《制藥工程》PPT課件.ppt

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1、膜分離技術(shù),膜分離技術(shù),定義:利用天然和人工合成的，具有選擇透過性的薄 膜，以外界能量或化學(xué)位差為推力，對(duì)雙組分 或多組分體系進(jìn)行分離、分級(jí)、提純或富集的 技術(shù),膜分離技術(shù),膜分離技術(shù)是21世紀(jì)最為先進(jìn)的分離技術(shù)之一，隨著膜材料、膜組件、膜設(shè)備的不斷改進(jìn)，膜分離技術(shù)已成為現(xiàn)代制藥工業(yè)和醫(yī)療中技術(shù)革新的重要手段,膜分離技術(shù),膜分離技術(shù)在短短的時(shí)間迅速發(fā)展起來，已廣泛有效地應(yīng)用于石油化工、生化制藥、醫(yī)療衛(wèi)生、冶金、電子、能源、輕工、紡織、食品、環(huán)保、航天、海運(yùn)、人民生活等領(lǐng)域，形成了獨(dú)立的新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)。目前，世界膜市場以每年遞增14-30速度發(fā)展,膜分離技術(shù),膜分離技術(shù)得到世界各國的普遍重視

2、，歐、美、日等發(fā)達(dá)國家投巨資立專項(xiàng)進(jìn)行開發(fā)研究，已取得在此領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。我國在“六五”、“七五”、“八五”、“九五”以及863、973計(jì)劃中均列為重點(diǎn)項(xiàng)目，給予支持,膜分離技術(shù),目前已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用的膜分離過程有微濾(MF)、超濾(UF)、反滲透(RO)、滲析(D)、電滲析(ED)、氣體分離(GS)、滲透汽化(PV)、乳化液膜(ELM)等八種 還有許多正在開發(fā)研究中的新膜過程，它們是膜萃取、膜蒸餾、雙極性膜電滲析、膜分相、膜吸收、膜反應(yīng)、膜控制釋放、膜生物傳感器等。這些膜過程目前尚處在小型試驗(yàn)和中試階段,膜分離技術(shù),膜分離過程的共同優(yōu)點(diǎn)是成本低、能耗少、效率高、無污染并可回收有用物質(zhì)，特別適合

3、于性質(zhì)相似組分、同分異構(gòu)體組分、熱敏性組分、生物物質(zhì)組分等混合物的分離,分離膜,分離膜是指能以特定形式限制和傳遞流體物質(zhì)的分隔兩相或兩部分的界面。膜的形式可以是固態(tài)的，也可以是液態(tài)的。被膜分割的流體物質(zhì)可以是液態(tài)的，也可以是氣態(tài)的。膜至少具有兩個(gè)界面，膜通過這兩個(gè)界面與被分割的兩側(cè)流體接觸并進(jìn)行傳遞。分離膜對(duì)流體可以是完全透過性的，也可以是半透過性的，但不能是完全不透過性的。膜在生產(chǎn)和研究中的使用技術(shù)被稱為膜技術(shù),分離膜,1.定義 在流體相內(nèi)或兩個(gè)流體相之間有一薄層 凝聚相物質(zhì)把流體相分隔成兩部分，此薄層 物質(zhì)就是膜 2.特性 a 必須有兩個(gè)界面 b 具有選擇透過性,膜原料側(cè)稱為膜上游 透過

4、側(cè)稱為膜下游,膜的種類及結(jié)構(gòu),1.按膜的材料分類 合成聚合物膜、無機(jī)材料膜等,膜的種類及結(jié)構(gòu),2.按膜的分離原理及適用范圍分類 根據(jù)分離膜的分離原理和推動(dòng)力的不同，可將其分為微孔膜、超過濾膜、反滲透膜、納濾膜、滲析膜、電滲析膜、滲透蒸發(fā)膜等3.按膜斷面的物理形態(tài)分類 根據(jù)分離膜斷面的物理形態(tài)不同，可將其分為對(duì)稱膜，不對(duì)稱膜、復(fù)合膜、平板膜、管式膜、中空纖維膜等,膜的種類及結(jié)構(gòu),對(duì)稱膜: 膜兩側(cè)截面結(jié)構(gòu)及形態(tài)相同，孔徑與孔徑分布基本一致 膜厚度約為10-200m 有疏松和致密兩種，致密目前工業(yè)少用,膜的種類及結(jié)構(gòu),非對(duì)稱膜 由致密的表皮層及疏松的多孔支撐層組成， 致密層厚度約為0.1-0.5m，

