生物分离工程-第四章-膜分离技术
《生物分离工程》知识点整理
《⽣物分离⼯程》知识点整理⽣物分离⼯程第⼀章(绪论)⽣物分离⼯程的定义和过程⽣物分离⼯程定义（名词解释）：为提取⽣物产品时所需的原理、⽅法、技术及相关硬件设备的总称，指从发酵液、动植物细胞培养液、酶反应液和动植物组织细胞与体液等中提取、分离纯化、富集⽣物产品的过程。
过程：⽬标产物捕获⽬标产物初步纯化(萃取、沉淀、吸附等⽅法)⽬标产物⾼度纯化和精制细胞分离三种⼿段：重⼒沉降离⼼沉降过滤第⼆章离⼼分离原理和⽅法：原理：离⼼沉降是在离⼼⼒的作⽤下发⽣的。
单位质量的物质所受到的离⼼⼒：式中：r为离⼼半径，即从旋转轴⼼到沉降颗粒的距离；ω为旋转⾓速度；N为离⼼机的转数，s－1⽅法：（1）差速离⼼分级（2）区带离⼼（差速区带离⼼、平衡区带离⼼）离⼼分离设备：离⼼⼒（转速)的⼤⼩：低速离⼼机、⾼速离⼼机、超离⼼机按⽤途：分析性、制备性按⼯业应⽤：管式离⼼机、碟⽚式离⼼机实验室⽤以离⼼管式转⼦离⼼机，离⼼操作为间歇式悬浮液的预处理⽅法和⽬的：⽅法：1.加热：最简单和最廉价的处理⽅法。
黏度、促凝聚、固体成分体积、破坏凝胶结构、增加空隙率调pH值：⽅法简单有效、成本低廉2.凝聚：在凝聚剂(如铝盐、铁盐、⽯灰和NaCl)作⽤下，细胞蛋⽩质等胶体去稳定，并聚集成1mm⼤⼩的凝聚块的过程。
（机理：破坏双电层，⽔解后胶体吸附，氢键结合等）3.絮凝：在絮凝剂⾼分⼦聚合电解质的作⽤下，胶体颗粒和聚合电解质交连成⽹，形成10mm⼤⼩的絮凝团过程。
（机理：絮凝剂主要起中和电荷、桥架和⽹络作⽤）4.惰性助滤剂：⼀种颗粒均匀、质地坚硬的粒状物质，⽤于扩⼤过滤表⾯的适应围，减轻细⼩颗粒的快速挤压变形和过滤介质的堵塞。
（使⽤⽅法：预涂层；按⼀定⽐率混合。
助滤剂种类：硅藻⼟、纤维素、未活化的炭、炉渣、重质碳酸钙等。
）⽬的：提⾼过滤速度和过滤质量是过滤操作的⽬标。
各种细胞破碎技术原理和优缺点：原理：许多⽣物产物在细胞培养过程中保留在细胞，需破碎细胞，使⽬标产物选择性地释放到液相。
生物分离工程之膜分离
（1） 相转化制膜工艺 • 将均质的制膜液通过溶剂的挥发或向溶液加入非溶
剂或加热制膜液，使液相转变为固相的过程。相转化 制膜工艺中最重要的方法是L—S型制膜法。 • 加拿大人劳勃（S. Leob）和索里拉金（S. Sourirajan） 发明
溶剂
添加剂
均质制膜液
难渗透性溶 质或溶剂
溶剂
均相膜、复 合膜，非对 称膜
乳状液膜、 支撑液膜
五、 膜材料
有机高分子材料
膜材料
无机材料
天然高分子材料 合成高分子材料
• 目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素 酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。
• 以日本为例，纤维素酯类膜占53％，聚砜膜 占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜 占2％。
选择性透膜
膜上游 透膜 膜下游 膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质， 通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压 力差或电位差等）时，使原料侧组分选择性地 透过膜，以达到分离提纯的目的。通常膜原料 侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。
膜的种类
阳离子膜
高分子膜
带电膜
阴离子膜
分 离 膜
液体膜
非带电膜
微滤膜 超滤膜 纳米滤膜
1. 天然材料--纤维素酯类膜材料 纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过1,
4—β—甙链连接起来的天然线性高分子化合物， 其结构式为：
HCH 2O H O
H
O
OH OH
H H
H OH
H OH
OH H
H
H H
O
O
CH 2OH
HCH 2O H O
H
O
OH
H H
H OH
H OH
《生物分离工程》课程笔记
《生物分离工程》课程笔记第一章绪论一、生物分离工程的历史及应用1. 历史生物分离工程的历史可以追溯到古代酿酒和面包制作时期，但作为一个独立领域的发展始于20世纪。
早期的生物分离技术主要依靠自然现象，如沉淀、结晶等。
随着科技的发展，尤其是生物技术的崛起，生物分离工程逐渐形成一门独立的学科，并得到了迅速发展。
2. 应用生物分离技术在医药、食品、农业、环境保护等领域有广泛的应用。
例如，在疫苗生产中，需要从细胞培养液中分离出病毒或细菌；在抗生素提取中，需要从发酵液中提取抗生素；在蛋白质纯化中，需要从混合蛋白质中分离出目标蛋白质；在果汁澄清中，需要去除果汁中的悬浮固体等。
