酶工程4-5 过滤与膜分离

2）加压过滤——以压力泵或压缩空气产生的压力为推动力
添加助滤剂、降低悬浮液黏度、适当提高温度等措施, 均有利于 加快过滤速度和提高分离效果。优点：设备比较简单, 过滤速度 较快, 过滤效果较好。 3）减压过滤——真空过滤或抽滤，是通过在过滤介质的下 方抽真空的方法, 以增加过滤介质上下方之间的压力差, 推动液 体通过过滤介质,而把大颗粒截留的过滤方法。需配备有抽真空 系统，压力差最高不超过0. 1 M Pa，黏性不大物料的分离。
过滤介质：滤纸、滤布、纤维、多孔陶瓷、烧结金属等。 助滤剂：硅藻土、活性炭、纸粕等，能加快过滤速度, 提高分离效果。
分类（推动力的产生条件不同）： 1）常压过滤——以液位差为推动力（重力的作用） 滤纸过滤、吊篮或吊袋过滤；优：设备简单, 操作方便易行。缺： 过滤速度较慢, 分离效果较差, 难于大规模连续使用
原料液
渗透液 无流动操作
超滤 (Ultrafiltration, UF )
一种动态过程，由泵提供推动力，在膜表 面产生两个分力：一个是垂直于膜面的法向分 力，使水分子透过膜面，另一个是于膜面平行 的切向力，把膜面截流物冲掉。 超滤膜 浓溶液 原液 超滤液
超滤原理的示意图
超滤浓缩装置
超滤膜
作用：在一定压力下使溶液中大分子滞留，而小分子及溶剂滤过 的方法。 结构：由两层组成。表层厚度0.1～5μm,孔径有多种规格,从 20～2000Å组成系列产品, 可根据需要选择。基层厚度为200～ 250μm,强度较高, 使用时要将表层面向待超滤的物料溶液。 流率：膜的透过性一般以流率表示。 流率是指每平方厘米的膜每分钟透过的流体的量。超滤时 流率一般为0.01～5.0ml/(cm2· min)。膜的孔径大, 流率也大。 影响流率的因素：膜孔径的大小（主因），颗粒的形状（球 形的透过性好）与大小, 溶液浓度, 操作压力, 温度和搅拌等。 用途：超滤法在蛋白质（酶）溶液除盐、浓缩及分离纯化中有广 泛的应用。
2. 微滤

微滤又称为微孔过滤。 介质：微孔陶瓷、烧结金属等作为过滤介质, 也可采用微 滤膜为过滤介质进行膜分离。

分离对象：主要用于细菌、灰尘等光学显微镜可以看到的 物质颗粒的分离，截留的物质颗粒直径为0.2～2μm 。
应用领域：在无菌水、矿泉水、汽水等软饮料的生产中广 泛应用。

二、膜分离技术
2.分离对象：
主要用于酶等生物大分子的分离纯化, 从中除去无机盐等 小分子物质。
3.优缺点：
透析设备简单、操作容易； 透析时间较长,透析结束时,透析膜内侧的保留液体积较大, 浓度较低, 难于工业化生产。
4. 透析方法及装置
透析袋透析简单装置。 A:透析夹，B:透析，C:透析示意图
（一）加压膜分离
第五节 过滤与膜分离
过滤：过滤是借助于过滤介质将不同大小、不同形 状的物质分离的技术过程。 过滤介质多种多样, 常用的有滤纸、滤布、纤维、 多孔陶瓷、烧结金属和各种高分子膜等, 可以根据 需要选用。 根据过滤介质的不同, 过滤可以分为膜过滤和非膜 过滤两大类。其中粗滤和部分微滤采用高分子膜以 外的物质作为过滤介质, 称为非膜过滤; 而大部分 微滤以及超滤、反渗透、透析、电渗析等采用各种 高分子膜为过滤介质, 称为膜过滤, 又称为膜分离 技术。

根据过滤介质截留的物质颗粒大小不同,过滤可以分为 粗滤、微滤、超滤和反渗透等4大类。
表4-4 过滤的分类及其特性
类别 粗滤 截留的颗粒大小 >2μm 截留的主要物质 酵母、霉菌、动 物细胞、植物细 胞、固形物等 细菌、灰尘等 病毒、生物大分 子等 过滤介质 滤纸、滤布、纤维多孔 陶瓷、烧结金属等
主要用途：酶液或其他溶液的脱盐、海水淡化、纯水制备 以及其他带电荷小分子的分离。
（2）离子交换膜电渗析
用离子交换膜代替一般电渗析的半透膜。
选择透过性：比一般半透膜强。
它具有一般半透膜截留大于孔径的颗粒的特性； 由于离子交换膜上带有某种基团,根据同性电荷相斥、 异性电荷相吸的原理, 只让带异性电荷的颗粒透过, 而把带同性电荷的物质截留。
微滤 超滤
0.2～2μm 20Å～0. 2μm
微滤膜、微孔陶瓷 超滤膜
反渗透
< 20Å
生物小分子、盐、 反渗透膜 离子
一、非膜过滤

