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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 膜分离的特点・ ①操作在常温下进行；②是物理过程，不需加入化学试剂；③不发生相变化（因而 能耗较低）；④在很多情况下选择性较高；⑤浓缩和纯化可在一个步骤内完成；・ ⑥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 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、渗透蒸发按分离粒子大小分类：透析（Dialysis, DS）微滤（Microfiltration, MF）超滤（Ultrafiltration, UF） 纳滤（Nanofiltration, NF）反渗透（Reverse osmosis, RO）电渗析（Electrodialysis, ED） 渗透气化（ Pervaporation， PV）截留分子量：微滤0.02〜10um透析 3000 Dalton〜 几万 Dalton超滤 50 n m〜10 On m或 5000〜50 万 Dalton纳滤 200〜1000Dalton 或 1nm反渗透 200Dalton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0.1〜0.5MPa，反渗透膜的压力更高，约为1〜10MPa 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；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 反渗透膜 ：醋酸纤维素衍生物,聚酰胺 纳滤膜：聚电解质+聚酰胺、聚醚砜电渗析：离子交换树脂 渗透蒸发：弹性态或玻璃态聚合物;聚丙稀腈、聚乙烯醇、聚丙稀酰胺 膜的制造・ 要求：・ （ 1）透过速度（ 2）选择性（ 3） 机械强度（ 4） 稳定性 表征膜性能的参数・ 截断分子量、水通量、孔的特征、pH适用范围、抗压能力、对热和溶剂的稳定性等。

膜对溶质的截留能力以截留率R (rejection)来表示，其定义为・ R=1— Cp/Cb 17-1・ 式中Cp和Cb分别表示在某一瞬间，透过液(Permeate)和截留液的浓度・ 如R=1,则Cp=0,表示溶质全部被截留；・ 如R=0,则Cp= Cb,表示溶质能自由透过膜质量好的膜应有陡直的截断曲线,可使不同分子量的溶质分离完全; 反之，斜坦的截断曲线会导致分离不完全影响截留率的因素：① 分子形状：线状分子易透过，Q线＜ Q球；② 吸附作用：溶质吸附于膜孔壁上，降低膜孔有效直径③ 浓差极化作用：高分子溶质在膜面沉积，使膜阻力T,较小分子溶质的截留率T,分 离性能/④ 温度/浓度，tT c/,使/q,因为膜吸附作用/；⑤ 错流速度T, /q,因为浓差极化作用/；⑥ pH、离子强度影响蛋白质分子构型，影响Q水通量纯水在□□□□-定压力，温度(0.35MPa, 25°C)下试验，透过水的速度L / h・m2JW = W / A t同类膜，孔径T,水通量JwT保留液 口封闭水通量Jw不能代表处理大分子料液的透过速度，因为大分子 溶质会沉积在膜表面，使滤速下降(约为纯水通量的10%) 由Jw的数值可了解膜是否污染和清洗是否彻底。

完整性试验・本法用于试验膜和组件是否完整或渗漏・ 将超滤器保留液出口封闭，透过液出口接上一倒置的滴定管自料液进口处通入 定压力的压缩空气，当达到稳态时，测定气泡逸出速度，如大于规定值，表示膜不 合格 Jl微滤、超滤、纳滤、反渗透相同点： 压缩空气① 以膜两侧压力差为推动力；②按体积大小而分离；③膜的制造方法、结构和操作方式都类 似微滤、超滤、纳滤、反渗透区别：① 膜孔径：微滤0.1〜10pm ＞超滤0.01〜0.1卩 ＞ 纳滤0.001〜0.01pm ＞反渗透小于 0.001pm② 分离粒子：微滤截留固体悬浮粒子，固液分离过程；超滤、纳滤、反渗透为分子级 水平的分离；③ 分理机理：微滤、超滤和纳滤为截留机理，筛分作用；反渗透机理是渗透现象的逆过程：④压差：微滤、超滤和纳滤压力差不需很大0.1〜0.6 MPa1. 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2. 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0.05-0.5MPa微滤应用1） 除去水/溶液中的细菌和其它微粒；2） 除去组织液、抗菌素、血清、血浆蛋白质等多种溶液中的菌体；3） 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3. 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0.2-0.6MPa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4. 反渗透利用反渗透膜选择性的只能通过溶剂（通常是水）而截留离子物质性质，以膜两侧静压差为 推动力，克服渗透压，使溶剂通过反渗透膜实现对液体混合物进行分离的过程。

