1、南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院生物化學技術原理及應用生物化學技術原理及應用第三章第三章 膜分離技術膜分離技術v 膜分離技術膜分離技術是指利用具有一定膜孔和選擇透過特性的天然是指利用具有一定膜孔和選擇透過特性的天然或人工合成的分離膜，在某種推動力（濃度差、壓力差、或人工合成的分離膜，在某種推動力（濃度差、壓力差、電位差等）的作用下，來實現物質的分離純化或濃縮的一電位差等）的作用下，來實現物質的分離純化或濃縮的一種操作技術。種操作技術。2022-4-13生命科學學院生命科學學院 生物科學生物科學5151班班3第三章第三章 膜分離技術膜分離技術 膜分離基本技術膜分離基本技術 透透

2、 析析 技技 術術 超超 濾濾 技技 術術 微微 濾濾 技技 術術1234 其它膜分離技術其它膜分離技術5第一節第一節 膜分離基本技術膜分離基本技術v膜分離技術發展n20世紀30年代人們利用半透性纖維素膜開創了近代工業膜分離技術的應用。n20世紀60年代以后，不對稱膜制造技術取得了很大進展，包括微濾、超濾、反滲透、電滲析、透析等的生物技術迅速發展，膜分離技術在生物物質的分離純化過程中得到了越來越廣泛的應用，而且隨著膜材料科學和分離技術的進步，像液膜分離技術、液膜分離萃取技術、納米分離技術等相繼問世。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院42022-4-134南京農

3、業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第一節第一節 膜分離基本技術膜分離基本技術v 膜分離與常規的分離技術相比n具有無相變化、能耗低、過程簡單、不污染環境等優點n特別適用于生物物質、酶制劑及同分異構體等的分離。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院5膜縱切面模式圖膜縱切面模式圖第一節第一節 膜分離基本技術膜分離基本技術v膜分離技術分類n膜分離技術主要包括透析、超濾、微濾、電滲析、反滲透等。各種膜分離過程的類型及特征如下表所示：2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院62022-4-136南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科

4、學學院第一節第一節 膜分離基本技術膜分離基本技術v膜分離過程的推動力是靜壓差、濃度差或者電位差，有的分離過程可能是幾種推動力都兼而有之。v膜在分離過程中有三種功能：n物質的識別與透過，這是使混合物各組分之間實現分離的內在因素n界面作用，以膜為界面將透過液和保留液分為互不混合的兩相n反應場作用，膜表面及孔內表面含有與特性溶質有相互作用能力的官能團，通過物理作用、化學反應或生化反應提高膜分離的選擇性和分離速度。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院72022-4-137南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第一節第一節 膜分離基本技術膜分離基本技術v分離膜

5、分離膜v分離膜應具備的基本條件為：好的選擇透過性；良好的分離性能（即截留率高，透過率大）；理化性能良好；污染小，使用壽命長；價廉易得。v各種分離膜按所使用的材質不同可分為無機材料膜和有機材料膜。n無機材料膜有陶瓷膜和不銹鋼膜，n有機膜多為合成高分子材料膜，主要有纖維素類、聚礬類、聚烯烴類、聚酞胺類和芳香雜環類等。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院82022-4-138南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第一節第一節 膜分離基本技術膜分離基本技術v分離膜分離膜v分離膜的性能參數主要有：孔道特征、滲透通量、截留率和截留相對分子質量等。v孔道特征包括n

6、孔徑大小，孔徑大小用最大孔徑和平均孔徑來描述n孔徑分布，孔徑分布指各種孔徑的孔占全部孔的體積分數。n孔隙率，孔隙率是指孔體積占膜總體積的百分數。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院92022-4-139南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院10分離膜的孔徑與種類分離膜的孔徑與種類第一節第一節 膜分離基本技術膜分離基本技術v分離膜的性能參數分離膜的性能參數v滲透通量又稱透水率或水通量，它是指在一定條件之下（一般壓力為0.1 MPa，溫度為20），單位時間透過單位膜的溶劑體積。n滲透通量