二、生物分离过程的特点1. 复杂性生物分离过程涉及生物大分子（如蛋白质、核酸、多糖等）的分离和纯化，这些生物大分子在结构和性质上具有很高的复杂性，因此生物分离过程也具有较高的复杂性。
2. 多样性生物分离过程中，针对不同的生物大分子和混合物，需要采用不同的分离方法和工艺，因此生物分离过程具有很高的多样性。
3. 灵敏度生物大分子在分离过程中容易受到外界因素的影响，如温度、pH值、离子强度等，因此生物分离过程需要严格控制条件，具有很高的灵敏度。
4. 易失活性生物大分子在分离过程中容易发生变性、降解等失活现象，因此生物分离过程需要尽量减少这些失活现象的发生。
5. 高价值生物大分子往往具有很高的经济价值，如药物、生物制品等，因此生物分离过程需要高效、高收率地分离目标物质，以满足市场需求。
第二章过滤一、过滤基本概念及预处理1. 过滤基本概念过滤是一种基于孔径大小实现固体与流体分离的技术。
在生物分离工程中，过滤技术被广泛应用于细胞培养液、发酵液、酶反应液等混合物的初步分离和纯化。
过滤过程中，混合物通过过滤介质（如滤纸、滤膜等），固体颗粒被拦截在过滤介质上，而流体则通过过滤介质流出，从而实现分离。
2. 预处理为了提高过滤效率，通常需要对混合物进行预处理。
《膜分离技术》PPT课件
27
脂肪族聚酰胺
脂肪族聚酰胺是线形高分子材料，由亚甲 基链段和极性基团（酰胺基）有规律交替 链接而成。
O
CH2 C NH
p型脂肪族聚酰胺
p-1
n
O
O
NH CH2 NH C CH2 C mp型脂肪族聚酰胺。
m
p-2
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n
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芳香族聚酰胺
分子骨架上含有芳环的聚酰胺称为芳 香族聚酰胺。目前工业化的有两大类：
HCH2OHO
H OH
HCH2OHO
H
O
OH OH
H H
H OH
OH H
H
H H
O
O
CH2OH
H
O
OH
H H
H OH
H OH
OH H
H H
H OOH
CH2OH
n_2
2
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22
从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。在催化 剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能与冰醋酸、醋 酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维素或三醋酸纤维素。
聚酰胺（俗称尼龙）是指分子主链上含有酰胺基 团（-NHCO-）的高分子化合物。英文为polyamide， 缩写为PA。
早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龙-4、 尼龙—66等制成的中空纤维膜。
以后发展了芳香族聚酰胺，用它们制成的分离膜， pH适用范围为3～11。长期使用稳定性好。
2021/6/10
用赛璐玢和消化纤维素膜观察了电解质和非电解质的反 渗透现象
obain..etc
1930
Teorell， Meyer，
Sievers
进行了膜电势的研究，是电渗析和膜电极的基础
膜分离ppt课件
膜分离技术的重要性评论
美国官方文件曾说"18世纪电器改变了整个工业进程，而20世 纪膜技术将改变整个面貌”，又说“目前没有一种技术，能 像膜技术这么广泛地被应用”。
国外有关专家夸大地把膜技术的发展称为“第三次工业革命” 日本则把膜技术作为21世纪的基盘技术进行研究和开发。 在1987年日本东京国际膜与膜过程会议上，明确指出“在21
世纪多数工业中，膜过程扮演着战略的角色”。 世界著名的化工与膜专家，美国国家工程院院士，北美膜学
会会长黎念之博士在 1994年应邀访问我国化工部及所属大学 时说：“要想发展化工就必须发展膜技术”。 他也非常赞同国际上流行的说法“谁掌握了膜技术，谁就掌 握了化工的未来”。
3
4
§4.1 概述
H OH
OH H
H
H H
O
O
CH2OH
H
CH2OH
O
H
O
OH
H H
H OH
n_ 2 2
H OH
OH H
H H
H
O OH
CH2OH
20
醋酸纤维素膜的结构示意图
表皮层，孔径
1%
（8－10）×10-10m
99％
过渡层，孔径 200×10-10m
多孔层，孔径 （1000－4000） ×10-10m
21
聚砜类
复合膜 转相膜
非荷电膜
复合膜 转相膜
多孔膜 不对称膜
膜
固膜
对称膜
无机膜-多孔膜
不对称膜 对称膜
生物膜（原生质、细胞膜）
15
对称膜
荷电膜 液膜
不对称膜 非对称膜
复合膜
对称膜的曲孔道 结构示意图
