生物工业下游技术第八章膜的分离过程
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生物工业下游技术 第八章 膜的分离过程
CB
1—CP/CB
CP
截断分子量：相当于一定截留率（90%以上）的最小 被截留溶质的分子量。
影响截留率的因素
• • • • • 溶质分子的大小 分子的形状 吸附作用 其他高分子溶质的影响 温度、pH、离子强度等
四、膜的使用寿命
1.膜的压密作用 在压力的作用下，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， 膜由半透明变为透明。 影响因素：操作压力和温度。
醋酸纤维膜的处方
• 浇铸液：
醋酸纤维素 25% 丙酮 45% 甲酰胺 30%
• 沉淀剂：水 • 操作条件：浇铸温度 凝胶浴温度 退火温度 退火时间
20℃ 1℃ 78℃ 10min
缺点：
• 制膜的重演性很差 • 不对称膜易压密
2.烧结法
• 取颗粒大小一定的膜材料细粉置于一定的 模具内，严格控制温度和压力，使细粒子 的表面由软变熔，进而互相粘结而形成多 孔体，最后经机械加工即得。 • 有平整不易变形和耐高温的优点。
2. 中空纤维式 • 保留体积小;
• 单位体积中所含过滤面积大;
• 可以逆洗;
• 料液需要预处理;
• 单根纤维损坏时，需调整整个模件。
3.螺旋卷绕式 • 单位体积中所含过滤面积大； • 换新膜容易； • 料液需要预处理； • 压降大； • 易污染，清洗困难。
4.平板式
• 保留体积小，操作费用低的压力降，液流
4.膜污染
• 一种是附着层，由料液中悬浮物堆积于膜 面，由溶解性的有机物粘附和溶解性的无 机物生成的水垢积附、胶体物质和微生物 等吸附于膜面； • 另一种是堵塞，是微细粒子或小分子溶质 吸附、积累在膜表面或膜孔中结晶沉积所 致。
减轻膜污染的方法
• 料液的有效预处理 • 改善膜的表面性质和电荷性 • 改变操作条件
1—CP/CB
CP
截断分子量：相当于一定截留率（90%以上）的最小 被截留溶质的分子量。
影响截留率的因素
• • • • • 溶质分子的大小 分子的形状 吸附作用 其他高分子溶质的影响 温度、pH、离子强度等
四、膜的使用寿命
1.膜的压密作用 在压力的作用下，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， 膜由半透明变为透明。 影响因素：操作压力和温度。
醋酸纤维膜的处方
• 浇铸液：
醋酸纤维素 25% 丙酮 45% 甲酰胺 30%
• 沉淀剂：水 • 操作条件：浇铸温度 凝胶浴温度 退火温度 退火时间
20℃ 1℃ 78℃ 10min
缺点：
• 制膜的重演性很差 • 不对称膜易压密
2.烧结法
• 取颗粒大小一定的膜材料细粉置于一定的 模具内，严格控制温度和压力，使细粒子 的表面由软变熔，进而互相粘结而形成多 孔体，最后经机械加工即得。 • 有平整不易变形和耐高温的优点。
2. 中空纤维式 • 保留体积小;
• 单位体积中所含过滤面积大;
• 可以逆洗;
• 料液需要预处理;
• 单根纤维损坏时，需调整整个模件。
3.螺旋卷绕式 • 单位体积中所含过滤面积大； • 换新膜容易； • 料液需要预处理； • 压降大； • 易污染，清洗困难。
4.平板式
• 保留体积小，操作费用低的压力降，液流
4.膜污染
• 一种是附着层，由料液中悬浮物堆积于膜 面，由溶解性的有机物粘附和溶解性的无 机物生成的水垢积附、胶体物质和微生物 等吸附于膜面； • 另一种是堵塞，是微细粒子或小分子溶质 吸附、积累在膜表面或膜孔中结晶沉积所 致。
减轻膜污染的方法
• 料液的有效预处理 • 改善膜的表面性质和电荷性 • 改变操作条件
第八章产物的分离和纯化
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3. 凝聚与絮凝
采用凝聚和絮凝技术能有效改变细胞、细 胞碎片及溶解大分子物质的分散状态，使其聚 结成较大的颗粒，便于提高过滤速率。除此之外， 还能有效地除去杂蛋白质和固体杂质，提高滤 液质量。因此，凝聚和絮凝是目前工业上最常用 的预处理方法之一。常用于菌体细小而且粘度 大的发酵液的预处理。
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22
• 工业上常用的过滤分离设备有板框压 滤机、膜过滤机和离心沉降分离机等。
• 这些过滤装置各有其优缺点，根据不 同产品的具体实际加以选择。
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6 其它方法
• 1. 高 价 无 机 离 子 的 去 除 （ Ca2+ 、 Mg2+ 、 Fe2+等）
6/4溶/202液4 称为萃取液。
52
• 工业上萃取的操作包括三个步骤：
• 一是混合
• 将料液和萃取剂充分混合形成乳浊液， 让溶质自料液转入萃取剂中，此过程通常 在搅拌罐中进行，也可以在很高速度的管 道内混合。
例如：在枯草芽孢杆菌发酵液中，加入氯化
钙和磷酸氢二钠，两者生成庞大的凝胶，把蛋白 质、菌体及其他不溶性粒子吸附并包裹在其中而 除去，从而可加快过滤速率。
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③变性法
蛋白质由有规则的排列到无规则结构的变化过程成为变性。变 性的蛋白溶解性小。
使蛋白质变性的方法有：加热，大幅度调节pH，加酒精等有机 溶剂或表面活性剂等 。
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2
• 2)、培养液是复杂的多相分散体系：
•
是多相体系，一般情况下，分散介质是水。
分散在其中的固体和胶体物质组成复杂，不仅
第八章 生物工业下游技术基本原理(1)
• 不同分离原理的组合可派生新型高效的分 离方法。
多级分离与方法组合
• 大多数分离物系中溶质间性质差别较小， 即分离因子较小，单级分离效率很低，故 一般需要采用多级分离操作以提高效率。
• 对于特定的目标产物，要根据起自身性质 及其与共存杂质的特性，选择合适的分离 方法和不同分离方法的组合，以获得最佳 分离效果，
•
多孔质固体：d = 2~10
（2）表面扩散
• 细孔内物质运动的第二种形式是细孔内壁 表面物理吸附的分子在保持被吸附状态下 进行的运动，称为表面扩散。
四、生物分离及其效率
• 生物分离的目标是实现生物产品的高效率 分离纯化。
• 分离效率可从不同的角度来评价，一是分 离方法和设备，二是分离过程和产品。
=(cTP/cTW)/(cXP/cXW)
（2.3）
此处定义的在单级平衡蒸馏中相当于相对挥发 度；在萃取分离中又称萃取选择性 （selectivity），是目标产物和杂质在两相间分 配系数的比值。
• 式(2.1)和式(2.2)或式(2.3)也适用于间歇过 程浓缩率和分离因子的计算。
