《膜分离法》PPT课件.ppt

Chapter 2 生物活性物质粗分的常用方法2.4 膜分离法,本讲的主要内容,膜分离技术概述膜材料与膜的制造表征膜性能的参数各种膜分离技术及其分离机理,膜分离技术,概念：用半透膜作为选择障碍层，利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，允许某些组分透过而保留混合物中其它组分，从而达到分离目的的技术。,概 述,人类认识到膜的功能源于1748年，然而用于为人类服务是近几十年的事。1960年Loeb和Sourirajan制备出第一张具有高透水性和高脱盐率的不对称膜，是膜分离技术发展的一个里程碑。,1925年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程在工业上得到应用30年代 微滤40年代 透析50年代 电渗析60年代 反渗透70年代 超滤 80年代 纳滤90年代 渗透汽化,概 述,膜分离的特点操作在常温下进行；是物理过程，不需加入化学试剂；不发生相变化（因而能耗较低）；在很多情况下选择性较高；浓缩和纯化可在一个步骤内完成；设备易放大，可以分批或连续操作。因而在生物产品的处理中占有重要地位,概 述,膜分离技术的重要性,膜分离技术兼具分离、浓缩和纯化的功能，又有使用简单、易于控制及高效、节能的特点选择适当的膜分离技术，可替代过滤、沉淀、萃取、吸附等多种传统的分离与过滤方法。膜分离技术得到各国重视：国际学术界一致认为“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来”。膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，近30年膜分离技术，已广泛用于食品、医药、化工及水处理等各个领域。产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。,概 述,膜的分类,按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜多孔膜与致密膜：前者微滤膜、超滤膜、纳滤膜，后者反渗透膜、渗透蒸发,概 述,常见膜分离方法,按分离粒子大小分类：透析（Dialysis，DS）超滤（Ultrafiltration，UF）微滤（Microfiltration，MF）纳滤（Nanofiltration，NF）反渗透（Reverse osmosis，RO）电渗析（Electrodialysis，ED）渗透气化（Pervaporation，PV）,概述,截留分子量：微滤 0.0210m透析 3000 Dalton 几万Dalton超滤 50100或500050万Dalton纳滤 2001000Dalton或1nm反渗透 200Dalton,膜分离法与物质大小（直径）的关系,概述,RONFUFMFF,膜材料的特性,对于不同种类的膜都有一个基本要求：耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般模操作的压力范围在0.10.5MPa，反渗透膜的压力更高，约为110MPa耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解；化学相容性：保持膜的稳定性；生物相容性：防止生物大分子的变性；成本低；,（一）膜材料,天然材料：各种纤维素衍生物人造材料：各种合成高聚物特殊材料：复合膜，无机膜,不锈钢膜，陶瓷膜,醋酸纤维特点：,透过速度大截留盐的能力强易于制备来源丰富不耐温（30）pH 范围窄，清洗困难与氯作用，寿命降低微生物侵袭适合作反渗透膜,聚砜膜的特点,（1）温度范围广（2）pH范围广（3）耐氯能力强（4）孔径范围宽（5)操作压力低（6）适合作超滤膜,芳香聚酰胺类,聚酰胺含有酰胺基团（-CO-NH-）,亲水性好,且其机械稳定性、热稳定性及水解稳定性均很好,是最典型的反渗透膜材料之一，但同样不耐氯。,与醋酸纤维素反渗透膜相比,它具有脱盐率高、通量大、操作压力要求低、pH 范围广4-11。