高等制药分离工程膜分离培训课件

高等制药分离工程膜分离推动力推动力:膜两侧的膜两侧的压力差压力差、浓度差、电位、浓度差、电位差、温度差等。推动力差、温度差等。推动力膜分离分为多种膜分离分为多种过程。过程。压力推动的膜过程有反渗透、纳滤、超压力推动的膜过程有反渗透、纳滤、超滤、微滤滤、微滤。在压力的作用下，小分子通过在压力的作用下，小分子通过膜，大分子和微粒等被截留，其截留程度膜，大分子和微粒等被截留，其截留程度取决于膜结构。取决于膜结构。1 1）反渗透膜几乎无孔，可以截留大多数）反渗透膜几乎无孔，可以截留大多数溶质（离子）而使溶剂通过，操作压力较溶质（离子）而使溶剂通过，操作压力较高，一般为高，一般为2 210MPa10MPa；第五章第五章 膜分离膜分离（Membrane Separation）2高等制药分离工程膜分离反渗透、超过滤微粒过滤的比较3高等制药分离工程膜分离2）纳滤膜孔径为）纳滤膜孔径为25nm，能截留部分离，能截留部分离子及有机物，操作压力为子及有机物，操作压力为0.73 MPa；3 3）超滤膜孔径为）超滤膜孔径为2 220nm20nm，能截留小胶体，能截留小胶体粒子、大分子物质，操作压力为粒子、大分子物质，操作压力为0.10.11 1 MPaMPa；4 4）微滤膜孔径为）微滤膜孔径为0.050.0510m10m，能截留胶，能截留胶体颗粒、微生物及悬浮粒子，操作压力体颗粒、微生物及悬浮粒子，操作压力为为0.050.050.5 MPa0.5 MPa。第五章第五章 膜分离膜分离（Membrane Separation）4高等制药分离工程膜分离膜过程的分离范围膜过程的分离范围5高等制药分离工程膜分离膜过程的现状与发展趋势 D一透析；MF一微滤；UF一超滤；RO一反渗透；ED一电渗析；CR一控制释放；GS一气体分离；PV一渗透汽化；MD一膜蒸馏；LM一液膜；MR一膜反应器；NF一纳滤；GM一闸膜；AT主动传递6高等制药分离工程膜分离二、膜分离特点二、膜分离特点（1）无需外加物质，可实现高纯度的分离；）无需外加物质，可实现高纯度的分离；（2）过程不发生相变化，能耗较低；）过程不发生相变化，能耗较低；（3）在常温下进行，适合处理热敏性物料；）在常温下进行，适合处理热敏性物料；（4）设设备备没没有有运运动动的的部部件件，可可靠靠性性高高，操操作作、维护方便。维护方便。第五章第五章 膜分离膜分离（Membrane Separation）7高等制药分离工程膜分离三、三、膜分离过程的传递机理膜分离过程的传递机理 物质透过膜的三种物质透过膜的三种传递方式传递方式：被动传递、：被动传递、促进传递和主动传递。促进传递和主动传递。被动传递被动传递：物质由高化学位相侧向低化学：物质由高化学位相侧向低化学位相侧传递，化学位差是膜分离传递过程的位相侧传递，化学位差是膜分离传递过程的推动力，它可以是压力差、浓度差、电位差、推动力，它可以是压力差、浓度差、电位差、温度差等。温度差等。第五章第五章 膜分离膜分离（Membrane Separation）8高等制药分离工程膜分离促促进进传传递递：膜膜内内有有载载体体，在在高高化化学学位位一一侧侧，载载体体同同被被传传递递的的物物质质发发生生反反应应，而而在在低低化化学学位位一一侧侧又又将将被被传传递递的的化化学学物物质质释释放放，这种传递过程有很高的选择性。这种传递过程有很高的选择性。主主动动传传递递：膜膜中中的的载载体体同同被被传传递递物物质质在在低低化化学学位位侧侧发发生生反反应应并并释释放放出出能能量量，使使被被传传递递物物质质由由低低化化学学位位一一侧侧被被传传递递到到高高化化学学位位一一侧侧，物物质质的的传传递递方方向向为为逆逆化化学学位位梯梯度度方向。主动传递尚未用于工业过程。方向。主动传递尚未用于工业过程。第五章第五章 膜分离膜分离（Membrane Separation）9高等制药分离工程膜分离膜分离过程的机理膜分离过程的机理(1)筛分机理：筛分机理：膜的表面具有无数微孔，膜的表面具有无数微孔，膜的孔径分布比较均一，大于膜孔径的分膜的孔径分布比较均一，大于膜孔径的分子被截留，而小于膜孔径的分子可以穿过子被截留，而小于膜孔径的分子可以穿过膜达到分离的目的。膜达到分离的目的。分离机理依据分子大小的差异分离机理依据分子大小的差异，如超滤、，如超滤、微滤过程。微滤过程。第五章第五章 膜分离膜分离（Membrane Separation）10高等制药分离工程膜分离(2)溶解一扩散机理溶解一扩散机理 假设溶质和溶剂都能溶解于膜中，然后各假设溶质和溶剂都能溶解于膜中，然后各自在浓度差或压力差造成的化学位差推动自在浓度差或压力差造成的化学位差推动下扩散通过膜，再从膜下游解吸。