• 另外，对于具有生物活性的生物产品（酶、 蛋白质药物、抗体等），可用分离前后目 标产物的比活（specific activity）A之比 表示目标产物的分离纯化程度
差速分离过程
• 传统的过滤、重力沉降和离心沉降等非均 相物系的机械分离方法根据溶质大小、形 状和密度差进行分离，也属差速分离的范 畴。
• 其他典型的差速分离法还包括超滤、反渗 透、电渗析、电泳和磁泳等。其结果是： 欲分离物在分离场的端面上浓缩或在分离 场内形成一个稳定的浓度分布。
差速分离操作
物性 对象 外加势能 分离场
(2.5)
• 生物分离操作多为间歇过程（分批操作），
多级分离与方法组合
• 大多数分离物系中溶质间性质差别较小， 即分离因子较小，单级分离效率很低，故 一般需要采用多级分离操作以提高效率。
• 对于特定的目标产物，要根据起自身性质 及其与共存杂质的特性，选择合适的分离 方法和不同分离方法的组合，以获得最佳 分离效果，
•
多孔质固体：d = 2~10
（2）表面扩散
• 细孔内物质运动的第二种形式是细孔内壁 表面物理吸附的分子在保持被吸附状态下 进行的运动，称为表面扩散。
四、生物分离及其效率
• 生物分离的目标是实现生物产品的高效率 分离纯化。
• 分离效率可从不同的角度来评价，一是分 离方法和设备，二是分离过程和产品。
=(cTP/cTW)/(cXP/cXW)
（2.3）
此处定义的在单级平衡蒸馏中相当于相对挥发 度；在萃取分离中又称萃取选择性 （selectivity），是目标产物和杂质在两相间分 配系数的比值。
• 式(2.1)和式(2.2)或式(2.3)也适用于间歇过 程浓缩率和分离因子的计算。
• 另外，对于具有生物活性的生物产品（酶、 蛋白质药物、抗体等），可用分离前后目 标产物的比活（specific activity）A之比 表示目标产物的分离纯化程度
差速分离过程
• 传统的过滤、重力沉降和离心沉降等非均 相物系的机械分离方法根据溶质大小、形 状和密度差进行分离，也属差速分离的范 畴。
• 其他典型的差速分离法还包括超滤、反渗 透、电渗析、电泳和磁泳等。其结果是： 欲分离物在分离场的端面上浓缩或在分离 场内形成一个稳定的浓度分布。
差速分离操作
物性 对象 外加势能 分离场
(2.5)
• 生物分离操作多为间歇过程（分批操作），
生物分离工程之膜分离过程
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MWCO与孔径
截断分子量:（molecular weight cut-off，MWCO）相 当于一定截留率(通常为90％或95％)的分子量，随厂商 而异。由截断分子量按可估计孔道大小。
MWCO（球状蛋白质） 近似孔径（nm)
1000
2
10 000
5
100 000
12
1000 000
29
26
2. 水通量
与醋酸纤维素反渗透膜相比,它具有脱盐率高、通量大、操作 压力要求低、pH 范围广4-11
15
近年来开发的新型膜材料
① 复合膜； ② 无机多孔膜； ③ 纳米过滤膜。 ④ 功能高分子膜； ⑤ 聚氨基葡糖
16
膜材料 - 不同的膜分离技术
• 透析：醋酸纤维、聚丙烯腈、聚酰胺、 • 微滤膜：硝酸/醋酸纤维，聚氟乙烯，聚丙烯， • 超滤膜：聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维 • 反渗透膜 ：醋酸纤维素衍生物，聚酰胺 • 纳滤膜：聚电解质+聚酰胺、聚醚砜 • 电渗析：离子交换树脂 • 渗透蒸发：弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚乙
40
3. 反渗透
利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）而截留离子 物质性质，以膜两侧静压差为推动力，克服渗透压，使溶剂通 过反渗透膜实现对液体混合物进行分离的过程。 操作压差一般为1.5～10.5MPa，截留组分为小分子物质。
41
反渗透法
分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，为反渗透
10
膜材料的特性
• 对于不同种类的膜都有一个基本要求：
– 耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压 力，一般模操作的压力范围在0.1~0.5MPa，反渗透 膜的压力更高，约为1~10MPa
– 耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要 – 耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解； – 化学相容性：保持膜的稳定性； – 生物相容性：防止生物大分子的变性； – 成本低；
MWCO与孔径
截断分子量:（molecular weight cut-off，MWCO）相 当于一定截留率(通常为90％或95％)的分子量，随厂商 而异。由截断分子量按可估计孔道大小。
MWCO（球状蛋白质） 近似孔径（nm)
1000
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10 000
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1000 000
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2. 水通量
与醋酸纤维素反渗透膜相比,它具有脱盐率高、通量大、操作 压力要求低、pH 范围广4-11
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近年来开发的新型膜材料
① 复合膜； ② 无机多孔膜； ③ 纳米过滤膜。 ④ 功能高分子膜； ⑤ 聚氨基葡糖
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膜材料 - 不同的膜分离技术
• 透析：醋酸纤维、聚丙烯腈、聚酰胺、 • 微滤膜：硝酸/醋酸纤维，聚氟乙烯，聚丙烯， • 超滤膜：聚砜，硝酸纤维，醋酸纤维 • 反渗透膜 ：醋酸纤维素衍生物，聚酰胺 • 纳滤膜：聚电解质+聚酰胺、聚醚砜 • 电渗析：离子交换树脂 • 渗透蒸发：弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚乙
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3. 反渗透
利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）而截留离子 物质性质，以膜两侧静压差为推动力，克服渗透压，使溶剂通 过反渗透膜实现对液体混合物进行分离的过程。 操作压差一般为1.5～10.5MPa，截留组分为小分子物质。
41
反渗透法
分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，为反渗透