,近年来开发的新型膜材料,复合膜；无机多孔膜；纳米过滤膜。功能高分子膜；聚氨基葡糖,膜材料-不同的膜分离技术,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，醋酸纤维纳滤膜：聚电解质+聚酰胺、聚醚砜,(二）膜的制造,要求：（1）透过速度（2）选择性（3）机械强度（4）稳定性,相转变制膜,不对称膜通常用相转变法(phase inversion method)制造，其步骤如下：1将高聚物溶于一种溶剂中；2将得到溶液浇注成薄膜；3将薄膜浸入沉淀剂（通常为水或水溶液）中，均匀的高聚物溶液分离成两相，一相为富含高聚物的凝胶，形成膜的骨架，而另一相为富含溶剂的液相，形成膜中空隙。,微滤、超滤、纳滤相同点：以膜两侧压力差为推动力；按体积大小而分离；膜的制造方法、结构和操作方式都类似。微滤、超滤、纳滤区别：膜孔径：微滤0.110m 超滤0.010.1 纳滤0.0010.01m 分离粒子：微滤截留固体悬浮粒子，固液分离过程；超滤、纳滤为分子级水平的分离；分理机理：微滤、超滤和纳滤为截留机理，筛分作用；压差：微滤、超滤和纳滤压力差不需很大0.10.6 MPa,透 析,利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜，将含有高分子溶质和其它小分子溶质的溶液与水溶液或缓冲液分隔；由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，高分子溶液中的小分子溶质（如无机盐）透过膜向水透渗透，这就是透析。透析过程中透析膜内无流体流动，溶质以扩散的形式移动,透析原理图,透析法的应用,常用于除去蛋白或核酸样品中的盐、变性剂、还原剂之类的小分子杂质，有时也用于置换样品缓冲液。由于透析过程以浓差为传质推动力，膜的透过量很小，不适于大规模生物分离过程、但在实验室中应用较多。透析法在临床上常用于肾衰竭患者的血液透析。,超 滤,是以压力为推动力，利用超滤膜不同孔径对液体中溶质进行分离的物理筛分过程。其截断分子量一般为6000到 50万，孔径为几十nm，操作压。,蛋白酶液,恒流泵,平板式超滤膜,P出,背压阀,超滤过程示意图：,P进,透出液,截留液,当溶液体系经由水泵进入超滤器时，在滤器内的超滤膜表面发生分离，溶剂（水）和其它小分子量溶质透过具有不对称微孔结构的滤膜，大分子溶质和微粒（如蛋白质、病毒、细菌、胶体等）被滤膜阻留，从而达到分离、提纯和浓缩产品的目的。,超滤应用,超滤从70年代起步，90年代获得广泛应用,已成为应用领域最广的技术。蛋白、酶、DNA的浓缩脱盐/纯化梯度分离（相差10倍）清洗细胞、纯化病毒除病毒、热源,微 滤,以多孔薄膜为过滤介质，压力差为推动力，利用筛分原理使不溶性粒子（0.1-10um）得以分离的操作。操作压力。,微滤应用,除去水/溶液中的细菌和其它微粒；除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白质等多种溶液中的菌体；除去饮料、酒类、酱油、醋等食品中的悬浊物、微生物和异味杂质。,纳滤,纳滤技术是反渗透膜过程为适应工业软化水的需求及降低成本的经济性不断发展的新膜品种，以适应在较低操作压力下运行，进而实现降低成本演变发展而来的。膜组器于80年代中期商品化。纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来。纳滤(NF，Nanofiltration)是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程。纳滤分离范围介于反渗透和超滤之间，截断分子量范围约为 MWCO3001000，能截留透过超滤膜的那部分有机小分子，透过无机盐和水。,纳滤膜的特点,纳滤膜的截留率大于95%的最小分子约为nm,故称之为纳滤膜。从结构上看纳滤膜大多是复合膜，即膜的表面分离层和它的支撑层的化学组成不同。其表面分离层由聚电解质构成。能透过一价无机盐，渗透压远比反渗透低，故操作压力很低。