超滤详解（二）

第 二章  超滤解析

一、超滤的优点与不足

 与传统分离方法相比，超滤技术具有以下特点：

1、滤过程是在常温下进行，条件温和无成分破坏，因而特别适宜对热敏感的物质，如药物、酶、果汁等的分离、分级、浓缩与富集。

2、滤过程不发生相变化，无需加热，能耗低，无需添加化学试剂，是一种节能环保的分离技术。

3、超滤技术分离效率高，对稀溶液中的微量成分的回收、低浓度溶液的浓缩均非常有效。

4、超滤过程仅采用压力作为膜分离的动力，因此分离装置简单、流程短、操作简便、易于控制和维护。

5、超滤法也有局限性，它不能直接得到干粉制剂。对于蛋白质溶液，一般只能得到10～50％的浓度。

（一）、超滤的优点

1、超滤设备系统回收率高，所得产品品质优良，可实现物料的分离、纯化及高倍数浓缩。系统制作材质采用卫生级管阀，现场清洁卫生，满足GMP或FDA生产规范要求。  

2、系统工艺设计科学，集成化程度高，结构紧凑，占地面积少，操作与维护简便，工人劳动强度低。

3、操作简便，成本低廉，不需增加任何化学试剂，尤其是超滤技术的实验条件温和，与蒸发、冷冻干燥相比没有相的变化，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。在生物大分子的制备技术中，超滤主要用于生物大分子的脱盐、脱水和浓缩等。

4、处理过程无相变，对物料中组成成分无任何不良影响，且分离、纯化、浓缩过程中始终处于常温状态，特别适用于热敏性物质的处理，完全避免了高温对生物活性物质破坏这一弊端，有效保留原物料体系中的生物活性物质及营养成分。

5、超滤设备系统能耗低，生产周期短，与传统工艺设备相比，设备运行费用低，能有效降低生产成本，提高企业经济效益。

（二）、超滤的不足之处

1、超滤组件在出厂前需加入保护液，所以使用前要冲洗组件中的保护液。在使用产水时，应检查并确认产品水中不含有任何杀菌剂。

2、超滤组件属科学器材，要轻拿轻放，注意保护。组件若停用，要先用清水冲洗干净后，加甲醛水溶液进行消毒灭菌，并密封好。冬天组件要进行防冻处理，否则组件可能报废。

3、超滤法不能直接得到干粉制剂。对于蛋白质溶液，一般只能得到百分之五十的浓度。

二、超滤分类

过滤膜根据所加的操作压力和所用膜的平均孔径的不同，可分为微孔过滤、超滤和反渗透三种。

微孔过滤所用的操作压通常小于2×10^5 Pa，膜的平均孔径为500埃～14微米，用于分离较大的微粒、细菌和污染物等。

超滤所用操作压为1×10^5 Pa～6×10^5 Pa，膜的平均孔径为10-100埃，用于分离大分子溶质。

反渗透所用的操作压比超滤更大，常达到20×10^5 Pa～70×10^5 Pa，膜的平均孔径小，一般为10埃以下，用于分离小分子溶质，如海水脱盐，制高纯水等。

三、超滤的应用

超滤膜的截留分子量可为500道尔顿，在生物制药中可用来分离蛋白质、酶、核酸、多糖、多肽、抗生素、病毒等。超滤的优点是没有相转移，无需添加任何强烈化学物质，可以在低温下操作，过滤速率较快，便于做无菌处理等。所有这些都能使分离操作简化，避免了生物活性物质的活力损失和变性。

由于超滤技术有以上诸多优点，所以常被用作：

1、大分子物质的脱盐和浓缩，以及大分子物质溶剂系统的交换平衡。

2、大分子物质的分级分离。

3、生化制剂或其他制剂的去热原处理。

超滤技术已成为制药工业、食品工业、电子工业以及环境保护诸领域中不可缺少的有力工具。

四、滤膜

超滤技术的关键是膜。

膜有各种不同的类型和规格，可根据工作的需要来选用。早期的膜是各向同性的均匀膜，即常用的微孔薄膜，其孔径通常是0.05mm 和0.025mm。近几年来生产了一些各向异性的不对称超滤膜，其中一种各向异性扩散膜是由一层非常薄的、具有孔径的多孔“皮肤层”（厚约0.1mm～1.0mm），和一层相对厚得多的更易通渗的、作为支撑用的“海绵层”组成（厚约1mm）。皮肤层决定了膜的选择性，而海绵层增加了机械强度。由于皮肤层非常薄，因此通透性好、流量大，且不易被溶质阻塞而导致流速下降。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膜，例如聚砜膜、聚砜酰胺膜和聚丙烯腈膜等。这种膜在pH 1～14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1～2年。暂时不用，可浸在甲醛溶液或NaN3中保存。超滤膜的基本性能指标主要有：水通量；截留率（以百分率表示）；化学物理稳定性（包括机械强度）等。