《膜分离技术》课件
控制运行参数
根据实际运行情况，调整压力、流量等运行 参数，优化处理效果。
应急处理
针对突发故障或水质异常情况，采取相应的 应急处理措施，确保系统稳定运行。
04
膜分离技术的优势与局限 性
优势
高效分离
膜分离技术能够高效地分离混合物中 的不同组分，实现高纯度产品的制备 。
节能环保
膜分离过程通常在常温下进行，能耗 较低，且不产生有害物质，符合绿色 环保理念。
感谢您的观看
THANKS
膜分离技术需要使用特定的化学品进行清洗和维护，因此化学品成本 也是需要考虑的因素。
环境效益分析
减少污染排放
膜分离技术可以有效地减少工业 废水中的有害物质排放，减轻对 环境的污染。
节约资源
膜分离技术可以提高资源的利用 率，减少浪费，对环境保护具有 积极的影响。
提高生产效率
膜分离技术可以优化生产流程， 提高生产效率，降低能耗和资源 消耗，从而减少对环境的负面影 响。
特点
孔径分布均匀、过滤精度 高、阻力小。
03
膜分离技术的工艺流程
原水预处理
去除大颗粒杂质
通过过滤、沉淀等方法去除原水中较大的颗粒、悬浮物和杂质。
降低浊度
通过加入絮凝剂、沉淀等方法降低原水的浊度，提高水质清晰度。
调节pH值
根据不同膜材料的特性，通过加酸或加碱调节原水的pH值至适宜 范围。
膜组件的安装与调试
2
膜分离技术可以有效地去除医药产品中的杂质和 有害物，膜分离技术的应用前 景越来越广阔，为新药研发和生产提供了新的技 术支持。
06
膜分离技术的经济效益分 析
投资成本分析
设备购置成本
膜分离技术的设备购置成本较高，包括膜组件、泵、管道等。
生物分离工程-膜分离
• 第一节 膜分离技术概述 • 第二节 膜材料及其特性
• 第三节 膜组件 • 第四节 应用
第一节 膜分离技术概述
一、基本概念
膜分离 (membrane separation)
利用具有一定选择透过特性的过滤介
质进行物质的分离纯化，是人类最早应
用的分离技术之一，如酒的过滤，中草 药的提取等。
膜(Membrane)是什么？有何特性？
选择性透膜
膜上游 透膜 膜下游 膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质， 通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压 力差或电位差等）时，使原料侧组分选择性地 透过膜，以达到分离提纯的目的。通常膜原料 侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。
二、膜的种类
阳离子膜 带电膜 高分子膜
阴离子膜
微滤膜
分 离 膜
非带电膜
醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等
聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等 聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺 等 涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等 聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧 烷等
非纤维素酯 类
聚酯、烯烃类 含氟(硅)类
其他
壳聚糖，聚电解质等
2. 按膜的分离原理及适用范围分类 根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将 其分为微孔膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗 析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。 3. 按膜的形态分类
(4)中空纤维(Hollow Fiber)膜组件
•将大量的中空纤维安装在一个管状容器内,中空纤维的一端以
环氧树脂与管外壳壁固封制成膜组件。 •料液从中空纤维组件的一端流人, 沿纤维外侧平行于纤维束流 动,透过液则渗透通过中空纤维壁进入内腔,然后从纤维在环氧 树脂的固封头的开端引出,原液则从膜组件的另一端流出。
生物分离工程 第四章 膜分离技术[可修改版ppt]
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在掌握各种膜分离方法和原理的基 础上，进一步了解膜特性及操作特点和 影响膜分离速度的因素以及膜分离过程。 清楚膜分离法在生物产物回收和纯化方 面的应用。
1、引言
（1）膜的概念 在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，其把流体 相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。
膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体 被膜分开的流体相物质是液体或气体 膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜
（2）膜分离
膜分离是利用具有一定选择性透过特性 的过滤介质进行物质的分离纯化。
（3）膜分离技术
膜分离技术：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，由于溶 液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的 一种技术。
渗透与反渗透
渗透压
随着渗透过程进行，通过半透膜进入盐水 溶液中的水分子与通过半透膜离开盐水溶液 的水分子相等，所以它们处于动态平衡。此 时，盐水溶液和纯水间的液面差表示盐水的 渗透压。
渗透压的大小与盐水的浓度直接相关。
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反渗透的概念
在外加压力驱动下借助半透膜的选择截留作 用溶剂由高浓度溶液透过半膜向低浓度渗透 称为反渗透
N2
D2
c2 l
溶剂
溶质
摩尔通量：
N1
D1c1v1 RT
p
l
N2
D2
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质量通量： 体积通量：
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JV
J1
L
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J2 D2mlc2
反渗透原理
c2P
J2 JV
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提高反渗透操作压力有利于实现溶质的高 度浓缩。
（2）超滤和微滤的概念
超滤
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按材料分：合成有机聚合物膜、无机 材料膜
2、各种膜分离方法及其原理
微滤和超滤 反渗透 透析 纳滤 电渗析 渗透气化
要求
学习要求：各种膜分离法及其原理 理解：微滤、超滤、反渗透、透析、电
渗析和渗透汽化等方法的原理 应用：掌握各种膜的应用范围
第四章 膜分离技术
5学时
授课内容
各种膜分离法及其原理 膜材料及其特性 膜组件 操作特性 膜的污染与清洗
学习目的和要求
在掌握各种膜分离方法和原理的基 础上，进一步了解膜特性及操作特点和 影响膜分离速度的因素以及膜分离过程。 清楚膜分离法在生物产物回收和纯化方 面的应用。
1、引言
（1）膜的概念 在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，其把流体 相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。
（4）分离过程中膜的功能
物质的识别和透过
是使混合物中各组分之间实现分离的内在因素；
界面
提供一种状态，将透过液和保留液分为互不混合的两相
反应场
膜表面及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、化学或生化反应提高膜分离的选择性 和分离度；
（5）膜的分类
按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗 透膜、纳滤膜
膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体 被膜分开的流体相物质是液体或气体 膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜
（2）膜分离
膜分离是利用具有一定选择性透过特性 的过滤介质进行物质的分离纯化。
（3）膜分离技术
膜分离技术：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，由于溶 液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的 一种技术。
N2
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溶剂
溶质
摩尔通量：
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p
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N2
D2