10
膜材料的特性
• 对于不同种类的膜都有一个基本要求：
– 耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压 力，一般模操作的压力范围在0.1~0.5MPa，反渗透 膜的压力更高，约为1~10MPa
– 耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要 – 耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解； – 化学相容性：保持膜的稳定性； – 生物相容性：防止生物大分子的变性； – 成本低；
06-膜分离过程
6.1.2. 膜过程分类
生物分离中最常用-超滤、微滤和反渗透
膜过程分类
粒径
0. 1 1 nm 10
病毒
100
1μ m
10
100
１ mm
小分子
蛋白质
乳胶
细菌 细胞 微粒
超细胶体微粒 反渗透 微滤
超滤
一般过滤
膜分离法与物质大小（直径）的关系
6.1.3. 分离膜
（一）分离膜性能
• ★物化稳定性-膜强度、耐受压力、温度、pH、对 有机溶剂及各种化学药品的耐受性-膜寿命 ★分离透过性-选择性、渗透通量、通量衰减系数 • ①选择性-可用截留率R表示
第六章
膜分离过程
Membrane Separation
膜分离现象普遍存在，膜分离技术应用广泛
1925年以来，差不多每十年就有一项新的膜 过程在工业上得到应用 30年代 微孔过滤——人造 40年代 渗析 50年代 电渗析 60年代 反渗透（1960年Loeb和Sourirajan） 70年代 超滤 80年代 气体分离 90年代 渗透汽化 现代 EDI技术——电渗析(ED)+离子交换（IE)
膜材料
①透过速度大 ②截留盐的能力强 ③易于制备、来源丰富 ④适合作反渗透膜 ⑤不耐温（30℃） ⑥pH 范围窄，清洗困难 ⑦与氯作用，寿命降低 ⑧微生物侵袭 （1）温度范围广 （2）pH 范围广 （3）耐氯能力强 （4）孔径范围宽 （5) 操作压力低 （6）适合作超滤膜
（三）膜结构
• 对称膜，即膜截面的膜厚 方向上孔道结构或传递特 性均匀，传质阻力大，透 过通量低，容易污染，清 洗困难，微滤膜大多为对 称膜
（二）膜材料
膜材料 应用 特点 截盐能力强，使用温度 反渗透膜 醋酸纤维 和 pH 范围有限 微滤膜和超滤膜 天然高分子 再生纤维 微滤膜和透析膜
生物工业下游技术 膜分离过程
膜的使用寿命
膜的水解作用
醋酸纤维素：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，特别是在酸碱性较强 的溶液中，水解速度更快。 结果：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。 措施：控制进料pH和进料温度。
膜的使用寿命
膜的浓差极化
结果：1）提高渗透压，降低水通量；2）降低膜的截留率； 3）产生结垢现象，造成物理阻塞，使膜逐渐失去透水能力。 虽不能完全消除，但操作得当，浓差极化是可以减弱的。 措施： ① 错流； ② 进料流速↑； ③湍流程度提高，设备改进： a. 小型设备装搅拌； b. 装湍流促进器； c. 对料液施加脉冲，以不恒定的线速度进料; ④ 温度不要太低。
由于其中某一组分更容易通过膜，所以 膜组件内原料的组成和流速均随位臵变 化。
平板式
外形类似于扳式换热 器； 平板膜以1 mm左右的 间隔重叠加工而成，膜 间衬设多孔薄膜（间隔 器） 保留体积小，比表面 积大； 能量消耗介于管式和 螺旋卷式之间； 死体积较大
平板式构造
管式构造 管式膜组件的内部结构及优缺点
1.膜面切线方向速度快，有高剪切率，以减少浓差极化。 2.膜的装载密度，即单位体积中所含膜面积比较大。 3.拆洗和膜的更换比较方便。 4.保留体积小，且无死角。 5.组件的价格低 。
膜分离的应用
膜组件
平板式 管式 螺旋式 中空纤维式
单一膜组件系统的示意图
原料以一定组成、一定流速进入膜组件，
膜的使用寿命
膜污染
定义：膜在使用中，尽管操作条件保持不变，但通量仍逐
渐降低的现象。
原因：
膜的劣化：化学，物理，生物 污垢：吸附，堵塞
膜分离PPT
功能
滤去0.1μm以上的颗粒 滤去0.1μm以上的颗粒 滤去0.1μm以上的颗粒 水——溶盐分离 混合气体分离 水——溶盐分离
推动力
压力差~200kPa 压力差1000kPa 压力差0.5~2MPa 压力差1~10MPa 压力差0.1~10MPa 浓度差
膜分离机理
筛分 筛分 溶解扩散 溶解扩散 溶解扩散 溶解扩散筛分
大分子
纳滤
● ● ● ● ●● ■ ■
糖 二价盐 游离酸 单价盐 不游离酸
水
1、微滤和超滤
微滤和超滤都是在静压差的推动力作用下进行的液相分离
过程。
在一定的压力作用下，当含有高分子溶质（A）和低分子溶 质（B）的混合溶液流过膜表面时，溶剂和小于膜孔的低分子溶 质（如无机盐）透过膜，成为渗透液被收集；大于膜孔的高分 子溶质（如有机胶体）则被膜截流而作为浓缩液回收。 超滤所用的膜为非对称性膜，表面的孔不规则，不均一， 很难确定孔径，故通常用它能截留的物质的分子量来定义膜孔 的大小。
反渗透膜 P
纯水
盐水
π
纯水 盐水
纯水
盐水
(a)渗透
(b)渗透平衡
(c)反渗透
反渗透原理示意图
0 在一定温度和压力下，设纯水的化学位为 （T , p1） ，则
盐溶液中水的化学位为
（T , p1） 0 (T , p1 ) RT ln a
式中，a为溶液中水的活度，纯水的a=1，而溶液中的 a一般小于1，即 RT ln a 0 ，故 (T , p1 ) 0 (T , p1 )
• 澄清果汁
• 屠宰动物血液成分回收 • 植物蛋白的回收
• 浓缩葡萄糖氧化酶、胰蛋白酶等
• 浓缩以基因工程菌生产的新物质（干扰素、生长激素等）
生物分离工程膜分离过程 (membrane separation幻灯片课件
透析法的应用
▪ 透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。 ▪ 在生物分离方面，主要用于大分子溶液的脱盐。由于
透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量很小，不 适于大规模生物分离过程、但在实验室中应用较多。
膜分离过程 (membrane separation)
▪ 膜的制造
17.2 膜的制造
▪ 要求： ▪ （1）透过速度 ▪ （2）选择性 ▪ （3） 机械强度 ▪ （4） 稳定性
▪ 分离机理
毛细管流动模型 在膜过滤法中，反渗透和超滤与微滤有不同的分离机理。对于后两者，一般认为是简单的 筛分过程，大于膜表面毛细孔的分子被截留，相反，较小的分子则能透过膜。膜是多孔性的 ，膜内有很多孔道。水以滞流方式在孔道内流动，因而服从Hagen-Poiseuille方程式；
Jv d 2 p 32 L
膜分离过程 (membrane separation)
▪ 浓差极化与膜污染及清洗方法
什么是浓差极化?