7、表征膜的處理力的大小，取決于膜的孔隙率、孔徑等物理特性和溫度、壓力差、濃度等操作條件。水通量即為膜的純水滲透通量。v截留相對分子質量指膜所能截留的截留率大于90%的溶質的相對分子質量。n根據截留相對分子質量的大小可以估計膜的平均孔徑。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院112022-4-1311南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第一節第一節 膜分離基本技術膜分離基本技術v分離膜的性能參數分離膜的性能參數v截留率是指對于一定相對分子質量的物質，膜能截留的程度，其定義式為：nR 截留率，%nb主體料液濃度，kg/m3np透過液濃度，kg/m3n100

8、% 截留率表示溶質全部被膜截留，此為理想的半滲透膜；0截留率則表示溶質全部透過膜，無分離作用，通常截留率在0-l00%之間。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院122022-4-1312南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第一節第一節 膜分離基本技術膜分離基本技術v 膜組件膜組件是膜分離裝置的核心，它是由過濾膜、支撐材料、間隔器及外殼等部分組裝而成的。n膜組件可和其他部分構成膜分離系統，實現膜分離操作，達到一定的分離要求。v 膜組件的類型n主要有板式膜、管式膜、卷式膜和中空纖維式膜。v 在膜分離系統中待分離的料液用給料泵輸送入膜組件，在膜組件中料液

9、則被分離成截留物（或稱保留液）和透過液。截留物根據需要或開路循環入料槽或閉路循環入膜組件，同時有截留物的取出。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院132022-4-1313南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第二節第二節 透析透析技術技術v透析（dialysis）是應用的最早的膜分離技術v 1861年Thomas Graham首次利用來源于動物的半透膜分離出多糖、蛋白質溶液中的無機鹽。v 作用機理：用高分子溶質不能透過的親水膜將含有高分子溶質和其他小分子溶質的溶液與純水（或緩沖溶液）分開，在濃度差的作用下，高分子溶液中的小分子溶質（如無機鹽）透向水

10、側，水則向高分子溶液一側透過。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院142022-4-1314南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第二節第二節 透析透析技術技術v 透析膜一般為5-l0 nm的親水膜，如纖維素膜、聚丙烯睛膜和聚酚膜等。v 溶質在濃度差的推動下，以擴散的形式移動。v 摩爾滲透通量為：N = K0(c1-c2)nN摩爾滲透通量，mol/(sm2)nc1，c2分別為膜兩側的濃度，mol/m3 nK0包括膜內擴散和膜兩側表面液膜傳質阻力在內的總傳質系數，1/s2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院152022-4

11、-1315南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第二節第二節 透析透析技術技術2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院162022-4-1316南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院v 透析最主要的應用：n血液的解毒（如腎衰竭和尿毒癥患者的血液透析）n實驗室規模的蛋白質分離純化，如脫鹽（去除蛋白質大分子溶液中的小分子鹽）、去除水溶性有機溶劑和置換緩沖液等，即從樣品中除去相對分子質量小的溶質和置換存在于透析液中的緩沖液。v 透析操作簡單易行，如蛋白質的傳統純化方法是使用透析袋，將待分離液盛于透析袋內，把透析袋置于透析外液（即水或緩沖液）中，如圖

12、所示。n右圖所示透析膜的滲透通量很小，不適于大規模的生物分子分離。第二節第二節 透析透析技術技術2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院172022-4-1317南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院v常用透析方法和裝置1. 自由擴散透析法自由擴散透析法v 準備透析袋，檢查透析袋是否有泄漏。過后即可裝入待透析樣品，封好兩端，置于盛有足夠量的透析外液的容器（如大燒杯、量筒等）內透析。當袋內、外小分子趨于平衡時，更換透析外液，又產生新的滲透壓差，小分子繼續向外擴散，如此多次重復，就可以將大分子和小分子分離。 第二節第二節 透析透析技術技術2022-4-13南

13、京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院182022-4-1318南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院v常用透析方法和裝置2. 攪拌透析法攪拌透析法v 此法與自由擴散透析法相似，不同的是攪拌透析法需要在透析容器下面安裝一個磁力攪拌器，在電磁攪拌下，使自由擴散出來的小分子很快被分散到整個容器中。透析袋外周始終保持低滲狀態，克服無攪拌形成的濃度梯度大、有自由擴散以及達到平衡時間長等不足，縮短透析時間，提高透析效率。第三節第三節 超濾超濾技術技術v 超濾（ultrafiltration）技術是綜合了過濾和透析技術的優點而發展起來的一種高效分子分離技術，是生物大分子脫鹽、濃縮、分

