上海交大 生化分离6 膜分离技术.ppt

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1、Questions汽车普及带来的问题1、汽车——铅中毒，尤其是对小孩发育的影响2、石油短缺——汽车、飞机、船舶等…如何解决？3、大熊猫---国宝？第五章膜分离技术(5.13膜操作特征)浓度(凝胶)极化模型适应范围：反渗透、超滤和微滤。浓度极化模型：在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高，见图。这种在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象谓之浓度极化或浓差极化(concen-trationpolarization)。凝胶极化模型：膜表面附近浓度升高，增大了膜两侧的渗透压差，使有效压差减小，透过通量降低。当膜

2、表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质会析出，形成凝胶层。即使分离含有菌体、细胞和其他固形成分的料液时，也会在膜表面形成凝胶层。这种现象谓之凝胶极化(gelpolarization)。意义5.14膜渗透通量的影响因素操作形式终端过滤(Dean-endfiltration)错流过滤(crossflowfiltration,CFF)：流速：流速对透过通量的影响反应在传质系数上，传质系数k,对于圆型管路的层流液(Re<1800)为:对于圆型管路的层流料液(Re>4000)，可用下式计算传质系数:L：膜管的长度(m)，d：膜管经(m)，l：料液密度(kg/m3)。k：从入

3、口到管长为L处的平均传质系数(m/s)Sh：Sherwood准数，u：流速(m/s),l：料液黏度(Pas)5.14膜渗透通量的影响因素意义：k随流速的增大而提高；因此，流速的增大，透过通量增大。适合条件：对蛋白质溶液以及小分子有效，但对细胞和胶体粒子的悬浮液无效。Why?无效性原因：A、错流过滤使凝胶层剥离和流动，从而实际的凝胶层比凝胶极化模型的计算值小；B、菌体物理性质(形状,大小,硬度和填充物等)和生物性质(粘性物质,c膜,壁结构成分,自溶等)不同5.14膜渗透通量的影响因素压力A、当p小,无浓度极化层,Jv与p成正比,此时用：B、当p大,有浓差极化,

4、Jv的增长速率减慢,此时用C、当p继续增加时，形成凝胶层，且厚度随压力的增大而增大，所以Jv不再随p的增加。此时的Jv为此流速下的极限值(Jlim)，用方程：D、Jlim随料液浓度而，随流速(搅拌速度)而。5.14膜渗透通量的影响因素料液浓度A、从方程知，Jv与-ln(cb-cp)呈线形关系，随cb的增大而减小。实验证实这一结论。B、当cb=cg时，Jv=0，利用和稳态操作的条件下的Jv与cb的关系数据，可推算溶质形成凝胶层浓度cgC、当料液含有多种蛋白质时，与单组分相比，总蛋白质浓度升高；因此，透过通量下降。从另一角度来看，由于其他蛋白质的共存使蛋白质

5、的截留率上升。5.15超滤操作方式浓缩:开路循环、闭路循环、连续操作A、开路循环料液浓度随体积变化方程浓缩倍数CF和回收率REC分别为意义：R越大，产物CF和REC越高。在开路循环中，循环液中溶质浓度不断上升，如流量和压差不变，透过通量将随操作时间不断降低。根据凝胶极化方程，达到浓缩目标所需时间为:B、闭路循环C、连续操作5.15超滤操作方式洗滤(Dia-filtration)：目的以除去菌体和高分子溶液中的小分子溶质在洗滤过程中，向原料液罐连续加入水或缓冲液，如保持料液量和透过通量不变，则目标产物和小分子溶质的物料蘅算方程是s0：溶质初始浓度，V：料液体积，s：洗

6、滤后的溶质的浓度，VD：加水或缓冲液的体积，Rs：小分子溶质的截留率。5.15超滤操作方式洗滤(Dia-filtration)：意义：料液体积V越小，所需VD越小。因此，洗滤前首先浓缩稀料液可减少洗滤液的用量。但浓缩后，目标产物浓度增大透过通量下降。所以，存在最佳料液浓度，使洗滤时间最短。设目标产物的R=1，小分子溶质的Rs=0，浓缩后料液体积为V，洗滤过程中其浓度和透过流量不变，目标产物浓度和洗滤时间分别为：洗滤操作所需的时间最短。此时，浓缩液浓度c*(e为自然对数)：5.16错流过滤的流体动力学在错流过滤中，料液在膜组件内存在压力分布，入口压力pi高于出口压力p

7、o。压降与流体流速有关，根据Poiseuille方程，层流条件下的压力降为：而在湍流条件下，压力降为：上二式中，d为水力直径，L为膜长度，K1和K2分别是与流道形状有关的无因次系数，f为与Reynolds准数有关的无因次系数。对于管式膜，d为管子的直径；对于其他管形，d为：5.16错流过滤的流体动力学设透过侧压力=0，则平均透膜压差为意义：A、当pi不变时，进出口压降越小，透膜压差越大，这对提高JV有利。B、但二方程显示，压降越小，流速越低，即JV下降。C、事实上，各种膜有其承受的最大压力(入口压力)有限。所以如pi=耐压极限，存在最佳循环流速(或膜内压降)，使