▪ 在分离过程中，料液中溶剂在压力驱动下透过膜，溶
质被截留，于是在膜表面与临近膜面区域浓度越来越 高。在浓度梯度作用下，溶质由膜面向本体溶液扩散， 形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导 致溶液透过流量下降。溶剂向膜面流动(对流)引起溶 质向膜面流动，当溶质向膜面的流动速度与浓度梯度 使溶质向本体溶液扩散速度达到平衡时，在膜面附近 存在一个稳定的浓度梯度区，这一区域称为浓度极化 边界层，这一现象称为浓差极化。
生物分离工程膜分离过程 (membrane separation
膜分离过程 (membrane separation)
第一讲
膜分离过程 (membrane separation)
▪ 膜分离过程的类型
▪ 按分子或粒子大小分类 ▪ 按膜孔平均孔径，推动力和传递机制进行分类 ▪ 对称膜与不对称膜 ▪ 有孔膜与无孔膜
▪ 透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。 ▪ 在生物分离方面，主要用于大分子溶液的脱盐。由于
透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量很小，不 适于大规模生物分离过程、但在实验室中应用较多。
膜分离过程 (membrane separation)
▪ 膜的制造
17.2 膜的制造
▪ 要求： ▪ （1）透过速度 ▪ （2）选择性 ▪ （3） 机械强度 ▪ （4） 稳定性
▪ 分离机理
毛细管流动模型 在膜过滤法中，反渗透和超滤与微滤有不同的分离机理。对于后两者，一般认为是简单的 筛分过程，大于膜表面毛细孔的分子被截留，相反，较小的分子则能透过膜。膜是多孔性的 ，膜内有很多孔道。水以滞流方式在孔道内流动，因而服从Hagen-Poiseuille方程式；
Jv d 2 p 32 L
膜分离过程 (membrane separation)
▪ 浓差极化与膜污染及清洗方法
什么是浓差极化?
▪ 在分离过程中，料液中溶剂在压力驱动下透过膜，溶
质被截留，于是在膜表面与临近膜面区域浓度越来越 高。在浓度梯度作用下，溶质由膜面向本体溶液扩散， 形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导 致溶液透过流量下降。溶剂向膜面流动(对流)引起溶 质向膜面流动，当溶质向膜面的流动速度与浓度梯度 使溶质向本体溶液扩散速度达到平衡时，在膜面附近 存在一个稳定的浓度梯度区，这一区域称为浓度极化 边界层，这一现象称为浓差极化。
生物分离工程膜分离过程 (membrane separation
膜分离过程 (membrane separation)
第一讲
膜分离过程 (membrane separation)
▪ 膜分离过程的类型
▪ 按分子或粒子大小分类 ▪ 按膜孔平均孔径，推动力和传递机制进行分类 ▪ 对称膜与不对称膜 ▪ 有孔膜与无孔膜
生物工程下游技术 膜分离PPT课件
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
5
6
7
8
膜分离技术类型
按分离粒子大小进行分类：
9
5.2.1反渗透
▪概念：将溶质通过一层具有选择性的半透膜，从溶 液中分离出来。分离时的推动力是压强，由于被分 离物质的分子量和直径大小差别及膜孔结构不同， 其采用的压强大小不同。反渗透膜的操作压力高达 10 MPa。膜孔径范围在0.0001~0.001 μm之间；
▪原理：
由于超滤和反渗透过程都是用一种半透膜把两种不 同浓度的溶液隔开（淡水或盐水），因此都存在渗 透压。
渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度； 一般说来，无机小分子的渗透压要比有机大分子溶
质的渗透压高得多。
10
11
渗透是由于存在化学势存在梯度而引起 的自发扩散现象。
溶液中水的化学势
16
超滤的基本方程
JvLp(p)
Lp
：穿透度（单位时间、 单位膜面积的处理量）
应用：生物制品的浓缩和纯化：小分子如柠檬 酸和抗生素,大分子如多糖、蛋白质
17
5.2.3微滤
▪适用范围：尺寸为0.1-10μm（微米级）的微生 物和微粒子的截留与浓缩、净化与分离特点： 相态不变，无需加热、操作压力低，泵与管对 材料要求不高，可用间歇和连续操作。
膜分离：利用具有一定选择性透过的过滤介质进 行物质分离的技术。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。
3
膜分离的特点 （1）能耗低，无相变 （2）操作条件温和 （3）污染难清除，不能耐受极端条件 （4）需与其它技术结合应用
4
5.2各种膜分离技术及其原理
按孔径大小：微滤膜、超滤膜、 反渗透膜、纳滤膜
按材料分：合成有机聚合物膜、 无机材料膜
5
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7
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膜分离技术类型
按分离粒子大小进行分类：
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5.2.1反渗透
▪概念：将溶质通过一层具有选择性的半透膜，从溶 液中分离出来。分离时的推动力是压强，由于被分 离物质的分子量和直径大小差别及膜孔结构不同， 其采用的压强大小不同。反渗透膜的操作压力高达 10 MPa。膜孔径范围在0.0001~0.001 μm之间；
▪原理：
由于超滤和反渗透过程都是用一种半透膜把两种不 同浓度的溶液隔开（淡水或盐水），因此都存在渗 透压。
渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度； 一般说来，无机小分子的渗透压要比有机大分子溶
质的渗透压高得多。
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渗透是由于存在化学势存在梯度而引起 的自发扩散现象。
溶液中水的化学势
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超滤的基本方程
JvLp(p)
Lp
：穿透度（单位时间、 单位膜面积的处理量）
应用：生物制品的浓缩和纯化：小分子如柠檬 酸和抗生素,大分子如多糖、蛋白质
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5.2.3微滤
