生化工藝——第六章膜分離技術(shù)

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1、第六章 膜分離技術(shù)第 一 節(jié) 膜 及 其 應(yīng) 用第 二 節(jié) 膜 分 離 過(guò) 程第 三 節(jié) 膜 分 離 過(guò) 程 中 的 問(wèn) 題 及 處 理第 四 節(jié) 膜 分 離 技 術(shù) 實(shí) 施第 五 節(jié) 液 膜 分 離 技 術(shù) 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 了 解 膜 的 分 類(lèi) 及 結(jié) 構(gòu) 特 性 ， 各 種 膜 組 件 的 性能 以 及 膜 在 生 物 技 術(shù) 行 業(yè) 中 的 應(yīng) 用 ； 了 解 膜 分 離 過(guò) 程 的 類(lèi) 型 ； 理 解 膜 分 離 過(guò) 程 機(jī) 理 及 膜 在 使 用 中 常 見(jiàn) 問(wèn) 題分 析 ； 能 夠 正 確 使 用 膜 進(jìn) 行 分 離 操 作 ， 能 分 析 膜 分離 過(guò) 程 中 的 常 見(jiàn) 問(wèn)

2、題 ， 能 根 據(jù) 不 同 的 分 離 體 系進(jìn) 行 膜 選 擇 ， 能 對(duì) 膜 進(jìn) 行 常 規(guī) 處 理 及 維 護(hù) 。第 一 節(jié) 膜 及 其 應(yīng) 用 按 膜 分 離 過(guò) 程 分 微 濾 、 超 濾 、 納 濾 、 反 滲 透 按 膜 材 質(zhì) 分 無(wú) 機(jī) 膜 、 有 機(jī) 膜 按 膜 組 件 分 類(lèi) 板 式 膜 （ 含 鋸 齒 式 ） 、 管 式 膜 、 卷 式 膜 、 中 空 纖維 式 膜一 、 膜 的 分 類(lèi)按 膜 分 離 過(guò) 程 分 類(lèi)1. 微 濾 膜 ： 孔 徑 0.1微 米 ， 50萬(wàn) MWCO2. 超 濾 膜 ： 1,000-50萬(wàn) MWCO 3. 納 濾 膜 ： 150-1000

3、MWCO 4. 反 滲 透 膜 ： 150 MWCO 按 膜 的 材 質(zhì) 分 類(lèi)1. 有 機(jī) 膜 CA PS PES PVDF TFM（ 薄 層 復(fù) 合 膜 ） 2. 無(wú) 機(jī) 膜 陶 瓷 膜 不 銹 鋼 膜按 膜 組 件 形 式 分 類(lèi)1. 板 式2. 管 式3. 卷 式4. 中 空 纖 維 式注 :無(wú) 機(jī) 膜 屬 于管 式 結(jié) 構(gòu) 中 空 纖 維中 空 纖 維 流 道 細(xì) 小 ， 易 堵 塞 、 易 斷 絲 ，只 適 合 于 處 理 非 常 澄 清 的 料 液卷 式 卷 式 流 道稍 寬 ， 可以 處 理 經(jīng)過(guò) 合 適 預(yù)過(guò) 濾 的 料液 。管 式 管 式 膜流 道 較粗 ， 可以 處 理含

4、 固 量高 的 料液 板 式 板 式 膜 流道 寬 ， 可以 處 理 含固 量 較 高的 料 液 鋸 齒 式 （ Ultra-flo） 鋸 齒 式 為 板 式 的 改進(jìn) 形 式 ， 板 面 有 棱紋 結(jié) 構(gòu) ， 膜 被 扭 曲為 鋸 齒 狀 ， 料 液 流過(guò) 形 成 湍 流 來(lái) 破 壞膜 面 的 污 染 。 因 此 ， 過(guò) 濾 性 能 優(yōu)異 ， 過(guò) 濾 速 度 高 于管 式 和 板 式 結(jié) 構(gòu) ，且 污 染 更 少 、 容 易清 洗 、 能 耗 更 低 。膜 組 件 形 式 與 可 選 擇 的 膜 分 離 過(guò) 程管 式 、 板 式卷 式中 空 纖 維鋸 齒 式 反 滲 透 納 濾 超 濾 微

5、濾 并 非 每 種 膜 分 離 過(guò) 程 （ 微 濾 、 超 濾 、 納 濾 、反 滲 透 ） 都 可 以 通 過(guò) 各 種 組 件 形 式 實(shí) 現(xiàn) ，以 上 是 其 對(duì) 應(yīng) 關(guān) 系 圖 。 其 中 金 屬 膜 和 陶 瓷 膜 并 非 組 件 形 式 ， 但 它們 都 是 無(wú) 機(jī) 膜 ， 同 時(shí) 都 是 管 式 結(jié) 構(gòu) 。二 、 膜 的 性 能 參 數(shù) 膜 孔 性 能 參 數(shù) 膜 的 孔 徑 、 孔 徑 分 布 、 孔 隙 度 膜 通 量 即 膜 的 處 理 能 力 （ 即 溶 劑 透 過(guò) 膜 的 速 率 ） 是 膜 分 離中 的 重 要 指 標(biāo) ， 一 般 用 膜 的 滲 透 通 量 來(lái) 表 示

6、 。 它 是 指 單位 時(shí) 間 、 單 位 膜 面 積 上 透 過(guò) 溶 液 的 量 ， 對(duì) 于 水 溶 液 體 系 ，又 稱(chēng) 透 水 率 或 水 通 量 。 截 留 率 和 截 留 分 子 量 被 截 流 物 質(zhì) 的 量 占 料 液 中 含 有 的 截 流 物 質(zhì) 總 量 的 百分 率 ， 稱(chēng) 為 膜 的 截 留 率 ， 它 表 示 了 膜 對(duì) 溶 質(zhì) 的 截 留 能 力 。 截 留 分 子 量 是 指 截 留 率 為 90%時(shí) 所 對(duì) 應(yīng) 的 溶 質(zhì) 分 子量 。u環(huán) 保 領(lǐng) 域u冶 金 工 業(yè)u能 源 工 業(yè)u電 子 工 業(yè)u石 油 工 業(yè)u制 水 工 業(yè)三 、 膜 技 術(shù) 應(yīng) 用u 發(fā)

