生物分离工程-第四章-膜分离技术
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▪ 电渗析：以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透 过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作；
各种膜的分离特性
微滤
悬浮颗粒
超滤 纳滤 反渗透
大分子有机物
糖类等小分子有机物，二价盐 或多价盐
单价盐 水
各种膜分离方法的应用范围
（1）渗透和渗透现象
水分子透过半透膜由纯水迁移到盐水溶液中的现 象叫做渗透
第四章 膜分离技术
5学时
授课内容
各种膜分离法及其原理 膜材料及其特性 膜组件 操作特性 膜的污染与清洗
学习目的和要求
在掌握各种膜分离方法和原理的基 础上，进一步了解膜特性及操作特点和 影响膜分离速度的因素以及膜分离过程。 清楚膜分离法在生物产物回收和纯化方 面的应用。
1、引言
（1）膜的概念 在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，其把流体 相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。
N2
D2
c2 l
溶剂
溶质
摩尔通量：
N1
D1c1v1 RT
p
l
N2
D2
c2 l
质量通量： 体积通量：
J1A 1 p
JV
J1
L
LPp
J2 D2mlc2
反渗透原理
c2P
J2 JV
LP pc2
提高反渗透操作压力有利于实现溶质的高 度浓缩。
（2）超滤和微滤的概念
超滤
超滤是根据高分子溶质之间或高分子与小分子溶质 之间分子量的差别进行分离的方法。
渗透与反渗透
渗透压
随着渗透过程进行，通过半透膜进入盐水 溶液中的水分子与通过半透膜离开盐水溶液 的水分子相等，所以它们处于动态平衡。此 时，盐水溶液和纯水间的液面差表示盐水的 渗透压。
渗透压的大小与盐水的浓度直接相关。
pBpAR v1Tln B A
反渗透的概念
在外加压力驱动下借助半透膜的选择截留作 用溶剂由高浓度溶液透过半膜向低浓度渗透 称为反渗透
微滤膜对微粒的截留也是基于筛分作用，其膜的分离 效果是膜的物理结构，孔的形状和大小所决定。
操作压力差一般为0.01～0.2MPa。
超滤和微滤的特点
超滤和微滤都是利用膜的筛分作用，以压差 为推动力；
2. 与反渗透膜相比，超滤和微滤膜具有明显的 孔道结构；
3. 操作压力较反渗透操作低，超滤操作压力在 0.1~1.0 MPa，微滤操作压力更小（0.05~ 0.5 MPa）；
微滤
微滤是一种从悬浮液中分离固形成分的方法，是 根据料液中的固形成分与溶液溶质在尺寸上的差异 进行分离的方法
超滤原理
超滤膜一般为非对称膜，具有较小的孔径（约为10 一200Å），能够截留分子量为0.5kDa以上的溶质分 子或生物大分子。料液在压力差作用下，其中溶剂 透过膜上的微孔形成透过液；而大分子溶质则被截 留，从而实现料液中大分子溶质和溶剂间的分离。
膜过滤的基础理论
通透量理论：一种基于粒子悬浊液在毛细管内流 动的毛细管理论。
水通量（Jw）和截留率（R）
Jw
W
A
R c1 c2 c1
W—透水量，A—膜的有效面积，τ—时间 c1—料液中溶质浓度， c2—透过液中溶质浓度
超滤的基本方程
JwLp(pa)
L ：穿透度（单位时间、单位膜 p 面积的处理量）
膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体 被膜分开的流体相物质是液体或气体 膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜
（2）膜分离
膜分离是利用具有一定选择性透过特性 的过滤介质进行物质的分离纯化。
（3）膜分离技术
膜分离技术：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，由于溶 液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的 一种技术。
超滤膜对溶质的截留机理主要是筛分作用，超滤膜 的膜孔大小和形状决定超滤膜的截留效果。除此以 外，溶质大分子在膜表面和孔道内的吸附和滞留也 具有截留溶质大分子的作用。
超滤所用操作压差在0.1~1.0 MPa之间。
ห้องสมุดไป่ตู้
微滤的原理
微滤通常采用孔径为0.02~10微米的微孔膜进行，其 可截留直径0.01-10微米的固体粒子或分子量大于 1000kDa的高分子物质。料液在压差作用下流经微滤 膜，料液中的溶剂和溶质分子透过微孔形成透过液； 而尺寸大于膜孔的固形成分则被截留，从而实现料液 中固形成分与溶液的分离。