▪适用范围：尺寸为0.1-10μm（微米级）的微生 物和微粒子的截留与浓缩、净化与分离特点： 相态不变，无需加热、操作压力低，泵与管对 材料要求不高，可用间歇和连续操作。
膜分离：利用具有一定选择性透过的过滤介质进 行物质分离的技术。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。
3
膜分离的特点 （1）能耗低，无相变 （2）操作条件温和 （3）污染难清除，不能耐受极端条件 （4）需与其它技术结合应用
4
5.2各种膜分离技术及其原理
按孔径大小：微滤膜、超滤膜、 反渗透膜、纳滤膜
生物工业下游技术pptppt课件
1、无载体扩散迁移 2．载体促进传递机制
二、乳化液膜的分离机制
1 无载体扩散迁移 (1)单纯扩散迁移：
属于这种分离机制的液膜中不含流动载体，内、外水相中也无与 待分离物质发生化学反应的试剂。依靠待分离组分在膜中的溶解度和扩散 系数的差异，导致透过膜的速度不同而实现的一种液膜分离过程。
(2)内相化学反应促进迁移：
起来，而后在冶金、医药、环保、原子能、石油化工、生物技 术领域也蓬勃开展起来。
如在生物医学的应用上，防止用药过度和药物的释出。 在生物分离技术上，如氨基酸、有机酸、抗生素、脂肪 酸、酶等蛋白质、生物活性物质等分离方面的研究都很活跃。
一、液膜的分类
(1)整体液膜：主要用于载体的开发和基础性研究上，如分离机制、传递 速度和载体选择性等。 (2)支持液膜：进行工业性应用研究的主要是乳化液膜，其次是支持液膜。 (3 )乳化液膜：膜相通常由烷烃类物质组成，所以有时也称为油相，在油 相中还需添加一些表面活性剂以增加膜的稳定性。
第二节 乳化液膜的制备与分离机制
一、乳化液膜的制备
在一强烈的剪切率下，缓慢添加水相(内水相)于一 含有表面活性剂的油相中，形成动力学上稳定的油包水(W ／O)乳化液，再通过一温和搅拌将油包水乳化液分散于一 连续水相(外水相)中，膜相充当了两水相的隔离层，因而 内相不含有外相水溶液。
二、乳化液膜的分离机制
采用在溶质的接受相（如内相）添加与溶质能发生化学反应的试 剂，通过化学反应来促使溶质高效快速迁移来实现高效分离。
例如：乙酸液膜分离； 从废水中去除酚。
2．载体促进传递机制
在膜相中加入一种可自由流动被称为“载体(Carrier)” 的化合物，它能选择性地与外相中的待分离物质结合后透过 膜相并将它送入内水相。
二、乳化液膜的分离机制
1 无载体扩散迁移 (1)单纯扩散迁移：
属于这种分离机制的液膜中不含流动载体，内、外水相中也无与 待分离物质发生化学反应的试剂。依靠待分离组分在膜中的溶解度和扩散 系数的差异，导致透过膜的速度不同而实现的一种液膜分离过程。
(2)内相化学反应促进迁移：
起来，而后在冶金、医药、环保、原子能、石油化工、生物技 术领域也蓬勃开展起来。
如在生物医学的应用上，防止用药过度和药物的释出。 在生物分离技术上，如氨基酸、有机酸、抗生素、脂肪 酸、酶等蛋白质、生物活性物质等分离方面的研究都很活跃。
一、液膜的分类
(1)整体液膜：主要用于载体的开发和基础性研究上，如分离机制、传递 速度和载体选择性等。 (2)支持液膜：进行工业性应用研究的主要是乳化液膜，其次是支持液膜。 (3 )乳化液膜：膜相通常由烷烃类物质组成，所以有时也称为油相，在油 相中还需添加一些表面活性剂以增加膜的稳定性。
第二节 乳化液膜的制备与分离机制
一、乳化液膜的制备
在一强烈的剪切率下，缓慢添加水相(内水相)于一 含有表面活性剂的油相中，形成动力学上稳定的油包水(W ／O)乳化液，再通过一温和搅拌将油包水乳化液分散于一 连续水相(外水相)中，膜相充当了两水相的隔离层，因而 内相不含有外相水溶液。
二、乳化液膜的分离机制
采用在溶质的接受相（如内相）添加与溶质能发生化学反应的试 剂，通过化学反应来促使溶质高效快速迁移来实现高效分离。
例如：乙酸液膜分离； 从废水中去除酚。
2．载体促进传递机制
在膜相中加入一种可自由流动被称为“载体(Carrier)” 的化合物，它能选择性地与外相中的待分离物质结合后透过 膜相并将它送入内水相。
生物工程下游技术_膜分离过程
N=K0(c1－c2)
其中， K0为包括膜内扩散和 膜两侧表面液膜传质阻力在 内的总传质系数， c1和c2分 别为膜两侧的溶质浓度。
图5.3 透析原理
图5.3透析膜一般为孔径5～10nm的亲水膜， 例如纤维素膜、聚丙烯氰膜和聚酰胺膜等。 生化实验室中经常使用的透析袋直径为5～80 mm，将料液装入透析袋中，封口后浸入到透 析液中，一·定时间后即可完成透析，必要时 需更换透析液。处理量较大时，为提高透析 速度，常使用比表面积较大的中空纤维透析 装置(详见5.3节)。 透析法在临床上常用于肾 衰竭患者的血液透析。在生物分离方面，主 要用于生物大分子溶液的脱盐。由于透析过 程以浓差为传质推动力，膜的透过通量很小， 不适于大规模生物分离过程，而在实验室中 应用较多。
原理 动漫
纳滤在工业上的应用
--------
-----------
----------
膜分离法包含着非常丰富的内容，在生物分离领域应用的膜分 离法包括微滤(Microfiltration,MF)、超滤(Ultrafiltration， UF)、反渗透(Reverse osmosis，RO)、透析(Dialysis，DS)、 电渗析(Electrodialysis，ED)和渗透气化(Pervaporation， PV)等，各种膜分离法的原理和应用范围列于上表。
5.2 膜分离法与物质大小(直径)的关系
在超滤和微滤过程中，流体在膜孔道内层流动。假设孔道为圆 柱形，孔径均匀，则透过通量可用根据动量衡算推导的 Hagen-Poiseuille方程表达（溶剂的体积通量）
其中，ε为膜的空隙率，dpore为 孔道直径，μp为滤液粘度。
由于膜的孔道结构复杂，孔径不均匀，并且有些孔道还可能是 一端封闭的，所以Hagen-Poiseuille方程与实际的超滤或微滤 过程差距较大。适用于固定床内流体通量与压降关系的 Carman-Kozeny 方程与实际的超滤或微滤过程更接近，该方 程为
生物工业下游技术复习要点
生物工业下游技术复习要点第一章绪论1.下游技术:对于由生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物源料，经提取分离、加工并精制目的成分，最终使其成为产品的技术，通常称为下游技术，也称为下游工程或下游加工过程。
生化分离工程:生物化工产品通过微生物发酵过程、酶反应过程或动植物细胞大量培养获得，从上述发酵液、反应液或培养液中分离、精制有关产品的过程.2.生物工业下游技术一般工艺过程3.生物工程下游技术大致可分为4个阶段：(1)预处理和固液分离：固液分离以除去发酵液中的不溶性固形物杂质和菌体细胞。