7、酵 工 業(yè)u 制 藥 工 業(yè)u 食 品 工 業(yè)u 染 料 工 業(yè)u 果 汁 工 業(yè)u 生 物 化 工膜 在 生 物 制 藥 中 的 應(yīng) 用 膜 分 離 過(guò) 程 作 為 一 種 新 型 的 分 離 技 術(shù) ， 已 經(jīng) 用 于 酶 、活 性 蛋 白 、 氨 基 酸 、 維 生 素 、 抗 生 素 、 疫 苗 等 物 質(zhì) 的 分離 純 化 。 膜 分 離 特 點(diǎn) ：1、 使 用 膜 過(guò) 濾 ， 能 耗 低 ， 具 有 節(jié) 能 的 特 性 ；2、 膜 過(guò) 濾 無(wú) 相 變 ， 不 會(huì) 破 壞 產(chǎn) 品 結(jié) 構(gòu) ；3、 膜 再 生 性 好 ， 使 用 壽 命 長(zhǎng) ；4、 操 作 簡(jiǎn) 單 ， 可 以 實(shí) 現(xiàn)

8、自 動(dòng) 控 制 ；5、 可 在 常 溫 下 連 續(xù) 操 作 、 可 直 接 放 大 、 可 專(zhuān) 一 配 膜 等 特 點(diǎn) ；6、 且 各 種 膜 過(guò) 濾 具 有 不 同 分 離 機(jī) 制 ， 適 用 于 不 同 對(duì) 象 和 要求 。7、 特 別 適 合 用 于 熱 敏 性 物 質(zhì) 的 分 離 ；膜 分 離 的 示 意 圖 膜第 二 節(jié) 膜 分 離 過(guò) 程膜 及 其 分 離 機(jī) 理截 留 較 大 的 組 分 ， 而 透 過(guò)較 小 基 團(tuán) 的 組 分 。膜 分 離 過(guò) 程 的 傳 質(zhì) 形 式 在 膜 分 離 過(guò) 程 中 ， 膜 相 際 有 3種 基 本 傳 質(zhì) 形 式 ，即 被 動(dòng) 傳 遞 、 促 進(jìn)

9、 傳 遞 和 主 動(dòng) 傳 遞 。 膜 分 離 過(guò) 程 機(jī) 理 以 典 型 的 非 對(duì) 稱(chēng) 膜 為 例 ， 分 幾 個(gè) 區(qū) 間 來(lái) 描 繪 。圖 5-6 物 質(zhì) 經(jīng) 過(guò) 非 對(duì) 稱(chēng) 膜 的 傳 遞 示 意 主 流 體 系 區(qū) 間 ( ) 邊 界 層 區(qū) 間 ( ) 表 面 區(qū) 間 ( ) 表 皮 層 區(qū) 間 多 孔 支 撐 區(qū) 間 表 面 區(qū) 間 ( ) 邊 界 層 區(qū) 間 ( ) 主 流 體 區(qū) 間 ( ) 膜 分 離 過(guò) 程 的 類(lèi) 型 1 按 推 動(dòng) 力 的 不 同 進(jìn) 行 分 類(lèi) （ 1） 以 靜 壓 差 為 推 動(dòng) 力 的 膜 分 離 過(guò) 程 如 反 滲透 (RO或 HF)、 超 過(guò)

10、濾 (UF)、 納 濾 （ NF） 、 微孔 過(guò) 濾 (MF)、 氣 體 分 離 （ GS） 、 膜 蒸 餾 （ MD）及 滲 透 氣 化 （ PV） 等 。 （ 2） 以 濃 度 差 為 推 動(dòng) 力 的 膜 分 離 過(guò) 程 如 透 析（ D） 、 氣 體 分 離 （ GS） 及 液 膜 分 離 等 。 （ 3） 以 電 位 差 為 推 動(dòng) 力 的 膜 分 離 過(guò) 程 如 電 滲析 （ ED） 等 。2 按 操 作 方 式 不 同 進(jìn) 行 分 類(lèi)(1)開(kāi) 路 循 環(huán) :循 環(huán) 泵 關(guān) 閉 ， 全 部 溶 液 用 給 料 泵 F送 回 料液 槽 ， 只 有 透 過(guò) 液 排 出 到 系 統(tǒng) 之 外

11、 。 (2)閉 路 循 環(huán) :濃 縮 液 （ 未 透 過(guò) 的 部 分 ） 不 返 回 到 料 液 槽 ，而 是 利 用 循 環(huán) 泵 R送 回 到 膜 組 件 中 ， 形 成 料 液 在 膜 組件 中 的 閉 路 循 環(huán) 。 閉 路 循 環(huán) 中 ， 循 環(huán) 液 中 目 標(biāo) 產(chǎn) 物 濃度 的 增 加 比 開(kāi) 路 循 環(huán) 操 作 快 ， 故 透 過(guò) 通 量 小 于 開(kāi) 路 循環(huán) （ 3） 連 續(xù) 操 作 :連 續(xù) 操 作 是 在 閉 路 循 環(huán) 的 基 礎(chǔ) 上 ， 將濃 縮 液 不 斷 排 到 系 統(tǒng) 之 外 。 每 一 級(jí) 中 均 有 一 個(gè) 循 環(huán) 泵將 液 體 進(jìn) 行 循 環(huán) ， 料 液 由

12、給 料 泵 送 入 系 統(tǒng) 中 ， 循 環(huán) 液濃 度 不 同 于 料 液 濃 度 。 各 級(jí) 都 有 一 定 量 的 保 留 液 滲 出 ，進(jìn) 入 下 一 級(jí) 。 膜 分 離 形 式 比 較死 端 過(guò) 濾 錯(cuò) 流 過(guò) 濾膜 分 離 常 用 形 式切 向 流 過(guò) 濾 （ 錯(cuò) 流 過(guò) 濾 、 表 面 流 過(guò) 濾 ）膜 分 離 過(guò) 程 懸 浮 固 體 、 細(xì) 菌 水 等 小 分 子 溶 劑 單 糖 、 一 價(jià) 離 子 抗 生 素 、 低 聚 糖 及 二價(jià) 以 上 離 子 等 蛋 白 質(zhì) 、 色 素 、 多 糖 等大 分 子 有 機(jī) 物 、 熱 原 超 濾 0.10.01 m 截 留 分子 量 100

