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1、膜分离技术,膜分离技术,定义:利用天然和人工合成的，具有选择透过性的薄 膜，以外界能量或化学位差为推力，对双组分 或多组分体系进行分离、分级、提纯或富集的 技术,膜分离技术,膜分离技术是21世纪最为先进的分离技术之一，随着膜材料、膜组件、膜设备的不断改进，膜分离技术已成为现代制药工业和医疗中技术革新的重要手段,膜分离技术,膜分离技术在短短的时间迅速发展起来，已广泛有效地应用于石油化工、生化制药、医疗卫生、冶金、电子、能源、轻工、纺织、食品、环保、航天、海运、人民生活等领域，形成了独立的新兴技术产业。目前，世界膜市场以每年递增14-30速度发展,膜分离技术,膜分离技术得到世界各国的普遍重视，欧、
2、美、日等发达国家投巨资立专项进行开发研究，已取得在此领域的领先地位。我国在“六五”、“七五”、“八五”、“九五”以及863、973计划中均列为重点项目，给予支持,膜分离技术,目前已经工业化应用的膜分离过程有微滤(MF)、超滤(UF)、反渗透(RO)、渗析(D)、电渗析(ED)、气体分离(GS)、渗透汽化(PV)、乳化液膜(ELM)等八种 还有许多正在开发研究中的新膜过程，它们是膜萃取、膜蒸馏、双极性膜电渗析、膜分相、膜吸收、膜反应、膜控制释放、膜生物传感器等。这些膜过程目前尚处在小型试验和中试阶段,膜分离技术,膜分离过程的共同优点是成本低、能耗少、效率高、无污染并可回收有用物质，特别适合于性质
3、相似组分、同分异构体组分、热敏性组分、生物物质组分等混合物的分离,分离膜,分离膜是指能以特定形式限制和传递流体物质的分隔两相或两部分的界面。膜的形式可以是固态的，也可以是液态的。被膜分割的流体物质可以是液态的，也可以是气态的。膜至少具有两个界面，膜通过这两个界面与被分割的两侧流体接触并进行传递。分离膜对流体可以是完全透过性的，也可以是半透过性的，但不能是完全不透过性的。膜在生产和研究中的使用技术被称为膜技术,分离膜,1.定义 在流体相内或两个流体相之间有一薄层 凝聚相物质把流体相分隔成两部分，此薄层 物质就是膜2.特性 a 必须有两个界面 b 具有选择透过性,膜原料侧称为膜上游 透过侧称为膜下
4、游,膜的种类及结构,1.按膜的材料分类合成聚合物膜、无机材料膜等,膜的种类及结构,2.按膜的分离原理及适用范围分类 根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将其分为微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等3.按膜断面的物理形态分类 根据分离膜断面的物理形态不同，可将其分为对称膜，不对称膜、复合膜、平板膜、管式膜、中空纤维膜等,膜的种类及结构,对称膜:膜两侧截面结构及形态相同，孔径与孔径分布基本一致膜厚度约为10-200m有疏松和致密两种，致密目前工业少用,膜的种类及结构,非对称膜由致密的表皮层及疏松的多孔支撑层组成，致密层厚度约为0.1-0.5m，支撑层厚度约为50-1
5、50m表皮层与疏松的多孔支撑层材料相同,膜的种类及结构,复合膜一种具有表皮的非对称膜，但表皮材料与用作支撑层的对称或非对称膜材料不同皮层可以多层叠合,膜材料,要求：1.具有良好的成膜性能和物化稳定性 2.耐酸、碱、微生物侵蚀和耐氧化等 3.耐压、耐温（分离0-80 清洗110）4.化学相容性 能耐各种化学物质的侵蚀 5.生物相容性 不使蛋白质和酶发生变性，无抗原性 6.低成本,膜材料,1.合成聚合物膜材料（高分子膜 多采用）纤维素类、聚酰胺类、芳香杂环类、聚 砜类、聚烯烃类等2.无机膜 金属及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷等,膜材料,无机膜优点：1.热稳定性好，适用于高温（可达400）、高压体系2.