达到同样的渗透通量所必需施加的压差比用RO膜低0.53 MPa，因此纳滤又被称作“低压反渗透”或“疏松反渗透”(Loose RO)。,筛分：对Na+和Cl-等单价离子的截留率较低，但对Ca2+、Mg2+、SO42-截留率高，对色素、染料、抗生素、多肽和氨基酸等小分子量（200-1000）物质可进行分级分离，实现高相对分子量和低相对分子量有机物的分离，道南（Donnan）效应：纳滤膜本体带有电荷性，对相同电荷的分子（阳离子）具有较高的截留率。低压力下仍具有较高脱盐性能；分离分子量相差不大但带相反电荷的小分子（短肽、氨基酸、抗生素）。,纳米膜的分离机理,纳滤膜分离机理示意图,纳滤膜由于截留分子量介于超滤与反渗透之间，同时还存在Donnan效应，广泛应用于制药、食品等行业中。同时水在纳滤膜中的渗透速率远大于反渗透膜，所以当需要对低浓度的二价离子和分子量在500到数千的溶质进行截留时，选择纳滤比使用反渗透经济。应用：（1）小分子量的有机物质的分离；（2）有机物与小分子无机物的分离；（3）溶液中一价盐类与二价或多价盐类的分离；（4）盐与其对应酸的分离。,纳滤的应用,纳滤的应用,纳滤应用,螺旋霉素的提取：SPM发酵滤液微滤和超滤（去除蛋白质等大分子）纳 滤（聚酰胺型膜材料），透过无机盐和水，浓缩SPM。操作条件：进料流量55L/h；操作压力1.5MPa。结果表明：发酵液中的螺旋霉素几乎全部被截留；膜的透过通量可高达30L/h；浓缩倍数和得率高。,几种膜分离技术的分离范围,几种膜分离技术的适用范围,影响膜过滤的各种因素,压力浓度温度流速其它因素,膜污染,膜使用中最大的问题是膜污染。是指处理物料中的微粒，胶体或溶质大分子与膜存在物理化学作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附，沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象。膜污染的表现一是膜通量下降；二是通过膜的压力和膜两侧的压差逐渐增大；三是膜对生物分子的截留性能改变。膜污染与浓差极化在概念上不同，浓差极化加重了污染，但浓差极化是可逆的，即变更操作条件可使之消除，而污染是不可逆的，必须通过清洗的办法，才能消除。,膜的污染(fouling),膜的污染大体可分为沉淀污染、吸附污染、生物污染 1 沉淀污染沉淀污染对反渗透和纳滤的影响尤为显著。当过滤液中盐的浓度超过了其溶解度，就会在膜上形成沉淀或结垢。普遍受人们关注的污染物是钙、镁、铁和其它金属的沉淀物，如氢氧化物、碳酸盐和硫酸盐等。,2 吸附污染 有机物在膜表面的吸附通常是影响膜性能的主要因素。随时间的延长，污染物在膜孔内的吸附或累积会导致孔径减少和膜阻增大，这是难以恢复的。与膜污染相关的有机物特征包括它们对膜的亲和性，分子量，功能团和构型。一般来讲膜的亲水性越强有机物不宜吸附。而疏水作用可增加其在膜上的积累，导致严重的吸附污染。,膜的污染(fouling),3 生物污染是指微生物在膜内积累，从而影响系统性能的现象。膜组件内部潮湿阴暗，是一个微生物生长的理想环境，微生物粘附和生长形成生物膜。老化生物膜主要分解成蛋白质、核酸、多糖酯等，强烈吸附在膜面上引起膜表面改性。微生物生物膜，可直接(通过酶作用)或间接(通过局部pH或还原电势作用)降解膜材料，造成膜寿命缩短，膜结构完整性被破坏。细菌对不同聚合物粘附速率大不相同。如聚酰胺膜比醋酸纤维素膜更易受细菌污染。所以，生物亲和性被降低和易清洗的聚合物为材质的分离膜，会阻碍生物膜的生长。,膜的污染(fouling),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:进料液的预处理：预过滤、pH及金属离子控制；选择合适的膜材料：减轻膜的吸附；改善操作条件：加大流速。,膜污染的清洗方法,化学法：选择清洗剂要注意三点：1要尽量判别是何种物质引起污染；2清洗剂要不致于对膜或装置有损害，3要符合产品要求。,化学法常用的清洗剂有：1NaOH：发酵工业中用得很普遍，浓度为0.11.0M。