第8章 过滤与膜分离技术

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。
• 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
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 料液需预处理，单 所含过滤面积较大，可以 根纤维损坏时，需 逆洗，操作压力较低，动 调换整个膜件 力消耗较低 螺旋卷式 平板式 单位体积中所含过滤面积 料液需预处理，压 大，换新膜容易 降大，溶液污染 保留体积小，能耗介于管 死体积较大 式和螺旋卷式之间
• 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
5.3
微
滤
• 微滤的基本概念和分离范围
• 微滤又称微孔过滤，是以静压力差为推动力， 利用膜的“筛分”作用进行分离的膜分离过程。
微孔过滤膜具有明显的孔道结构，主要用于截
流高分子溶质或固体微粒。在静压差的作用下，
小于膜孔的粒子通过滤膜，粒径大于膜孔径的
粒子则被阻拦在滤膜面上，使粒子大小不同的 组分得以分离。
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。 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。
• 1.深层过滤（又称深度过滤）
• 优点：①较高的污物处理能力；②较 大的污物去除率；③价格便宜。 • 缺点：①滤片中的基质可能脱落，造 成堵塞或滤出液中含有来自滤材的杂 质；②颗粒上有活的微生物，长时间 过滤可穿透滤片；③通过滤膜的颗粒 无大小限制；④过滤过程中溶液内药 物成分损失大。
• 1.深层过滤（又称深度过滤）
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。 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。 分为垂熔玻璃漏斗、滤球和滤棒三种。
既不与滤液起反应，也不吸附或很少吸
附待滤液中的有效成分；耐酸、耐碱、
耐热，适用于各种滤液；过滤阻力小、
滤速快、反复应用易清洗；应具有足够
的机械强度；价廉、易得。
过滤介Байду номын сангаас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。
• 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）
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 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。 实验确定
（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
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。
1
1 3 5 7
⑤微孔滤膜滤器
其优点是：孔径小、均匀、截留能力强； 质地轻而薄(0.1～0.15 mm)而且孔隙率高 (微孔体积占薄膜总体积的80%左右)，药液 通过薄膜时阻力小、滤速快，与同样截留 指标的其它滤过介质相比，滤速快40倍； 滤过时无介质脱落也不影响药液的pH值； 滤膜吸附性少，不滞留药液；滤膜用后弃 去，药液之间不会产生交叉污染等。但易 堵塞及有些纤维素类滤膜稳定性不理想。
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
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 缺 点
管式
• 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。 • 2)按膜结构分 • 3)按材料分 对称性膜、对称膜、复合膜 合成聚合物膜、无机材料膜等
• 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。 • 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。
• 4)按来源和形态分类分
乳状液膜
液膜 带支撑层的液膜
无孔膜 — 不对称膜 有机膜 多孔膜 固膜 荷电膜 不对称膜 不荷电膜 对称膜 不对称膜 无机膜 — 多孔膜 对称膜 复合膜 转相膜 复合膜 转相膜
合成膜
膜
生物膜 (原生质、细胞膜)
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 结构 电性 有机膜、无机膜 对称膜（微孔膜、均质膜）、非对称膜、复合膜 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 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
过滤方式的分类
按料液流动方向不同，过滤可分为常规 过滤和错流过滤。常规过滤时，料液流 动方向与过滤介质垂直；错流过滤时， 料理流动方向平行于过滤介质。 按操作压力不同，可分为常压过滤、 减压过滤和加压过滤。 按过滤方式的不同，有表层过滤和深 层过滤。
二、过滤介质
过滤介质也称滤材，应由惰性材料制成，
（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。 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。
• 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120～150µ m。
• 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。
• 1.平板膜组件
• 平板膜组件与板式换热器或加压叶滤机相似， 由多枚圆形或长方形平板膜以1mm左有的间 隔重叠加工而成，膜间衬设多孔薄膜，供料
液或滤波流动(图b)。平板膜组件比管式膜
组件比表面积大得多。在实验室中，经常使
用将一张平板膜固定在容器底部的搅拌槽式
过滤器。
• 2.管式膜组件
• 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
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）
• 深层过滤器有滤芯和滤膜（板）两种。 滤芯由棉和聚丙烯缠绕及多层纤维等 组成。滤膜（板）厚度为3～20mm， 由纤维、可烧缩物经加压缠绕、烧烤 等工艺加工制造，可自由地吸附或机 械捕捉溶液中的颗粒。过滤的有效性 还取决于①滤片可颗粒的静电作用； ②颗粒大小与表面形态；③滤片压紧 的程度及通道长短程度等。
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。
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)。
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。
（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。
第8章 过滤与膜分离技术
• 第一节 • 第二节 过滤技术 膜与膜组件
• 第三节 • 第四节 • 第五节 • 第六节
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。
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。
• 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。