【正文】 管式膜結(jié)構(gòu)圖 管式 122 管式膜工業(yè)設(shè)備圖 : 123 4) 中空纖維膜組件 124 4) 中空纖維膜組件 有數(shù)百上萬根中空纖維膜固定在圓形容器內(nèi)構(gòu)成， 內(nèi)徑為 4080um膜稱中空纖維膜， 。 前者耐壓，常用于反滲透。后者用于微、超濾 料液流向：采用內(nèi)壓式時(shí)為防止堵塞，需對(duì)料液預(yù)處理去固形微粒，采用外壓式時(shí)，凝膠層控制較困難。 優(yōu)點(diǎn) :設(shè)備緊湊，單位設(shè)備體積內(nèi)的膜面積大 (高達(dá)16000～ 30000 ) 缺點(diǎn) :中空纖維內(nèi)徑小，阻力大，易堵塞，膜污染難除去，因此對(duì)料液處理要求高。 125 中空纖維膜管 中空纖維超濾膜無菌水裝置 (生產(chǎn)型 ) 126 管式、中空纖維式、螺旋卷繞式和平板式 型式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 管式 易清洗，無死角，適宜于處理含固體較多的料液，單根管子可以調(diào)換 保留體積大，單位體積中所含過濾面積較小，壓力降大 中空纖維式 保留體積小，單位體積所含過濾面積大，可以逆洗，操作壓力較低，動(dòng)力消耗較低 料液需要預(yù)處理，單根纖維損壞時(shí)需調(diào)換整個(gè)模件 螺旋卷繞式 單位體積中所含過濾面積大，換新膜容易 料液需預(yù)處理，壓力降大 ,易污染 ,清洗困難 平板式 保留體積小，能量消耗界于管式和螺旋卷繞式 死體積大 127 各種模件性能比較 管式 中空纖維 式 板式 卷式 單位膜面積的成本 高 低 最高 低 更換膜費(fèi)用 低 中等 最低 高 通量 較高 中等 /低 最高 /較高 較高 單位體積膜面積 m2/m3 差 (2030) 很好 (萬 3萬 ) 好 /一般(400600) 好 (8001000） 保留體積 大 低 中等 中等 能耗 高 低 中等 中等 抗污染性 很好 差 好 /一般 好 /一般 128 （ 二 ） 操作方法 ? ① 分批濃縮操作 ? ② 透析過濾 ? ③ 連續(xù)操作 129 1. 分批濃縮 ?料液一次加入儲(chǔ)槽中，以泵進(jìn)行循環(huán)，同時(shí)有透過液流出，濃度逐漸增加，稱為 濃縮模式 。 ?一般循環(huán)液的體積流速應(yīng)為透過液的 10倍以上，以便其以高速流過膜面。 ?膜兩側(cè)的壓力差由背壓 閥調(diào)節(jié)，應(yīng)兼顧循環(huán) 速度增大和通量。 130 2 透析過濾 U F透 過 液泵貯 槽水 或 緩 沖 液透析過濾模式 : 料液中不斷加入水或緩沖液， 如虛線所示，即成為透析過濾模式） ? 在分批操作中，小分子和溶劑透過膜，而大分子在保留液留中，濃度逐漸增大，而通量逐漸降低，最后操作無法進(jìn)行。 ? 若需進(jìn)一步將小分子除去， 可以補(bǔ)充加入水，繼續(xù)進(jìn) 行超濾。 ? 通常的操作方式為連續(xù)地 加入水，其量與透過液 相等，保留液體積始終保 持不變。 131 3 連續(xù)操作 ? 在連續(xù)操作中，是將濃縮液不斷排除到系統(tǒng)之外； ? 可分為單級(jí)和多級(jí)操作，單級(jí)因膜組件中溶質(zhì)濃度一直保持在高位，透過通量低。 料液 濾液 料液 濃縮液 132 三級(jí)連續(xù)操作示意圖 料液 濃縮液 多級(jí)操作中，每一級(jí)各有一循環(huán)泵將液體進(jìn)行循環(huán)，各級(jí)都有一定量濃縮液進(jìn)入下一級(jí)，最后一級(jí)的循環(huán)液即為成品， 第 1級(jí)處理量大，所以膜面積也大，以后各級(jí)依次減小。 濾液 133 操作方式 分批濃縮模式 透析過濾模式 單級(jí)操作 多級(jí)操作 產(chǎn)品在系統(tǒng)中停留時(shí)間較短，對(duì)熱敏或剪切力敏感的產(chǎn)品有利，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，主要用于 大規(guī)模生產(chǎn) ，如奶制品工業(yè)中。