文档介绍：膜分离过程(membrane separation)
概述
(1)膜分离技术发展的历史
膜分离技术已被国际上公认为20世纪末至21世纪中期最有发展前途、甚至会导致一次工业革命的重大生产技术,所以可称为前沿技术,是世界各国研究的热点。如果将20世纪50年代初视为现代高分子膜分离技术研究的起点,截止现在,其发展致可分为三个阶段:①50年代为奠定基础阶段;②60年代和70年代为发展阶段,③ 80年代至今为发展深化阶段。目前,研制和开发出的分离膜及应用技术有:
膜分离技术在分离物质过程中不涉及相变,对能量要求低,因此和蒸馏、结晶、蒸发等需要输入能量的过程有很大差异;膜分离的条件一般都较温和,对于热敏性物质复杂的分离过程很重要,这两个因素使得膜分离成为生化物质分离的合适方式。此外它操作方便、结构紧凑、维修费用低、易于自动化,因而是现代分离技术中一种效率较高的分离手段,在生化分离工程中具有重要作用。
(2)膜分离技术在分离工程中的重要作用
存在的问题
①在操作中膜面会发生污染,使膜性能降低,故有必要采用与工艺相适应的膜面清洗方法;
②从目前获得的膜性能来看,其耐药性、耐热性、耐溶剂能力都是有限的,故使用范围受限;
③单独采用膜分离技术效果有限,因此往往都将膜分离工艺与其他分离工艺组合起来使用。
①物质的识别与透过;②界面;③反应场。物质的识别与透过是使混合物中各组分之间实现分离的内在因素;作为界面,膜将透过液和保留液(料液)分为互不混合的两相;作为反应场,膜表面从孔内表面含有与特定溶质具有相互作用能力的官能团,通过物理作用、化学反应或生化反应提高膜分离的选择性和分离速度。生物分离过程中采用的膜分离法主要是利用物质之间透过性的差别,而膜材料上固定特殊活性基团,使溶质与膜材料发生某种相互作用来提高膜分离性能的功能膜研究也很多,代表了膜分离技术的发展方向。
膜在分离过程中具有如下功能
膜分离过程的类型
膜分离过程可以认为是一种物质被透过或被截留于膜的过程,近似于筛分过程,依据滤膜孔径的大小而达到物质分离的目的,故可按分离粒子或分子的大小予以分类
在生物技术中应用的膜分离过程,根据推动力本质的不同,可具体分为四类:①以静压力差为推动力的过程;②以蒸气分压差为推动力的过程;③以浓度差为推动力的过程;④以电位差为推动力的过程
以静压力差为推动力的膜分离过程
以静压力差为推动力的膜分离有三种:微滤(MF)、超滤(UF)和反渗透(RO),它们在粒子或被分离分子的类型上具有差别。
(1)微滤特别适用于微生物、细胞碎片、微细沉淀物和其他在“微米级”范围的粒子如DNA和病毒等的截留和浓缩。
(2)超滤适用于分离、纯化和浓缩一些大分子物质,如在溶液中或与亲和聚合物相连的蛋白质(亲和超滤)、多糖、抗生素以及热原,也可以用来回收细胞和处理胶体悬浮液。
(3)反渗透海水脱盐、超纯水制备,从发酵液中分离溶剂如乙醇、丁醇和丙酮以及浓缩抗生素、氨基酸等。
以蒸气分压差为推动力的膜分离过程
(1)膜蒸馏(MD) 是在不同温度下分离两种水溶液的膜过程,已经用于高纯水的生产,溶液脱水浓缩和挥发性有机溶剂的分离,如丙酮和乙醇等。
(2)渗透蒸发是以蒸气压差为推动力的过程,但是在过程中使用的是致密(无孔)的聚合物膜。液体扩散能否透过膜取决于它们在膜材料中的扩散能力。
以浓度差为推动力的膜分离过程
渗析是一种重要的、以浓度差为推动力的膜分离过程,它最主要的应用是血液(人工肾)的解毒,也用在实验室规模的酶的纯化上,使用的是微孔膜如胶膜管。酶的传统纯化办法是使用渗析袋,从样品中除去无用的低相对分子质量溶质和置换存在于渗透液中的缓冲液,由于在样品中盐和有机溶剂的浓度高,渗透压的结果导致水向渗透袋内迁移,体积增加,所以渗透在除去多余的低相对分子质量溶质的同时,引进了一个新的缓冲溶液。