溶质和下扩散通过膜，再从膜下游解吸。溶质和溶剂在膜相中溶解度和扩散性的差异影响溶剂在膜相中溶解度和扩散性的差异影响着它们的通量大小。着它们的通量大小。(3)孔流模型孔流模型流体通过膜孔的流动为毛细管内的层流流体通过膜孔的流动为毛细管内的层流第五章第五章 膜分离膜分离（Membrane Separation）11高等制药分离工程膜分离四、分离膜应具备四个基本条件：四、分离膜应具备四个基本条件：(1)(1)分离性分离性三个要点三个要点分离膜必须对被分离的混合物具有分离膜必须对被分离的混合物具有选选择透过的能力择透过的能力(具有分离作用具有分离作用)。分离能力要适度分离能力要适度。根据被分离混合物。根据被分离混合物的原始状态和分离后要达到的目标来合理的原始状态和分离后要达到的目标来合理确定。因为膜的分离性能和渗透性能是相确定。因为膜的分离性能和渗透性能是相互关联的，分离性能提高，渗透量下降，互关联的，分离性能提高，渗透量下降，这样就提高操作费用。这样就提高操作费用。第五章第五章 膜分离膜分离（Membrane Separation）12高等制药分离工程膜分离膜分离能力主要取决于膜材料的化学特膜分离能力主要取决于膜材料的化学特性、膜的形态结构和操作条件。性、膜的形态结构和操作条件。(2)(2)透过性透过性 能能够够对对被被分分离离的的混混合合物物进进行行有有选选择择的的透透过过。不不需需要要通通过过的的物物质质透透过过速速度度要要低低，需需要通过的物质透过速率要高。要通过的物质透过速率要高。分离膜的透过性能是它处理能力的主要标分离膜的透过性能是它处理能力的主要标志。工业上，透过量不能过低，否则经济志。工业上，透过量不能过低，否则经济上不合算。膜的透过性能与膜材料的化学上不合算。膜的透过性能与膜材料的化学特性、分离膜的形态结构和操作因素有关。特性、分离膜的形态结构和操作因素有关。第五章第五章 膜分离膜分离（Membrane Separation）13高等制药分离工程膜分离(3)物理、化学物理、化学稳定性稳定性 分离膜材料：高聚物，需要定期更换。分离膜材料：高聚物，需要定期更换。高聚物的高聚物的“老化老化”问题问题压密现象：压密现象：高聚物膜长期处于高压下会发高聚物膜长期处于高压下会发生被生被压密压密，使膜在长期使用中渗透量慢慢，使膜在长期使用中渗透量慢慢减小，最终不能使用的减小，最终不能使用的现象现象。膜膜污污染染：在在使使用用过过程程中中与与混混合合物物接接触触的的表表面面会会被被各各种种各各样样的的杂杂质质所所污污染染，减减少少了了膜膜的有效使用面积。的有效使用面积。第五章第五章 膜分离膜分离（Membrane Separation）14高等制药分离工程膜分离(4)经济性经济性分分离离膜膜的的价价格格要要合合理理。价价格格取取决决于于材材料料和和制制造造工工艺艺两两方方面面。不不少少高高聚聚物物很很具具特特色色，但价格太贵，无法作为商品。但价格太贵，无法作为商品。分分离离膜膜要要求求:具具有有分分离离作作用用的的膜膜越越薄薄越越好好，(30nm)；膜膜如如果果属属于于多多孔孔性性的的，则则膜膜上上的的孔孔要要求求越越多多越越好好，孔孔径径相相差差不不大大，只只有有这这样样，膜膜的的透透过过量量才才能能大大，分分离离物物的的纯纯度度才才高。高。第五章第五章 膜分离膜分离（Membrane Separation）15高等制药分离工程膜分离2.膜的分类膜的分类 膜的分类膜的分类16高等制药分离工程膜分离3.膜材料和制备膜材料和制备固体分离膜大多数是高分子聚合物膜，固体分离膜大多数是高分子聚合物膜，近年来开发了无机材料分离膜。近年来开发了无机材料分离膜。高聚物膜通常是用纤维素类高聚物膜通常是用纤维素类CA、聚砜类、聚砜类PSF、聚酰胺类、聚酰胺类PI、聚酯类、含氟高聚物、聚酯类、含氟高聚物PTEF等材料制成。等材料制成。无机分离膜包括陶瓷膜、玻璃膜、金属无机分离膜包括陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分子筛炭膜等。膜和分子筛炭膜等。膜材料膜材料17高等制药分离工程膜分离高分子膜制备有相转化法和热致相分离法。L-S法（1）高分子材料溶于溶剂中并加入添加剂配制成膜液。（2）成型。（3）膜中的溶剂部分蒸发。（4）膜浸渍 在水中。（5）膜的预压处理。膜材料膜材料18高等制药分离工程膜分离4膜的分离特性膜的分离特性分离效率、渗透通量和通量衰减系数。分离效率、渗透通量和通量衰减系数。1)分分离离效效率率。