五、超滤装置

超滤装置一般由若干超滤组件构成。

通常可分为板框式、管式、螺旋卷式和中空纤维式四种主要类型。由于超滤法处理的液体多数是含有水溶性生物大分子、有机胶体、多糖及微生物等。这些物质易粘附和沉积于膜表面上，造成严重的浓差化和堵塞，这是超滤法关键的问题，要克服浓差化，通常可加大液体流量，加强湍流和加强搅拌。

六、废水处理

在生物制品中应用超滤法有很高的经济效益，例如供静脉注射的盘血白蛋白（即胎白）通常是用硫酸铵盐析法、透析脱盐、真空浓缩等工艺制备的，该工艺流程硫酸铵耗量大，能源消耗多，操作时间长，透析过程易产生污染。大幅度提高了白蛋白的产量和质量，每年可节省硫酸铵6.2吨、自来水16000吨。目前国外生产超滤膜和超滤装置的厂家是美国的Milipore公司和德国的Sartorius公司。国内厂家有立升。

超滤在废水处理中的应用：

1、还原性染料废水处理；

2、电泳涂漆废水处理；

3、含乳化油废水处理；

4、生活污水处理

七、超滤膜过滤

一种孔径规格一致，额定孔径范围为0.001-0.02微米的微孔过滤膜。采用超滤膜以压力差为推动力的膜过滤方法为超滤膜过滤。

超滤膜大多由醋酯纤维或与其性能类似的高分子材料制得。处理溶液中溶质的分离和增浓，也常用于其他分离技术难以完成的胶状悬浮液的分离，其应用领域在不断扩大。以压力差为推动力的膜过滤可区分为超滤膜过滤、微孔膜过滤和逆渗透膜过滤三类。它们的区分是根据膜层所能截留的小粒子尺寸或分子量大小。以膜的额定孔径范围作为区分标准时，则微孔膜(MF)的额定孔径范围为0.02～10μm；超滤膜(UF)为0.001～0.02μm；逆渗透膜(RO)为0.0001～0.001μm。

由此可知，超滤膜用于处理溶液中溶质的分离和增浓，或采用其他分离技术难以完成的胶状悬浮液的分离。超滤膜的制膜技术，即获得预期尺寸和窄分布微孔的技术是非常重要的。孔的控制因素较多，如根据制膜时溶液的种类和浓度、蒸发及凝聚条件等不同可得到不同孔径及孔径分布的超滤膜。超滤膜一般为高分子分离膜，用作超滤膜的高分子材料主要有纤维素衍生物、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺及聚碳酸酯等。超滤膜可被做成平面膜、卷式膜、管式膜或中空纤维膜等形式，广泛用于如医药工业、食品工业、环境工程等。

筛子筛东西，将细小物体放行，而将个头较大的截留下来。超膜可将尺寸不等的分子筛分开来。超滤膜是一种具有“筛分”分离功能的多孔膜，它的孔径只有几纳米到几十纳米。在膜的一侧施以适当压力，就能筛出大于孔径的溶质分子，以分离分子量大于500道尔顿、粒径大于2～20纳米的颗粒。

超滤膜的结构有对称和非对称之分。前者是各向同性的，没有皮层，所有方向上的孔隙都是一样的，属于深层过滤；后者具有较致密的表层和以指状结构为主的底层，表层厚度为0.1微米或更小，并具有排列有序的微孔，底层厚度为200～250微米，属于表层过滤。工业使用的超滤膜一般为非对称膜。超滤膜的膜材料主要有纤维素及其衍生物、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚砜酰胺、磺化聚砜、交链的聚乙烯醇、改性丙烯酸聚合物等等。