連續(xù)操作中，級(jí)數(shù)愈多，則所需的總膜面積就愈小 在整個(gè)操作時(shí)間內(nèi)的平均濃度要低得多，平均通量較高，所需膜面積較小，裝置簡單，成本較低，但需要較大的儲(chǔ)槽，適用于 規(guī)模較小，藥物和生物制品 中。 134 思 考 題： ? 凝膠層模型 ？ ? 。 ? 3. 掌握膜過濾的影響因素 。 ? 4. 膜污染是哪些途徑造成 ？ 如何有效防止和清除膜污染 ？ 135 第三講 膜分離法的應(yīng)用 主要內(nèi)容 膜技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 膜生物分離技術(shù)實(shí)際應(yīng)用 136 （一）膜技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 海水淡化、高質(zhì)量飲用水、工業(yè)供水、醫(yī)藥用水 在各種工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 在環(huán)境保護(hù)和廢水的應(yīng)用 食品領(lǐng)域的應(yīng)用 5 、在制藥工業(yè)中的應(yīng)用 6 、發(fā)酵液的提取及精制 137 利用微濾或超濾進(jìn)行菌體或碎片的過濾分離是膜分離的重要應(yīng)用，優(yōu)點(diǎn)： ?濾液澄清，菌體回收率高 ?易于進(jìn)行無菌操作 ?目前適合菌體含量低的液體 二膜生物分離技術(shù)的應(yīng)用 138 例如：采用超濾法去除谷氨酸發(fā)酵液中的菌體，可以將發(fā)酵原液中固含量濃縮 10倍，為菌體的再利用創(chuàng)造條件； 超濾透過液中谷氨酸含量、 pH等理化指標(biāo)與發(fā)酵液相同，但不含菌體，且蛋白含量很低，再利用等電點(diǎn)法提取谷氨酸時(shí)，收率可達(dá)到 %，比傳統(tǒng)等電點(diǎn)法高 7個(gè)百分點(diǎn)。 膜分離技術(shù)的應(yīng)用 1 微生物菌體分離 139 2 大分子的純化與濃縮 ?根據(jù)大分子如酶的相對(duì)分子質(zhì)量，選擇適當(dāng)?shù)某瑸V膜，可進(jìn)行酶的濃縮和除去小分子物質(zhì)。 ?由于超濾膜的孔徑有一定的分布范圍，用超濾進(jìn)行蛋白質(zhì)的分級(jí)分離時(shí)，蛋白質(zhì)之間的分子量需相差10倍以上，否則難以分離。 ?利用超濾法純化蛋白質(zhì)，其分子量、濃度、帶電性質(zhì)等與通量有很大關(guān)系，必要時(shí)須對(duì)料液進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)減少膜對(duì)蛋白的吸附。 膜分離技術(shù)的應(yīng)用 140 脫乳糖奶粉的生產(chǎn) ?超濾法可截留原料乳中幾乎全部的蛋白質(zhì) ， 而允許乳糖（分子量 342）和灰分通過。通過透析過濾即不斷地在截留液中加水重復(fù)過濾， 可最大程度地去除乳糖和灰分，從而制取高蛋白含量的 脫乳糖奶粉 。 ?蛋白質(zhì) 原始狀態(tài)不會(huì)被打亂并遭破壞， 濃縮物可以保持原來的氨基酸含量， 酪蛋白與乳清蛋白 之比，具有產(chǎn)品的營養(yǎng)價(jià)值、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等，優(yōu)于他傳統(tǒng)方法 (如利用等電點(diǎn)凝結(jié)、酸凝結(jié)或其他方法沉淀 ) 。 ? 生產(chǎn)高蛋白含量（ 35％ ～ 85％）的脫鹽、脫乳糖的 乳清粉 ： 并將其用于生產(chǎn)冰淇淋和酸奶和其他乳制品。 膜分離技術(shù)的應(yīng)用 141 3 小分子產(chǎn)物的純化與脫鹽 ? 氨基酸、抗生素、有機(jī)酸和動(dòng)物疫苗等發(fā)酵產(chǎn)品的相對(duì)分子質(zhì)量在 2022以下， ? 發(fā)酵液進(jìn)行固液分離后，用超濾法使蛋白、多糖等大分子被截留， ? 然后利用反滲透或納濾法進(jìn)行濃縮、脫鹽和除去更小的雜質(zhì)。 