对对于于溶溶液液脱脱盐盐和和某某些些高高分分子子物物质质的的脱脱除除等等可可以以用用脱脱除除率率（截截留留率率）R表表示。示。膜的分离特性膜的分离特性 19高等制药分离工程膜分离溶质的溶质的表观分离率表观分离率cb、cw、cp分别为主体溶液浓度、高压侧分别为主体溶液浓度、高压侧膜处溶液的界面浓度和膜的透过液浓度。膜处溶液的界面浓度和膜的透过液浓度。分离系数分离系数 膜的分离特性膜的分离特性 20高等制药分离工程膜分离分分离离因因数数的的大大小小反反映映该该体体系系分分离离的的难难易易程程度度，越越大大，表表明明两两组组分分的的透透过过速速率率相相差越大，膜的选择性越好，分离程度越高差越大，膜的选择性越好，分离程度越高.等于等于1，则表明膜没有分离能力。，则表明膜没有分离能力。截留分子量截留分子量指指截截留留率率为为60%时时所所对对应应的的分分子子量量。截截留留分分子子量量的的高高低低，反反映映了了膜膜孔孔径径的的大大小小，通通常常用用一一系系列列不不同同分分子子量量的的标标准准物物质质进进行行测定。测定。膜的分离特性膜的分离特性 21高等制药分离工程膜分离2)2)渗透通量渗透通量Jw：单位时间内通过单位膜单位时间内通过单位膜面积的透过物质量。面积的透过物质量。3)通量衰减系数通量衰减系数。膜的渗透通量因浓度。膜的渗透通量因浓度极化、膜的压密以及膜孔堵塞等原因将随极化、膜的压密以及膜孔堵塞等原因将随时间而衰减。时间而衰减。J Jt t、J J1 1为膜运转为膜运转t t小时和小时和1 h1 h后的透过速度；后的透过速度；t t为运转时间为运转时间,m,m为衰减系数。为衰减系数。膜的分离特性膜的分离特性 22高等制药分离工程膜分离五五 膜组件和膜系统膜组件和膜系统膜分离装置的核心是膜组件，它是将膜、膜分离装置的核心是膜组件，它是将膜、固定膜的支撑材料、间隔物或管式外壳等固定膜的支撑材料、间隔物或管式外壳等通过组装构成的一个单元。通过组装构成的一个单元。1.膜组件的型式膜组件的型式：板框式、卷式、管式、中空纤维式。板框式、卷式、管式、中空纤维式。板框式和卷式膜组件使用平板膜；板框式和卷式膜组件使用平板膜；管式和中空纤维膜组件使用管式膜。管式和中空纤维膜组件使用管式膜。膜组件和膜系统膜组件和膜系统23高等制药分离工程膜分离板框式膜组件24高等制药分离工程膜分离卷绕式膜组件25高等制药分离工程膜分离卷绕式膜组件卷绕式膜组件26高等制药分离工程膜分离中空纤维膜组件1-1-环氧树脂管板；环氧树脂管板；2-2-纤维束；纤维束；3-3-纤维束端封纤维束端封27高等制药分离工程膜分离管式膜组件n1-多孔外衬管；多孔外衬管；n2-管式膜；管式膜；n3-耐压端套；耐压端套；n4-玻璃钢管；玻璃钢管；n5-渗透液收集外壳渗透液收集外壳28高等制药分离工程膜分离四种膜组件的性能比较29高等制药分离工程膜分离2.膜系统的操作方式膜系统的操作方式膜的操作方式：死端膜的操作方式：死端(deadend)(deadend)操作和操作和错流错流(cross flow)(cross flow)操作操作死端操作死端操作时，原料中被截留组分的浓度随时，原料中被截留组分的浓度随时间不断增加，渗透物量随时间而减少。如时间不断增加，渗透物量随时间而减少。如微滤。优点是回收率高，原料中小分子全部微滤。优点是回收率高，原料中小分子全部通过膜，但过程通量衰减严重。通过膜，但过程通量衰减严重。膜组件和膜系统膜组件和膜系统30高等制药分离工程膜分离膜系统的操作方式膜系统的操作方式31高等制药分离工程膜分离错错流流操操作作时时，原原料料以以一一定定组组成成进进入入膜膜组组件件并并平平行行流流过过膜膜表表面面，沿沿膜膜组组件件内内不不同同位位置置，原原料料组组成成逐逐渐渐变变化化。原原料料流流被被分分为为渗渗透物流和截留物流。透物流和截留物流。错错流流操操作作有有并并流流、逆逆流流、渗渗透透物物全全混混错错流和完全混合四种方式。流和完全混合四种方式。逆逆流流效效果果最最好好。错错流流系系统统有有利利于于控控制制污污染，但回收率较低。染，但回收率较低。膜系统的操作方式膜系统的操作方式32高等制药分离工程膜分离级级:有有膜膜组组件件以以串串联联或或并并联联方方式式连连在在一一起起构成，膜分离过程有单级和多级过程。构成，膜分离过程有单级和多级过程。单单级级和和多多级级过过程程方方式式有有单单程程系系统统和和循循环环系统系统。单单程程系系统统:原原料料液液没没有有循循环环，原原料料体体积积在在整个流程内逐渐减少。整个流程内逐渐减少。循循环环系系统统:原原料料通通过过泵泵加加压压而而多多次次流流过过每每一一级级。