生物工业下游技术 第八章 膜的分离过程分析
膜分离技术介绍
“膜”的定义： 如果在一个流体相内或两个流体 相之间有一薄层凝聚相物质把流 体分隔开来成为两部分，则这一 薄层物质就是膜。这里所谓的凝 聚相物质可以是固态的，也可以 是液态或气态的。
膜分离技术的定义： 膜分离技术是以选择性透过膜 为分离介质,当在两侧施加某种 推动力时,原料侧组分就会选择 性透过膜,从而达到分离和提纯 的目的。
膜的分类——管式膜
管式膜的结构原理与管式换热器类似，管内与管 外分别走料液与透过液。管式膜的排列形式有列管、 排管或盘管等。管式膜分为外压和内压两种。外压 即为膜在支撑管的外侧，因外压管需有耐高压的外 壳，应用较少；膜在管内侧的则为内压管式膜。亦 有内、外压结合的套管式管式膜组件。 管式膜组件的缺点是单位体积膜组件的膜面积少， 一般仅为33-330m2/m3，除特殊场合外，一般不被 使用。
可反向冲洗、使用寿命长
分离极限和选择性是可控制的
成本高、易碎的特性要求有特殊的构造
膜本身的热稳定性常常由于密封材料的 缘故而不能得到充分的利用 因此无机膜在工业中的应用范围受限。
膜分离过程的分类：
膜分离过程的主要特点是以选择透过膜 作为组分分离的手段。当膜两侧存在某种 推动力(如压力差、浓度差、电位差)时， 原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离、 提纯的目的。膜分离过程可概述为以下三 种形式。
膜分离技术——电渗析 电渗析(Electro dialysis,简称ED)
电渗析也是较早研究和应用的一种膜分 离技术，它是利用离子交换膜能选择性地 使阴离子或阳离子通过的性质，在直流电 场的作用下，以电位差为推动力，使阴阳 离子分别透过相应的膜从而达到从溶液中 分离电解质的目的，目前主要用于水溶液 中除去电解质(如盐水的淡化等)、电解质 与非电解质的分离和膜电解等。
第8章_生物膜法
特点：比表面积和孔隙率都很大，从而使有机负荷大为提高，也不易堵塞， 在生产实践中被广为采用，由于它便于沉淀分离，提高了活性污泥处理厂 的性能。
(图1)和(图2)是两种常见的塑料滤料。国内目前采用的玻璃钢蜂窝状 块状滤料，孔心间距在20mm左右，孔隙率95%左右，比表面积在200 m2/ m3左右。
离滤床表 面的深度
(m)
2 5 8.5 12
丙烯腈
156mg/l 82.6 99.2 99.3 99.4
污染物去除率（%）
异丙醇
SCN-
35.4mg/l 31 60 70 91
18.0mg/l 6 10 24 46
COD
955mg/l 60 66 73 79
生物 膜量 (kg/m3)
3.0 1.1 0.8 0.7
（6）耗氧与供氧
计算生物滤池的耗氧量和供氧量时，要考虑以下几方面。
1）生物膜量普通生物滤池的生物膜污泥量为4.5-7kg／m3(滤料)， 高负荷生物滤池为3.3～6.5kg／m3(滤料)。
2）生物膜的耗氧量单位体积滤料每日需氧量可按下式估算：
mo2 aBOD bPf
（8-1)
式中 BODr--每立方米滤料每天去除的BOD5量，kg／m3·d； a＇--系数，表示每公斤BOD5完全降解所需要的氧量，一
2. 影响生物滤池功能的主要因素
（2）滤床的高度 上层，微生物繁殖速度快，生物膜量多且主要以细菌为主，
有机物去除速度高； 下层，生物膜量少，微生物从低级趋向高级，有机物去除速
度降低； 有机物的去除效果随滤床深度的增加而提高，但去除速率却
生物工程下游技术膜分离技术