采用高分子膜以外的材料, 如滤 纸、滤布、纤维、多孔陶瓷、烧 结金属等作为过滤介质的分离技 术称为非膜过滤, 包括粗滤和部 分微滤。
1. 粗滤
概念：借助于过滤介质截留悬浮液中直径大于2μm 的大 颗粒, 使固形物与液体分离的技术称为粗滤。通常所说 的过滤就是指粗滤而言。 分离对象：酵母、霉菌、动物细胞、植物细胞、培养基 残渣及其他大颗粒固形物。
反渗透（Reverse osmosis，RO）
利用反渗透膜选择 性地只能透过溶剂(通 常是水)的性质，对溶 液施加压力，使溶剂通 过反渗透膜而从溶液中 分离出来的过程。
π
半透膜
图14-3
Membrane Filtration
微粒 胶体
Reverse Osmosis (RO)
Ultrafiltration (UF)
Nanofiltration (NF)
Microfiltration (MF)
（三） 电场膜分离
是在半透膜的两侧分别装上正、负电极。在 电场作用下, 小分子的带电物质或离子向着与其
本身所带电荷相反的电极移动, 透过透膜, 而达到分离的目的。 分类：电渗析和离子交换膜电渗析
（1）电渗析：
用两块半透膜将透析槽分隔成 3个室, 在两块膜之间的 中心室通入待分离的混合溶液, 在两侧室中装入水或缓冲液 并分别接上正、负电极,接正电极的称为阳极槽, 接负电极 的称为阴极槽。接通直流电源后, 中心室溶液中的阳离子向 负极移动, 透过半 透膜到达阴极槽, 而阴离子则向正极 移动, 透过半透膜 移向阳极槽, 大于 半透膜孔径的物质 分子则被截留在中 心室中。从而达到 分离。

概念：借助一定孔径的高分子薄膜，将不同 大小、形状、性质的颗粒或分子进行分离的 技术。

膜材质：丙烯腈、醋酸纤维素、赛璐玢以及 尼龙等高分子聚合物制成的高分子膜；也可 用动物膜。 薄膜的作用：是选择性地让小于其孔径的物 质颗粒或分子通过, 而把大于其孔径的颗粒 截留。


膜分离的分类：
根据物质颗粒或分子通过薄膜的原理和推动 力的不同, 膜分离可以分为3大类。 加压膜分离

原理：是以薄膜两边的流体静压差为推动力的膜分
离技术。在静压差的作用下, 小于孔径的物质颗粒穿 过膜孔, 而大于孔径的颗粒被截留。

分类：根据所截留的物质颗粒的大小不同,加压膜分
离可分为微滤、超滤和反渗透等3 种。
3 种加压膜分离技术的比较
截留颗粒 直径 微滤 超滤 0.2~2m 操作压力 应用
应用：脱盐，海水淡化，纯水制备，从发酵液中分离
柠檬酸、谷氨酸及凝胶电洗脱。
<0.1MPa
除菌
20A ~0.2m 0.1~0.7MPa 分离病毒及生物大分 子 <20A 0.7 ~13MPa 分离各种离子和小分 反渗透 子物质；纯水制备
微滤(Microfiltration，MF)
一种静态过滤，随 过滤时间延长，膜面上 截流沉积不溶物，引起 水流阻力增大，透水速 率下降，直至微孔全被 堵塞。 过滤介质：微滤膜
电场膜分离
扩散膜分离
（一） 扩散膜分离——透析（半透膜）
原理：是利用小分子物质的扩散作用, 不断透过半透膜扩散到膜外。而大 分子被截留, 从而达到分离效果。
溶质分子Y 从高浓度一侧通过膜向低浓度一侧移动
蛋白质透析
1. 透析膜
商品透析膜大多制成管状 。 材质：动物膜、羊皮纸、火棉胶或赛璐玢等。 1）透析膜的预处理：目的：除杂质。 2）透析袋的保存 ：防腐剂＋冷藏。