第十一章

膜分離技術1過濾技術是生物藥物制造工藝中應用最廣泛的分離手段之一。原始階段：固-液分離。薄膜過濾：分子（離子）級的過濾分離。

透析、超濾、反滲透、電滲析等。在保證足夠高的分辨率基礎上，追求盡可能快的過濾速率。概述膜的應用膜海水淡化工業廢水處理城市廢水資源化天然氣生物質利用能源水資源傳統工業生態環境除塵CO2

控制制藥食品化工與石化電子冶金燃料電池潔凈燃燒膜的用途濃縮：目的產物以低濃度形式存在，因此需要除去溶劑；（截留物為產物）純化：除去雜質；分離：將混合物分成兩種或多種目的產物；反應促進：把化學反應或生化反應的產物連續取出，能提高反應速率或提高產品質量。膜分離技術概念：利用膜的選擇性，以膜兩側存在的能量差作為推動力，允許某些組分透過而保留混合物中其它組分，從而達到分離目的的技術。5膜分離技術的發展簡史:

人類對于膜現象的研究源于1748年，然而認識到膜的功能并用于為人類服務，卻經歷了200多年的漫長過程。人們對膜進行科學研究則是近幾十年來的事。1950年W.Juda試制出選擇透過性能的離子交換膜，奠定了電滲析的實用化基礎。1960年Loeb和Sourirajan制備出第一張具有高透水性和高脫鹽率的不對稱膜，是膜分離技術發展的一個里程碑。使膜分離技術進入了大規模工業化應用的時代。7各種膜分離技術：30年代微孔過濾40年代透析50年代電滲析60年代反滲透此外以膜為基礎的其它新型分離過程，以及膜分離與其它分離過程結合的集成過程(IntegratedMembraneProcess)也日益得到重視和發展。70年代超濾和液膜80年代氣體分離90年代滲透汽化分離膜種類分離膜高分子膜液體膜生物膜帶電膜非帶電膜陽離子膜陰離子膜過濾膜精密過濾膜超濾膜反滲透膜納米濾膜常見膜分離方法按分離粒子大小分類：透析（Dialysis，DS）微濾（Microfiltration，MF）超濾（Ultrafiltration，UF）納濾（Nanofiltration，NF）反滲透（Reverseosmosis，RO）電滲析（Electrodialysis，ED）滲透氣化（Pervaporation，PV）11微濾：0.02～10μm透析：3000Dalton～幾萬Dalton超濾：50

nm～100

nm或5000～50萬Dalton納濾：200～1000Dalton或1nm反滲透：200Dalton幾種膜分離技術的截留分子量：12膜分離法與物質大小（直徑）的關系RONFUFMFF

微濾(MF)超濾(UF)反滲透(RO)

○:微粒子●:大分子＋:小分子……：溶劑膠體病毒糖蛋白無機鹽幾種靜壓差膜分離法應用比較膜分離的特點：無相變、低能耗物理過程，污染小工藝簡單、操作方便多數情況選擇性較高濃縮與純化同時進行設備易放大，可以分批或連續操作濃縮液進料液滲透液因而在生物產品的處理中占有重要地位利用親水膜，以濃度差為推動力，使高分子溶液中的小分子溶質（如無機鹽）透過膜向水滲透的過程。16第一節透析水分子大分子小分子透析膜特點：用于分離兩類分子量差別較大的物質（1×103以下的小分子與大分子的分離）。以濃度差為推動力（擴散），膜透過通量很小，不適于大規模生物分離過程，多在實驗室中應用。應用最早的膜分離技術（1861）。早期：動物源半透膜。19th

30s，硝化纖維膜賽珞玢（玻璃紙）透析法的應用脫鹽、去除變性劑、還原劑之類的小分子雜質；也用于置換樣品緩沖液；在臨床上常用于腎衰竭患者的血液透析。18蛋白質、無機鹽

無機鹽緩沖液脫鹽：透析用于除去大分子溶液中的小分子物質。透析平衡：對溶液中小分子成分進行緩慢的改變（透析結晶）。保留液：供試樣品液，主要成分為大分子物質，試驗過程中需要留下的物質。滲出液：透析完成后棄去的液體。蛋白質透析透析袋透析簡單裝置。A:透析夾，B:透析，C:透析示意圖

一、透析膜材料：禽類嗉囊、獸類膀胱、羊皮紙、賽珞玢（玻璃紙）、硝化纖維膜等。形式：平膜、管狀膜。制作透析膜的高聚物應具有的特點：（1）具有一定孔徑在溶劑介質中形成分子篩薄膜（親水性）（2）化學惰性不發生化學變化或溶解現象（3）良好的物理性能強度、柔韌性、再生性二、透析方法及裝置旋轉透析器平面透析器連續透析器淺流透析器第二節超濾技術26