5、支撐層厚度約為50-150m 表皮層與疏松的多孔支撐層材料相同,膜的種類及結(jié)構(gòu),復(fù)合膜 一種具有表皮的非對(duì)稱膜，但表皮材料與用作支撐層的對(duì)稱或非對(duì)稱膜材料不同 皮層可以多層疊合,膜材料,要求： 1.具有良好的成膜性能和物化穩(wěn)定性 2.耐酸、堿、微生物侵蝕和耐氧化等 3.耐壓、耐溫（分離0-80 清洗110 ） 4.化學(xué)相容性 能耐各種化學(xué)物質(zhì)的侵蝕 5.生物相容性 不使蛋白質(zhì)和酶發(fā)生變性，無抗原性 6.低成本,膜材料,1.合成聚合物膜材料（高分子膜 多采用） 纖維素類、聚酰胺類、芳香雜環(huán)類、聚 砜類、聚烯烴類等 2.無機(jī)膜 金屬及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷等,膜材料,無機(jī)膜優(yōu)點(diǎn)： 1.熱穩(wěn)定性

6、好，適用于高溫（可達(dá)400）、高壓體系 2.化學(xué)穩(wěn)定性好，能耐酸和弱堿，pH值范圍寬 3.抗微生物能力強(qiáng)，與一般的微生物不發(fā)生生化及化學(xué)反應(yīng) 4.無機(jī)膜組件機(jī)械強(qiáng)度大 5.清潔狀態(tài)好，本身無毒，容易再生和清洗 6.孔分布窄，分離性能好,膜材料,無機(jī)膜缺點(diǎn)： 1. 沒有彈性、比較脆 2. 不易成型加工 3. 用于造膜的材料少 4. 成本較高 5. 強(qiáng)堿條件下受到侵蝕,膜分離性能表示法,包括 ： 1.物化穩(wěn)定性 指膜的強(qiáng)度、允許使用壓力、溫度、pH值以及對(duì)有機(jī)溶劑和各種化學(xué)藥品的抵抗性，他是決定膜的作用壽命的主要因素 2.分離特性 主要包括分離效率、滲透通量和通量衰減系數(shù)三個(gè)方面,分離效率：用表觀

7、分離率RE表示 RE =（1-CP/Cb）100% CP膜的透過液濃度 Cb上游側(cè)主體溶液濃度 滲透通量：單位時(shí)間內(nèi)通過單位膜面積的透過 物量，用JW表示 Jw=V/St V-透過液的容積或質(zhì)量 S-膜的有效面積 t-運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間,通量衰減系數(shù)：膜的滲透通量由于過程的濃度極化、膜的壓密以及膜污染等原因?qū)㈦S時(shí)間而衰減，用衰減系數(shù)m表示 JT=J1tm JT、J1- 膜運(yùn)轉(zhuǎn)t小時(shí)和1小時(shí)后的透過速度 t-運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間 m衰減系數(shù)（通量衰減因子）,膜組件,將膜、固定膜的支撐材料、間隔物或管式外殼通過一定的粘合或組裝構(gòu)成的一個(gè)單元，是膜分離裝置的核心 主要有板框式、卷式、管式、中空纖維式，

8、前二種使用平板膜，后二種使用管式膜,操作方式 膜的操作方式可分為死端操作和錯(cuò)流操作 1.死端操作（無流動(dòng)操作） 所有原料均被強(qiáng)制通過膜，原料 中被截留組分的濃度隨時(shí)間不斷增加， 因而滲透量隨時(shí)間而減少，易受污染,2)錯(cuò)流操作 原料以一定組成進(jìn)入膜組件并平行流過膜表面，沿膜組件內(nèi)不同位置，原料組成逐漸變化，原料流分為兩股：滲透物流和截留物流,操作方式,膜分離技術(shù),推動(dòng)力 適用的分離范圍 應(yīng)用 微濾 壓力差 0.01-10 微米 除顆粒物及細(xì)菌 超濾 壓力差 0.001-0.01微米 除病毒、熱原和蛋白 納濾 壓力差 切割分子量200-1000 分子的濃縮