反渗透原理
根据不可逆过程的热力学，非离子型溶剂的摩尔通量N1与
化学势梯度成正比，
N1
D1c1 RT
d1
dz
d1 RTdlna1
dz
dz
v1
dp dz
溶剂的摩尔通量： 溶剂的质量通量：
N1
D1c1v1 RT
p
l
J1A 1 p
反渗透原理
溶质传质的主要推动力在于浓差。根据Fick定律，其摩尔通量为
按膜结构：对称性膜、不对称膜、复 合膜
按材料分：合成有机聚合物膜、无机 材料膜
2、各种膜分离方法及其原理
微滤和超滤 反渗透 透析 纳滤 电渗析 渗透气化
要求
学习要求：各种膜分离法及其原理 理解：微滤、超滤、反渗透、透析、电
渗析和渗透汽化等方法的原理 应用：掌握各种膜的应用范围
膜分离技术的类型和定义
膜分离过程的实质是物质透过或被截留于 膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔 径大小而达到物质分离的目的，故而可以 按分离粒子大小进行分类：
▪ 微滤（MF）：以多孔细小薄膜为过滤介质， 压力差为推动力，使不溶性物质得以分离的操 作，孔径分布范围在0.025~14μm之间；
▪ 超滤（UF）：分离介质同上，但孔径更小，为 0.001~0.02 μm，分离推动力仍为压力差，适 合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质；
▪ 反渗透（RO）：是一种以压力差为推动力，从溶液中分 离出溶剂的膜分离操作，孔径范围在0.0001 ~0.001 μm之间；（由于分离的溶剂分子往往很小，不能 忽略渗透压的作用，故而成为反渗透）；
▪ 纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离300~1000小分子 量的膜分离过程，孔径分布在平均2nm；
（4）分离过程中膜的功能
物质的识别和透过
是使混合物中各组分之间实现分离的内在因素；
界面
提供一种状态，将透过液和保留液分为互不混合的两相
反应场
膜表面及孔内表面含有与特定溶质具有相互作用能力的 官能团，通过物理、化学或生化反应提高膜分离的选择性 和分离度；
（5）膜的分类
按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗 透膜、纳滤膜
各种膜的分离特性
微滤
悬浮颗粒
超滤 纳滤 反渗透
大分子有机物
糖类等小分子有机物，二价盐 或多价盐
单价盐 水
各种膜分离方法的应用范围
（1）渗透和渗透现象
水分子透过半透膜由纯水迁移到盐水溶液中的现 象叫做渗透
第四章 膜分离技术
5学时
授课内容
各种膜分离法及其原理 膜材料及其特性 膜组件 操作特性 膜的污染与清洗
学习目的和要求
在掌握各种膜分离方法和原理的基 础上，进一步了解膜特性及操作特点和 影响膜分离速度的因素以及膜分离过程。 清楚膜分离法在生物产物回收和纯化方 面的应用。
1、引言
（1）膜的概念 在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，其把流体 相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。
N2
D2
c2 l
溶剂
溶质
摩尔通量：
N1
D1c1v1 RT
p
l
N2
D2
c2 l
质量通量： 体积通量：
J1A 1 p
JV
J1
L
LPp
J2 D2mlc2
反渗透原理
c2P
J2 JV
LP pc2
提高反渗透操作压力有利于实现溶质的高 度浓缩。
（2）超滤和微滤的概念
超滤
超滤是根据高分子溶质之间或高分子与小分子溶质 之间分子量的差别进行分离的方法。
渗透与反渗透
渗透压
随着渗透过程进行，通过半透膜进入盐水 溶液中的水分子与通过半透膜离开盐水溶液 的水分子相等，所以它们处于动态平衡。此 时，盐水溶液和纯水间的液面差表示盐水的 渗透压。
渗透压的大小与盐水的浓度直接相关。
pBpAR v1Tln B A
反渗透的概念
在外加压力驱动下借助半透膜的选择截留作 用溶剂由高浓度溶液透过半膜向低浓度渗透 称为反渗透
微滤膜对微粒的截留也是基于筛分作用，其膜的分离 效果是膜的物理结构，孔的形状和大小所决定。
操作压力差一般为0.01～0.2MPa。
超滤和微滤的特点
超滤和微滤都是利用膜的筛分作用，以压差 为推动力；
2. 与反渗透膜相比，超滤和微滤膜具有明显的 孔道结构；
3. 操作压力较反渗透操作低，超滤操作压力在 0.1~1.0 MPa，微滤操作压力更小（0.05~ 0.5 MPa）；
微滤
微滤是一种从悬浮液中分离固形成分的方法，是 根据料液中的固形成分与溶液溶质在尺寸上的差异 进行分离的方法
超滤原理