13、050萬(wàn) Da 納 濾 截 留 分 子 量1501000Da 反 滲 透 氯 化 鈉 截 留 率 99% 微 濾 孔 徑 0.1 m，截 留 分 子 量 30-50 萬(wàn)以 上 根 據(jù) 截 留 分 子 量 和 孔 徑 的 差 異 可 以 分 為 ：膜 分 離 系 統(tǒng) 的 基 本 組 成膜 分 離 的 特 點(diǎn)1、 選 擇 性 好 分 子 級(jí) 水 平 進(jìn) 行 物 質(zhì) 分 離 ， 普 通 過(guò) 濾 工 藝 所 無(wú) 法 達(dá) 到 的 精 度 。2、 能 耗 低 、 可 低 溫 操 作 無(wú) 相 態(tài) 變 化 ， 特 別 適 用 于 稀 料 液 及 熱 敏 性 料 液 濃 縮 。3、 不 需 添 加 化 學(xué) 試

14、劑 物 理 分 離 過(guò) 程 ， 不 用 化 學(xué) 試 劑 和 添 加 劑 ， 產(chǎn) 品 不 受 污 染 。4、 設(shè) 備 可 封 閉 運(yùn) 行 、 可 間 歇 或 連 續(xù) 運(yùn) 行 、 易 操 作 維 護(hù) 、 易 放 大 、 占地 小 、 易 實(shí) 現(xiàn) 自 控 、 配 套 設(shè) 備 少考 慮 選 用 膜 技 術(shù) 的 導(dǎo) 則不 宜 采 用 膜 技 術(shù) 的 分 離 過(guò) 程 具 有 相 似 分 子 量 的 化 合 物 的 分 離 高 滲 透 壓 料 液 的 高 倍 濃 縮 適 宜 考 慮 膜 技 術(shù) 的 分 離 過(guò) 程 有 機(jī) 物 與 無(wú) 機(jī) 鹽 的 分 離 、 多 糖 低 聚 糖 與 單 糖 等 的 分 離 稀

15、 溶 液 的 濃 縮 ， 熱 敏 性 料 液 的 濃 縮 分 子 量 相 差 10倍 以 上 物 質(zhì) 的 分 離 （ 超 濾 ） 料 液 的 澄 清 過(guò) 濾 、 冷 除 菌 、 除 熱 原 第 三 節(jié) 膜 分 離 過(guò) 程 中 的 問(wèn) 題 及 處 理 膜 分 離 實(shí) 用 化 產(chǎn) 生 的 最 大 問(wèn) 題 ： 膜 透 過(guò) 流 速 的迅 速 下 降 ； 二 是 溶 質(zhì) 的 阻 止 率 也 明 顯 下 降 ， 這種 現(xiàn) 象 是 由 于 膜 的 劣 化 和 膜 污 染 所 引 起 的 。膜 的 劣 化 是 由 于 膜 本 身 的 不 可 逆 轉(zhuǎn) 的 質(zhì) 量 變 化而 引 起 的 膜 性 能 的 變 化 ，

16、 造 成 的 原 因 有 如 下 三種 ： 化 學(xué) 劣 化 、 物 理 劣 化 、 生 物 劣 化 。 pH、 溫 度 、 壓 力 都 是 影 響 膜 劣 化 的 因 素 。壓 密 作 用 在 壓 力 作 用 下 ， 膜 的 水 通 量 隨 運(yùn) 行 時(shí) 間 的 延 長(zhǎng) 而 逐 漸降 低 。 膜 外 觀 厚 度 減 少 1/21/3， 膜 由 半 透 明 變 為 透明 ， 這 表 明 膜 的 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 發(fā) 生 了 變 化 ， 這 種 變 化 和 高分 子 材 料 的 可 塑 性 有 關(guān) 。 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 變 化 使 膜 體 收 縮 ，這 種 現(xiàn) 象 稱(chēng) 為 膜 的 壓 密 作 用 。 引

17、 起 壓 密 的 主 要 因 素 是 操 作 壓 力 和 溫 度 。 壓 力 越 高 ，壓 密 作 用 越 大 。 克 服 膜 的 壓 密 現(xiàn) 象 ， 除 控 制 操 作 壓 力 和 進(jìn) 料 溫 度 外 ，主 要 在 于 改 進(jìn) 膜 的 結(jié) 構(gòu) 。 如 皮 層 采 用 親 水 性 ， 有 選 擇性 功 能 的 物 質(zhì) 構(gòu) 成 ， 并 且 有 致 密 結(jié) 構(gòu) ； 支 撐 層 由 剛 性耐 壓 較 強(qiáng) 的 高 分 子 材 料 組 成 ， 這 種 膜 結(jié) 構(gòu) 抗 壓 密 性 強(qiáng) 。 膜 的 水 解 作 用 醋 酸 纖 維 素 是 有 機(jī) 酯 類(lèi) 化 合 物 ， 乙 酰 基 以 酯 的形 式 結(jié) 合

18、在 纖 維 素 分 子 中 ， 比 較 容 易 水 解 ， 特別 是 在 酸 性 較 強(qiáng) 的 溶 液 中 ， 水 解 速 度 更 快 。 水解 的 結(jié) 果 是 乙 酰 基 脫 掉 ， 醋 酸 纖 維 膜 的 截 留 率降 低 ， 甚 至 完 全 失 去 截 留 能 力 。 在 實(shí) 際 應(yīng) 用 中 ， 可 控 制 進(jìn) 液 pH和 進(jìn) 料 溫 度 ， 控制 膜 的 水 解 。 濃 差 極 化 在 膜 分 離 過(guò) 程 中 ， 由 于 水 和 小 分 子 溶 質(zhì) 透 過(guò) 膜 ， 大 分 子 溶 質(zhì) 被截 留 而 在 膜 表 面 處 聚 積 ， 使 得 膜 表 面 上 被 截 留 的 大 分 子 溶 質(zhì)