每每一一级级均均有有循循环环泵泵以以使使流流体体力力学学的的条件达到最佳状态，且每一级压降较低。条件达到最佳状态，且每一级压降较低。膜系统的操作方式膜系统的操作方式33高等制药分离工程膜分离单程和循环系统34高等制药分离工程膜分离两级循环系统35高等制药分离工程膜分离3.浓差极化浓差极化1)1)浓差极化形成的原因浓差极化形成的原因:在膜装置操作中，在膜装置操作中，由于压力的作用，使溶质和溶剂都趋向穿由于压力的作用，使溶质和溶剂都趋向穿过膜。溶剂基本上可以全部通过。大部分过膜。溶剂基本上可以全部通过。大部分溶质无法通过而被截留在膜的高压侧表面溶质无法通过而被截留在膜的高压侧表面上累积，造成由膜表面到主体溶液之间的上累积，造成由膜表面到主体溶液之间的浓度梯度，引起溶质从膜表面向主体流扩浓度梯度，引起溶质从膜表面向主体流扩散，这种现象就称为散，这种现象就称为“浓差极化浓差极化”。浓差极化时，膜的传递性能和分离性能浓差极化时，膜的传递性能和分离性能均下降，从而将缩短其使用寿命。均下降，从而将缩短其使用寿命。膜组件和膜系统膜组件和膜系统36高等制药分离工程膜分离2)改善浓差极化的方法改善浓差极化的方法 提高流速提高流速。加加填填料料法法。如如将将29100m的的小小球球放放入入被被处处理理的的液液体体中中，以以减减小小膜膜边边界界层层的的厚厚度而增大透过速度。度而增大透过速度。加填料的方法是不适宜板式和卷式组件。加填料的方法是不适宜板式和卷式组件。装设湍流促进器装设湍流促进器。浓差极化浓差极化37高等制药分离工程膜分离增增设设脉脉冲冲装装置置。在在流流程程中中增增设设一一脉脉冲冲发发生生装装置置。振振幅幅越越大大或或频频率率越越高高，透透过过速速度度也也越越大大。虽虽动动力力增增加加了了2550，但但透透过过速速度提高了度提高了70，有相当的经济价值。，有相当的经济价值。搅搅拌拌法法。在在膜膜面面附附近近增增设设搅搅拌拌器器，也也可可以以把把装装置置放放在在磁磁力力搅搅拌拌器器上上回回转转使使用用。传传质质系数与搅拌器的转数成直线关系。系数与搅拌器的转数成直线关系。浓差极化浓差极化38高等制药分离工程膜分离4.膜污染和劣化膜污染和劣化膜膜污污染染:由由于于在在膜膜表表面面上上形形成成了了附附着着层层(膜膜孔孔堵堵塞塞)因因素素导导致致了了膜膜性性能能变变化化，可可采采用清洗方法，使膜性能得以恢复。用清洗方法，使膜性能得以恢复。膜膜劣劣化化:膜膜自自身身发发生生了了不不可可逆逆转转的的变变化化等等内部因素内部因素导致了膜性能变化。导致了膜性能变化。膜膜在在使使用用过过程程中中的的最最大大问问题题是是膜膜污污染染和和劣劣化化。在在压压力力、流流速速、温温度度和和料料液液浓浓度度都都一一定定时时，膜膜污污染染使使膜膜的的渗渗透透通通量量随随操操作作时时间而迅速下降，使膜过程不能继续进行。间而迅速下降，使膜过程不能继续进行。膜组件和膜系统膜组件和膜系统39高等制药分离工程膜分离膜的污染和劣化的分类及其成因膜的污染和劣化的分类及其成因40高等制药分离工程膜分离 化化学学性性劣劣化化:由由于于料料液液pH值值超超出出膜膜的的允允许许范范围围而而导导致致膜膜的的水水解解或或氧氧化化反反应应等等化化学学因素造成的劣化；因素造成的劣化；物物理理性性劣劣化化:膜膜结结构构在在很很高高的的压压力力下下导导致致致致密密化化或或在在干干燥燥状状态态下下发发生生不不可可逆逆转转性性变变形等物理因素造成的劣化。形等物理因素造成的劣化。生生物物性性劣劣化化:由由于于处处理理料料液液中中的的微微生生物物的的存存在在导导致致膜膜发发生生生生物物降降解解反反应应等等生生物物因因素素造成的劣化。造成的劣化。膜污染和劣化膜污染和劣化41高等制药分离工程膜分离降低膜的污染和劣化的方法降低膜的污染和劣化的方法:1)预预处处理理法法 有有热热处处理理、调调节节pH值值、加加螯螯合合剂剂(EDTA等等)、氯氯化化、活活性性炭炭吸吸附附、化化学学净化、预微滤和预超滤等。净化、预微滤和预超滤等。如如通通过过调调整整料料液液pH值值或或加加人人抗抗氧氧剂剂等等防防止膜的化学性劣化止膜的化学性劣化;对对于于蛋蛋白白质质分分离离或或浓浓缩缩，当当pH值值调调节节到到对应于蛋白质的等电点时，污染程度较轻。对应于蛋白质的等电点时，污染程度较轻。