超滤膜一般为非对称膜，具有较小的孔径（约为10 一200Å），能够截留分子量为0.5kDa以上的溶质分 子或生物大分子。料液在压力差作用下，其中溶剂 透过膜上的微孔形成透过液；而大分子溶质则被截 留，从而实现料液中大分子溶质和溶剂间的分离。
膜过滤的基础理论
通透量理论：一种基于粒子悬浊液在毛细管内流 动的毛细管理论。
水通量（Jw）和截留率（R）
Jw
W
A
R c1 c2 c1
W—透水量，A—膜的有效面积，τ—时间 c1—料液中溶质浓度， c2—透过液中溶质浓度
超滤的基本方程
JwLp(pa)
L ：穿透度（单位时间、单位膜 p 面积的处理量）
膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体 被膜分开的流体相物质是液体或气体 膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜
（2）膜分离
膜分离是利用具有一定选择性透过特性 的过滤介质进行物质的分离纯化。
（3）膜分离技术
膜分离技术：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，由于溶 液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的 一种技术。
超滤膜对溶质的截留机理主要是筛分作用，超滤膜 的膜孔大小和形状决定超滤膜的截留效果。除此以 外，溶质大分子在膜表面和孔道内的吸附和滞留也 具有截留溶质大分子的作用。
超滤所用操作压差在0.1~1.0 MPa之间。
ห้องสมุดไป่ตู้
微滤的原理
微滤通常采用孔径为0.02~10微米的微孔膜进行，其 可截留直径0.01-10微米的固体粒子或分子量大于 1000kDa的高分子物质。料液在压差作用下流经微滤 膜，料液中的溶剂和溶质分子透过微孔形成透过液； 而尺寸大于膜孔的固形成分则被截留，从而实现料液 中固形成分与溶液的分离。
反渗透原理
根据不可逆过程的热力学，非离子型溶剂的摩尔通量N1与
化学势梯度成正比，
N1
D1c1 RT
d1
dz
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dz
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v1
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溶剂的摩尔通量： 溶剂的质量通量：
N1
D1c1v1 RT
p
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J1A 1 p
反渗透原理
溶质传质的主要推动力在于浓差。根据Fick定律，其摩尔通量为
按膜结构：对称性膜、不对称膜、复 合膜
按材料分：合成有机聚合物膜、无机 材料膜
2、各种膜分离方法及其原理
微滤和超滤 反渗透 透析 纳滤 电渗析 渗透气化
要求
学习要求：各种膜分离法及其原理 理解：微滤、超滤、反渗透、透析、电
渗析和渗透汽化等方法的原理 应用：掌握各种膜的应用范围
膜分离技术的类型和定义
膜分离过程的实质是物质透过或被截留于 膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔 径大小而达到物质分离的目的，故而可以 按分离粒子大小进行分类：
▪ 微滤（MF）：以多孔细小薄膜为过滤介质， 压力差为推动力，使不溶性物质得以分离的操 作，孔径分布范围在0.025~14μm之间；
▪ 超滤（UF）：分离介质同上，但孔径更小，为 0.001~0.02 μm，分离推动力仍为压力差，适 合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质；
▪ 反渗透（RO）：是一种以压力差为推动力，从溶液中分 离出溶剂的膜分离操作，孔径范围在0.0001 ~0.001 μm之间；（由于分离的溶剂分子往往很小，不能 忽略渗透压的作用，故而成为反渗透）；
▪ 纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离300~1000小分子 量的膜分离过程，孔径分布在平均2nm；
（4）分离过程中膜的功能
物质的识别和透过
是使混合物中各组分之间实现分离的内在因素；
界面
提供一种状态，将透过液和保留液分为互不混合的两相
反应场
膜表面及孔内表面含有与特定溶质具有相互作用能力的 官能团，通过物理、化学或生化反应提高膜分离的选择性 和分离度；
（5）膜的分类
按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗 透膜、纳滤膜