19、 濃度 增 大 ， 高 于 主 體 中 大 分 子 溶 質(zhì) 的 濃 度 ， 這 種 現(xiàn) 象 稱(chēng) 為 濃 差 極化 。 濃 差 極 化 可 使 膜 的 傳 遞 性 能 及 膜 的 處 理 能 力 迅 速 降 低 ， 還可 縮 短 膜 的 使 用 壽 命 。 主 要 表 現(xiàn) 為 ： 滲 透 壓 升 高 ， 滲 透通 量 降 低 ； 截 留 率 降 低 ； 膜 面 上 結(jié) 垢 ， 使 膜 孔 阻塞 ， 逐 漸 喪 失 透 過(guò) 能 力 。 在 生 產(chǎn) 實(shí) 際 中 ， 要 盡 可 能 消除 或 減 少 濃 差 極 化 現(xiàn) 象 的 發(fā) 生 。 濃 差 極 化 造 成 的 滲 透 通 量 降 低 是 可 逆

20、 的 ， 通 過(guò) 改 變 膜 分 離 操 作方 式 ， 提 高 料 液 流 速 來(lái) 減 輕 濃 差 極 化 現(xiàn) 象 。 錯(cuò) 流 操 作 時(shí) ， 料 液與 膜 面 平 行 流 動(dòng) ， 料 液 的 流 動(dòng) 可 有 效 防 止 和 減 少 被 截 留 物 質(zhì) 在膜 面 上 的 沉 積 。 流 速 增 大 ， 靠 近 膜 面 的 濃 度 邊 界 層 厚 度 減 小 ，將 減 輕 濃 差 極 化 的 影 響 ， 有 利 于 維 持 較 高 的 滲 透 通 量 。 膜 污 染 膜 污 染 （ 水 生 物 污 垢 ） 是 指 由 于 膜 表 面 形 成 了析 著 層 或 膜 孔 堵 塞 等 外 部 因 素

21、導(dǎo) 致 膜 性 能 下 降的 現(xiàn) 象 。 其 中 膜 的 滲 透 通 量 下 降 是 一 個(gè) 重 要 的膜 污 染 標(biāo) 志 。 發(fā)酵液中構(gòu)成膜污染的主要污染源v蛋 白v淀 粉v膠 體v無(wú) 機(jī) 鹽 垢 中藥體系中構(gòu)成膜污染的主要污染源v蛋 白v淀 粉 、 多 糖 、 鞣 質(zhì) 等v果 膠 、 油 脂v無(wú) 機(jī) 鹽v臘膜的污染來(lái)源膜 污 染 的 預(yù) 防 和 消 除 膜 污 染 后 需 經(jīng) 清 洗 處 理 。 膜 的 清 洗 是 恢 復(fù) 膜 分離 性 能 、 延 長(zhǎng) 膜 使 用 壽 命 的 重 要 操 作 。 根 據(jù) 膜的 性 能 和 污 染 原 因 ， 合 理 確 定 清 洗 方 法 ， 在 藥品 分

22、 離 生 產(chǎn) 中 ， 常 用 物 理 法 、 化 學(xué) 法 或 兩 者 結(jié)合 的 方 法 進(jìn) 行 清 洗 。 料 液 的 預(yù) 處 理 是 預(yù) 防 膜 污 染 的 有 效 措 施 之 一 ，針 對(duì) 料 液 的 具 體 情 況 ， 可 以 選 擇 多 種 預(yù) 處 理 方法 。 物 理 清 洗 是 將 海 綿 球 通 到 管 式 膜 中 進(jìn) 行 洗 滌 ， 可 不 必停 止 裝 置 的 運(yùn) 轉(zhuǎn) ， 或 利 用 供 給 液 本 身 間 歇 地 沖 洗 膜 模件 內(nèi) 部 ， 并 利 用 其 產(chǎn) 生 的 剪 切 力 來(lái) 洗 滌 膜 面 附 著 層 。一 般 采 用 清 液 ， 通 過(guò) 加 大 流 速 循 環(huán)

23、 洗 滌 ， 稱(chēng) 為 正 向 清洗 ； 也 可 采 用 空 氣 、 透 過(guò) 液 或 清 洗 劑 進(jìn) 行 反 向 沖 洗 。通 過(guò) 物 理 清 洗 ， 一 般 能 有 效 地 清 除 因 顆 粒 沉 積 造 成 的膜 孔 堵 塞 。 在 實(shí) 際 生 產(chǎn) 中 ， 還 常 采 用 等 壓 清 洗 （ 又 稱(chēng)在 線 清 洗 ） 的 方 法 ， 一 般 是 每 運(yùn) 行 一 個(gè) 短 的 周 期 （ 如運(yùn) 轉(zhuǎn) 2h） 以 后 ， 關(guān) 閉 透 過(guò) 液 出 口 ， 這 時(shí) 膜 的 內(nèi) 、 外 壓力 差 消 失 ， 使 得 附 著 于 膜 面 上 的 沉 積 物 變 得 松 散 ， 在液 流 的 沖 刷 作 用

24、下 ， 沉 積 物 脫 離 膜 而 隨 液 流 流 走 ， 達(dá)到 清 洗 的 目 的 。 化 學(xué) 清 洗 是 用 化 學(xué) 藥 劑 ， 對(duì) 膜 組 件 進(jìn) 行 浸 泡 ，并 應(yīng) 用 物 理 清 洗 的 方 法 循 環(huán) 清 洗 ， 達(dá) 到 清 除 膜上 污 染 物 的 目 的 。 主 要 利 用 化 學(xué) 藥 劑 的 溶 解 、氧 化 、 滲 透 等 作 用 來(lái) 達(dá) 到 清 洗 的 目 的 。膜 的 常 規(guī) 清 洗 劑 ：常用酸性清劑： 硝 酸 、 檸 檬 酸 、 磷 酸堿性清洗劑： NaOH絡(luò)和劑：EDTA氧化劑： 次 氯 酸 鈉 、 高 錳 酸 鉀 、 雙 氧 水其他試劑：乙 醇 、 酶 制 劑

25、 、 表 面 活 性 劑 、DMF、 草 酸 、 三 聚 磷 酸 鈉 等 超 濾 膜 清 洗 膜 清 洗 是 恢 復(fù) 膜 過(guò) 濾 系 統(tǒng) 、 延 長(zhǎng) 壽 命 , 最 為嚴(yán) 格 的 一 部 分 , 膜 每 一 次 使 用 后 均 需 清 洗 , 每天 水 通 量 、 平 均 加 工 流 率 要 作 記 錄 , 加 工 清洗 過(guò) 程 出 現(xiàn) 的 一 些 反 常 現(xiàn) 象 也 要 作 記 錄 。 根 據(jù) 不 同 的 膜 及 過(guò) 濾 的 生 料 采 用 不 同 的 清洗 方 法 , 步 驟 1、 2是 在 每 次 運(yùn) 行 后 進(jìn) 行 的 ,步驟 3、 4是 在 清 洗 不 足 或 加 工 的 是 濃 溶