以壓力為推動力，利用超濾膜不同孔徑對液體中溶質進行分離的物理篩分過程。其截斷分子量一般為6000到500000，孔徑為幾十nm，操作壓0.2-0.6MPa。優點：沒有相轉移無需添加任何強烈化學物質可以低溫操作過濾速度快便于無菌處理一、超濾的特征和用途超濾應用大分子物質的脫鹽和濃縮大分子物質溶劑系統的交換平衡大分子物質的分級分離小分子物質的純化清洗細胞、純化病毒除病毒、熱源2829蛋白酶液超濾過程示意圖：恒流泵平板式超濾膜△P出背壓閥△P進透出液截留液二、超濾膜1、超濾膜的構造各向異性擴散膜：皮膚層、支持層喇叭口濾膜形狀：平面膜、中空纖維膜、螺旋卷膜、組合式板膜、管狀膜等提高過濾速度：孔道數（n）多、孔隙長度（L）小。流速與膜輕度之間存在矛盾！2、超濾膜的制造材料：纖維素硝酸酯（或醋酸酯）、芳香酰胺纖維（尼龍）、芳香聚砜、丙烯腈-氯乙烯共聚物等。制膜方法：水凝凍法、噴涂法或浮貼、無輝放電法、燒結或粘結法。3、超濾膜的選用（1）截留分子量

阻留率達90%以上的最小被截留物質的分子量。

一般選用的膜的額定截留值應稍低于所分離或濃縮得溶質分子量。（2）流動速度

在一定壓力下每分鐘通過單位面積膜的液體量。mL/(cm2·min)(3)其他

操作溫度不同膜基材料對溫度耐受能力不同

化學耐受性

使用前查明膜的化學組成

膜的吸附性質

減少吸附

膜的無菌處理高溫滅菌、化學滅菌三、超濾過程與裝置1、濃差極化現象

降低流速；影響膜的透過選擇性克服極化措施：振動、錯流、切流2、實驗用超濾器（1）無攪拌式裝置（2）攪拌或振動式裝置（3）小棒超濾器（4）淺道系統超濾裝置（5）中空纖維系統超濾器3、工業用超濾裝置設計要求：

有效過濾面積大為膜提供可靠的支撐裝置密封情況下提供引出濾過液的路徑盡可能清除或減弱濃差極化現象形式：（1）組合板式（2）管式（3）螺旋卷式（4）中空纖維式4、影響超濾流速和選擇性的因素（1）溶質分子性質和濃度

分子大小、形狀、帶電性質（2）超濾膜的性質

膜的孔徑、結構及吸附性質（3）超濾裝置和操作條件

膜或組合膜的構造、超濾器的結構、操作壓力、攪拌情況、液體物料的溫度、黏度、pH、離子強度等。增加溶解度、減少膜吸附、減少溶質形成凝膠傾向四、超濾的操作和應用1、超濾膜和超濾器的處理不能干燥和受污染（滅菌）2、過濾操作

生物制藥中，常用于過濾蛋白質、核酸、多糖等生物大分子溶液。3、應用

（1）濃縮和脫鹽（2）分級分離和純化（3）超濾分離和酶反應器（或發酵罐）聯用分級分離和純化超濾分離與酶反應器聯用第三節微孔過濾技術42

以多孔薄膜為過濾介質，壓力差為推動力，利用篩分原理使不溶性粒子（0.1-10μm）得以分離的操作。操作壓力0.05-0.5MPa。一、微孔膜的特點和應用范圍微孔過濾的優點：

設備簡單；操作簡單、快速；分離效率高、重現性好；一些微孔濾膜具有選擇結合生物大分子的特殊能力。微濾應用懸浮液的分離主要用于分離亞微米級顆粒，目前應用最廣泛的一種分離分析微細顆粒和超凈除菌手段。除去水/溶液中的細菌和其它微粒；除去組織液、抗菌素、血清、血漿蛋白質等多種溶液中的噬菌體、較大病毒及菌體；除去飲料、酒類、醬油、醋等食品中的懸濁物、微生物和異味雜質。44二、微孔濾膜1、微孔濾膜的種類（1）再生纖維素膜（2）纖維素酯膜

硝酸纖維素膜混合纖維素酯膜（3）聚四氟乙烯膜（4）聚氯乙烯膜（5）超細玻璃纖維素膜2、微孔濾膜的制備（1）自然蒸發凝結法（2）急速凝凍法3、微孔濾膜的性質與檢測（1）孔徑