14、級分離常用的方法。超濾是以0.1-1 MPa的靜壓差為傳質推動力，利用不對稱膜的篩分性質，來截留1-20 nm的大分子溶質的膜分離過程。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院192022-4-1319南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第三節第三節 超濾超濾技術技術v超濾技術的原理n超濾主要用于處理不含固形成分的料液，與一般的透析技術一樣，主要依賴于被分離物質相對分子質量的大小、形狀和性質的區別。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院202022-4-1320南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院n具有一定孔

15、徑的半透膜在一定的壓力下，半透膜內的小分子能夠通過膜孔滲透到膜外，大分子不能通過，使大小不同的分子達到分離的目的。n超濾技術實際上是一種高壓滲透分離方法，是通過在膜內施加正壓或者在膜外施加負壓使小分子排出膜外。第三節第三節 超濾超濾技術技術v 超濾過程中，流體在膜的孔道內呈層流流動，超濾膜的孔道結構十分復雜，孔徑大小不均，其滲透通量須按以下方程計算：nN 摩爾滲透通量，mol/(sm2)n 膜的孔隙率，%nL 濾液黏度，PasnS0 孔道比表面積，m2/gv 根據公式可以看出：超濾膜的摩爾滲透通量與壓力差成正比，與濾液的黏度成反比。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科

16、學學院212022-4-1321南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院nK 孔道結構有關的無量綱常數nL 孔道長度，mnp 濾液通過膜層時的壓力差，Pa第三節第三節 超濾超濾技術技術v 超濾膜超濾膜v 超濾膜通常為不對稱膜，即橫斷面具有不對稱結構的膜，如圖所示。n膜的表面有一層超薄層的致密皮層，起著膜的專一特性的作用；其下是一層較厚的海綿狀多孔性支撐層，支撐層決定著膜的滲透通量，支撐層由錐形微孔組成為錐尖向上的錐形通道。這種不對稱膜很少會堵塞。n超濾聚合膜主要由聚礬、硝酸纖維或醋酸纖維、再生纖維素，硝化纖維素和丙烯酸組成。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命

17、科學學院222022-4-1322南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第三節第三節 超濾超濾技術技術v 超濾技術的應用：超濾技術的應用：n大分子物質的脫鹽和濃縮；n大分子溶劑系統的交換平衡；n小分子物質的純化；n大分子物質的分級分離；n生化制劑或其他制劑的除菌過濾和去熱原處理；n回收細胞和處理膠體懸浮液。n在生化制藥中可用來分離蛋白質、酶、核酸、多糖、多膚、抗生素、病毒等。v 超濾的優點：超濾的優點：n沒有相的轉變，無需添加任何強烈的化學物質，可以在低溫下操作，過濾速度較快，便于無菌處理等。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院232022-4-13

18、23南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第三節第三節 超濾超濾技術技術v 超濾的方式n主要有無攪拌式和攪拌式超濾、中空纖維超濾三種。前兩種裝置比較簡單，只是在密閉容器中施加一定壓力，使小分子和溶劑擠出膜外，下面主要介紹第三種方式。v 中空纖維超濾的工作原理n中空纖維超濾是在一支空心柱內裝有許多的中空纖維毛細管，兩端相通，管的內徑一般在0.2mm 左右，有效面積可以達到1.0cm2，每一根纖維毛細管都像一個微型透析袋，極大地增大了滲透的表面積，提高了超濾的速度。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院242022-4-1324南京農業大學南京農業大學 生

