膜分离过程

以静压力差为推动力的膜分离过程
以静压力差为推动力的膜分离有三种：微滤(MF)、超 滤(UF)和反渗透(RO)，它们在粒子或被分离分子的类 型上具有差别。 (1)微滤 特别适用于微生物、细胞碎片、微细沉淀物 和其他在“微米级”范围的粒子如DNA和病毒等的截留 和浓缩。 (2)超滤 适用于分离、纯化和浓缩一些大分子物质， 如在溶液中或与亲和聚合物相连的蛋白质(亲和超滤)、 多糖、抗生素以及热原，也可以用来回收细胞和处理 胶体悬浮液。 (3)反渗透 海水脱盐、超纯水制备，从发酵液中分离 溶剂如乙醇、丁醇和丙酮以及浓缩抗生素、氨基酸等。
存在的问题
①在操作中膜面会发生污染，使膜性能 降低，故有必要采用与工艺相适应的膜 面清洗方法; ②从目前获得的膜性能来看，其耐药性、 耐热性、耐溶剂能力都是有限的，故使 用范围受限; ③单独采用膜分离技术效果有限，因此 往往都将膜分离工艺与其他分离工艺组 合起来使用。
膜在分离过程中具有如下功能
①物质的识别与透过；②界面；③反应场。物质的 识别与透过是使混合物中各组分之间实现分离的内 在因素；作为界面，膜将透过液和保留液(料液)分 为互不混合的两相；作为反应场，膜表面从孔内表 面含有与特定溶质具有相互作用能力的官能团，通 过物理作用、化学反应或生化反应提高膜分离的选 择性和分离速度。生物分离过程中采用的膜分离法 主要是利用物质之间透过性的差别，而膜材料上固 定特殊活性基团，使溶质与膜材料发生某种相互作 用来提高膜分离性能的功能膜研究也很多，代表了 膜分离技术的发展方向。
各种பைடு நூலகம்分离法的原理和应用范围
膜分离法
传质推动 力
微 滤 （MF） 压差 0.05～0.5
超滤
压差0.1～ 1.0
反 渗透
压差1.0～ 10
渗析
浓差
分离原 理
筛分
筛分
筛分
筛分
应 用举例
除菌，回收菌，分离病 毒
蛋白质、多肽和多糖的 回收和浓缩
盐、氨基酸、糖的浓缩、 淡水制造
脱盐，除变性剂
电 渗析 渗透气 化
图5.1 渗透与反渗透
式中 μA，μB为A、B两侧的化学位（kJ/kmol）； pA, pB为A、B两侧的压力（kJ/m3）； p⊙，μ⊙为标准压力和标准化学位； ν1为溶剂（水）的摩尔体积（m3/ kmol） aA，aB为A、B两侧溶剂的和度。
因为μA＝μB，所以可得
或
其中，Δπ＝ pA － pB
(2)膜分离技术在分离工程中的重要作用
膜分离技术在分离物质过程中不涉及相变， 对能量要求低，因此和蒸馏、结晶、蒸发 等需要输入能量的过程有很大差异；膜分 离的条件一般都较温和，对于热敏性物质 复杂的分离过程很重要，这两个因素使得 膜分离成为生化物质分离的合适方式。此 外它操作方便、结构紧凑、维修费用低、 易于自动化，因而是现代分离技术中一种 效率较高的分离手段，在生化分离工程中 具有重要作用。
以浓度差为推动力的膜分离过程
渗析是一种重要的、以浓度差为推动力的膜分离过程， 它最主要的应用是血液(人工肾)的解毒，也用在实验室 规模的酶的纯化上，使用的是微孔膜如胶膜管。酶的传 统纯化办法是使用渗析袋，从样品中除去无用的低相对 分子质量溶质和置换存在于渗透液中的缓冲液，由于在 样品中盐和有机溶剂的浓度高，渗透压的结果导致水向 渗透袋内迁移，体积增加，所以渗透在除去多余的低相 对分子质量溶质的同时，引进了一个新的缓冲溶液。
5.1.1 反渗透
如图5.1所示，一个容器中间用一张可透过溶剂(水)，但不能 透过溶质的膜隔开，两侧分别加入纯水和含溶质的水溶液。 若膜两侧压力相等，在浓差的作用下作为溶剂的水分子从溶 质浓度低(水浓度高)的一侧(A侧，纯水)向浓度高的一侧(B侧， 水溶液)透过，这种现象称为渗透。促使水分子透过的推动力 称为渗透压。当B侧与A侧之间的压差等于渗透压时，两侧的 化学位相等达到平衡状态(图5.1a)，此时两侧的化学位分别为
为膜两侧溶液的渗透压差。如果A侧为纯水，则aA＝1，上 式变为
π为溶液B的渗透压。若溶液B为稀溶液，则aB ＝xB ＝1－yB ， 其中xB和yB分别为溶剂和溶质的摩尔分数。因为－ln(1- yB) ≈ yB ，所以
或
其中cB为溶质的摩尔浓度mol/dm3 。
从上式可以看出，溶质浓度越高，渗透压越大。如果欲使B 侧溶液中的溶剂(水)透过到A侧，在B侧所施加的压力必须大 于此渗透压，这种操作称为反渗透(图5.1b)。一般反渗透的 操作压力常达到几十个大气压。RO膜无明显的孔道结构，其 透过机理尚不十分清楚。目前多采用热力学方法解释RO膜的 透过机理，而不考虑膜的结构和性质，其中溶解－扩散模型 简单实用。该模型假设溶剂或溶质首先溶解在膜中，然后扩 散通过RO膜。
电位差
压差、温 差
电荷、筛分
溶质与膜的亲 和作用
脱盐，氨基酸和有机酸 分离
有机溶剂与水的分离， 共沸物的分离
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。
膜分离过程的类型
膜分离过程可以认为是一种物质被透过或被截留于膜的 过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径的大小而达到物 质分离的目的，故可按分离粒子或分子的大小予以分类
在生物技术中应用的膜分离过程，根据推动力本质的不 同，可具体分为四类：①以静压力差为推动力的过程； ②以蒸气分压差为推动力的过程；③以浓度差为推动力 的过程；④以电位差为推动力的过程
以电位差为推动力的膜分离过程
离子交换膜电渗析(EDTM)，简称电渗析，是一个膜分离 过程，在该过程中，离子在电势的驱动下，通过选择性 渗透膜，从一种溶液向另一种溶液迁移。用于该过程的 膜，只有共价结合的阴或阳离子交换基团。阴离子交换 膜只能透过阴离子，阳离子交换膜则只能透过阳离子。 将离子交换膜浸入电解质溶液，并在膜的两侧通以电流 时，则只有与膜上固定电荷相反的粒子才能通过膜。
以蒸气分压差为推动力的膜分离过程
(1)膜蒸馏(MD) 是在不同温度下分离两种水溶液的
膜过程，已经用于高纯水的生产，溶液脱水浓缩和挥 发性有机溶剂的分离，如丙酮和乙醇等。 (2)渗透蒸发 是以蒸气压差为推动力的过程，但是在 过程中使用的是致密(无孔)的聚合物膜。液体扩散能 否透过膜取决于它们在膜材料中的扩散能力。