膜分离原理及应用

膜分离设备介绍
膜分离设备是利用膜分离技术而在生产工厂按照其膜分离 的技术参数标准制造的大型机械设备，其设备能够其分离的作 用，效果远远超出传统的分离方式。 膜分离设备的核心技术就是膜分离技术，其分离膜是具有 选择性分离功能的材料，其工作原理是物理机械筛分原理，其 分离过程是利用膜的选择性分离机理实现料液的不同组分间的 分离或有小成分浓缩的过程。 膜分离技术设备与传统的过滤不同在于：膜可以再分子范 围内进行选择性地分离、膜的错流式运行工艺可以解决污染堵 塞问题，是一种科学先进的分离技术和工艺。 膜分离的工艺应用开发需以物料体系特性和工艺要求为基 准，结合实验开展科学验证，在解决物料精制难题的同时，还 要报整工艺的可行性，并适合于工业化得清洁生产为标准。
膜分离技术
目录
膜分离概念
膜分离原理
膜分离技术原理 膜分离的应用 膜分离在食品工业中的应用 膜分离法 膜分离设备简介
膜分离技术是利用天然或人工制备
的具有选择透过性的膜，以外界能 量或化学单位差为推动力对双组分 的溶质和溶剂进行分离，分级，提 纯和浓缩的方法。（引自：新疆大学学报——郭瑞丽，李玲
著）
几种膜分离技术的分离范围
▲ ▲ ▲ 微滤 ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ 反渗透 ▲ ▲ ▲ ▲ 膜的分类与物性 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ● ● ● ● ● ● ● ◆ ◆ ◆ ◆ × × × × × × × × 悬浮粒子 ◆ ◆ ◆ ◆ ◆◆
大分子
超滤
纳滤
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防止膜污染的方法
可以通过控制膜污染影响因素，减少膜污染的 危害，延长膜的有效操作时间，减少清洗频率， 提高生产能力和效率，因此在用微滤，超滤分 离，浓缩细胞，菌体或大分子产物时，必须注 意以下几点: ①进料液的预处理：预过滤、pH及金属离子控 制； ②选择合适的膜材料：减轻膜的吸附； ③改善操作条件：加大流速。
单位体积中所含过滤面积大， 料液需预处理，压力 换新膜容易 降大,易污染,清洗困难 保留体积小，能量消耗界于 管式和螺旋卷绕式 死体积大
管式膜工业设备图:
板式反渗透(纳滤)膜装置
板式膜超滤工业设备图
卷式纳滤膜浓缩设备
中空纤维超滤膜无菌水装置
常见的四种膜过滤装置及优缺点：
型式 优点 缺点
管式
易清洗，无死角，适宜于处 理含固体较多的料液，单根 管子可以调换
保留体积小，单位体积所含 过滤面积大，可以逆洗，操 作压力较低，动力消耗较低
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保留体积大，单位体 积中所含过滤面积较 小，压力降大
料液需要预处理，单 根纤维损坏时需调换 整个模件
中空纤 维式 螺旋卷 绕式 平板式
膜分离技术的特点
优点: 1)能耗低。膜分离不涉及相变，对能量要求低，与蒸馏、结 晶和蒸发相比有较大的差异； 2)分离条件温和，对于热敏感物质的分离很重要； 3)操作方便，结构紧凑、维修成本低、易于自动化。 缺点 1)膜面易发生污染，膜分离性能降低，故需采用与工艺相适 应的膜面清洗方法； 2)稳定性、耐药性、耐热性、耐溶剂能力有限，故使用范围 有限； 3)单独的膜分离技术功能有限，需与其他分离技术连用。
膜技术的应用
1) 细胞培养基的除菌； 2)发酵液或培养液中细胞的收集 和除去； 3)细胞破碎后碎片的除去； 4)目标产物部分纯化后的浓缩或 滤除小分子溶质； 5)最终产品的浓缩和洗滤除盐； 6)蛋白质的回收、浓缩和纯化 7)制备用于调制生物产品和清洗 产品容器的无热源水； 8)膜生物反应器。
膜分离技术在食品加工中的应用
糖 二价盐 游离酸 单价盐 不游离酸
水
膜的污染和清理
膜污染(membrane fouling)原因：
A、凝胶极化引起的凝胶层 B、溶质在膜表面的吸附层 C、膜孔堵塞 D、膜孔内溶质吸附 膜污染不仅造成透过通量大幅度而且影响产物的回收率。
膜清洗
A、试剂：水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、络合剂、氧化 剂和酶溶液等。 B、原则：去污能力好，对膜无损害，成本最低。 C、方法：反向清洗，试剂置换，化学降解消化。 E、预防：膜的预处理(用乙醇浸泡聚砜膜)，料液预处理(调pH，预 过滤)，开发抗污染膜，临界压力操作等。
膜分离法与物质直径的关系
常见膜分离法及材料
• • • • • • • 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;聚丙烯腈、聚乙 烯醇、聚丙烯酰胺
1、 生产果蔬汁 利用反渗透技术浓缩果蔬汁，可以提高果汁成份的稳定性、减少体积以便运输，并能 除去不良物质，改善果蔬汁风味。例如：果蔬汁中的芳香成份在蒸发浓缩过程中几乎全部 失去，冷冻脱水法也只能保留大约8%，而用反渗透技术则能保留30-60%。 2、 用于乳品工业 反渗透、超滤技术主要用于乳清蛋白的回收和牛乳的浓缩。利用膜分离技术加工乳品， 可以降低能耗，提高产品质量。将反渗透技术用于稀牛奶的浓缩，可生产出品质令人满意 的奶酪及甜酸奶。用反渗透技术除去乳牛清中的微量青霉素，大大延长了乳制品的保质期。 当采用超滤法浓缩乳清蛋白时，还可同时除去乳糖、灰分等。 3、 生产酒类 利用超滤技术，可以除去酒及酒精饮料中残存的酵母菌、杂菌及胶体物质等，可以改 善酒的澄清度，延长保存期，还能使生酒具有熟成味，缩短老熟期。此法还可避免酒的热 杀菌易引起的混浊成分的析出，简化过滤设备。 4、用于豆制品工业 膜技术在豆制品工业中的主要应用是分离和回收蛋白质。利用超滤法浓缩残留蛋白质， 能够增加20～30%的豆腐收得率。采用超滤法还可以在浓缩蛋白的同时，去除产生豆膻味 和影响豆乳稳定性的低分子物质，提高豆乳质量。 利用膜技术还可以获得大豆异黄酮、 大豆寡糖、大豆分离蛋白、寡肽、免疫球蛋白、竹叶黄酮等功能食品的功能配料。 5．用于调味品工业 在制酱工厂排出的废水中，80%以上BOD主要来自大豆的蒸煮汁。利用超滤法对大豆 煮汁进行分阶段处理，其透过液可作为生产用水回收，浓缩液可用作生产原料 。
膜分离原理
在膜分离过程中，由于膜具有选择透过性， 当膜两侧存在某种推动力（如压力差、浓度 差、电位差等），原料侧组分选择性的透过 膜以达到分离提纯的目的。其传递过程极为 复杂，通过多孔型的膜有孔模型、微孔扩散 模型、优先吸附-毛细管流动模型；通过非多 孔膜的主要是溶解-扩散模型等。因而不同的 膜过程使用的膜不同，推动力不同，其传递 机理也不同。（引自：新疆大学学报——郭瑞丽，李玲著）