制剂的过滤。 ③织物介质。包括棉织品纱布、帆布等。 ④烧结金属过滤介质。
⑤多孔塑料过滤介质。 ⑥垂熔玻璃过滤介质。 ⑦多孔陶瓷。 ⑧微孔滤膜。
三、过滤装置
①普通漏斗。 常用玻璃漏斗和布氏漏斗，常用滤纸、长 纤维和脱脂棉以及绢布等作过滤介质。 ②垂熔玻璃滤器。
• 2.筛式过滤（即模式过滤）
• 注意事项：①滤器、接管、收集用容 器必须彻底清洗，防止热原污染； ②所有物品必须高压灭菌；③无论澄 清还是除菌滤膜总是放在最终末端， 滤膜与收集器尽可能接近；④过滤前 后均应做完整性试验以确认滤膜的完 整性。
• 3.系列膜过滤（或膜堆过滤）
• 使用圆盘夹膜式滤器，依次降低所用膜 的孔径。上游层前预滤可用深层滤片， 亦可用大孔径的微孔滤膜；下游的其它 层则用较小孔径的滤膜，每一级膜其孔 径都比前一级小，每一层之间放一筛网， 以减少表面相互接触，减少阻塞。
• 注意事项：①工作压力不宜太大，最高 不超过147.09kPa；②滤液中蛋白质浓 度以及具有吸附滤材能力的物质浓度不 易太高，以防基质饱和；③需通过预实 验得出一个合适的过滤总量；④过滤时 间不易太长，以免污染热原质；⑤溶质 所带的电荷及滤液的pH均会影响过滤 效果，必要时需加以矫正。
• 2.筛式过滤（即模式过滤）
• 1. 微滤的分离机理 • 一般认为，MF的分离机理为筛分机理，
膜的物理结构起决定作用。此外，吸附 和电性能等因素对截留也有影响。 • 通过电镜观察认为，微孔滤膜截留作用 大体可分为两大类： • 1) 表面层截留 • 2) 膜内部截留
4.中空纤维(毛细管)式膜组件
中空纤维或毛细管膜组件由数百至数百万根中 空纤维膜固定在圆筒形容器内构成(图8.10d)。 严格地讲，内径为40～80µm的膜称中空纤维膜， 而内径为0.25～2.5mm的膜称毛细管膜。由于两 种膜组件的结构基本相同，故一般将这两种膜 装置统称为中空纤维膜组件。
中空纤维超滤膜组件
• 基于几何筛分原理工作，过滤分离取 决于滤片基质孔径的大小。形成孔膜 有两种方式：拉伸式和相转换式。孔 隙想对较规则，具有较高的一致性。 与深层过滤相比它属于一种“绝对过 滤”，滤片厚度约120～150µm。
• 过滤前可进行预过滤，一般用深层过 滤板，孔径至少要一致。预处理滤片 与终末滤膜的面积比多为10：1。
（2）混合液的黏度
• 流体黏度越大，过滤越困难。通常混合液 的组成越复杂，浓度越高，黏度越大。
（3）操作条件
• 温度升高，流体黏度降低；调整pH也 可改变流体黏度。
（4）助滤剂的使用
助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒， 它能使滤饼疏松，吸附胶体，扩大过滤 面积，滤速增大。
常用的助滤剂有硅藻土、纤维素、石 棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等， 其中最常用的是硅藻土。
• 2.筛式过滤（即模式过滤）
• 优点：①截留效果与流速、压力差间 的关系不大，工作压力高；②滤膜结 构均一，无基质游离；③刚性大颗粒 被截留在膜表面，可起到深层过滤作 用；④有效过滤面积大，流速大；⑤ 吸附性小，故离子强度变化影响小； ⑥滤材本身纯净、无毒。
• 缺点：①污物处理能力小；②可出现阻 塞；③有些膜具有表面活性剂性质。
• 2)按膜结构分 对称性膜、对称膜、复合膜 • 3)按材料分 合成聚合物膜、无机材料膜等 • 4)按来源和形态分类分
液膜
乳状液膜 带支撑层的液膜
合成膜 膜
无孔膜 — 不对称膜
复合膜
有机膜
荷电膜
不对称膜
转相膜
固膜
多孔膜 对称膜
复合膜 不荷电膜
转相膜
不对称膜
无机膜 — 多孔膜
生物膜 (原生质、细胞膜)
膜断面图
图 各种膜组件的结构示意图
外压式膜组件结构 内压式膜组件结构
各种膜组件的优缺点
型式
优点Leabharlann 缺点管式易清洗，无死角适于处理 保留体积大，单位
含固体较多的料液，单根 体积中所含过滤面
管子可以调换
积较小，压降大
中空纤维式 保留体积小，单位体积中 所含过滤面积较大，可以 逆洗，操作压力较低，动 力消耗较低
• 管式膜组件是将膜固定在内径10～25mm，长约 3m的园管状多孔支撑体上构成的，l0～20根管 式膜并联(图8.10a)，或用管线串联，收纳在 筒状容器内即构成管式膜组件。管式膜组件的 内径较大，结构简单，适合于处理悬浮物含量 较高的料液，分离操作完成后的清洗比较容易。 但是管式膜组件单位体积的过滤表面积(即比 表面积)在各种膜组件中最小。
第五章 过滤与膜分离技术
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节 • 第五节 • 第六节
过滤技术 膜与膜组件 微滤技术 超滤技术 透析技术 其他过滤技术
一、过滤的原理
利用多孔性介质(如滤布)截留固-液悬浮 液中的固体粒子，进行固-液分离的方 法称为过滤。其中多孔性介质称为过滤 介质；所处理的悬浮液称为滤浆；滤浆 中被过滤介质截留的固体颗粒称为滤饼 或滤渣；通过过滤介质后的液体称为滤 液。驱使液体通过过滤介质的推动力可 以是重力、压力或离心力。
助滤剂的使用方法有两种：一种是在 过滤介质表面预涂助滤剂，另一种是直 接加入发酵液，也可两种方法同时兼用。
助滤剂使用要点
①根据目的物性质选择助滤剂品种 ②根据过滤介质和过滤情况选择助滤
剂品种
③粒度选择 实验确定
④用量的确定 预涂助滤剂时，间隙操作助滤剂的最小 厚度为2mm；连续操作则要根据所需的 过滤速率来确定。
缺点 不能连续操作，设备笨重，劳动强度大， 卫生条件差，非过滤的辅助时间较长。
⑤微孔滤膜滤器
微孔滤膜是用高分子材料制成的薄膜滤 过介质。常用的有圆盘形和圆筒形两种。 在薄膜上分布有大量的穿透性微孔，孔 径从0.025～14 m，分成多种规格。微 孔滤膜主要用于注射剂的精滤或末端滤 过，也可用于除菌滤过，细菌、癌细胞、 寄生虫等检验。
分为垂熔玻璃漏斗、滤球和滤棒三种。
③砂滤棒
国产主要有两种，一种是硅藻土滤棒，另一 种是多孔素瓷滤棒。硅藻土滤棒的主要成分 为SiO2、Al2O3。根据自然滴滤速度分为粗 号(500 mL/min以上) 、中号(300 ～ 500mL/min)及细号(300 mL/min以下)三种 规格。此种滤过器质地较松散，一般适用于 粘度高，浓度较大滤液的滤过。多孔素瓷滤 棒系白陶土烧结而成，此种滤器质地致密， 滤速慢，特别使用于低粘度液体的滤过。
四、常用的过滤方法
• 1.深层过滤 • 2.筛式过滤 • 3.系列膜过滤
• 1.深层过滤（又称深度过滤）