26、 液 時(shí) 進(jìn)行 。 1、 加 入 首 批 完 全 溶 解 的 清 洗 化 學(xué) 物 質(zhì) 到 平 衡罐 中 ， 注 意 控 制 pH值 和 特 定 參 數(shù) 的 控 制 。2、 記 錄 :時(shí) 間 、 組 件 溫 度 、 入 口 壓 力 、 出 口 壓 力 進(jìn)料 壓 力 、 水 通 量 、 pH值注 : 組 件 入 口 壓 力 盡 可 能 低 , 出 口 組 件 出 口 壓力 維 持 在 22pa, 及 適 當(dāng) 的 再 循 環(huán) 流 量 。3、 指 定 時(shí) 間 運(yùn) 行 清 洗 溶 液 。4、 當(dāng) 系 統(tǒng) 清 洗 完 之 后 , 再 根 據(jù) 上 述 程 序 , 對(duì) 系統(tǒng) 沖 洗 。 利 用 補(bǔ) 水 閥 補(bǔ)

27、 水 ， 利 用 排 污 閥 排 放 5、 沖 洗 系 統(tǒng) 直 至 交 叉 流 膜 上 的 清 洗 化 學(xué) 物 質(zhì)被 洗 凈 。6、 調(diào) 節(jié) 閥 、 泵 參 數(shù) , 以 致 于 在 先 前 水 通 量 系數(shù) 下 , 存 在 同 樣 的 條 件 。7、 記 錄 步 驟 1-6, 每 一 步 所 用 清 洗 化 學(xué) 物 質(zhì) 及操 作 參 數(shù) 。 記 錄 每 次 清 洗 步 驟 前 后 的 清 洗 資料 、 報(bào) 告 、 參 數(shù) 。8、 清 洗 周 期 完 成 后 , 記 錄 最 終 的 水 通 量 , 膜 再生 性 能 到 可 接 受 的 水 平 。 關(guān) 閉 UF, 按 照 關(guān) 閉程 序 所 述 操

28、 作 。 關(guān) 閉 程 序 1、 清 洗 周 期 結(jié) 束 后 , 切 斷 循 環(huán) 泵 , 然 后 切 斷 進(jìn)料 泵 。2、 關(guān) 閉 閥 組 件 進(jìn) 出 口 閥 , 保 證 膜 的 潤(rùn) 濕 性 。 注 : 一 旦 膜 已 變 濕 了 , 就 應(yīng) 保 持 其 濕 性 , 這 可保 證 膜 的 完 好 性 。3、 關(guān) 閉 進(jìn) 料 泵 及 所 有 的 閥 。4、 過(guò) 濾 器 已 清 洗 好 后 , 清 潔 加 工 流 體 , 即 可 啟動(dòng) 操 作 。 膜 的 消 毒 為 了 防 止 在 生 產(chǎn) 過(guò) 程 中 由 膜 組 件 帶入 雜 菌 ， 可 在 清 洗 罐 中 配 制 0.25% W/W 亞 硫 酸

29、氫 鈉 溶 液 ， 將 閥 門(mén) 轉(zhuǎn) 換 到 清 洗 狀態(tài) ， 啟 動(dòng) 輸 料 泵 ， 啟 動(dòng) 各 循 環(huán) 泵 40-60分 鐘 ， 然 后 用 去 離 子 水 沖 凈 （ 每 周 可 洗二 次 ） 膜 的 保 存 由 于 膜 元 件 是 有 機(jī) 材 料 ， 細(xì) 菌 在 膜 表面 的 繁 殖 將 損 壞 膜 表 面 的 活 化 層 ， 從 而導(dǎo) 致 膜 性 能 的 喪 失 ， 因 此 如 膜 設(shè) 備 要 停機(jī) 一 段 時(shí) 間 可 根 據(jù) 停 機(jī) 的 時(shí) 間 ， 配 制 不同 的 保 護(hù) 液 保 存 在 系 統(tǒng) 中 ， 防 止 細(xì) 菌 的生 長(zhǎng) 繁 殖 。 最 長(zhǎng) 保 存 時(shí) 間 保 護(hù) 液2小

30、時(shí) 將 設(shè) 備 充 滿 去 離 子 水3天 0.1%W/W亞 硫 酸 氫 鈉 溶 液 或 0.5%v/v甲 醛 溶液 在 10-25 的 條 件 下 循 環(huán) 15分 鐘 。30天 0.25%W/W亞 硫 酸 氫 鈉 溶 液 或 0.75%v/v甲 醛溶 液 在 10-25 的 條 件 下 循 環(huán) 15分 鐘 。12個(gè) 月 0.25%V/V Proxel Gxl (Zencca Biocides生 產(chǎn) )溶 液 加 18%V/V的 甘 油 （ 98%試 劑 級(jí) ） 。當(dāng) 完 全 混 合 時(shí) ， 用 稀 硫 酸 或 檸 檬 酸 調(diào) 節(jié)PH4.5-5.0， 在 10-25 條 件 下 循 環(huán) 60分

31、 鐘 。第 四 節(jié) 膜 分 離 技 術(shù) 實(shí) 施 微 濾 微 濾 膜 是 利 用 篩 分 原 理 ， 在 靜 壓 差 推 動(dòng) 下分 離 截 留 直 徑 0.110微 米 以 上 的 粒 子 ， 如 發(fā) 酵液 中 的 菌 體 、 細(xì) 胞 、 不 溶 物 等 。 微 濾 主 要 應(yīng) 用于 細(xì) 胞 收 集 ， 液 固 分 離 等 方 面 ， 常 作 納 濾 和 反滲 透 的 預(yù) 處 理 過(guò) 程 。 微 濾 的 過(guò) 濾 過(guò) 程 有 兩 種 操 作 方 式 ， 即 死 端微 濾 和 錯(cuò) 流 微 濾 。無(wú) 機(jī) 微 濾 膜 分 離 特 點(diǎn)超 濾 超 濾 膜 也 是 利 用 篩 分 原 理 ， 孔 徑 在 25