膜分離技術(shù)的應(yīng)用 142 超濾 納濾 抗生素 稀溶液 H 2 O 無機(jī)鹽 1）抗生素：慶大霉素濃縮和純化 原工藝： 發(fā)酵液 ?過濾 ?離子交換 ?稀溶液 ?減壓濃縮 ?去熱源（活性碳） ?噴霧干燥（結(jié)晶） 該工藝缺點(diǎn)：抗生素為熱敏性物質(zhì)，濃縮時(shí)，部分破壞，色澤加深；濃縮耗能大。改用膜分離： 膜分離技術(shù)的應(yīng)用 143 4 除熱原 ?熱源（ pyrogen）又稱細(xì)菌內(nèi)毒素，是細(xì)菌新陳代謝和細(xì)菌死后分解的產(chǎn)物，主要成分是 脂多糖、脂蛋白 等， 相對(duì)分子質(zhì)量較大 。 ?熱源的致熱效能很強(qiáng)，人比動(dòng)物對(duì)熱源要敏感，在靜脈注射藥液時(shí)，如果將熱源帶進(jìn)血液，會(huì)對(duì)人體造成相當(dāng)大的危害。 ?傳統(tǒng)的針劑除熱源的方法是活性炭吸附 ,造成產(chǎn)品損失。 ?用超濾法除去熱源，如產(chǎn)品分子量 1000以下，可用截留分子量 1萬左右的膜比較合適。 膜分離技術(shù)的應(yīng)用 144 5 膜生物反應(yīng)器 ? 膜生物反應(yīng)器（ Membrane bioreactor,MBR）是生物反應(yīng)過程與膜分離過程耦合的生物反應(yīng)裝置， ? 可應(yīng)用于動(dòng)植物細(xì)胞的高密度培養(yǎng)、微生物 發(fā)酵和酶反應(yīng)過程與目的產(chǎn)物分離相結(jié)合。 膜分離技術(shù)的應(yīng)用 145 中空纖維膜生物反應(yīng)器 ? 培養(yǎng)基 循環(huán)液 高分子產(chǎn)物（單抗） 細(xì)胞 膜 高分子產(chǎn)物（單抗）細(xì)胞膜小分子產(chǎn)物 ? 用于動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)，動(dòng)物細(xì)胞生長于中空纖維膜組件的殼內(nèi)，小分子產(chǎn)物（廢棄物）不斷排出，新鮮的培養(yǎng)基連續(xù)灌注，可保證細(xì)胞長期穩(wěn)定并且高速度生產(chǎn)有用物質(zhì)。細(xì)胞密度可達(dá) 109/cm3。是工業(yè)培養(yǎng)雜交瘤細(xì)胞生產(chǎn)單克隆抗體的主要方法之一。 146 外循環(huán)式膜生物反應(yīng)器 底 物 （ 培 養(yǎng) 基 ）泵閥膜組件透過液▼產(chǎn)物反應(yīng)器膜組件截留酶或微生物菌體 ,而使小分子產(chǎn)物透過。 外循環(huán)式膜生物反應(yīng)器適用于連續(xù)微生物發(fā)酵和連續(xù)酶反應(yīng)過程。 膜分離技術(shù)的應(yīng)用 147 大豆蛋白活性肽的分離 ? 大豆蛋白活性肽 是指大豆蛋白質(zhì)經(jīng)蛋白酶的作用或通過現(xiàn)代微生物發(fā)酵技術(shù)，經(jīng)過特殊處理過程將大豆蛋白轉(zhuǎn)為人體 易吸收的 、 具有生物活性 的 肽混合物 （通常由多種分子鏈、長度不等的且相對(duì)分子質(zhì)量低于 1000的低分子）。 ? 肽混合物 含有少量游離氨基酸、糖類和無機(jī)鹽等成分。 ? 優(yōu)點(diǎn) ：其功能特性主要表現(xiàn)在營養(yǎng)豐富、易消化吸收。同時(shí)還具有 免疫復(fù)活功能 、能 緩沖血液中血糖 的上升 、 降低血壓 及 膽固醇 、促進(jìn) 脂肪代謝 、增強(qiáng)體能和 恢復(fù)疲勞及抗衰老 等。 148 大豆蛋白活性肽的分離 ? 在我國，大豆蛋白活性肽的生產(chǎn)方法主要有 酸法、酶法和微生物發(fā)酵法。 ? 微生物發(fā)酵法生產(chǎn)大豆蛋白活性肽其傳統(tǒng)工藝為： ? 豆粕 ——發(fā)酵 ——離心分離 —濃縮 —— 噴粉 — — 包裝。 ? 豆粕 ——發(fā)酵 ——無機(jī)陶瓷膜分離 —濃縮 —— 噴粉 — — 包裝 ? 現(xiàn)將傳統(tǒng)工藝中的離心分離工序改進(jìn)為直接使用 無機(jī)陶瓷膜進(jìn)行分離 ，提高分離效果。