膜污染和劣化膜污染和劣化42高等制药分离工程膜分离2)操作方式优化操作方式优化膜污染的防治及渗透通量的强化可通过膜污染的防治及渗透通量的强化可通过操作方式的优化来实现，如控制初始渗透操作方式的优化来实现，如控制初始渗透通量通量(低压操作，恒定通量操作模式和过滤低压操作，恒定通量操作模式和过滤初始通量控制在临界通量以下初始通量控制在临界通量以下)，反向操作，反向操作模式，高分子溶液的流变性，脉动流、鼓模式，高分子溶液的流变性，脉动流、鼓泡、振动膜组件，超声波照射等。泡、振动膜组件，超声波照射等。膜污染和劣化膜污染和劣化43高等制药分离工程膜分离3)膜组件结构优化膜组件结构优化膜膜分分离离过过程程设设计计中中，膜膜组组件件内内流流体体力力学学条条件件的的优优化化，即即预预先先选选择择料料液液操操作作流流速速和和膜膜渗渗透透通通量量，并并考考虑虑到到所所需需动动力力，是是确确定定最佳操作条件的关键。最佳操作条件的关键。4)膜组件清洗膜组件清洗 膜膜的的清清洗洗方方法法有有水水力力清清洗洗、机机械械清清洗洗、化学清洗和电清洗四种。化学清洗和电清洗四种。膜污染和劣化膜污染和劣化44高等制药分离工程膜分离52 超滤超滤一一.超滤的基本原理超滤的基本原理 超超滤滤:通通过过膜膜的的筛筛分分作作用用将将溶溶液液中中大大于于膜膜孔孔的的大大分分子子溶溶质质截截留留，使使溶溶质质与与溶溶剂剂及及小分子组分分离的膜过程。小分子组分分离的膜过程。膜孔的大小和形状对分离起主要作用。膜孔的大小和形状对分离起主要作用。超滤过程的对象是大分子，膜的孔径常超滤过程的对象是大分子，膜的孔径常用被截留分子的分子量的大小来表征。膜用被截留分子的分子量的大小来表征。膜的截留率与被截留组分的截留分子量有关。的截留率与被截留组分的截留分子量有关。超滤超滤45高等制药分离工程膜分离超滤的基本原理超滤的基本原理46高等制药分离工程膜分离用用标标准准的的缓缓冲冲液液或或水水溶溶液液对对不不同同截截留留分分子子量量膜膜测测得得的的截截留留率率与与分分子子量量的的关关系系曲曲线线。取取截截留留率率分分别别为为50、90、100时时所所对对应应的的分分子子量量为为截截留留分分子子量量，以以及及取取S曲曲线线的的切切线线与与截截留留率率为为100时时的的横横坐坐标标上上的的交交点点为为截截留留分分子子量量，图图中中的的A曲曲线线，其其截截留留分分子子量量相相应应为为1000、3000、8000和和3500。S曲曲线线的的形状可说明该膜的孔径分布及性能，形状可说明该膜的孔径分布及性能，S曲曲线线越越陡陡则则截截留留分分子子量量范范围围愈愈窄窄，膜膜的的性能亦愈好。性能亦愈好。超滤的基本原理超滤的基本原理47高等制药分离工程膜分离超滤的基本原理超滤的基本原理膜截留分子量与截留率间的关系48高等制药分离工程膜分离超滤的基本原理超滤的基本原理截留分子量与膜孔径的关系超超滤滤常常采采用用非非对对称称膜膜，膜膜孔孔径径为为(15)10(15)10-8-8m m，膜膜表表面面有有效效截截留留层层的的厚厚度度为为(1100)10(1100)10-7-7m m，操操作作压压差差为为0.10.5MPa0.10.5MPa，可分离分子量约为，可分离分子量约为50010000005001000000的分子。的分子。49高等制药分离工程膜分离截留率的影响因素截留率的影响因素：（除相对分子量）：（除相对分子量）(1)分子特性分子特性：相相对对分分子子量量相相同同时时，线线状状的的分分子子截截留留率率较较低低，有有支支链链的的分分子子截截留留率率较较高高，球球形形分分子的截留率最大。子的截留率最大。对对于于带带电电荷荷分分子子，具具有有与与膜膜相相反反电电荷荷的的分子截留率较低。分子截留率较低。若若膜膜对对溶溶质质具具有有吸吸附附作作用用时时，溶溶质质的的截截留率增大。留率增大。超滤的基本原理超滤的基本原理50高等制药分离工程膜分离(2)其他高分子溶质其他高分子溶质：当当两两种种以以上上的的高高分分子子溶溶质质共共存存时时，溶溶质质的的截截留留率率要要高高于于其其单单独独存存在在的的情情况况。这这是是由由于于浓浓度度极极化化现现象象使使膜膜表表面面的的浓浓度度高高于于主主体浓度。体浓度。(3)操作条件操作条件：温温度度越越高高，料料液液的的粘粘度度越越小小，扩扩散散系系数数越大越大,可提高膜通量可提高膜通量。当当料料液液的的pH值值等等于于某某蛋蛋白白质质的的等等电电点点时时，溶质的截留率高于其他溶质的截留率高于其他pH下的截留率下的截留率。截留率的影响因素截留率的影响因素51高等制药分离工程膜分离料液流速料液流速 提高料液流速，可有效减轻膜表面的浓差提高料液流速，可有效减轻膜表面的浓差极化。但流速也不能太快，否则会产生过大极化。但流速也不能太快，否则会产生过大的压力降，并加速膜分离性能的衰退。的压力降，并加速膜分离性能的衰退。