过滤和离心相比，无论是投资费用还是运转费用，前者都要小得多，因而首选方法应是过滤。
(2)提取(初步分离)：目的是除去与产物性质差异较大的杂质，是目的产物要求有较大浓缩比的过程。
(3)精制(高度纯化)：目的是去除与产物的物理化学性质比较接近的杂质。
通常采用色谱分离，结晶特别是重结晶。
(4)成品制作：成品形式与产品的最终用途有关，有液态产品也有固态产品，美观的产品形态也是产品档次的一个标志。
4.清洁生产(Cleaner Production)：是指将综合预防的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中，以期减少对人类和环境的风险。
它包括三方面内容，即清洁生产工艺(技术)、清洁产品、清洁能源。
清洁生产工艺是生产全过程控制工艺，包括节约原材料和能源，淘汰有毒害的原材料，并在全部排放物和废物离开生产过程以前，尽最大可能减少它们的排放量和毒性，对必须排放的污染物实行综合利用，使废物资源化。
第二章下游技术的理论基础1.分类：以物理学过程为基础的分离操作，大致可分为以下三类，（1）平衡分离过程：建立在相平衡关系上的。
利用相的组成差别进行混合物体系的分离。
（2）拟平衡(速度差)分离操作：在混合物体系本身所占有的空间之外，加一个能引起物质分离的势能场，在它的作用下，形成分离场。
（3 ）非平衡分离操作：1、2以外均划归其中，利用物质移动速度差和广义的、基于“屏蔽效应”的分离操作。
膜分离技术课件
⑤严重的浓差极化导致结晶析出，阻塞流道，运行恶化。
共四十三页
减少浓差极化的有效途径：
1、减少边界层厚度 2、提高传质系数 方法： 1，增加料液流速；增加湍流(tuānliú)速度； 2，提高温度；清洗膜面。
共四十三页
6.3.3 膜分离过程(guòchéng)
膜分离过程推动力：压力(yālì)差、浓度差、电位差等。
向运动，易穿过阳膜，被阴膜挡住，带负电荷离子反之。 4. 结果
2、4隔室中离子浓度增加，3室离子浓度下降。
共四十三页
二、电渗析中传递过程 （1）反粒子迁移(qiānyí)； （2）同名离子迁移； （3）电解质离子迁移； （4）水的渗透； （5）渗漏； （6）水的电渗析。 三、电极反应和电极电位 浓、淡隔室及膜中导电：离子型 电极上导电：电子型
主要特点：
① 分离选择性高。
② 分离作用不受组分汽液平衡的限制(xiànzhì)，而主要受组分在膜内的渗透速率的 控制。
③ 渗透通量低，一般小于1000g/m2h 。
④ 过程中有相变。
⑤ 在操作过程中，进料侧原则上不需加压，所以不会导致膜的压密。在操作过
共四十三页
应用场合：
①从混合液中分离出少量物质，如有机物中少量水的脱除，水中少量挥发性有机物的脱除；
共四十三页
共四十三页
2.电渗析过程(guòchéng)
1
+++++++++++
N
+ a
阳膜 阳级
2
Cl
N
+ a
Cl
N
+ a
阴膜 浓缩室
+
—
共四十三页
减少浓差极化的有效途径：
1、减少边界层厚度 2、提高传质系数 方法： 1，增加料液流速；增加湍流(tuānliú)速度； 2，提高温度；清洗膜面。
共四十三页
6.3.3 膜分离过程(guòchéng)
膜分离过程推动力：压力(yālì)差、浓度差、电位差等。
向运动，易穿过阳膜，被阴膜挡住，带负电荷离子反之。 4. 结果
2、4隔室中离子浓度增加，3室离子浓度下降。
共四十三页
二、电渗析中传递过程 （1）反粒子迁移(qiānyí)； （2）同名离子迁移； （3）电解质离子迁移； （4）水的渗透； （5）渗漏； （6）水的电渗析。 三、电极反应和电极电位 浓、淡隔室及膜中导电：离子型 电极上导电：电子型
主要特点：
① 分离选择性高。
② 分离作用不受组分汽液平衡的限制(xiànzhì)，而主要受组分在膜内的渗透速率的 控制。
③ 渗透通量低，一般小于1000g/m2h 。
④ 过程中有相变。
⑤ 在操作过程中，进料侧原则上不需加压，所以不会导致膜的压密。在操作过
共四十三页
应用场合：
①从混合液中分离出少量物质，如有机物中少量水的脱除，水中少量挥发性有机物的脱除；
共四十三页
共四十三页
2.电渗析过程(guòchéng)
1
+++++++++++
N
+ a
阳膜 阳级
2
Cl
N
+ a
Cl
N
+ a
阴膜 浓缩室
+
—
第八章 微生物工程下游技术
3µ m
0.5 µ m
膜的电镜照片
0.5 µm 20 µ m
中空纤维超滤膜结构
单 内 皮 层
双
皮
层
单内皮层中空纤维超滤膜结构
膜污染的处理与再生
用物理方法清洗 化学清洗方法 ①起溶解作用的物质：酸、碱、酶（蛋白酶）、 螯合剂、表面活性剂、分散剂。 ②起切断离子结合作用的方法：改变离子强度、 pH、电位。 ③起氧化作用的物质：过氧化氢、次氯酸盐。
3.3 膜组件的结构和特点
管式膜组件 tubular membrane module
平板膜组件 parallel-plate membrane module
平板膜组件结构
螺旋卷式膜组件
spiral-wound membrane module
螺旋卷式膜组件结构
3.4 膜分离在生物工程中的的应用
剂和不同温度下的溶解度不同，将晶体用合
适的溶剂再次结晶，以获得高纯度的晶体。
重结晶的操作过程
（1）选择合适的溶剂； （2）将经过粗结晶的物质加入少量的
热溶剂中，并使之溶解；
（3）冷却使之再次结晶；
（4）分离母液；
（5）洗涤
分离实例 —— 西地兰
毛花毛地黄干燥叶粉 70%乙醇热提三次 醇提液
减压浓缩至含乙醇20%，放冷 胶状沉淀 （叶绿素等杂质）
（1）晶体质量包括三个方面的内容：
晶体大小、形状、纯度
（2）影响晶体纯度的因素：
母液中的杂质、结晶速度、晶体粒度
及粒度分布
4.常用的工业起晶方法
（1）自然起晶法： （2）晶种起晶法：
5.重结晶
经过一次粗结晶后，得到的晶体通常会
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的作用下溶剂产生流动； • 透析是利用膜两边的浓度差从溶液中分离
出小分子物质的过程； • 透析过程与渗透过程相重叠； • 溶液浓度不断降低。
2020/10/11
施加的外压力
渗透
纯水
1.醋酸纤维素膜 2.聚酰胺膜
盐溶液
反渗透
2020/10/11
2. 反渗透（reverse osmosis） • 在膜的两边造成一个压力差，并使其大于 渗透压，就会发生溶剂倒流，使浓度较高的 溶液进一步浓缩。 3. 超滤（ultrafiltration） • 按粒径选择分离溶液中所含的微粒和大分 子的膜分离操作； • 膜只阻挡大分子，大分子的渗透压不明显