32、0nm， 在常 溫 下 依 靠 一 定 的 壓 差 和 流 速 ， 使 小 于 膜 孔 徑的 低 分 子 量 物 質(zhì) 透 過(guò) 膜 而 使 高 分 子 物 質(zhì) 被 截 留 。已 開(kāi) 發(fā) 具 有 不 同 分 子 截 留 的 各 種 超 濾 膜(1000100萬(wàn) 分 子 量 ),它 可 按 分 子 大 小 選 擇 膜 孔徑 ， 處 理 發(fā) 酵 液 可 以 截 留 病 毒 、 蛋 白 質(zhì) 、 酶 、多 糖 等 大 分 子 物 質(zhì) ， 對(duì) 目 的 產(chǎn) 物 進(jìn) 行 純 化 ； 主要 有 陶 瓷 膜 、 小 超 濾 有 機(jī) 膜 。超 濾 膜 過(guò) 濾 效 果納 濾 納 濾 膜 平 均 孔 徑 2nm左 右 ，

33、 處 理 料 液 時(shí) 截留 分 子 可 小 到 抗 生 素 ， 合 成 藥 、 染 料 、 雙 糖 等 ，允 許 水 、 無(wú) 機(jī) 鹽 、 有 機(jī) 物 等 小 分 子 物 質(zhì) 通 過(guò) ，截 留 性 能 介 于 超 濾 和 反 滲 透 之 間 ， 對(duì) 目 的 產(chǎn) 物起 濃 縮 作 用 ， 由 于 其 操 作 壓 力 低 ， 對(duì) 一 、 二 價(jià)離 子 有 不 同 選 擇 透 過(guò) 性 ， 對(duì) 小 分 子 有 機(jī) 物 有 較高 的 截 留 性 等 特 點(diǎn) ， 加 之 膜 表 面 具 有 負(fù) 電 性 ，抗 水 垢 污 染 ， 發(fā) 展 速 度 較 快 ； 目 前 主 要 是 有 機(jī)膜 ， 但 國(guó) 外 也 有

34、 陶 瓷 膜 納 濾 的 報(bào) 道 。納 濾 膜 分 離 機(jī) 理 一 種 以 壓 力 為 驅(qū) 動(dòng) 的 分 離 過(guò) 程 。 納 濾 膜 具 有 建 立 在 離子 電 荷 密 度 基 礎(chǔ) 上 的 選 擇 性 ， 因 為 膜 的 離 子 選 擇 性 ，對(duì) 于 含 有 不 同 自 由 離 子 的 溶 液 ， 透 過(guò) 膜 的 離 子 分 布 是不 相 同 的 。 大 多 數(shù) 納 濾 膜 含 有 固 定 在 疏 水 性 的 UF支 撐 膜 上 的 負(fù)電 荷 親 水 性 基 團(tuán) ， 因 此 納 濾 膜 比 反 滲 透 膜 有 較 高 的 水通 量 ， 這 是 水 偶 極 子 定 向 的 結(jié) 果 。 由 于 存

35、 在 著 表 面 活性 基 團(tuán) ， 它 們 也 能 改 善 以 疏 水 性 膠 體 、 油 酯 、 蛋 白 質(zhì)和 其 他 有 機(jī) 物 為 背 景 的 抗 污 染 能 力 。 這 一 點(diǎn) ， 使 納 濾膜 用 于 高 污 染 源 。納 濾 膜 特 點(diǎn) （ 1） 可 分 離 納 米 級(jí) 粒 徑 （ 2） 集 濃 縮 與 透 析 為 一 體 （ 3） 操 作 壓 力 低 （ 4） 納 濾 膜 污 染 因 素 復(fù) 雜 納 濾 膜 介 于 有 孔 膜和 無(wú) 孔 膜 之 間 ， 濃 差 極 化 、 膜 面 吸 附 和 粒 子 沉積 作 用 均 是 使 用 中 被 污 染 的 主 要 因 素 ， 此 外 ，

36、納 濾 膜 通 常 是 荷 電 膜 ， 溶 質(zhì) 與 膜 面 之 間 的 靜 電效 應(yīng) 也 會(huì) 對(duì) 納 濾 過(guò) 程 的 污 染 產(chǎn) 生 影 響 。透 析 當(dāng) 把 一 張 半 透 膜 置 于 兩 種 溶 液 之 間 并 使 其與 之 接 觸 時(shí) ， 將 會(huì) 出 現(xiàn) 雙 方 溶 液 中 的 大 分 子 溶質(zhì) 原 地 不 動(dòng) ， 小 分 子 溶 質(zhì) (包 括 溶 劑 )透 過(guò) 膜 而相 互 交 換 的 現(xiàn) 象 ， 這 種 現(xiàn) 象 就 是 所 謂 的 透 析 。這 種 技 術(shù) 作 為 蛋 白 質(zhì) 溶 液 等 的 處 理 手 段 已 被 廣泛 用 于 去 除 混 入 溶 液 的 小 分 子 雜 質(zhì) (主

37、要 是 鹽類(lèi) )、 調(diào) 節(jié) 離 子 的 組 成 、 高 濃 度 蛋 白 質(zhì) 濃 縮 等 方面 。 透 析 原 理 透 析 過(guò) 程 濃 度差 (化 學(xué) 位 )是 這種 分 離 過(guò) 程 的唯 一 推 動(dòng) 力 。 電 滲 析 電 滲 析 ： 在 外 加 電 場(chǎng) 的 作 用 下 ， 陽(yáng) 離 子 通 過(guò) 陽(yáng)離 子 交 換 膜 ， 向 電 場(chǎng) 陰 極 移 動(dòng) ； 陰 離 子 通 過(guò) 陰離 子 交 換 膜 ， 向 電 場(chǎng) 陽(yáng) 極 移 動(dòng) ， 使 原 液 室 中 溶液 脫 鹽 的 過(guò) 程 稱(chēng) 電 滲 析 。電 滲 析 基 本 原 理 電 滲 析 裝 置 是 由 許 多 只 允 許 陽(yáng) 離 子 通 過(guò) 的 陽(yáng)

