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0.05～0.5MPa

超滤和微滤的特点



1. 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）；
引言－膜的概念和膜分离


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
分离过程中膜的功能

物质的识别和透过
其是使混合物中各组分之间实现分离 的内在因素

界面
其提供一种状态，将透过液和保留液分 为互不混合的两相
渗透气化特点

渗透气化过程中溶质发生相变，透过侧溶质以 气体状态存在
渗透气化在较低的压力下进行，适于高浓度混 合物分离 渗透气化利用溶质之间膜透过性的差别，适于 共沸物和挥发度相差较小的双组分溶液的分离


膜的材料及其特性


识记：膜材料选择标准 理解：膜结构特性，特别是对称和不对 称膜的结构特点 应用：通过水通量的不同选择适当的膜 材料
膜表面附近浓度升高，增大了膜两侧的渗透压差，使有效 压差减小，透过通量降低。
凝胶极化
当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时， 溶质会析出，形成凝胶层。当分离含有菌体、 细胞和其它固形成分的料液时，也会在膜表面 形成凝胶层。这种现象称为凝胶极化（gel polarization）
超滤膜的分子截留作用
透析应用


临床上用于肾衰竭患者的血液透析 生物分离方面，用于生物大分子溶液的脱 盐 因透析过程以浓差为传质推动力，膜的透 过通量很小，所以不适合大规模生物分离 过程，在实验室应用较多
电渗析概念
电渗析是利用分子的荷电性质和分子大小 的差别进行分离的膜分离法
电渗析过程采用的膜材料 主要为离子交换膜，其表 面和孔道内键合有离子交 换基团
电渗析分离原理示意图
渗透气化原理
渗透气化原理如图所示。 疏水膜的一侧通入料液，另 一侧（透过侧）抽真空或通 入惰性气体，使膜两侧产生 溶质分压差。在分压差作用 下，料液中溶质溶于膜内， 扩散通过膜，在透过侧发生 气化，气化的溶质被膜装臵 外设臵的冷凝器回收。渗透 气化是根据溶质间透过膜的 速度不同，使混合物得到分 离

合成高分子材料
聚砜类、聚烯烃及其共聚物、全氟磺酸、共聚物 和全氟羧酸共聚物、聚碳酸酯
膜的孔道结构

对称膜（symmetric membranes） 膜截面的膜厚方向上孔道分布均匀。对称膜的传 质阻力大，透过通量低，并且容易污染，清洗困难

不对称膜（asymmetric membranes） 起膜分离作用的表面活性层：膜层很薄，孔径微 细，透过通量大、膜孔不易堵塞、易清洗。 和起支撑强化作用的惰性层：惰性层孔径较大， 对流体透过无阻力
L
L P p

反渗透原理
c2P J2 JV
c2
L P p

提高反渗透操作压力有利于实现溶质的 高度浓缩
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，主要用于处 理不含固形成分的料液

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
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0.1-10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
微滤的原理
膜的污染危害
造成透过通量的下降，影响目标产 物的回收率
膜的清洗
清洗剂：水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、
络合剂、酶、氧化剂 清洗剂的选择：依据膜的性质和污染物的性质而定 清洗剂的要求：具有良好的去污能力，且不损害膜的 过滤性能
应用


细胞培养基除菌 发酵或培养液中细胞的收集或除去 细胞破碎后碎片的除去 目标产物部分纯化后的浓缩或洗滤 除去小分子溶质 最终产品的浓缩和洗滤除盐
超滤原理

超滤膜一般为非对称膜，具有较小的孔径， 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
超滤原理


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
透析的概念
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 溶质的溶液与纯水或缓冲液分隔。由于膜两侧 的溶质浓度不同，高分子溶液中的小分子溶质 在浓差作用下透过亲水膜进入缓冲液中
这种溶质从半透膜的一侧透过膜至另一侧的 过程，称为透析
透析原理
透析通常在孔径为5～10 nm的亲水膜形成 的透析袋中进行，以截留溶液中的高分子溶质。 装入透析袋中的料液封口后浸入透析液中。透 析膜两端溶液中的分子由于浓度差而互相扩散， 导致料液中的小分子溶质进入透析液中；同时 透析液中的溶质分子则进入料液中，完成溶液 的替换
影响截留率的因素