生物工程下游技术小综述姓名：宋媛媛班级：B110709班学号：B11070902生物工程下游技术小综述——膜分离技术的研究现状与应用一、概述膜分离技术是利用具有一定选择性透过特性的过滤介质对物质进行分离纯化的技术。
近代工业膜分离技术的应用始于20世纪30年代利用半透性纤维素膜分离回收苛性碱，60年代以后，不对称性膜制造技术取得了长足的进步，各种膜分离技术也迅速发展，在包括生物物质在内的分离过程中得到越来越广泛的应用，成为最重要的分离技术之一。
膜分离技术已被国际上公认为20世纪末至21世纪中期最有发展前途的重大生产技术。
西方发达国家都已将膜分离技术列入21世纪优先发展的高新技术，甚至可以说，凡是物料以流体状态运行的生产过程，膜技术都有用武之地。
所以，1987年，在日本东京召开的国际膜与膜过程会议指出：“在21世纪的多数工业中，膜过程扮演着战略角色。
”二、膜分离技术原理及特点1. 原理膜分离是指用半透膜作为障碍层,借助于膜的选择渗透作用,在能量、浓度或化学位差的作用下对混合物中的不同组分进行分离提纯。
由于半透膜中滤膜孔径大小不同,可以允许某些组分透过膜层,而其它组分被保留在混合物中,以达到一定的分离效果。
分离膜具有选择透过特性，它可以使混合物质有的透过、有的被截留，但是不同的膜分离过程，它们使物质透过、截留的原理则不尽相同，总的来说，分离膜之所以能使混在一起的物质分开，不外乎两种手段，即根据混合物物理性质的不同或者化学性质的不同。
2. 特点2.1 膜分离过程的分离效率比较高，并且大多数可以在较温和的条件下进行，操作的温度和压强比较低，适合生物活性物质的分离，可以最大限度的保存产品的生物活性。
2.2 膜分离过程的耗能一般较低。
这是由于其分离过程条件温和，加热或者冷却的耗能较小，另外，膜分离过程一般不涉及相变，而相变潜热很大。
2.3 膜分离过程在密闭空间内进行，污染小。
在过程中不用添加任何外来的化学物质,透过液可以循环使用,从而降低了成本,并可以减少环境污染。
06-膜分离过程
6.1.2. 膜过程分类
生物分离中最常用-超滤、微滤和反渗透
膜过程分类
粒径
0. 1 1 nm 10
病毒
100
1μ m
10
100
１ mm
小分子
蛋白质
乳胶
细菌 细胞 微粒
超细胶体微粒 反渗透 微滤
超滤
一般过滤
膜分离法与物质大小（直径）的关系
6.1.3. 分离膜
（一）分离膜性能
• ★物化稳定性-膜强度、耐受压力、温度、pH、对 有机溶剂及各种化学药品的耐受性-膜寿命 ★分离透过性-选择性、渗透通量、通量衰减系数 • ①选择性-可用截留率R表示
第六章
膜分离过程
Membrane Separation
膜分离现象普遍存在，膜分离技术应用广泛
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 微孔过滤——人造 40年代 渗析 50年代 电渗析 60年代 反渗透（1960年Loeb和Sourirajan） 70年代 超滤 80年代 气体分离 90年代 渗透汽化 现代 EDI技术——电渗析(ED)+离子交换（IE)
膜材料
①透过速度大 ②截留盐的能力强 ③易于制备、来源丰富 ④适合作反渗透膜 ⑤不耐温（30℃） ⑥pH 范围窄，清洗困难 ⑦与氯作用，寿命降低 ⑧微生物侵袭 （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
（三）膜结构
• 对称膜，即膜截面的膜厚 方向上孔道结构或传递特 性均匀，传质阻力大，透 过通量低，容易污染，清 洗困难，微滤膜大多为对 称膜
（二）膜材料