38、離 子 交 換 膜K和 只 允 許 陰 離 子 通 過(guò) 的 陰 離 子 交 換 膜 A組 成 的 這 兩 種 交換 膜 交 替 地 平 行 排 列 在 兩 正 負(fù) 電 極 板 之 間 。 最 初 ， 在 所有 隔 室 內(nèi) ， 陽(yáng) 離 子 與 陰 離 子 的 濃 度 都 均 勻 一 致 ， 且 成 電的 平 衡 狀 態(tài) 。 電 滲 析 的 特 點(diǎn) 優(yōu) 點(diǎn) ： 能 量 消 耗 少 ； 藥 劑 耗 量 少 ， 環(huán) 境 污 染 小 ；設(shè) 備 簡(jiǎn) 單 操 作 方 便 ； 設(shè) 備 規(guī) 模 和 脫 鹽 濃 度 范 圍的 適 應(yīng) 性 大 。 缺 點(diǎn) ： 對(duì) 解 離 度 小 的 鹽 類(lèi) 及 不 解 離 的 物

39、質(zhì) 難 以去 除 掉 ； 對(duì) 碳 酸 根 的 遷 移 率 較 小 ； 組 裝 技 術(shù) 要求 比 較 高 ， 往 往 會(huì) 因 為 組 裝 不 好 而 影 響 配 水 的均 勻 性 ； 易 產(chǎn) 生 極 化 結(jié) 垢 和 中 性 擾 亂 現(xiàn) 象 ；電 滲 析 器 本 身 的 耗 水 量 比 較 大 ； 電 滲 析 水 處 理對(duì) 原 水 凈 化 處 理 要 求 較 高 ， 需 增 加 精 過(guò) 濾 設(shè) 備 滲 透 滲 透 壓 :當(dāng) 把 溶 劑 和 溶 液 (或 把 兩 種 不 同 濃 度 的溶 液 )分 別 置 于 半 透 膜 的 兩 側(cè) 時(shí) ， 純 溶 劑 將 自 然穿 過(guò) 半 透 膜 而 自 發(fā) 地

40、向 溶 液 (或 從 低 濃 度 溶 液 向高 濃 度 溶 液 )一 側(cè) 流 動(dòng) ， 這 種 現(xiàn) 象 叫 做 滲 透(Osmosis)。 當(dāng) 滲 透 過(guò) 程 進(jìn) 行 到 溶 液 的 液 面 便 產(chǎn)生 一 壓 頭 H， 以 抵 銷(xiāo) 溶 劑 向 溶 液 方 向 流 動(dòng) 的 趨勢(shì) ， 即 達(dá) 到 平 衡 ， 此 H稱(chēng) 為 該 溶 液 的 滲 透 壓 。反 滲 透 將 水 與 鹽 溶 液 與 半 透 膜 隔 開(kāi) ， 若 在 溶 液 的 液 面上 再 施 加 一 個(gè) 大 于 的 壓 力 P時(shí) ， 溶 劑 將 與 原 來(lái)的 滲 透 方 向 相 反 ， 開(kāi) 始 從 溶 液 向 溶 劑 一 側(cè) 流 動(dòng) ，這

41、就 是 所 謂 的 反 滲 透 （ 或 溶 劑 從 高 濃 度 溶 液 側(cè)向 低 濃 度 溶 液 側(cè) 流 動(dòng) ）反 滲 透 反 滲 透 的 分 離 基 本 原 理 是 溶 解 擴(kuò) 散 學(xué) 說(shuō) ， 主 要 應(yīng) 用 于 小 分子 有 機(jī) 物 的 濃 縮 ， 只 允 許 溶 劑 分 子 通 過(guò) ， 鹽 、 氨 基 酸 等 小 分 子被 截 留 ； 目 前 主 要 是 有 機(jī) 膜 ， 但 也 有 陶 瓷 反 滲 透 膜 的 報(bào) 道 。 反 滲 透 的 分 離 過(guò) 程 無(wú) 相 變 化 ， 可 實(shí) 現(xiàn) 分 離 與 濃 縮 。 一 般 用 于 從海 水 、 苦 咸 水 的 脫 鹽 開(kāi) 始 ， 發(fā) 展 到 了

42、 利 用 反 滲 透 的 分 離 作 用 進(jìn)行 食 品 、 醫(yī) 藥 的 濃 縮 ， 純 水 的 制 造 ， 鍋 爐 水 的 軟 化 ， 化 工 廢 液中 有 用 物 質(zhì) 的 回 收 ， 城 市 污 水 的 處 理 以 及 對(duì) 微 生 物 、 細(xì) 菌 和 病毒 進(jìn) 行 分 離 控 制 等 許 多 方 面 。反 滲 透 膜 的 幾 個(gè) 參 數(shù) 透 水 率 是 指 每 單 位 時(shí) 間 內(nèi) 通 過(guò) 單 位 膜 面 積 的水 體 積 流 量 ， 用 Fw表 示 。 透 水 率 也 叫 水 通 量 ，即 水 透 過(guò) 膜 的 速 率 。 Fw=A（ P- ） 式 中 A 膜 的 水 滲 透 系 數(shù) (體 積

43、 )， 表 示特 定 膜 中 水 的 滲 透 能 力 ， m3 (m2sPa)； P膜 兩 側(cè) 的 壓 力 差 ， Pa； 膜 兩 側(cè) 溶 液 的 滲 透 壓 差 ， Pa。 透 鹽 率 透 鹽 率 是 指 鹽 通 過(guò) 膜 的 速 率 ， 用 Fs表示 ， 其 值 是 膜 的 透 鹽 系 數(shù) B與 膜 兩 側(cè) 溶 質(zhì) 濃 度差 的 函 數(shù) 。 壓 密 系 數(shù) 促 使 膜 材 質(zhì) 發(fā) 生 物 理 變 化 的 主 要 原因 是 出 于 操 作 壓 力 與 溫 度 所 引 起 的 壓 密 (實(shí) )作用 ， 從 而 造 成 透 水 率 的 不 斷 下 降 。反 滲 透 法 的 基 本 流 程 一 級(jí)

44、流 程 一 級(jí) 多 段 流 程 二 級(jí) 流 程 多 級(jí) 流 程 集 成 膜 分 離 技 術(shù)預(yù)處理陶瓷膜超濾膜納濾膜反滲透膜第 五 節(jié) 液 膜 分 離 技 術(shù) 液 膜 分 離 法 (Liquid membrane separation)， 又 稱(chēng)液 膜 萃 取 法 (Lquid membrane extraction)， 一 種以 液 膜 為 分 離 介 質(zhì) 、 以 濃 度 差 為 推 動(dòng) 力 的 膜 分離 操 作 。 它 與 溶 劑 萃 取 雖 然 機(jī) 理 不 同 ， 但 都 屬于 液 -液 系 統(tǒng) 的 傳 質(zhì) 分 離 過(guò) 程 。 液 膜 是 由 水 溶 液 或 有 機(jī) 溶 劑 （ 油 ） 構(gòu)