19、命科學學院生命科學學院第三節第三節 超濾超濾技術技術v 中空纖維超濾的工作原理n中空纖維超濾以液壓泵為動力，將需要超濾的樣液注入每一根中空纖維毛細管內。當樣液經壓力泵以較高的流速送入每根毛細管時，樣液從底部往上端流出，經過流量閥時，閥門只打開一部分（是全流速的1/42/3左右），流速減慢，中空纖維毛細管內產生很大的內壓，一部分溶質小分子和溶劑分子被擠出毛細管外，一部分溶質小分子和溶劑攜帶著大分子通過流量閥，回流到貯液瓶，與剩余的樣液混合，完成一次超濾。混合后的樣液再次經液壓泵送入中空纖維毛細管內超濾。每經過一次循環，分離出去一部分溶質小分子和溶劑分子，大分子則不斷被濃縮。如果要將大分子和小分子

20、分離得比較完全，可以將濃縮液稀釋若干倍后再次超濾。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院252022-4-1325南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第三節第三節 超濾超濾技術技術v 中空纖維超濾的工作原理n超濾開始時，由于溶質分子均勻地分布在溶液中，溶液濃度較稀，超濾的速度比較快，但是隨著小分子和溶劑不斷排出，大分子的濃度越來越高，膜表面被截留分子不斷堆積，超濾速度就會逐漸減慢，這種現象稱為濃度極化現象。n適當降低壓力、稀釋樣液，有利于延遲此現象出現及降低其影響。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院262022-4-

21、1326南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第三節第三節 超濾超濾技術技術v 生物大分子的分級分離n可以采用不同截留相對分子質量的中空纖維超濾柱，進行分級分離。n目前額定截留相對分子質量的中空纖維超濾柱截留值有3000，5000，10000，30000，60000等。如果超濾物質相對分子質量為5000，20000，35000，先用截留相對分子質量30000的中空纖維柱超濾，濾出液再用截留相對分子質量10000的中空纖維柱超濾，濾出液再用截留相對分子質量3000的中空纖維柱超濾。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院272022-4-1327南京農業大

22、學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第三節第三節 超濾超濾技術技術v 影響超濾的幾個因素影響超濾的幾個因素n溶質的分子性質：主要包括相對分子質量大小、形狀、帶電性等。n溶質濃度：濃度愈高，流速愈慢，不利于超濾。這種情況下，可以先稀釋，再超濾。n壓力：一般情況，壓力愈大，流速愈高，但濃度極化現象越嚴重，這是一對矛盾體。可適當控制液壓和樣品濃度。如果樣液濃度高，壓力適當低一些，以防止過早出現濃度極化現象樣液濃度低，壓力適當高一些。n溫度：溫度升高，可以降低溶液粘度，有利于超濾。但對于生物活性物質來說，一般都要求在低溫(4)下超濾，因此，生物活性物質不能用升溫來提高超濾速度。2022-4-13南

23、京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院282022-4-1328南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第四節第四節 微濾微濾技術技術v 微濾（microfiltration）在50-100kPa的靜壓差作用下利用對稱的微孔膜來分離懸浮物的一種膜分離過程。v 微濾一般用于懸浮液（粒徑0. 02一10m）的過濾，由于膜孔徑較大，操作壓力比超濾更小，一般為50-100kPa，微濾過程中膜兩側的滲透壓差可以忽略不計。v 微濾適用于細胞、細菌和微粒子的分離，在生物分離中，廣泛用于菌體的分離和濃縮，目標物質的大小范圍為0.01-10 m。v 相近的有過濾，是利用多孔物質為篩板阻截部分

24、物質通過。與微濾不同只是篩板不等同于微濾膜，而且阻截物質的大小要大得多。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院292022-4-1329南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第四節第四節 微濾微濾技術技術v 微濾過濾主要是截留不溶物，過濾的速度一般是以單位時間內、單位面積流出的液體體積來計算，過濾速度的快慢與篩板的孔徑大小、濾餅厚度、濾液粘度、溫度和壓力等諸多因素有關。v 過濾速度(v)與相關因素可用公式簡單表示為nn 過濾面積上的濾餅毛細管孔道數nd 毛細管孔道直徑(m) np0 毛細管孔道兩端的壓強降(N/m2)n 毛細管孔道彎曲程度校正系數 n