9、反滲透 壓力差 離子級(jí) 去除無機(jī)鹽、金屬離子 滲透汽化 分離物的分壓 分離物濃度在0.1%-10 % 水/ 有機(jī)物 有機(jī)物/ 有機(jī)物分離 透析 濃度差 切割分子量50-10,000 血液凈化 氣體分離 分壓差 分離物在膜中的相對(duì)溶解性 富氧的制備,各種分離技術(shù)的特點(diǎn),,,,膜分離技術(shù)類型,1)反滲透 當(dāng)純水和鹽水被理想半透膜隔開，理想半透膜只允許水通過而阻止鹽通過，此時(shí)膜純水側(cè)的水會(huì)自發(fā)地通過半透膜流入鹽水一側(cè)，這種現(xiàn)象稱為滲透，若在膜的鹽水側(cè)施加壓力，那么水的自發(fā)流動(dòng)將受到抑制而減慢，當(dāng)施加的壓力達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，水通過膜的凈流量等于零，這

10、個(gè)壓力稱為滲透壓力，當(dāng)施加在膜鹽水側(cè)的壓力 大于滲透壓力時(shí)，水的流向就會(huì)逆轉(zhuǎn)，此時(shí)，鹽 水中的水將流入純水側(cè)，上述現(xiàn)象就是水的反滲 透（RO）處理的基本原理,膜分離技術(shù)類型,適合制備反滲透膜的主要原料有芳香族聚酰胺類、纖維素的醋酸酯類、殼聚糖等，目前僅有芳香族聚酰胺類、纖維素的醋酸酯類用于商品化,膜分離技術(shù)類型,2)超濾 超濾是一種加壓膜分離技術(shù)，即在一定的壓力下，使小分子溶質(zhì)和溶劑穿過一定孔徑的特制的薄膜，而使大分子溶質(zhì)不能透過，留在膜的一邊，從而使大分子物質(zhì)得到了部分的純化與濃縮 優(yōu)點(diǎn)：a.操作簡便，成本低廉，不需 增加任何化學(xué)試劑 b.沒有相的變化，而且不引起 溫度、

11、pH的變化，因而可以防止生物大分子的變性、 失活和自溶,超濾膜組件,膜分離技術(shù)類型,超濾膜 常用的膜一般是由乙酸纖維或硝酸纖維或此二者的混合物制成。近年來為適應(yīng)制藥和食品工業(yè)上滅菌的需要，發(fā)展了非纖維型的各向異性膜，例如聚砜膜、聚砜酰胺膜和聚丙烯腈膜等。這種膜在pH114都是穩(wěn)定的，且能在90下正常工作。超濾膜通常是比較穩(wěn)定的，若使用恰當(dāng)，能連續(xù)用12年,管式膜,膜分離技術(shù)類型,3）納 濾 納濾(NF)介于反滲透和超濾之間，膜的孔徑范圍在幾個(gè)納米左右，膜表面分離皮層一般可具有納米級(jí)的分離微孔結(jié)構(gòu)。納濾是以壓力差為推動(dòng)力的膜分離過程 優(yōu)點(diǎn)：a.能截留透過超濾膜的小相對(duì)分子質(zhì)量的有機(jī)物