操作压差一般为1.5〜10.5MPa,截留组分为小分子物质心皿"T 渗透和反渗透5、纳滤G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G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G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MWCO300〜1000， 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1 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0.5〜3 MPa,因此纳滤又被称作“低压反渗透”或“疏松反渗 透”（ Loose RO ）纳滤的应用 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米膜的分离机理1. 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，2. 道南（Donnan ）效应：纳滤膜本体带有电荷性，对相同电荷的分子邙日离子）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）几种膜分离技术的适用范围过程膜结构驱动力应用对象实例微滤对称微孔膜0.05〜10 卩 m压力差消毒、澄清收集细胞培养悬浮液除菌，产品消毒，细胞收集超滤不对称微孔膜1 〜5 0nm压力差大分子物质分离蛋白质的分离/浓缩/纯化/脱盐/去热源纳滤复合膜V1nm压力差Donna效应小分子物质分离糖/二价盐/游离酸的分离反渗透致密膜、复合膜V1nm压力差小分子物质浓缩单价盐/非游离酸的分离透析对称的或不对称的膜浓度差小分子有机物/无机离 子除小分子有机物或无机离子电渗析离子交换膜电位差离子脱除、氨基酸分离海水淡化，纯水制备，生产工艺用水渗透蒸发致密膜气压差小分子有机物与水的 分离醇/乙酸与水分离，有机液体混合物分离 （如脂烃与芳烃的分离等膜两侧溶液传递理论1 浓差极化 在分离过程中，料液中溶剂在压力驱动下透过膜，大分子溶质被带到膜表面，但不能透过 被截留在膜的高压侧表面上，造成膜面浓度 ，• 于是在膜表面与临近膜面区域浓度越来越高，产生膜面到主体溶液之间的浓度梯度， 形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶液透过流量下降，同时这 种浓度差导致溶质自膜反扩散到主体溶液中，• 这种膜面浓度高于主体浓度的现象称为浓差极化。

在膜分离过程中，浓差极化是经常发生的现象，是影响膜分离技术在某些方面应用降値落质在举I液中的裱度1□11 墳加®増加细的通道提希膜耐4P反冋传谨的拦路虎克服浓差极化的方法影响膜过滤的各种因素① 压力②浓度③温度④流速⑤其它因素 膜污染 大体可分为沉淀污染、吸附污染、生物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 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：・ ①进料液的预处理：预过滤、pH及金属离子控制；・ ②选择合适的膜材料：减轻膜的吸附；・③改善操作条件：加大流速。

膜过滤装置的型式及其适用范围膜组件：有膜、固定膜的支撑体、间隔物以及容纳这些部件的容器构成的一个单元 一个良好的模件应具备下列条件：1. 膜面切线方向速度快，有高剪切率，以减少浓差极化2.膜的装载密度，即单位体积中所含 膜面积比较大；3•拆洗和膜的更换比较方便，4•保留体积小，且无死角常见的膜过滤装置有四种类型：① 管式 优点：结构简单，适应性强，清洗方便，耐高压，适宜于处理高黏度及固体含量较高的料液缺点：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33〜330，保留体积大， 压力降大，除特殊场合外，一般不被使用② 中空纤维式有数百上万根中空纤维膜固定在圆形容器内构成， 内径为40-80um膜称中空纤维膜，0。