生物分离工程第6章膜分离

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1、第六章膜分离生物分离过程的一般流程原料液细胞分离(离心，过滤)细胞－胞内产物路线一路线二细胞破碎碎片分离路线一A路线一B清液－胞外产物粗分离(盐析、萃取、超过滤等)纯化(层析、电泳)脱盐(凝胶过滤、超过滤)浓缩(超过滤)精制(结晶、干燥)包含体溶解(加盐酸胍、脲)复性第一节膜分离技术概述第二节膜分离装置第三节极化、污染现象和控制第四节典型的膜分离技术及应用领域第一节膜分离技术概述一、基本概念所谓的膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。膜的特性：◆不管膜多薄,它必须有两个界面。这两个界面分别与两侧的

2、流体相接触◆膜传质有选择性，它可以使流体相中的一种或几种物质透过，而不允许其它物质透过。膜(Membrane)是什么？有何特性？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。膜上游透膜膜下游选择性透膜膜的种类阳离子膜阴离子膜分离膜高分子膜液体膜生物膜带电膜非带电膜微滤膜超滤膜反渗透膜纳米滤膜1748年，耐克特（A.Nelkt）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。1861年，施密特（A.Schmidt）首先提出了超过滤

3、的概念。按现代观点，这种膜属于微滤膜。二、膜分离技术发展简史1950年W.Juda试制出选择透过性能的离子交换膜，奠定了电渗析的实用化基础。1961年，米切利斯（A.S.Michealis）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水—丙酮—溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的超滤膜。美国Amicon公司首先将这种膜商品化。60年代洛布(Loeb)与索里拉简(Sourirajan)发明了第一代高性能的非对称性醋酸纤维素膜,把反渗透(RO)首次用于海水及苦咸水淡化。1967年，DuPont公司研制成功了以尼龙—66为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。同一时期，丹

4、麦DDS公司研制成功平板式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。1979年Monsanto公司用于H2/N2分离的Prism系统的建立,将气体分离推向工业化应用。1985年Dow化学公司向市场提供以富N2为目的空气分离器“Generon”气体分离用于石油、化工、天然气生产等领域,大大提高了过程的经济效益。80年代后期进入工业应用的膜分离技术是用渗透汽化进行醇类等恒沸物脱水，由于该过程的能耗仅为恒沸精馏的1/3～1/2，且不使用苯等挟带剂，在取代恒沸精馏及其它脱水技术上具有很大的经济优势。德国GFT公司是率先开发成功唯一商品GFT膜的公司。90年代初向巴西、德、法、美、英等国出售了100多

5、套生产装置，其中最大的为年产4万吨无水乙醇的工业装置，建于法国。除此之外，用PV法进行水中少量有机物脱除及某些有机／有机混合物分离,例如水中微量含氯有机物分离，MTBE/甲醇分离,近年也有中试规模的研报导。60年代初,马丁（Martin）在研究反渗透时发现人造液膜，为支撑液膜。60年代中期，美籍华人黎念之博士发现含有表面活性剂的水和油能形成界面膜，从而发明了不带有固体膜支撑的新型液膜，并于1968年获得纯粹液膜的第一项专利。70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流动载体的液膜，使液膜分离技术具有更高的选择性。液膜的发展从1958年离子交换膜研究开始的。60年代进入开创阶段。

6、65年开始对反渗透膜进行探索，66年上海化工厂聚乙烯异相离子交换膜正式投产，为电渗析工业应用奠定了基础。67年海水淡化会战对我国膜科学技术的进步起了积极的推动作用。70年代进入开发阶段。相继对电渗析、反渗透、超滤和微滤膜及组件进行研究开发。国内发展80年代进入推广应用阶段。80年代中期我国气体分离膜的研究取得长足进步，1985年中国科学院大连化物所首次研制成功中空纤维N2/H2分离器,主要性能指标接近国外同类产品指标,现已投入批量生产,每套成本仅为进口装置的1/3。我国渗透汽化(PV)过程研究开始于1984年。90年代以来,复合膜的制备取得了较大进展,1992年,我系研制的改性PVA

7、/PAN复合膜通过技术鉴定,98年在燕化建立我国第一个千吨级苯脱水示范工程,为我国PV技术的工业化应用奠定了基础。三、膜分离的特点①高效：在很多情况下选择性较高，能有选择性地透过某些物质，而阻挡另一些物质的透过；浓缩和纯化可在一个步骤内完成。②节能：操作在常温下进行；不发生相变化（因而能耗较低）。③设备易放大，可以分批或连续操作。④无污染：是物理过程，不需加入化学试剂。因而在生物产品的处理中占有重要地位四、膜的分类1.按膜的材料分类表1膜材料的分类类别膜材