它能水解蛋白质，皂化脂肪和对某些生物高分子起溶解作用2酸：如HNO3、H3PO4 和HCl。用于去除无机污染物，如钙和镁盐。对不锈钢装置不能用HCl。柠檬酸对含铁污染物有效。3表面活性剂：主要对生物高分子、油脂等起乳化、分散、干扰细菌在膜上的粘附。常用的SDS和Triton X-100，有较好的去蛋白质和油脂等作用。,膜污染的清洗方法,4氧化剂：氯有较强的氧化能力。当NaOH或表面活性剂不起作用时，可以用氯，其用量为10-6mg/L活性氯，其最适pH为1011。5酶：酶本身是蛋白质，能用其他清洗剂就酶。但如要去除多糖时，淀粉酶有一定作用的。6有机溶剂：由于有机溶剂对膜和装置有不良作用，因而很少采用。20-50乙醇可用于膜装置的灭菌和去除油脂或硅氧烷消泡剂，但使用时系统必须符合防爆要求。,膜污染的清洗方法,物理法：海绵球擦洗热水法反冲洗和循环清洗,膜污染的清洗方法,超滤液,保留液,透过液,超滤,循环清洗,清洗液出口,清洗液入口,清洗液出口,逆洗,清洗液入口,清洗液出口,膜污染的清洗方式,利用膜的不对称性和膜组件的结构特点进行清洗,膜分离技术的应用:,膜分离技术目前已经广泛应用于各个工业领域，并已使海水淡化，乳品加工等多种传统的生产面貌发生了根本性的变化。膜分离技术已经形成了一个相当规模的工业技术体系。,膜技术的应用领域,1、海水淡化、高质量饮用水、工业供水、医药用水采用活性炭吸附过滤和超滤结合制取高质量饮用水，设备投资少，成本低，是优质饮用水制备的经济有效方法。医药针剂用水是采用多级蒸馏制备的，其工艺繁琐、能耗高、而且质量常常得不到保证。用膜技术除针剂热源，取得很好效果。,2、膜技术在各种工业生产中的应用凡涉及分子级的浓缩和分离的过程，都有膜技术应用的机会。汽车电泳漆的在线纯化采用超滤膜除去杂质；燃料工业用超滤膜技术分离和浓缩中间体。3、在环境保护和废水的应用膜技术在废水处理（印染、影印、电镀、造纸）得到广泛应用。在许多情况下，不仅处理了废水，保护环境，还能回收有用物质。4、膜技术在食品领域的应用酱油、醋、果汁澄清和浓缩、乳制品生产、制糖工业、食用菜籽油的纯化都采用了膜技术。,膜技术的应用领域,5 膜分离技术在制药工业中的应用,应用现代分离工艺是提高制药工业经济效益或减少投资的重要途径。膜分离过程通常在常温下操作无相变，能耗低，特别适用于处理制药工业的热敏性物质。因此，制药工业正在越来越多地使用膜分离技术。如血液制备的分离、抗菌素、维生素、氨基酸生产和干扰素的纯化、蛋白质的分级和纯化、中草药剂的除菌和澄清等。中药制剂中有大量的鞣质、蛋白质、淀粉等大分子物质，是一种胶体溶液。这些物质既无药效又难以去除。超滤法可使透过液澄清透明，大分子杂质全部去除，有效成分透过膜。,发酵液中目的产物浓度低，还含有大量的其他杂质，而目的产物的耐热、耐pH和耐有机溶剂性差，易变性失活。传统工艺是溶剂萃取或加热浓缩，反复使用有机溶剂和酸碱溶液，耗量大，流程长，废水处理任务重。特别是许多药物热敏性强，使传统工艺受限制。国际先进的制药生产线，大量采用膜分离技术代替传统的分离、浓缩和纯化工艺。通常直接采用微滤或一级超滤去除大分子物质(菌丝、蛋白质、病毒、热原)，而小分子代谢产物(包括目的产物)、盐和水则透过微滤或超滤膜，然后再进一步进行超滤、纳滤 或反渗透进行纯化和浓缩。,6 发酵液的提取及精制,膜生物分离法的应用,水的纯化固液分离纯化小分子浓缩大分子去热原膜生物反应器,传统用的方法是沉淀、过滤、加热、冷冻、蒸馏、萃取和结晶等过程,流程长、耗能多、物料损失多、设备庞大、效率低、操作繁琐等缺点，以膜技术取代某种传统技术可以获得显著的经济效益。,1 微生物菌体分离,利用微滤或超滤进行菌体或碎片的过滤分离是膜分离的重要应用，与传统的过滤相比：滤液澄清，菌体回收率高易于进行无菌操作目前适合菌体含量低的液体膜分离最大问题是污染引起通量下降，如合理的解决膜污染和清洗问题，其将成为菌体分离的重要手段。,膜分离技术的应用,采用超滤法去除谷氨酸发酵液中的菌体，可以将发酵原液中固含量浓缩10倍，为菌体的再利用创造条件；而且超滤透过液中谷氨酸含量、pH等理化指标与发酵液相同，但不含菌体，且蛋白含量很低，再利用等电点法提取谷氨酸时，收率可达到90.96%，比传统等电点法高7个百分点。