操作压力操作压力在一定的范围内，膜通量随操作压力的增在一定的范围内，膜通量随操作压力的增加而增大，但当压力增加至某一临界值时，加而增大，但当压力增加至某一临界值时，膜通量将趋于恒定。但操作压力也不能过高，膜通量将趋于恒定。但操作压力也不能过高，否则膜可能被压密。否则膜可能被压密。截留率的影响因素截留率的影响因素52高等制药分离工程膜分离进料浓度进料浓度随着超滤过程的进行，料液主体的浓度随着超滤过程的进行，料液主体的浓度逐渐增高，粘度和边界层厚度亦相应增大。逐渐增高，粘度和边界层厚度亦相应增大。料液主体浓度过高无论在技术上还是经济料液主体浓度过高无论在技术上还是经济上都是不利的，因此对超滤过程中料液主上都是不利的，因此对超滤过程中料液主体的浓度应加以限制。体的浓度应加以限制。截留率的影响因素截留率的影响因素53高等制药分离工程膜分离超滤中不同料液的最高允许浓度超滤中不同料液的最高允许浓度 应用类别应用类别最最高高允允许许浓度浓度应用类别应用类别最高允许最高允许浓度浓度颜料和分散染料颜料和分散染料3050植物、动物细胞植物、动物细胞510510油水乳状液油水乳状液50705070蛋白和缩多氨酸蛋白和缩多氨酸10201020聚合物乳胶和分聚合物乳胶和分散体散体30603060多糖和低聚糖多糖和低聚糖110110胶体、非金属、氧化胶体、非金属、氧化物、盐物、盐不定不定多元酚类多元酚类510510尘泥、固体、泥土尘泥、固体、泥土10501050合成的水溶性聚合合成的水溶性聚合物物515515低分子有机物低分子有机物151554高等制药分离工程膜分离料液预处理料液预处理:用预过滤器除去料液中的悬浮物；用预过滤器除去料液中的悬浮物；用絮凝法除去料液中的胶体物；用絮凝法除去料液中的胶体物；用活性炭吸附除去料液中的部分有机物等用活性炭吸附除去料液中的部分有机物等;通过调节料液的通过调节料液的pHpH值可使蛋白质、酶、微生值可使蛋白质、酶、微生物等对膜有污染的组分远离其等电点物等对膜有污染的组分远离其等电点;用氯气、次氯酸钠、臭氧等进行杀菌用氯气、次氯酸钠、臭氧等进行杀菌(料液中料液中含有较多的细菌、藻类及其他微生物含有较多的细菌、藻类及其他微生物)。截留率的影响因素截留率的影响因素55高等制药分离工程膜分离二超滤过程的传质机理与模型二超滤过程的传质机理与模型在在稳稳态态下下超超滤滤渗渗透透通通量量的的大大小小随随着着温温度度和和进进料料速速度度的的升升高高而而增增加加，随随着着进进料料分分子子的浓度和尺寸的增加而下降。的浓度和尺寸的增加而下降。浓浓 差差 极极 化化 与与 凝凝 胶胶 极极 化化 模模 型型(concentration polarization)描描述述超超滤滤过过程的模型程的模型浓浓度度极极化化：在在膜膜分分离离操操作作中中，溶溶质质均均被被透透过过液液传传送送到到膜膜表表面面上上，不不能能完完全全透透过过膜膜的的溶溶质质受受到到膜膜的的截截留留作作用用，在在膜膜表表面面附附近近浓浓度度升升高高，这这种种在在膜膜表表面面附附近近浓浓度度高高于于主主体浓度的现象。体浓度的现象。超滤超滤56高等制药分离工程膜分离凝胶极化凝胶极化(gel polarization):膜表面附近膜表面附近浓度升高，增大膜两侧的渗透压差，使有浓度升高，增大膜两侧的渗透压差，使有效压差减小，透过通量降低。当膜表面附效压差减小，透过通量降低。当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质会析近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质会析出，形成凝胶层的现象。出，形成凝胶层的现象。凝胶层的形成对透过产生附加传质阻力。凝胶层的形成对透过产生附加传质阻力。透过通量透过通量 传质机理与模型传质机理与模型57高等制药分离工程膜分离传质机理与模型传质机理与模型浓度极化模型58高等制药分离工程膜分离凝胶层阻力59高等制药分离工程膜分离在稳态操作条件下，溶质的透过质量通在稳态操作条件下，溶质的透过质量通量与反扩散通量之间达到物料平衡量与反扩散通量之间达到物料平衡边界条件边界条件积分积分浓度极化模型方程浓度极化模型方程 传质机理与模型传质机理与模型60高等制药分离工程膜分离当当溶溶质质在在膜膜表表面面形形成成凝凝胶胶化化层层时时，透透过过阻力很大，阻力很大，cp很小，得凝胶化模型为很小，得凝胶化模型为传质机理与模型传质机理与模型61高等制药分离工程膜分离三超滤分离操作过程三超滤分离操作过程1 1浓缩浓缩操操作作方方式式:浓浓缩缩为为目目的的的的膜膜分分离离有有开开路路循循环、闭路循环和连续浓缩三种操作。