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质量通量： 体积通量：
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反渗透原理
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提高反渗透操作压力有利于实现溶质的高 度浓缩。
（2）超滤和微滤的概念
超滤
超滤是根据高分子溶质之间或高分子与小分子溶质 之间分子量的差别进行分离的方法。
▪ 电渗析：以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透 过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作；
各种膜的分离特性
微滤
悬浮颗粒
超滤 纳滤 反渗透
大分子有机物
糖类等小分子有机物，二价盐 或多价盐
单价盐 水
各种膜分离方法的应用范围
（1）渗透和渗透现象
水分子透过半透膜由纯水迁移到盐水溶液中的现 象叫做渗透
超滤膜对溶质的截留机理主要是筛分作用，超滤膜 的膜孔大小和形状决定超滤膜的截留效果。除此以 外，溶质大分子在膜表面和孔道内的吸附和滞留也 具有截留溶质大分子的作用。
超滤所用操作压差在0.1~1.0 MPa之间。
微滤的原理
微滤通常采用孔径为0.02~10微米的微孔膜进行，其 可截留直径0.01-10微米的固体粒子或分子量大于 1000kDa的高分子物质。料液在压差作用下流经微滤 膜，料液中的溶剂和溶质分子透过微孔形成透过液； 而尺寸大于膜孔的固形成分则被截留，从而实现料液 中固形成分与溶液的分离。
反渗透原理
根据不可逆过程的热力学，非离子型溶剂的摩尔通量1c1 RT
d1
dz
d1 RTdlna1
dz
dz
v1
dp dz
溶剂的摩尔通量： 溶剂的质量通量：
N1
D1c1v1 RT
p
l
J1A 1 p
反渗透原理
溶质传质的主要推动力在于浓差。根据Fick定律，其摩尔通量为
膜分离技术的类型和定义
膜分离过程的实质是物质透过或被截留于 膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔 径大小而达到物质分离的目的，故而可以 按分离粒子大小进行分类：
▪ 微滤（MF）：以多孔细小薄膜为过滤介质， 压力差为推动力，使不溶性物质得以分离的操 作，孔径分布范围在0.025~14μm之间；
▪ 超滤（UF）：分离介质同上，但孔径更小，为 0.001~0.02 μm，分离推动力仍为压力差，适 合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质；
膜过滤的基础理论
通透量理论：一种基于粒子悬浊液在毛细管内流 动的毛细管理论。
水通量（Jw）和截留率（R）
Jw
W
A
R c1 c2 c1
W—透水量，A—膜的有效面积，τ—时间 c1—料液中溶质浓度， c2—透过液中溶质浓度
超滤的基本方程
JwLp(pa)
L ：穿透度（单位时间、单位膜 p 面积的处理量）
微滤
微滤是一种从悬浮液中分离固形成分的方法，是 根据料液中的固形成分与溶液溶质在尺寸上的差异 进行分离的方法
超滤原理
超滤膜一般为非对称膜，具有较小的孔径（约为10 一200Å），能够截留分子量为0.5kDa以上的溶质分 子或生物大分子。料液在压力差作用下，其中溶剂 透过膜上的微孔形成透过液；而大分子溶质则被截 留，从而实现料液中大分子溶质和溶剂间的分离。
渗透与反渗透
渗透压
随着渗透过程进行，通过半透膜进入盐水 溶液中的水分子与通过半透膜离开盐水溶液 的水分子相等，所以它们处于动态平衡。此 时，盐水溶液和纯水间的液面差表示盐水的 渗透压。
渗透压的大小与盐水的浓度直接相关。
pBpAR v1Tln B A
反渗透的概念
在外加压力驱动下借助半透膜的选择截留作 用溶剂由高浓度溶液透过半膜向低浓度渗透 称为反渗透
微滤膜对微粒的截留也是基于筛分作用，其膜的分离 效果是膜的物理结构，孔的形状和大小所决定。
操作压力差一般为0.01～0.2MPa。
超滤和微滤的特点
超滤和微滤都是利用膜的筛分作用，以压差 为推动力；
2. 与反渗透膜相比，超滤和微滤膜具有明显的 孔道结构；
3. 操作压力较反渗透操作低，超滤操作压力在 0.1~1.0 MPa，微滤操作压力更小（0.05~ 0.5 MPa）；
▪ 反渗透（RO）：是一种以压力差为推动力，从溶液中分 离出溶剂的膜分离操作，孔径范围在0.0001 ~0.001 μm之间；（由于分离的溶剂分子往往很小，不能 忽略渗透压的作用，故而成为反渗透）；
▪ 纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离300~1000小分子 量的膜分离过程，孔径分布在平均2nm；