其它高分子溶质的影响 当两种以上高分子溶质共存时，会出现某 种溶质的截留率高于其单独存在下截留率的 情况
影响截留率的因素

操作条件
温度升高，粘度下降，截留率降低。 膜表面流速增大，浓度极化现象减弱，截留率减小； 料液的pH值等于其中含有的蛋白质的等电点时，由 于蛋白质的净电荷为零，蛋白质间静电斥力最小， 蛋白质在膜表面形成的凝胶极化层浓度最大，透过 阻力最大。此时，溶质的截留率高于其它pH值下的 截留率
膜材料的要求



起过滤作用的有效膜厚度小，超滤和微滤膜的 开孔率高，过滤阻力小 膜材料为惰性，不吸附溶质 适用的pH和温度范围广，耐高温、酸碱等，稳 定性好 容易通过清洗恢复透过性能 满足实现分离目的的要求
常用膜材料

无机材料
陶瓷、微孔玻璃、不锈钢、碳素

天然高分子材料
醋酸纤维素膜、硝酸纤维素膜
影响膜分离速度的因素

操作形式
终端过滤：料液流向与膜面垂直，膜表面的滤饼阻 力大，透过通量很低 错流过滤：料液流向与膜面平行，流动的剪切作用 减轻浓度极化现象或凝胶层厚度，透过通量较高
影响膜分离速度的因素

流速 流速增大，透过通量增大 （流速增大，传质系数增大）

料液浓度
透过通量随料液浓度的增大而减小
生物分离工程
膜分离技术
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 影响膜分离速度的主要因素 膜的污染与清洗 应用
学习目的和要求
在掌握各种膜分离方法及其原理的 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。清楚膜分离 法在生物产物回收和纯化方面的应用

截留率
截留率表示膜对溶质的截留能力，可用小数 或百分数表示。实际分离过程中，由于存在 浓度极化现象，真实截留率为
R0 1 cp cm
但膜表面极化浓度cm很难测定，通常 只能测定料液的主体浓度，因此常用表观 截留率表示
c
R 1
p
cb
超滤膜的分子截留作用
截留曲线通过测定相对 Nhomakorabea子质量不同的球形 蛋白质或水溶性聚合物的截留率， 可获得膜的截留率与溶质相对分子 量之间关系的曲线，为截留曲线
膜的孔道特性

孔径: 多孔固体中孔道的形状和大小，其是极不规
则的，通常把它视作圆柱形而以其半径来表示孔的 大小

孔径分布: 指不同孔径的孔容积随孔径尺寸的变
化率

孔隙率：指材料内部孔隙体积占其总体积的百分率 可通过电子显微镜直接观察测定
水通量

水通量定义
水通量是指膜材料的纯水透过通量，其是 在一定条件下（0.1 MPa，温度为20℃）通过 测量透过一定量纯水所需的时间测定
影响膜分离速度的因素

压力
膜面未形成浓度极化层时：正比
膜面出现浓度极化时：增速减慢
膜面形成凝胶层时：透过通量达到极限值，并且此
值随料液浓度的增大而降低，随流速提高而增大
膜的污染原因

凝胶极化引起的凝胶层，阻力为Rg 溶质在膜表面的吸附层，阻力为Ras 膜孔堵塞，阻力为Rp 膜孔内溶质吸附，阻力为Rap
膜生物反应器
将膜分离过程与生物反应过程耦 合的生物反应装臵，可应用于动植 物细胞的高密度培养、微生物发酵 和酶反应过程

截留相对分子量
将截留曲线上截留率为0.90的溶质的 相对分子质量定义为膜的截留相对 分子量（molecular mass cut-off, MMCO）
影响截留率的因素

分子特性
相对分子量相同的溶质，呈线状的分子截留率较 低，有支链的分子截留率较高；球形分子截留率最 大； 对荷电膜，具有与膜相反电荷的分子截留率较低， 反之则较高； 膜对溶质具有吸附作用时，溶质的截留率增大
操作特性－学习要点

识记：浓度极化、凝胶极化概念 理解：超滤膜的分子截留作用 应用：了解实际膜分离过程中影响 截留率的因素