2020/10/11
4.膜污染
• 一种是附着层，由料液中悬浮物堆积于膜 面，由溶解性的有机物粘附和溶解性的无 机物生成的水垢积附、胶体物质和微生物 等吸附于膜面；
• 改性天然物 醋酸纤维素、丙酮-丁酸纤维素 、再生纤维素、硝酸纤维素。
• 合成产物 聚胺（聚芳香胺、聚胺肼）、乙 烯基聚合物、聚砜、聚脲、聚呋喃、聚乙烯 、聚丙烯。
• 特殊材料 聚电解络合物、多孔玻璃、氧化 石墨、ZrO2-聚丙烯酸。
2020/10/11
醋酸纤维素膜
• 优点：水渗透流率高，截留率好，适宜 制备反渗透膜；原料来源丰富，价格便 宜；无毒制膜工艺简单，便于工业化生 产。
2.膜的水解作用 醋酸纤维素是有机酯类化合物，比较容
易水解，水解的结果是乙酰基脱掉。 实际操作中，可控制进液pH和进料温度。
2020/10/11
3.膜的浓差极化
• 在膜分离过程中，膜表面上溶质浓度高于主体溶 质浓度的现象。如下图：
• 后果：提高渗透压，降低水通量；降低膜的截留 率；产生结垢现象，造成物理堵塞，使膜逐渐失 去透水能力。
影响截留率的因素
• 溶质分子的大小 • 分子的形状 • 吸附作用 • 其他高分子溶质的影响 • 温度、pH、离子强度等
2020/10/11
四、膜的使用寿命
1.膜的压密作用 在压力的作用下，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， 膜由半透明变为透明。
影响因素：操作压力和温度。
2020/10/11
利用微孔或无孔膜进行气体分离。
2020/10/11
盐水
阳
负
+离
极 + +子 —— 膜Βιβλιοθήκη 淡水阴盐水
—
离 子
—
正 极
+
膜 ——
+
+
2020/10/11
二、膜的制造
• 膜具有较大的透过速度和较高的选择性， 还应具备：机械强度好、耐热、耐化学和 细菌腐蚀、耐净化和杀菌处理、成本低。
2020/10/11
制造膜的材料：
• 有平整不易变形和耐高温的优点。
2020/10/11
3.核径迹法
• 将厚为5～15µm薄膜于放射性物质下接受粒 子照射，使高分子主干的化学键断裂形成 径迹。孔的密度由照射时间加以控制。
• 将照射过的膜用酸碱液腐蚀，使辐射受损 的材料刻蚀形成垂直孔道。
• 膜的表面光滑、孔道直且大小均匀、适宜 于聚碳酸酯和聚乙酯作微孔膜。
2020/10/11
膜的特点
• 具有较大的透过速度和较高的选择性； • 机械强度好，耐热，耐化学和细菌侵蚀
，耐净化和杀菌处理，成本低。
2020/10/11
一. 膜和膜分离过程的分类与特性
1.对称膜 结构与方向无关的膜，孔径不规则或一定。 2.非对称膜
分离层（活性膜）和多孔支持层； 活性膜要朝向待浓缩的原溶液； 多孔支持层只起支撑作用，使膜具有必要的强度； 具有高传质速率和良好的机械强度，被脱除的物质大多
1.孔道特征 包括孔径、孔径分布和空隙度。
2.水通量 （J）（m3/m2·s） 单位时间内通过单位膜面积的水体积流量，也
称透水率。
2020/10/11
三、膜的性能和参数
3.截留率和截断分子量
CB
截留率：σ= 1—CP/CB
CP
截断分子量：相当于一定截留率（90%以上）的最小
被截留溶质的分子量。
2020/10/11
醋酸纤维膜的处方
• 浇铸液：
醋酸纤维素 25%
丙酮
45%
甲酰胺
30%
• 沉淀剂：水
• 操作条件：浇铸温度
凝胶浴温度
退火温度
退火时间
20℃ 1℃ 78℃ 10min
2020/10/11
缺点：
• 制膜的重演性很差 • 不对称膜易压密
2020/10/11
2.烧结法
• 取颗粒大小一定的膜材料细粉置于一定的 模具内，严格控制温度和压力，使细粒子 的表面由软变熔，进而互相粘结而形成多 孔体，最后经机械加工即得。
在其表面，易于清除。
2020/10/11
2020/10/11
3.复合膜 活性膜层沉积于具有微孔的底膜（支撑层）表
面上； 表层与底层是不同的材料； 膜的性能与活性膜和底层膜都有关系。 4.荷电膜（离子交换膜） 含有溶胀胶载着固定的正电荷或负电荷； 阴离子交换膜：带正电荷； 阳离子交换膜：带负电荷。
2020/10/11
4.拉伸法
• 首先将晶态聚烯烃在低熔融温度下挤压成 膜，然后拉伸得到高的熔融应力，再在无 张力条件下退火，然后拉伸即得。
2020/10/11
5.复合膜的制备
• 一种是把稀薄的聚合物溶液浸渍叠加在支 撑材料上；
• 在多孔支撑表面进行相界面聚合作用。
2020/10/11
三、膜的性能和参数
2020/10/11
5.微孔膜（0.05－20m） 6.动态膜 在多孔介质上沉积一层颗粒物作为有选择作
用的膜； 沉积层与溶液处于动态平衡； 可在高温下应用，膜更新容易，不稳定。
2020/10/11
重要的膜分离过程
1.渗透（osmosis）和透析（dialysis） • 渗透是一个扩散过程，在膜两边渗透压差
。
2020/10/11
2020/10/11
4.微过滤（microfiltration） 多孔细小薄膜为过滤介质，使不溶物浓缩过
滤的操作。 5.电渗析（electrodialysis）
在电场中交替装配的阴离子和阳离子交换膜 ，在电场中形成一个个隔室，使溶液中的离 子有选择地分离或富集。 6.气体透过（gas permeation）
• 缺点：热稳定性差，在低温下容易招致 细菌生长；抗氧化性能差，膜的使用寿 命低；易水解，易压密；抗微生物侵蚀 性能较弱。
2020/10/11
2020/10/11
1.相转变法制造膜
• 制备浇铸液 • 在适宜的支持物上把浇铸液铺开 • 蒸发一部分溶剂 • 凝胶的形成 • 热处理（退火）
2020/10/11
出小分子物质的过程； • 透析过程与渗透过程相重叠； • 溶液浓度不断降低。
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施加的外压力
渗透
纯水
1.醋酸纤维素膜 2.聚酰胺膜
盐溶液
反渗透
2020/10/11
2. 反渗透（reverse osmosis） • 在膜的两边造成一个压力差，并使其大于 渗透压，就会发生溶剂倒流，使浓度较高的 溶液进一步浓缩。 3. 超滤（ultrafiltration） • 按粒径选择分离溶液中所含的微粒和大分 子的膜分离操作； • 膜只阻挡大分子，大分子的渗透压不明显
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4.膜污染
• 一种是附着层，由料液中悬浮物堆积于膜 面，由溶解性的有机物粘附和溶解性的无 机物生成的水垢积附、胶体物质和微生物 等吸附于膜面；