6、化学稳定性好，能耐酸和弱碱，pH值范围宽3.抗微生物能力强，与一般的微生物不发生生化及化学反应4.无机膜组件机械强度大5.清洁状态好，本身无毒，容易再生和清洗6.孔分布窄，分离性能好,膜材料,无机膜缺点：1.没有弹性、比较脆 2.不易成型加工 3.用于造膜的材料少 4.成本较高 5.强碱条件下受到侵蚀,膜分离性能表示法,包括：1.物化稳定性 指膜的强度、允许使用压力、温度、pH值以及对有机溶剂和各种化学药品的抵抗性，他是决定膜的作用寿命的主要因素2.分离特性 主要包括分离效率、渗透通量和通量衰减系数三个方面,分离效率：用表观分离率RE表示 RE=（1-CP/Cb）100%CP膜的透过液浓度 C
7、b上游侧主体溶液浓度渗透通量：单位时间内通过单位膜面积的透过 物量，用JW表示 Jw=V/St V-透过液的容积或质量 S-膜的有效面积 t-运转时间,通量衰减系数：膜的渗透通量由于过程的浓度极化、膜的压密以及膜污染等原因将随时间而衰减，用衰减系数m表示 JT=J1tm JT、J1-膜运转t小时和1小时后的透过速度 t-运转时间 m衰减系数（通量衰减因子）,膜组件,将膜、固定膜的支撑材料、间隔物或管式外壳通过一定的粘合或组装构成的一个单元，是膜分离装置的核心 主要有板框式、卷式、管式、中空纤维式，前二种使用平板膜，后二种使用管式膜,操作方式 膜的操作方式可分为死端操作和错流操作 1.死端操作（
8、无流动操作）所有原料均被强制通过膜，原料 中被截留组分的浓度随时间不断增加，因而渗透量随时间而减少，易受污染,2)错流操作 原料以一定组成进入膜组件并平行流过膜表面，沿膜组件内不同位置，原料组成逐渐变化，原料流分为两股：渗透物流和截留物流,操作方式,膜分离技术,推动力 适用的分离范围 应用微滤 压力差 0.01-10 微米 除颗粒物及细菌超滤 压力差 0.001-0.01微米 除病毒、热原和蛋白纳滤 压力差 切割分子量200-1000 分子的浓缩反渗透 压力差 离子级 去除无机盐、金属离子渗透汽化 分离物的分压 分离物浓度在0.1%-10%水/有机物 有机物/有机物分离透析 浓度差 切割分子量
9、50-10,000 血液净化气体分离 分压差 分离物在膜中的相对溶解性 富氧的制备,各种分离技术的特点,膜分离技术类型,1)反渗透 当纯水和盐水被理想半透膜隔开，理想半透膜只允许水通过而阻止盐通过，此时膜纯水侧的水会自发地通过半透膜流入盐水一侧，这种现象称为渗透，若在膜的盐水侧施加压力，那么水的自发流动将受到抑制而减慢，当施加的压力达到某一数值时，水通过膜的净流量等于零，这个压力称为渗透压力，当施加在膜盐水侧的压力 大于渗透压力时，水的流向就会逆转，此时，盐 水中的水将流入纯水侧，上述现象就是水的反渗 透（RO）处理的基本原理,膜分离技术类型,适合制备反渗透膜的主要原料有芳香族聚酰胺类、纤维素
10、的醋酸酯类、壳聚糖等，目前仅有芳香族聚酰胺类、纤维素的醋酸酯类用于商品化,膜分离技术类型,2)超滤 超滤是一种加压膜分离技术，即在一定的压力下，使小分子溶质和溶剂穿过一定孔径的特制的薄膜，而使大分子溶质不能透过，留在膜的一边，从而使大分子物质得到了部分的纯化与浓缩 优点：a.操作简便，成本低廉，不需 增加任何化学试剂 b.没有相的变化，而且不引起 温度、pH的变化，因而可以防止生物大分子的变性、失活和自溶,超滤膜组件,膜分离技术类型,超滤膜 常用的膜一般是由乙酸纤维或硝酸纤维或此二者的混合物制成。近年来为适应制药和食品工业上灭菌的需要，发展了非纤维型的各向异性膜，例如聚砜膜、聚砜酰胺膜和聚丙烯
11、腈膜等。这种膜在pH114都是稳定的，且能在90下正常工作。超滤膜通常是比较稳定的，若使用恰当，能连续用12年,管式膜,膜分离技术类型,3）纳 滤 纳滤(NF)介于反渗透和超滤之间，膜的孔径范围在几个纳米左右，膜表面分离皮层一般可具有纳米级的分离微孔结构。纳滤是以压力差为推动力的膜分离过程 优点：a.能截留透过超滤膜的小相对分子质量的有机物 b.能透析反渗透膜所截留的部分无机盐,膜分离技术类型,纳滤膜 纳滤膜的成膜材料基本上与反渗透材料相同。商品化纳滤膜的膜材质主要有以下几种：醋酸纤维素(CA)、磺化聚砜(SPS)、磺化聚醚砜(SPES)和聚乙烯醇(PVA)等,膜分离技术类型,4)电渗析 利用
12、半透膜的选择透过性来分离不同的溶质粒子（如离子）的方法称为渗析。在电场作用下进行渗析时，溶液中的带电的溶质粒子（如离子）通过膜而迁移的现象称为电渗析 优点：去除水中能离解成阴、阳离子的无机盐类,A：阴离子膜，K：阳离子膜；D：稀室，C：浓室,应 用,药学：1.生物和医药制品的澄清、灭菌 2.生物和医药制品的除热原和病毒 3.生物和医药制品的浓缩、分离和纯化 4.灭菌水、除热原水和注射水的制备,应 用,医学：1.血液净化（透析）2.空气灭菌和净化 3.医用膜制氧设备 4.膜式人工肺,应 用,透析：原理:溶质(低分子)由A侧通过扩散透过膜，溶剂（水）由B侧根据渗透原理透过膜-进行相互移动 经一段时