环、闭路循环和连续浓缩三种操作。1)开路循环开路循环 循循环环泵泵R关关闭闭，全全部部溶溶液液用用给给料料泵泵F送送回回料料液液槽槽，透透过过液液排排出出到到系系统统之之外外。设设目目标标产产物物的的截截留留率率为为R，建建立立料料液液槽槽内内目目标标产产物的物料衡算式物的物料衡算式 超滤分离操作过程超滤分离操作过程62高等制药分离工程膜分离浓缩操作示意图浓缩操作示意图1开路循环操作：开路循环操作：R关闭关闭2闭路循环操作：闭路循环操作：R开启开启3连续浓缩操作：连续浓缩操作：R开启开启 注注:四通阀四通阀V的开闭的开闭给料泵给料泵循环泵循环泵四通阀四通阀63高等制药分离工程膜分离浓缩操作浓缩操作过程过程料液体积料液体积V、浓度、浓度c、截留率截留率R和透过液流量和透过液流量Q料液浓度随体积变化方程料液浓度随体积变化方程 64高等制药分离工程膜分离产物浓缩倍数产物浓缩倍数CF收率收率REC膜的截留率越大，产物收率和浓缩倍数膜的截留率越大，产物收率和浓缩倍数越高。越高。浓缩操作浓缩操作过程过程65高等制药分离工程膜分离开开路路循循环环操操作作中中，循循环环液液中中溶溶质质浓浓度度不不断断上上升升，若若流流量量和和压压差差不不变变，透透过过通通量量将将随随操操作作时时间间不不断断降降低低。此此时时凝凝胶胶极极化化模模型型方程适用，透过液流量为：方程适用，透过液流量为：达到浓缩液所需时间达到浓缩液所需时间 浓缩操作浓缩操作过程过程66高等制药分离工程膜分离2)闭闭路路循循环环:浓浓缩缩液液不不返返回回到到料料液液罐罐，而而是是利利用用循循环环泵泵R送送回回到到膜膜组组件件中中，形形成成料料液液在在膜膜组组件件中中的的闭闭路路循循环环。循循环环液液中中目目标标产产物物浓浓度度的的增增加加比比开开路路循循环环操操作作快快，透透过过通通量量小小于于开开路路循循环环。膜膜组组件件内内的的流流速速可可不不依靠料液泵的供应速度。依靠料液泵的供应速度。3)连连续续操操作作:在在闭闭路路循循环环操操作作的的基基础础上上，将将浓浓缩缩液液不不断断排排出出到到系系统统之之外外的的操操作作方方式式。连连续续操操作作效效率率最最低低，通通过过膜膜组组件件的的溶溶质质浓浓度度一一直直保保持持在在最最高高水水平平(为为浓浓缩缩产产品品浓浓度度)，透过通量最小透过通量最小。浓缩操作浓缩操作过程过程67高等制药分离工程膜分离多级串联操作多级串联操作：提高透过通量。：提高透过通量。将多个膜组件串联，上一级膜组件的浓将多个膜组件串联，上一级膜组件的浓缩液进入下一级膜组件继续浓缩，最后一缩液进入下一级膜组件继续浓缩，最后一级膜组件的浓缩液达到所需的浓缩水平。级膜组件的浓缩液达到所需的浓缩水平。由于进入每一级膜组件的浓缩液浓度逐渐由于进入每一级膜组件的浓缩液浓度逐渐升高，从而使操作过程的平均透过通量高升高，从而使操作过程的平均透过通量高于单级过程的透过通量。于单级过程的透过通量。浓缩操作浓缩操作过程过程68高等制药分离工程膜分离多级串联连续操作多级串联连续操作69高等制药分离工程膜分离洗滤洗滤71高等制药分离工程膜分离四、超滤应用四、超滤应用超滤的工业应用有三类：浓缩；小分子超滤的工业应用有三类：浓缩；小分子溶质的分离；大分子溶质的分级。溶质的分离；大分子溶质的分级。1 1小分子生物产物的回收小分子生物产物的回收氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵产品的相对分子质量在发酵产品的相对分子质量在2000以下，可以下，可选用选用MMCO为为11 0431 04的超滤膜，可的超滤膜，可从发酵液中回收小分子发酵产物，然后利从发酵液中回收小分子发酵产物，然后利用反渗透法进行浓缩和除去相对分子质量用反渗透法进行浓缩和除去相对分子质量更小的杂质。更小的杂质。四、超滤应用四、超滤应用72高等制药分离工程膜分离 2蛋白质的回收、浓缩与纯化蛋白质的回收、浓缩与纯化蛋白质的透过与其相对分子质量、浓度、蛋白质的透过与其相对分子质量、浓度、带电性质以及膜表面的吸附层结构、溶液带电性质以及膜表面的吸附层结构、溶液的的pHpH、离子强度和膜的孔径、结构有关。、离子强度和膜的孔径、结构有关。对特定的蛋白质，根据其分子特性，选对特定的蛋白质，根据其分子特性，选合适的膜，并对料液进行预处理合适的膜，并对料液进行预处理(如调节如调节pHpH，离子强度等，离子强度等)，以提高目标产物的回收率。，以提高目标产物的回收率。