• 改性天然物 醋酸纤维素、丙酮-丁酸纤维素 、再生纤维素、硝酸纤维素。
• 合成产物 聚胺（聚芳香胺、聚胺肼）、乙 烯基聚合物、聚砜、聚脲、聚呋喃、聚乙烯 、聚丙烯。
• 特殊材料 聚电解络合物、多孔玻璃、氧化 石墨、ZrO2-聚丙烯酸。
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醋酸纤维素膜
• 优点：水渗透流率高，截留率好，适宜 制备反渗透膜；原料来源丰富，价格便 宜；无毒制膜工艺简单，便于工业化生 产。
2.膜的水解作用 醋酸纤维素是有机酯类化合物，比较容
易水解，水解的结果是乙酰基脱掉。 实际操作中，可控制进液pH和进料温度。
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3.膜的浓差极化
• 在膜分离过程中，膜表面上溶质浓度高于主体溶 质浓度的现象。如下图：
• 后果：提高渗透压，降低水通量；降低膜的截留 率；产生结垢现象，造成物理堵塞，使膜逐渐失 去透水能力。
影响截留率的因素
• 溶质分子的大小 • 分子的形状 • 吸附作用 • 其他高分子溶质的影响 • 温度、pH、离子强度等
2020/10/11
四、膜的使用寿命
1.膜的压密作用 在压力的作用下，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， 膜由半透明变为透明。
影响因素：操作压力和温度。
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利用微孔或无孔膜进行气体分离。
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盐水
阳
负
+离
极 + +子 —— 膜Βιβλιοθήκη 淡水阴盐水
—
离 子
—
正 极
+
膜 ——
+
+
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二、膜的制造
• 膜具有较大的透过速度和较高的选择性， 还应具备：机械强度好、耐热、耐化学和 细菌腐蚀、耐净化和杀菌处理、成本低。
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制造膜的材料：
• 有平整不易变形和耐高温的优点。
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3.核径迹法
• 将厚为5～15µm薄膜于放射性物质下接受粒 子照射，使高分子主干的化学键断裂形成 径迹。孔的密度由照射时间加以控制。
• 将照射过的膜用酸碱液腐蚀，使辐射受损 的材料刻蚀形成垂直孔道。
• 膜的表面光滑、孔道直且大小均匀、适宜 于聚碳酸酯和聚乙酯作微孔膜。
2020/10/11
膜的特点
• 具有较大的透过速度和较高的选择性； • 机械强度好，耐热，耐化学和细菌侵蚀
，耐净化和杀菌处理，成本低。
2020/10/11
一. 膜和膜分离过程的分类与特性
1.对称膜 结构与方向无关的膜，孔径不规则或一定。 2.非对称膜
分离层（活性膜）和多孔支持层； 活性膜要朝向待浓缩的原溶液； 多孔支持层只起支撑作用，使膜具有必要的强度； 具有高传质速率和良好的机械强度，被脱除的物质大多
1.孔道特征 包括孔径、孔径分布和空隙度。
2.水通量 （J）（m3/m2·s） 单位时间内通过单位膜面积的水体积流量，也
称透水率。
2020/10/11
三、膜的性能和参数
3.截留率和截断分子量
CB
截留率：σ= 1—CP/CB
CP
截断分子量：相当于一定截留率（90%以上）的最小
被截留溶质的分子量。
2020/10/11
醋酸纤维膜的处方
• 浇铸液：
醋酸纤维素 25%
丙酮
45%
甲酰胺
30%
• 沉淀剂：水
• 操作条件：浇铸温度
凝胶浴温度
退火温度
退火时间
20℃ 1℃ 78℃ 10min
2020/10/11
缺点：
• 制膜的重演性很差 • 不对称膜易压密
2020/10/11
2.烧结法
• 取颗粒大小一定的膜材料细粉置于一定的 模具内，严格控制温度和压力，使细粒子 的表面由软变熔，进而互相粘结而形成多 孔体，最后经机械加工即得。
在其表面，易于清除。
2020/10/11
2020/10/11
3.复合膜 活性膜层沉积于具有微孔的底膜（支撑层）表
面上； 表层与底层是不同的材料； 膜的性能与活性膜和底层膜都有关系。 4.荷电膜（离子交换膜） 含有溶胀胶载着固定的正电荷或负电荷； 阴离子交换膜：带正电荷； 阳离子交换膜：带负电荷。
2020/10/11
4.拉伸法
• 首先将晶态聚烯烃在低熔融温度下挤压成 膜，然后拉伸得到高的熔融应力，再在无 张力条件下退火，然后拉伸即得。
2020/10/11
5.复合膜的制备
• 一种是把稀薄的聚合物溶液浸渍叠加在支 撑材料上；
• 在多孔支撑表面进行相界面聚合作用。
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三、膜的性能和参数
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5.微孔膜（0.05－20m） 6.动态膜 在多孔介质上沉积一层颗粒物作为有选择作
用的膜； 沉积层与溶液处于动态平衡； 可在高温下应用，膜更新容易，不稳定。
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重要的膜分离过程
1.渗透（osmosis）和透析（dialysis） • 渗透是一个扩散过程，在膜两边渗透压差
。
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4.微过滤（microfiltration） 多孔细小薄膜为过滤介质，使不溶物浓缩过
滤的操作。 5.电渗析（electrodialysis）
在电场中交替装配的阴离子和阳离子交换膜 ，在电场中形成一个个隔室，使溶液中的离 子有选择地分离或富集。 6.气体透过（gas permeation）
• 缺点：热稳定性差，在低温下容易招致 细菌生长；抗氧化性能差，膜的使用寿 命低；易水解，易压密；抗微生物侵蚀 性能较弱。
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1.相转变法制造膜
• 制备浇铸液 • 在适宜的支持物上把浇铸液铺开 • 蒸发一部分溶剂 • 凝胶的形成 • 热处理（退火）
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