,1 微生物菌体分离,膜分离技术的应用,2 大分子的纯化与浓缩,根据大分子如酶的相对分子质量，选择适当的超滤膜，可进行酶的浓缩和除去小分子物质。由于超滤膜的孔径有一定的分布范围，用超滤进行蛋白质的分级分离时，蛋白质之间的分子量需相差10倍以上，否则难以分离。利用超滤法纯化蛋白质，其分子量、浓度、带电性质等与通量有很大关系，必要时须对料液进行预处理，同时减少膜对蛋白的吸附。,膜分离技术的应用,脱乳糖奶粉的生产：,超滤法可截留原料乳中几乎全部的蛋白质，而允许乳糖（分子量342）和灰分通过。通过透析过滤即不断地在截留液中加水重复过滤，可最大程度地去除乳糖和灰分，从而制取高蛋白含量的脱乳糖奶粉。原始状态不会被打乱并遭破坏，浓缩物可以保持原来的氨基酸含量，酪蛋白与乳清蛋白之比，具有产品的营养价值、经济环保等，优于他传统方法(如利用等电点凝结、酸凝结或其他方法沉淀)。生产高蛋白含量（3585）的脱盐、脱乳糖的乳清粉：并将其用于生产冰淇淋和酸奶和其他乳制品。,膜分离技术的应用,3 小分子产物的纯化与脱盐,氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵产品的相对分子质量在2000以下，发酵液进行固液分离后，用超滤法使蛋白、多糖等大分子被截留，然后利用反渗透或纳滤法进行浓缩、脱盐和除去更小的杂质。,膜分离技术的应用,原工艺：发酵液过滤离子交换稀溶液减压浓缩去热源（活性碳）喷雾干燥（结晶）该工艺缺点：抗生素为热敏性物质，浓缩时，部分破坏，色泽加深；浓缩耗能大。改用膜分离：,膜分离技术的应用,1）抗生素：庆大霉素Gen或链霉素Str浓缩和纯化,原工艺：盐酸林可霉素丙酮中结晶 丙酮母液(含盐酸林可霉素6)低温自然沉降法回收，回收率1-2。采用一般的纳滤膜来浓缩回收盐酸林可霉素，未获成功，原因：母液中含有大量丙酮，一般纳滤膜不耐受有机溶剂。Hydrochem公司发明了耐溶媒的纳滤膜，获得成功，总收率80以上，结晶成品符合药典要求。,膜分离技术的应用,2）在丙酮结晶母液中回收盐酸林可霉素：,4 除热原,热源（pyrogen）又称细菌内毒素，是细菌新陈代谢和细菌死后分解的产物，主要成分是脂多糖、脂蛋白等，相对分子质量较大。热源的致热效能很强，人比动物对热源要敏感，在静脉注射药液时，如果将热源带进血液，会对人体造成相当大的危害。传统的针剂除热源的方法是活性炭吸附和石棉板过滤，前者造成产品损失，后者对劳动者和产品存在问题。用超滤法可有效的除去热源，如产品分子量1000以下，可用截留分子量1万左右的膜比较合适。,膜分离技术的应用,根据混合物中多种待分离组分的性质，将几种膜技术组合使用。膜组合技术浓缩辅羧酶辅羧酶（分子量467）是一种辅酶，参与催化许多有机酸的脱羧反应，可对细胞色素C的活性起到促进作用。原工艺将黄色的稀溶液用活性炭脱色，然后低温减压浓缩至30，再用活性炭脱色，得到含量30 的1溶液后直接销售给药厂。该流程能耗大、时间长，经两道活性炭吸附，损失较大。,5 膜组合技术,膜分离技术的应用,膜组合技术浓缩辅羧酶,选用高抗污染聚偏氟乙烯(PVDF)超滤膜与醋酸纤维素(CA)反渗透膜相结合的技术浓缩辅羧酶。,膜组合技术浓缩辅羧酶,选用高度耐污染的PVDF超滤膜，超滤过程中通量下降很少，用后只需清水反洗l2次，膜通量即可完全恢复。由于用截留分子量8104 Da的超滤膜做为反渗透膜的预处理，使反渗透膜的运行有了非常可靠的保证。当停用时只需用清水将反渗透浓缩液洗除，则膜性能就不会被破坏，通量也非常稳定。可省去减压蒸馏和活性炭吸附工序。由于膜工艺浓缩，使辅羧酶浓度由初始的0.25提高到9.4，降低了成本，缩短了生产周期。,6 膜生物反应器,膜生物反应器（Membrane bioreactor,MBR）是生物反应过程与膜分离过程耦合的生物反应装置，可应用于动植物细胞的高密度培养、微生物发酵和酶反应过程与目的产物分离相结合。,膜分离技术的应用,谢谢,谢 谢,