选择适当选择适当MMCOMMCO的超滤膜，可进行蛋白质的超滤膜，可进行蛋白质的浓缩和去除其中的小分子物质，回收率的浓缩和去除其中的小分子物质，回收率可达可达9 59 5以上。以上。四、超滤应用四、超滤应用73高等制药分离工程膜分离3中药有效成分和有效部位的分离纯化中药有效成分和有效部位的分离纯化中中药药含含有有无无机机盐盐、生生物物碱碱、氨氨基基酸酸和和有有机机酸酸、酚酚类类、酮酮类类、皂皂苷苷、甾甾族族和和萜萜类类化化合合物物以以及及鞣鞣质质、蛋蛋白白质质、淀淀粉粉、纤纤维维素素等等，其其分分子子量量从从几几十十到到几几百百万万道道尔尔顿顿。药药物物有有效效成成分分生生物物碱碱、黄黄酮酮、苷苷等等的的分分子子量量较较小小，大大多多数数不不超超过过1000Da；分分子子量量高高的的蛋蛋白白质质、淀淀粉粉和和纤维素等非药用性成分或药用性较差的成分。纤维素等非药用性成分或药用性较差的成分。四、超滤应用四、超滤应用74高等制药分离工程膜分离5.3 反渗透反渗透一、反渗透原理一、反渗透原理反渗透膜是一种只能透过水而不能透过溶反渗透膜是一种只能透过水而不能透过溶质的半透膜。质的半透膜。反渗透反渗透(a)(a)渗透渗透 (b)(b)渗透平衡渗透平衡 (c)(c)反渗透反渗透75高等制药分离工程膜分离渗透现象渗透现象:由于膜两侧水的化学位不等，由于膜两侧水的化学位不等，水将自发地由纯水侧穿过半透膜向溶液侧水将自发地由纯水侧穿过半透膜向溶液侧流动的现象。流动的现象。溶液的渗透压溶液的渗透压:膜两侧的压力差增大至阻膜两侧的压力差增大至阻止水向溶液侧流动时，渗透过程达到平衡止水向溶液侧流动时，渗透过程达到平衡时的压力差时的压力差。反渗透现象反渗透现象：若在盐溶液的液面上方施：若在盐溶液的液面上方施加一个大于渗透压的压力，则水将由盐溶加一个大于渗透压的压力，则水将由盐溶液侧经半透膜向纯水侧流动的液侧经半透膜向纯水侧流动的现象现象。反渗透反渗透 76高等制药分离工程膜分离溶液的渗透压与溶液的种类和浓度等因溶液的渗透压与溶液的种类和浓度等因素有关，而与膜本身无关。素有关，而与膜本身无关。理想溶液的渗透压理想溶液的渗透压 溶液中溶质的摩尔浓度，溶液中溶质的摩尔浓度，molL1反渗透过程就是在压力的推动下，借助反渗透过程就是在压力的推动下，借助于半透膜的截留作用，将溶液中的溶剂与于半透膜的截留作用，将溶液中的溶剂与溶质分离开来。溶质分离开来。反渗透反渗透 77高等制药分离工程膜分离二、反渗透流程二、反渗透流程反渗透装置反渗透膜组件、泵、过滤器、阀、反渗透装置反渗透膜组件、泵、过滤器、阀、仪表及管路等组装的装置。仪表及管路等组装的装置。反渗透装置有连续式、部分循环式和全循环反渗透装置有连续式、部分循环式和全循环式三种流程。式三种流程。1.1.连续式连续式一级一段连续式一级一段连续式流程的缺点是水的回收率不流程的缺点是水的回收率不高，在实际生产中的应用较少。高，在实际生产中的应用较少。一级多段连续式一级多段连续式的优点是水的回收率及浓缩的优点是水的回收率及浓缩液中的溶质浓度均较高，而浓缩液的量较少。液中的溶质浓度均较高，而浓缩液的量较少。反渗透反渗透 78高等制药分离工程膜分离反渗透流程反渗透流程一级一段连续式工艺流程一级一段连续式工艺流程 1-1-料液贮槽；料液贮槽；2-2-泵；泵；3-3-膜组件膜组件79高等制药分离工程膜分离反渗透流程反渗透流程一级多段连续式工艺流程一级多段连续式工艺流程 80高等制药分离工程膜分离 2.2.循环式循环式部分循环式部分循环式可提高水的回收率，但浓缩可提高水的回收率，但浓缩液中的溶质浓度要比原进料液中的高，因液中的溶质浓度要比原进料液中的高，因此透过水的水质有可能下降。常用于废液此透过水的水质有可能下降。常用于废液等的浓缩处理。等的浓缩处理。全循环式全循环式可获得高浓度的浓缩液，常用可获得高浓度的浓缩液，常用于溶质的浓缩处理。于溶质的浓缩处理。反渗透流程反渗透流程81高等制药分离工程膜分离反渗透流程反渗透流程部分循环式工艺流程部分循环式工艺流程 82高等制药分离工程膜分离反渗透流程反渗透流程全循环式工艺流程全循环式工艺流程83高等制药分离工程膜分离三、反渗透的应用三、反渗透的应用 1.海水和苦咸水淡化海水和苦咸水淡化 2.在制药工业中的应用在制药工业中的应用医药注射用水节约能耗医药注射用水节约能耗75%75%以上以上 。反渗透法还常用于抗生素、维生素、激反渗透法还常用于抗生素、维生素、激素等溶液的浓缩过程。链霉素提取精制。素等溶液的浓缩过程。链霉素提取精制。3.3.电子工业用超纯水电子工业用超纯水4 4电镀废水处理电镀废水处理 反渗透的应用反渗透的应用 84高等制药分离工程膜分离