45、 成 的 液 體薄 膜 ， 將 與 之 不 能 互 溶 的 液 體 分 隔 開(kāi) 來(lái) ， 使 其中 一 側(cè) 液 體 中 的 溶 質(zhì) 選 擇 性 透 過(guò) 液 膜 進(jìn) 入 另 一側(cè) ， 實(shí) 現(xiàn) 溶 質(zhì) 間 的 分 離 。1.乳 狀 液 膜 油水油 水油水成 膜 液 體 OWO WOW / /生 物 分 離 中 主 要 應(yīng) 用 （ W/O)/W型 ， 其 內(nèi) 、 外 相 為 水 相 ， 液 膜 主 要 成 分 為 有 機(jī) 溶 劑 。結(jié) 構(gòu) 與 組 成 非 必 需流 動(dòng) 載 體添 加 劑 必 需 成 分表 面 活 性 劑 主 要 成 分以 上膜 溶 劑膜 相 %5%1, %5%1%90一 、 液 膜 種

46、 類(lèi)制 備 過(guò) 程 ： 向 溶 有 表 面 活 性 劑 和 添 加劑 的 油 中 加 入 水 溶 液 ， 進(jìn)行 高 速 攪 拌 或 超 聲 波 處 理 ，制 成 W/O型 乳 化 液 ； 將 上 步 制 得 的 乳 化 液 分 散到 第 二 水 相 （ 通 常 為 待 分離 的 料 液 ） 進(jìn) 行 第 二 次 乳化 即 可 制 成 (W/O)/W型 乳狀 液 膜 ， 此 時(shí) 第 二 水 相 為連 續(xù) 相 。2.支 撐 液 膜 制 備 ： 將 多 孔 高 分 子 固 體 膜 浸 在 膜溶 劑 中 ， 使 膜 溶 劑 充 滿 膜 的 孔 隙 而形 成 。 特 點(diǎn) ： 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 放 大 容

47、 易 ； 但 膜相 使 用 中 容 易 流 失 ， 造 成 分 離 性 能下 降 。3.流 動(dòng) 液 膜 也 是 一 種 支 撐 液 膜 ， 但 可 彌 補(bǔ) 膜相 易 流 失 的 缺 點(diǎn) ； 膜 相 強(qiáng) 制 流 動(dòng) 或 減 小 厚 度 可 減 小傳 質(zhì) 阻 力 。 同 向 遷 移反 向 遷 移膜 相 載 體 輸 送 移反 萃 相 化 學(xué) 反 應(yīng) 促 進(jìn) 遷單 純 遷 移= 根 據(jù) 待 分 離 溶 質(zhì) 種 類(lèi) 的 不 同 ， 主 要 分 為 ：二 、 萃 取 機(jī) 理 膜 相 組 成 膜 溶 劑 表 面 活 性 劑 流 動(dòng) 載 體 操 作 條 件 pH值 攪 拌 速 度 反 萃 相 操 作 溫 度

48、操 作 時(shí) 間三 、 影 響 因 素 (乳 狀 液 膜 萃 取 ) 1 工 藝 流 程（ a） 乳 狀 液 的 準(zhǔn) 備 ； （ b） 乳 狀 液 與 待 處 理 溶 液 的 接 觸 ； （ c） 萃 余 液 的 分 離 （ d） 乳 狀 液 的 分層 F1一 待 處 理 液 ； F2-液 膜 ； F3一 內(nèi) 相 溶 液圖 6-21 液 膜 分 離 流 程 圖四 、 乳 化 液 膜 分 離 工 藝 流 程 及 應(yīng) 用 液 膜 分 離 操 作 全 過(guò) 程 分 四 個(gè) 階 段 : （ 1） 制 備 液 膜 將 反 萃 取 的 水 溶 液 (內(nèi) 水 相 )強(qiáng) 烈 地分 散 在 含 有 表 面 活 性

49、劑 、 膜 溶 劑 、 載 體 及 添 加 劑 的 有 機(jī)相 中 制 成 穩(wěn) 定 的 油 包 水 型 乳 液 。 （ 2） 液 膜 萃 取 將 上 述 油 包 水 型 乳 液 ， 在 溫 和 的 攪拌 條 件 下 與 被 處 理 的 溶 液 混 合 ， 乳 液 被 分 散 為 獨(dú) 立 的 粒子 并 生 成 大 量 的 水 油 水 型 液 膜 體 系 ， 外 水 相 中 溶 質(zhì)通 過(guò) 液 膜 進(jìn) 入 內(nèi) 水 相 被 濃 集 。 （ 3） 澄 清 分 離 待 液 膜 萃 取 完 后 ， 借 助 重 力 分 層 除去 萃 余 液 。 （ 4） 破 乳 使 用 過(guò) 的 廢 乳 液 需 將 其 破 碎

50、， 分 離 出 膜組 分 (有 機(jī) 相 )和 內(nèi) 水 相 ， 前 者 返 回 再 制 乳 液 ， 后 者 進(jìn) 行回 收 有 用 組 分 破 乳 方 法 有 化 學(xué) 破 乳 、 離 心 、 過(guò) 濾 、 加 熱和 靜 電 破 乳 法 等 。 目 前 常 用 靜 電 破 乳 法 。2.工 業(yè) 上 應(yīng) 用 液 膜 分 離 制 取 有 機(jī) 酸 液 膜 分 離 技 術(shù) 從 水 溶 液 中 制 取 氨 基 酸 (賴(lài)氨 酸 、 色 氨 酸 )的 工 藝 過(guò) 程 包 括 如 下 幾 個(gè) 階 段 ： 乳 液 準(zhǔn) 備 ； )液 膜 萃 取 ； 萃 取 后 乳 液 的 破壞 ； 內(nèi) 水 相 溶 液 的 蒸 濃 ； 從 濃 縮 液 中 結(jié) 晶氨 基 酸 并 經(jīng) 洗 滌 、 干 燥 制 得 固 體 產(chǎn) 品 。