12、 b.能透析反滲透膜所截留的部分無機(jī)鹽,膜分離技術(shù)類型,納濾膜 納濾膜的成膜材料基本上與反滲透材料相同。商品化納濾膜的膜材質(zhì)主要有以下幾種：醋酸纖維素(CA)、磺化聚砜(SPS)、磺化聚醚砜(SPES)和聚乙烯醇(PVA)等,膜分離技術(shù)類型,4)電滲析 利用半透膜的選擇透過性來分離不同的溶質(zhì)粒子（如離子）的方法稱為滲析。在電場作用下進(jìn)行滲析時(shí)，溶液中的帶電的溶質(zhì)粒子（如離子）通過膜而遷移的現(xiàn)象稱為電滲析 優(yōu)點(diǎn)：去除水中能離解成陰、陽離子的無機(jī)鹽類,A：陰離子膜，K：陽離子膜；D：稀室，C：濃室,應(yīng) 用,藥學(xué)： 1.生物和醫(yī)藥制品的澄清、滅菌 2.生物和醫(yī)藥制品的除熱原和病毒 3.生物和醫(yī)藥

13、制品的濃縮、分離和純化 4.滅菌水、除熱原水和注射水的制備,應(yīng) 用,醫(yī)學(xué)： 1.血液凈化（透析） 2.空氣滅菌和凈化 3.醫(yī)用膜制氧設(shè)備 4.膜式人工肺,應(yīng) 用,透析： 原理: 溶質(zhì)(低分子)由A側(cè)通過擴(kuò)散透過膜，溶劑（水）由B側(cè)根據(jù)滲透原理透過膜-進(jìn)行相互移動(dòng) 經(jīng)一段時(shí)間后，兩側(cè)液體中的小分子物質(zhì)和水達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡-這種現(xiàn)象 稱為透析,是一種擴(kuò)散控制的，以濃度梯度為驅(qū)動(dòng)力的膜分離方法,目的：借助這種擴(kuò)散速度的差，使A側(cè) 兩組分以上的溶質(zhì)得以分離,應(yīng) 用,透析膜： 是一種以濃度差為推動(dòng)力的分離膜。根據(jù)分離的溶質(zhì)的粒徑，要求分離膜上有相適應(yīng)的孔徑均勻的微孔。膜孔徑在1m以下的有機(jī)高聚物的均質(zhì)

14、膜，是一類不帶電荷的多孔膜,應(yīng) 用,透析特點(diǎn)： 1. 分離目的：大分子溶質(zhì)溶液脫小分子；小分子溶 質(zhì)溶液脫大分子 2. 截留物尺寸：0.001-1m(工業(yè)0.02m,人工腎0.005m ) 3. 透過膜的物質(zhì):微小溶質(zhì),較小溶質(zhì) 4. 推動(dòng)力：為濃度差,應(yīng) 用,透析特點(diǎn)： 5. 傳質(zhì)/選擇性機(jī)理:微孔膜中的篩分,受阻擴(kuò)散 6. 供料和滲透物的相態(tài): 液體 7. 流動(dòng)形式: 多采用“錯(cuò)流” 8. 膜類型：非對(duì)稱膜、離子交換膜,應(yīng) 用,理想透析膜材料的特點(diǎn)： 1. 膜材料純度高，不含有任何對(duì)生體有害的物質(zhì) 2. 具有優(yōu)良的生物相容性，對(duì)蛋白質(zhì)無特異吸附 3. 有穩(wěn)定的物理、化學(xué)性能和良好的力學(xué)性

15、能 4. 能經(jīng)受消毒處理而不影響結(jié)構(gòu)、性能,應(yīng) 用,理想透析膜材料的特點(diǎn)： 5. 加工成型方便，膜表皮層及支撐層的孔隙率盡可能高，以獲得更高的通量 6. 孔徑分布應(yīng)盡可能窄，使膜對(duì)所有被希望脫除分子的篩分系數(shù)都接近于1 7. 透析器的封裝材料不能含有亞甲基二苯胺、不會(huì)釋放環(huán)氧乙烷等,應(yīng) 用,膜材料： 有天然纖維素及其衍生物與合成聚合物兩大類 纖維素類：醋酸纖維素、再生纖維素等 合成聚合物類：聚酰胺、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚砜、聚 烯烴、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,已商業(yè)化的人工腎使用的透析膜材料,應(yīng) 用,人工