膜材料 应用 特点 截盐能力强，使用温度 反渗透膜 醋酸纤维 和 pH 范围有限 微滤膜和超滤膜 天然高分子 再生纤维 微滤膜和透析膜
膜分离实验报告
膜分离实验一.实验目的1．了解膜的结构和影响膜分离效果的因素，包括膜材质、压力和流量等。
2．了解膜分离的主要工艺参数，掌握膜组件性能的表征方法。
3. 了解和熟悉超滤膜分离的工艺过程。
二.基本原理膜分离技术是最近几十年迅速发展起来的一类新型分离技术。
膜分离是以对组分具有选择性透过功能的人工合成的或天然的高分子薄膜（或无机膜）为分离介质，通过在膜两侧施加（或存在）一种或多种推动力，使原料中的某组分选择性地优先透过膜，从而达到混合物的分离，并实现产物的提取、浓缩、纯化等目的的一种新型分离过程。
其推动力可以为压力差（也称跨膜压差）、浓度差、电位差、温度差等。
膜分离过程有多种，不同的过程所采用的膜及施加的推动力不同，通常称进料液流侧为膜上游、透过液流侧为膜下游。
微滤（mf）、超滤（uf）、纳滤（nf）与反渗透（ro）都是以压力差为推动力的膜分离过程，当膜两侧施加一定的压差时，可使一部分溶剂及小于膜孔径的组分透过膜，而微粒、大分子、盐等被膜截留下来，从而达到分离的目的。
四个过程的主要区别在于被分离物粒子或分子的大小和所采用膜的结构与性能。
微滤膜的孔径范围为0.05～10μm，所施加的压力差为0.015～0.2mpa；超滤分离的组分是大分子或直径不大于0.1μm的微粒，其压差范围约为0.1～0.5mpa；反渗透常被用于截留溶液中的盐或其他小分子物质，所施加的压差与溶液中溶质的相对分子质量及浓度有关，通常的压差在2mpa左右，也有高达10mpa的；介于反渗透与超滤之间的为纳滤过程，膜的脱盐率及操作压力通常比反渗透低，一般用于分离溶液中相对分子质量为几百至几千的物质。
2.1微滤与超滤微滤过程中，被膜所截留的通常是颗粒性杂质，可将沉积在膜表明上的颗粒层视为滤饼层，则其实质与常规过滤过程近似。
本实验中，以含颗粒的混浊液或悬浮液，经压差推动通过微滤膜组件，改变不同的料液流量，观察透过液测清液情况。
对于超滤，筛分理论被广泛用来分析其分离机理。
生物工程下游技术膜分离技术
生物工程下游技术小综述姓名：宋媛媛班级：B110709班学号：B11070902生物工程下游技术小综述——膜分离技术的研究现状与应用一、概述膜分离技术是利用具有一定选择性透过特性的过滤介质对物质进行分离纯化的技术。
近代工业膜分离技术的应用始于20世纪30年代利用半透性纤维素膜分离回收苛性碱，60年代以后，不对称性膜制造技术取得了长足的进步，各种膜分离技术也迅速发展，在包括生物物质在内的分离过程中得到越来越广泛的应用，成为最重要的分离技术之一。
膜分离技术已被国际上公认为20世纪末至21世纪中期最有发展前途的重大生产技术。
西方发达国家都已将膜分离技术列入21世纪优先发展的高新技术，甚至可以说，凡是物料以流体状态运行的生产过程，膜技术都有用武之地。
所以，1987年，在日本东京召开的国际膜与膜过程会议指出：“在21世纪的多数工业中，膜过程扮演着战略角色。
”二、膜分离技术原理及特点1. 原理膜分离是指用半透膜作为障碍层,借助于膜的选择渗透作用,在能量、浓度或化学位差的作用下对混合物中的不同组分进行分离提纯。
由于半透膜中滤膜孔径大小不同,可以允许某些组分透过膜层,而其它组分被保留在混合物中,以达到一定的分离效果。
分离膜具有选择透过特性，它可以使混合物质有的透过、有的被截留，但是不同的膜分离过程，它们使物质透过、截留的原理则不尽相同，总的来说，分离膜之所以能使混在一起的物质分开，不外乎两种手段，即根据混合物物理性质的不同或者化学性质的不同。