25、濾液的粘度(Ns/m2) nl 濾餅厚度(m)2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院302022-4-1330南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第四節第四節 微濾微濾技術技術v 微濾膜n微濾膜常為對稱膜，又稱為均質膜。是一種均勻的薄膜，膜兩側截面的結構及形態完全相同，孔的大小全部一樣，被設計成各向同性膜。n各向同性膜由多種聚合物制作而成，如親水性和疏水性的聚偏氟乙烯、聚丙烯、硝酸纖維、醋酸纖維、丙烯睛共聚物和疏水性多醚礬。v 用于過濾的濾材主要有濾紙、尼龍布、燒結玻璃、玻璃纖維等。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院

26、312022-4-1331南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第四節第四節 微濾微濾技術技術v 過濾裝置過濾裝置v 過濾裝置有很多種，過濾可以在常壓或減壓條件下進行。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院322022-4-1332南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院v 常壓過濾n利用重力差，液體通過濾材內毛細管空隙滲透。n適用于懸浮液中的顆粒較小、彈性較大的物質的分離。n過濾速度比較慢，要求的設備簡單，是實驗室常用的過濾方法。第四節第四節 微濾微濾技術技術v 過濾裝置過濾裝置2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科

27、學學院332022-4-1333南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院v 減壓過濾n減壓過濾是在篩板之下連接負壓裝置如真空泵，利用負壓提高過濾速度，因此過濾效率相對比較高。n適用于懸浮液中的顆粒較大、顆粒大小均勻、具有一定剛性的物質的分離。第五節第五節 其它膜分離其它膜分離技術技術v 其它膜分離技術還有：其它膜分離技術還有：反滲透技術；納米過濾技術；電滲析技術。1.反滲透技術反滲透技術v 反滲透(reverse osmosis )是以1-10MPa的靜壓差為推動力通過非對稱膜或復合膜，根據溶解-擴散的原理，進行低相對分子質量組分的濃縮分離的一種膜分離過程。反滲透是滲透的逆過程。20

28、22-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院342022-4-1334南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第五節第五節 其它膜分離其它膜分離技術技術1.反滲透技術反滲透技術v 反滲透過程分離水和鹽的機理還沒有一個公認的統一解釋。v 目前有三種理論模型：n氫鍵理論n毛細孔流理論n溶解擴散理論v 水通過膜有兩種方式，一種是通過膜上存在的孔，另外一種是通過膜中的分子節點之間的擴散。v 根據理論，膜的化學性質是，在固液界面上水優先吸附并通過，鹽被截留。水與膜表面之間有弱的化學結合力，使得水能夠在膜的結構中分散。膜的物理和化學性質決定了在傳遞過程中水比鹽的優先地位。20

29、22-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院352022-4-1335南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第五節第五節 其它膜分離其它膜分離技術技術2. 納米過濾技術納米過濾技術v 納米過濾（nanofiltration）是介于反滲透和超濾之間的一種以壓力差為推動力的新型膜分離過程。v 納米過濾能截留可以通過超濾膜但不能通過反滲透膜的溶液。v 納米過濾的特點是：n能截留小分子的有機物并可同時透析出鹽，集濃縮與透析于一體；n操作壓力低，因為無機鹽能通過納米濾膜而透析，使得納米過濾的滲透壓遠比反滲透為低，所以納米過濾所需的外加壓力比反滲透低得多。2022-4-13

30、南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院362022-4-1336南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第五節第五節 其它膜分離其它膜分離技術技術2. 納米過濾技術納米過濾技術v 納米過濾的分離機理主要是靜電和位阻理論，該理論認為納米過濾中溶質的分離除了膜孔和溶質大小不同產生位阻造成粒徑排斥外，還由于膜和溶質電荷產生的靜電排斥作用。對于非荷電分子，粒徑排斥是分離的主要原因，對荷電離子，粒徑排斥和靜電排斥都是分離的原因。v 納濾膜大多是由多層聚合物薄膜組成。一般認為納米濾膜是多孔膜，平均孔徑為2nm ,截留相對分子質量范圍為100一200。對納米濾膜的基本要求是：要具有良好的熱穩定性，pH穩定性和對有機溶劑的穩定性。v 納米過濾的應用主要有：抗生素的回收與精制。各類膚的純化與濃縮。超純水制備。2022-4-13南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院372022-4-1337南京農業大學南京農業大學 生命科學學院生命科學學院第五