16、腎： 血液透析俗稱人工腎，即將血液與透析液分置于一人工合成的半透膜兩側(cè)，利用各自不同的濃度和滲透壓互相進(jìn)行擴(kuò)散和滲透的治療方法。血液透析可將患者體內(nèi)多余水及代謝廢物排出體外，并從透析液中吸收機(jī)體缺乏的電解質(zhì)及堿基，以達(dá)到糾正水電解質(zhì)及酸堿平衡的目的,應(yīng) 用,人工腎構(gòu)成： 由透析器、透析液供給裝置和自動(dòng)監(jiān)護(hù)裝置三部分組成，通過血液回路把人體與透析型人工腎連接起來 透析器是人工腎的關(guān)鍵部件之一，血液透析過程就在透析器中進(jìn)行,應(yīng) 用,應(yīng) 用,人工肝： 人工肝技術(shù)是借助體外機(jī)械、化學(xué)或生物性裝置，暫時(shí)部分替代肝臟功能，從而協(xié)助治療肝功能不全、肝衰竭或相關(guān)肝臟疾病 人工肝作為肝衰竭時(shí)人

17、體肝臟的替代裝置和肝功能的輔助裝置，其在臨床得到廣泛地應(yīng)用,應(yīng) 用,人工肝以及血液凈化的技術(shù)基礎(chǔ)之一就是各類膜材料的使用。利用膜分離技術(shù)將人體血液中愈量的代謝廢物、毒物、致病物質(zhì)以及其他有害的溶質(zhì)，從血液中分離出去，恢復(fù)血液的正常溶質(zhì)的濃度，保持血液與人體的正常生理功能,PLASMAPHERESIS (血漿置換)目的：凈化血液 基本原理：是利用血細(xì)胞分離機(jī)，在體外將患者的血液分離成血漿和血細(xì)胞成分，然后棄去含有害致病物質(zhì)的血漿，用等量的置換液代替 BIOREACTOR (生物反應(yīng)器) 生物反應(yīng)器內(nèi)大量肝細(xì)胞，通過一層半透膜與血漿或血液進(jìn)行物質(zhì)交換，實(shí)現(xiàn)體外人工肝臟的代謝、合成和解毒等功能

18、,應(yīng) 用,人工肺： 又稱氧合器，根據(jù)生物肺肺泡氣體交換原理，利用高分子纖維膜作為交換的主要場所，完成氧氣和二氧化碳的交換。其基本功能是將靜脈血中的二氧化碳排走, 同時(shí)將氧氣加入到血中, 以暫時(shí)或長時(shí)間取代自然肺的作用 目前主要用于心胸手術(shù)中的心肺旁路（體外循環(huán)）、呼吸輔助（體外膜式氧合器、體內(nèi)膜式氧合器）,應(yīng) 用,膜式人工肺的核心部件是放置在血流中的微孔纖維膜（中空纖維），血?dú)飧髯咭贿?，氧氣和二氧化碳在膜兩?cè)的轉(zhuǎn)移主要通過氣體分壓梯度彌散，血液則不能通過膜,應(yīng) 用,空氣無菌過濾： 金屬膜和陶瓷膜具有堅(jiān)固、耐酸堿、耐高溫、可反復(fù)使用等特點(diǎn), 常用于條件苛刻的情況, 如高壓消毒氣的進(jìn)氣過濾、儲(chǔ)存罐和無菌室的空氣除菌過濾, 除去空氣中的噬菌體、桿菌等 膜技術(shù)滅菌與傳統(tǒng)滅菌方法的最大區(qū)別是: 傳統(tǒng)方法是通過將細(xì)菌殺死, 來達(dá)到殺菌目的, 而膜技術(shù)則并不殺死細(xì)菌, 它是將細(xì)菌截留在膜的進(jìn)料側(cè), 使透過液中不含細(xì)菌, 從而達(dá)到除菌目的,應(yīng) 用,膜技術(shù)在藥學(xué)和醫(yī)學(xué)已得到了廣泛應(yīng)用, 但目前, 膜技術(shù)的進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用還受到幾個(gè)方面的約束, 一是價(jià)格, 二是膜的污染, 三是膜分離性能的提高, 如果這幾個(gè)方面的問題能有效地解決, 則膜技術(shù)在藥學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)上將會(huì)發(fā)揮更大的應(yīng)用,