2. 特点2.1 膜分离过程的分离效率比较高，并且大多数可以在较温和的条件下进行，操作的温度和压强比较低，适合生物活性物质的分离，可以最大限度的保存产品的生物活性。
2.2 膜分离过程的耗能一般较低。
这是由于其分离过程条件温和，加热或者冷却的耗能较小，另外，膜分离过程一般不涉及相变，而相变潜热很大。
2.3 膜分离过程在密闭空间内进行，污染小。
在过程中不用添加任何外来的化学物质,透过液可以循环使用,从而降低了成本,并可以减少环境污染。
下游技术
名词解释：生物工业下游技术:下游技术是生物工程的一个组成部分，生物化工产品系通过微生物发酵过程、酶反应过程或动植物细胞大量培养获得，从上述发酵液、反应液或培养液中提取分离、加工并精制目的成分，最终使其成为产品的技术，称为下游技术。
特异性相互作用：主要以蛋白质为代表的生物高分子（另外含有肝素、明胶、核苷酸等）（亲和介质），能分辨特定的物质（目标物），再与其可逆性结合。
这种现象是非常排他性的、特异性的结合，故称为特异性相互作用（或生物亲和力）。
疏水性相互作用：在水性介质中，分子和分子的疏水性部分相互作用的凝聚力，即疏水性基团有尽可能避免和水接触，自身相互之间聚集起来的趋势。
这就是疏水性相互作用的本质。
盐析：在发酵液中加入中性盐能破坏蛋白质或酶的胶体性质，消除微粒上的电荷及水化层，促使蛋白质或酶沉淀。
凝聚：凝聚作用就是向发酵液胶体悬浮液中加入某种电解质，在电解质中异电离子作用下，胶粒的双电层电位降低，使胶体体系不稳定，胶体粒子间因相互碰撞而产生凝集的现象。
絮凝：当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生桥架联接时．就形成了较大的聚团，这就是絮凝作用。
膜的截留率：对一定相对分子量的物质，膜能截留的程度。
截断分子量：相当于一定截留率的（90%/95%）相对分子量。
分离膜的污染：固体或溶质在膜面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜通量变小与分离性能恶化的暂时性不可逆变化的现象。
分离膜的浓差极化：溶剂透过膜，而溶质留在膜上，导致膜面上溶质浓度增大，并高于主体中的浓度的现象。
结晶：利用物理的方法将溶质从溶液中以规则的形状析出的分离方法叫结晶。
沉淀：从溶液中得到无定型的溶质的分离方法叫沉淀。
清洁生产：清洁生产是指将综合预防的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中，以减少对人类和环境的风险。
生物下游工业常用的膜分离过程：微滤，超滤，纳滤，反渗透。
生物工业常用的细胞破碎方法：改变发酵液过滤特性的方法过饱和溶液的获得方法：(1)将热饱和溶液冷却（冷却结晶）(2)将部分溶媒蒸发（恒温蒸发结晶）(3)将热饱和溶液冷却和将部分溶媒蒸发(冷却蒸发结晶)（4）加入晶种（5）加入化学反应剂超临界流体萃取中常用的萃取剂：二氧化碳盐析沉淀法所得蛋白质中的盐的去除：饱和溶液法；添加固体硫酸铵溶剂萃取操作中萃取剂需满足的条件：(1)有很大的萃取容量，即单位体积的萃取溶剂能萃取大量的产物；(2)有良好的选择牲，理想情况是只萃取产物而不萃取杂质；(3)与被萃取的液相(通常是水相)互溶度要小，且粘度低，即界面张力小或适中，这样有利于相的分散和两相分离；(4)溶剂的回收和再生容易；(5)化学稳定性好，不易分解，对设备腐蚀性小；(6)经济性好，价廉易得；(7)安全性好，闪点高，对人体无毒性或毒性低。