13、间后，两侧液体中的小分子物质和水达到动态平衡-这种现象 称为透析,是一种扩散控制的，以浓度梯度为驱动力的膜分离方法,目的：借助这种扩散速度的差，使A侧 两组分以上的溶质得以分离,应 用,透析膜：是一种以浓度差为推动力的分离膜。根据分离的溶质的粒径，要求分离膜上有相适应的孔径均匀的微孔。膜孔径在1m以下的有机高聚物的均质膜，是一类不带电荷的多孔膜,应 用,透析特点：1.分离目的：大分子溶质溶液脱小分子；小分子溶 质溶液脱大分子2.截留物尺寸：0.001-1m(工业0.02m,人工肾0.005m)3.透过膜的物质:微小溶质,较小溶质4.推动力：为浓度差,应 用,透析特点：5.传质/选择性机理:微孔
14、膜中的筛分,受阻扩散6.供料和渗透物的相态:液体7.流动形式:多采用“错流”8.膜类型：非对称膜、离子交换膜,应 用,理想透析膜材料的特点：1.膜材料纯度高，不含有任何对生体有害的物质2.具有优良的生物相容性，对蛋白质无特异吸附3.有稳定的物理、化学性能和良好的力学性能4.能经受消毒处理而不影响结构、性能,应 用,理想透析膜材料的特点：5.加工成型方便，膜表皮层及支撑层的孔隙率尽可能高，以获得更高的通量6.孔径分布应尽可能窄，使膜对所有被希望脱除分子的筛分系数都接近于17.透析器的封装材料不能含有亚甲基二苯胺、不会释放环氧乙烷等,应 用,膜材料：有天然纤维素及其衍生物与合成聚合物两大类 纤维素
15、类：醋酸纤维素、再生纤维素等 合成聚合物类：聚酰胺、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚砜、聚 烯烃、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚乙烯吡咯 烷酮、聚甲基丙烯酸酯、乙烯-醋酸乙烯共 聚物、聚醚嵌段共聚物等,已商业化的人工肾使用的透析膜材料,应 用,人工肾：血液透析俗称人工肾，即将血液与透析液分置于一人工合成的半透膜两侧，利用各自不同的浓度和渗透压互相进行扩散和渗透的治疗方法。血液透析可将患者体内多余水及代谢废物排出体外，并从透析液中吸收机体缺乏的电解质及碱基，以达到纠正水电解质及酸碱平衡的目的,应 用,人工肾构成：由透析器、透析液供给装置和自动监护装置三部分组成，通过血液回路把人体与透析型人工肾连接起来 透析器是人
16、工肾的关键部件之一，血液透析过程就在透析器中进行,应 用,应 用,人工肝：人工肝技术是借助体外机械、化学或生物性装置，暂时部分替代肝脏功能，从而协助治疗肝功能不全、肝衰竭或相关肝脏疾病 人工肝作为肝衰竭时人体肝脏的替代装置和肝功能的辅助装置，其在临床得到广泛地应用,应 用,人工肝以及血液净化的技术基础之一就是各类膜材料的使用。利用膜分离技术将人体血液中愈量的代谢废物、毒物、致病物质以及其他有害的溶质，从血液中分离出去，恢复血液的正常溶质的浓度，保持血液与人体的正常生理功能,PLASMAPHERESIS(血浆置换)目的：净化血液 基本原理：是利用血细胞分离机，在体外将患者的血液分离成血浆和血细胞
17、成分，然后弃去含有害致病物质的血浆，用等量的置换液代替 BIOREACTOR(生物反应器)生物反应器内大量肝细胞，通过一层半透膜与血浆或血液进行物质交换，实现体外人工肝脏的代谢、合成和解毒等功能,应 用,人工肺：又称氧合器，根据生物肺肺泡气体交换原理，利用高分子纤维膜作为交换的主要场所，完成氧气和二氧化碳的交换。其基本功能是将静脉血中的二氧化碳排走,同时将氧气加入到血中,以暂时或长时间取代自然肺的作用 目前主要用于心胸手术中的心肺旁路（体外循环）、呼吸辅助（体外膜式氧合器、体内膜式氧合器）,应 用,膜式人工肺的核心部件是放置在血流中的微孔纤维膜（中空纤维），血气各走一边，氧气和二氧化碳在膜两侧
18、的转移主要通过气体分压梯度弥散，血液则不能通过膜,应 用,空气无菌过滤：金属膜和陶瓷膜具有坚固、耐酸碱、耐高温、可反复使用等特点,常用于条件苛刻的情况,如高压消毒气的进气过滤、储存罐和无菌室的空气除菌过滤,除去空气中的噬菌体、杆菌等 膜技术灭菌与传统灭菌方法的最大区别是:传统方法是通过将细菌杀死,来达到杀菌目的,而膜技术则并不杀死细菌,它是将细菌截留在膜的进料侧,使透过液中不含细菌,从而达到除菌目的,应 用,膜技术在药学和医学已得到了广泛应用,但目前,膜技术的进一步扩大应用还受到几个方面的约束,一是价格,二是膜的污染,三是膜分离性能的提高,如果这几个方面的问题能有效地解决,则膜技术在药学和临床医学上将会发挥更大的应用,
