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 石油短缺——汽车、飞机、船舶等 如何解决? 3、大熊猫-国宝?
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513膜操作特征) 浓度(凝胶)极化模型 料液滞留层膜透过液 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 d 质均被透过液传送到膜表面,不能完 dx 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 X=0 象谓之浓度极化或浓差极化( concen △p-△z tration polarization) 凝胶极化模型:膜表面附近浓度升高,增 7(+R 大了膜两侧的渗透压差,使有效压差 减小,透过通量降低。当膜表面附近|,=kh 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k=D/B 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( gel polarization)o =kIn 意义 3
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(concentration polarization)。 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(gel polarization)。 意义
5.14膜渗透通量的影响因素 操作形式 终端过滤(Dean- end filtration) 错流过滤( cross flow filtration,CFF) 流速: d =162Re· 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(Re4000,可用下 式计算传质系数 岛h=2=0.023Re”.$1 薄层流过滤 L:膜管的长度(m) Re=Reyl准数 拌褶过滤 d:膜管经(m) 是m准l数=n;/D2) △p=10kPa p:料液密度(kg/m3) k:从入口到管长为处的平均传质系数(ms) 式(5.28) Sh: Sherwood准数,u:流速(ms)n:料液黏 谷氨酸微球菌 度(Pas) Re x 10 不同菌体的透过通量与Re的关系
5.14 膜渗透通量的影响因素 操作形式 终端过滤(Dean-end filtration) 错流过滤(crossflow filtration,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 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(Pa s)
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。Wh? 无效性原因: 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 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Ap小,无浓度极化层,J与Ap成正比,此 时用: -△ n,Rm+R 纯水纯水 R大 B、当Ap大,有浓差极化,J的增长速率减慢, R小 此时用 J,=kIn b c增大 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J不再随△p的 增加。此时的J为此流速下的极限值(Jm), 用方程: y Ing C 透过通量与△的关系 D、Jm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 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, 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 J =kIn iE pH=6.0 04F A、从方程知, 0,2 系,随的增大而减小。实验证实 这一结论。 P乳球蛋白浓差c -乳球蛋白浓度透过通量的影响 B、 b=C2时,J0,利用 =kIn 和 稳态操作的条件下的J与c的关系数 据,可推算溶质形成凝胶层浓度c C、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 o406012b.1602 由于其他蛋白质的共存使蛋白质的 P乳球蛋白浓度/% 截留率上升 82乳球蛋白浓度对a淀粉酶截留率的影响 溶液;10mmol/dm3酮酸盐,2mmol/dm3CaCl2 搅拌转数=900/min;△p=0.MPa
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cg C、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 浓缩液 A、开路循环 料液浓度随体积变化方程 料液 透过液 =c00/) OR 浓缩倍数CF和回收率REC分别为 F CF=o/V REC=o/n) 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,如流量入 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 (0/2)42 Re ea chn lc B、闭路循环 C、连续操作
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(Da- 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 c=Co exp-( 1-R"D S:溶质初始浓度, V:料液体积, 洗滤后的溶质的浓度 VD:加水或缓冲液的体积 R:小分子溶质的截留率
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(Da- filtration) 意义 料液体积V越小,所需ⅴ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 t*In 洗滤操作所需的时间最短。此时,浓缩液浓度c*(ε为自然 对数) c /e g
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 Po 在错流过滤中,料液在膜组件内 存在压力分布,入口压力p高于 出口压力P。压降与流体流速有画 Output 关,根据 Poiseuille方程,层流条 P 件下的压力降为: Filtrate K1刀,Ln Pi-Pa d 而在湍流条件下,压力降为: K fn lu Pi-p 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 4× cross- area of fluid 对于其他管形,d为: perimeter of cross-area
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po。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：