生化分离工程：3-1.膜分离
1）板框式膜组件 基本组成 • 平板膜、支撑盘、间隔盘。三种部件相互交
替、重叠、压紧。
34
特点： • 组装比较简单，可以简单地增加膜的层数以提高处理量； • 操作比较方便。 • 板框式膜组件组装零件太多；装填密度低；膜的机械强度
要求较高。 应用： • 超滤（UF）、微滤（MF）、反渗透（RO）、电渗析
市售膜的大部分为合成高分子膜，主要有聚砜、聚丙烯腈、 聚酰亚胺、聚酰胺、聚烯类和含氟聚合物等。特点是耐高 温，适用pH范围广，耐氯能力强，可调节孔径范围宽， 使用寿命较长 。
如聚砜可用于制造超滤膜 ，使用时最高温度可达70~80℃， pH范围在1~13，孔径范围约为1~20nm。
18
无机材料
主要有陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。无机膜的特点 是机械强度高，耐高温、耐化学试剂和耐有机溶剂，但缺 点是不易加工，造价较高。
– 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； pH适用范围广
21
2.功能性
浓缩：目的产物以低浓度形式存在，因此需 要除去溶剂；
（截留物为产物） 纯化：除去杂质； 分离：将混合物分成两种或多种目的产物；
选择性，透过特性
反应场：把化学反应或生化反应的产物连续 取出，能提高反应速率或提高产品质量。界面；
进水 (O/I) 1st 分离层 0.30 mm 厚度
膜丝断面
2nd 分离层
Lumen Area
49
50
特点：
• 结构紧凑，装填密度很高； • 清洗困难； • 中空纤维膜一旦损坏无法维修，只能更换膜组件； • 液体在管内流动时阻力很大，易阻塞。
51
中空纤维超滤膜结构
第八章 发酵下游过程简介
下游加工技术的发展趋势
生物分离过程的高效集成化 新技术、新方法的开发及推广使用 上下游技术的集成耦合 新型分离介质材料的开发 清洁生产
细胞破碎主要是用于提取细胞内的发酵产物。细 胞破碎是指选用物理、化学、酶或机械的方法来 破坏细胞壁或细胞膜，使产物从胞内释放到周围 环境中的过程。 固液分离方法主要分为两大类：一类是限制液体 流动，颗粒在外力场的作用下（如重力和离心力 ）自由运动。传统方法如浮选、重力沉降和离心 沉降等。另外一类为颗粒受限，液体自由运动的 分离方法，如过滤等。
溶剂萃取法 利用有机溶剂来实现水相中某种物质 向有机溶液中转移的方法。由于蛋白质遇有机溶剂 会引起变性，所以溶剂萃取法一般仅用于抗生素等 小分子生物物质的提取。 双水相萃取 双水相萃取技术又称水溶液两相分配 技术，是通过在水溶液中加入两种亲水聚合物或者 一种亲水性聚合物和盐，到一定浓度时，就会形成 两相，利用目标生物质在两相中分配不同的特性来 完成浓缩和纯化的技术。 超临界流体萃取 利用超临界流体来提取液体或固 体中某种组份的技术。超临界流体的密度和液体相 近，粘度和气体相近，溶质在其中的扩散速度可为 液体的100倍，这是超临界流体的萃取能力和萃取 速度优于一般溶剂的原因。
第一节 下游加工过程及技术
发酵液的预处理和固液分离
发酵液中含有菌（细胞）体、胞内外代谢产物、残 余的培养基以及发酵过程中加入其它一些物质等。 发酵液的预处理和固液分离过程是下游加工的第一 步操作。发酵液预处理的目的，就在于改变发酵液 的性质，以利于固液分离及产品的捕集，有时还要 考虑利于菌体的回收等。常用的预处理方法有酸化 、加热、加絮凝剂等。
第二节 下游加工技术的选择及 发展趋势