氣泡壓力法、水流量法、細菌過濾法等（2）孔隙率及水萃取率（3）厚度和重量（4）阻力和流速（5）其他理化性質（介電常數、使用溫度）三、微孔過濾設備和操作1、設備

注射式濾器、玻璃濾器、平板濾器、筒式濾器、多歧管式濾器等。2、過濾操作與注意事項（1）濾膜的支持和濾器的密封（2）過濾系統嚴密性檢查（3）濾膜的潤濕（4）過濾速度（5）過濾系統的清洗和消毒（6）串濾技術第四節微孔膜過濾的應用一、在生物化學中的應用1、絕對過濾收集沉淀（1）澄清溶液（PAGE凝膠溶液過濾）（2）酶活力測定（過濾酶反應產物）2、結合測定（1）蛋白質-DNA絡合物測定及純化受體測定（2）mRNA的測定及純化（3）環狀DNA的純化3、其他應用蛋白含量測定、核酸的測定、放射性標記物的超凈二、在制藥工業中的應用藥液中微粒及細菌的濾除抗生素的無菌檢驗反滲透50利用反滲透膜選擇性，以膜兩側靜壓差為推動力，實現對液體混合物進行分離的過程。

操作壓差一般為1.5～10.5MPa，截留組分為小分子物質。51反滲透法反滲透工業應用包括：海水和苦咸水脫鹽制飲用水；制備醫藥、化學工業中所需的超純水；用于處理重金屬廢水用于濃縮過程。52納濾

分離范圍介于反滲透和超濾之間，截

斷分子量范圍約為MWCO300～1000，能截留透過超濾膜的那部分有機小分子，透

過無機鹽和水。53（1）小分子量的有機物質的分離；（2）有機物與小分子無機物的分離；（3）一價鹽類與二價或多價鹽類的分離；（4）鹽與其對應酸的分離。54納濾的應用利用待分離分子的荷電性質和分子大小的差別，以外電場電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，從溶液中脫除或富集電解質的膜分離操作。55電滲析56正極陰離子交換膜負極+固定離子Cl-Na+-電滲析分離原理示意圖57電滲析應用工業上多用于海水、苦咸水淡化、廢水處理生物分離中可用于氨基酸和有機酸等小分子的脫鹽和分離純化。5859過程膜結構驅動力應用對象實例微濾對稱微孔膜0.05~10μm壓力差消毒、澄清收集細胞培養懸浮液除菌，產品消毒，細胞收集超濾不對稱微孔膜１~５0nm壓力差大分子物質分離蛋白質的分離/濃縮/純化/脫鹽/去熱源納濾復合膜＜1nm壓力差Donna效應小分子物質分離糖/二價鹽/游離酸的分離反滲透致密膜、復合膜＜1nm壓力差小分子物質濃縮單價鹽/非游離酸的分離透析對稱的或不對稱的膜濃度差小分子有機物/無機離子除小分子有機物或無機離子電滲析離子交換膜電位差離子脫除、氨基酸分離海水淡化，純水制備，生產工藝用水滲透蒸發致密膜氣壓差小分子有機物與水的分離醇/乙酸與水分離，有機液體混合物分離（如脂烴與芳烴的分離等幾種膜分離技術的適用范圍表征膜性能的參數截留分子量、水通量、孔的特征、

pH適用范圍、抗壓能力、對熱和溶劑的穩定性等。60制造商通常提供這些數據

1、

截留率和截留分子量

膜對溶質的截留能力為截留率R（rejection），其定義為

R＝1－Cp／Cb

Cp和Cb：表示在某一瞬間，透過液和截留液的濃度。如R＝1，則Cp＝0，表示溶質全部被截留；如R＝0，則Cp＝Cb，表示溶質能自由透過膜。6263截留曲線質量好的膜，陡直,可使不同分子量的溶質分離完全；反之，會導致分離不完全。MWCO與孔徑MWCO（球狀蛋白質）近似孔徑（nm)10002100005100000121000000296465水通量：純水在一定壓力，溫度(0.35MPa，25℃)下試驗，透過水的速度L/h

m2。

2、水通量661、平板式膜組件

由膜、支承板、隔板交替重疊組成。膜分離設備67優點:缺點:組裝方便，膜的清洗更換容易，料液流通截面較大，不易堵塞，同一設備可視生產需要組裝不同數量的膜。需密封的邊界線長682、

卷式膜組件

將膜、支撐材料、膜間隔材料依次疊好，圍繞一中心管卷緊即成一個膜組。料液在膜