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（一）概述
膜分离原理：低分子量物质可以通过特定的半透膜，而聚合物和其他高分子量的物质会被截留下来。当膜两侧存在某种推动力时（如压力差、浓度差、点位差），原料侧组分会选择性地透过膜从而达到分离提纯的目的。
膜分离特点：
1. 处理效率高，设备易放大；
2. 可在室温或低温下操作，适宜于热敏感物质的分离浓缩；
3. 化学与机械强度小，减少失活的可能性；
4. 无相转变，节能；
5. 有较好的选择性，可在分离、浓缩的同时达到部分纯化的目的；
6. 选择合适的膜与操作参数可以得到较高的回收率；
7. 系统可密闭循环，防止外来污染；
8. 不外加化学物质，透过液可以循环使用，降低成本，减少对环境的污染。
膜分离缺点：
1. 膜面易发生污染，造成膜分离性能降低；
2. 稳定性、耐药性、耐热性和耐溶剂性能有限；
3. 需要与其他分离技术联用。
（二）膜分离技术类型与膜材料
微滤(MF)：0.1 μm，用来截留悬浮固体和细菌。分为死端过滤和切向流过滤。
超滤(UF)：0.1 μm~1 nm，用来截留生物大分子（如蛋白质、病毒）或者有机体（胶体）。
纳滤(NF)：操作压小于1.5 MPa，截留分子量200~1000，NaCl的透过率不小于90%的膜。纳滤膜能截留小分子有机物并可以同时透析除盐，集浓缩与透析为一体。
反渗透(RO)：孔径1 nm，在高于溶液渗透压的压力作用下，只有溶液中的水可以透过膜。
膜组件：管式、平板式、螺旋卷式和中空纤维式。
（三）浓差极化与膜污染
浓差极化：分离过程中，料液中的溶剂在压力驱动下透过膜，溶质被截留，膜表面与邻近膜面区域溶质浓度越来越高。在浓度梯度作用下，溶质由膜面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力向膜面流动。当溶质向膜面的流动速度与浓度梯度下溶质向本体溶液的扩散速度达到平衡时，膜面附近形成一个稳定的浓度梯度区，这个区域称为浓度极化边界层，这一现象称为浓差极化。
浓差极化的危害：
1. 浓差极化使得膜表面溶质浓度增高，引起渗透压的增大，从而减小传质驱动力，主要发生在反渗透和纳滤中；
2. 当膜表面溶质浓度达到它们的饱和浓度时，便会在膜表面形成沉积层或者凝胶层，增加透过阻力，主要发生在反渗透、纳滤和超滤浓缩过程；
3. 膜表面沉积层或者凝胶层的形成会改变膜的分离特性；
4. 当有机溶质在膜表面达到一定浓度有可能对膜发生溶胀或溶解；
5. 严重的浓差极化会导致结晶析出，阻塞流道，运行恶化。
浓差极化是可逆的，只在膜分离过程中发生，两侧压差降至0时浓差极化消失。通过减少料液中溶质浓度，改善膜面流体力学条件，可以减轻浓差极化程度，提高膜的透过量。
膜污染：不可逆污染（吸附、堵塞）和可逆污染（浓差极化形成的凝胶层）。也可以分为内污染和外污染。内污染指的是料液中溶质在浓缩情况下结晶或者沉淀在膜孔内，使之发生不同程度地堵塞，导致膜的有效孔隙率下降，改变了膜的孔径分布；外污染是由于料液中某些成分与膜面间存在某种亲和力，使膜面流体极化边界层中的某些固体成分在膜面发生吸附和沉降。膜污染主要表现在膜通量下降、矿物质截留率下降、透膜压和两侧压差增大。
影响膜污染的因素：
1. 粒子或溶质大小：当粒子和溶质大小与膜孔径相近时，由于压力的作用，溶剂透过膜时把粒子带向膜面，极易产生堵塞作用；此外对于不同形态的聚合物来说，在溶液中的状态也会直接影响膜污染程度；
2. 膜结构：对于中空纤维超滤膜，单内皮层的要比双内皮层的更抗污染；
3. 膜、溶质和溶剂之间相互作用：1)静电力：膜材料溶剂化后带电与溶液中荷电溶质产生相互作用，若电性相反，则膜面易吸附溶质而被污染；2)范德华力；3) 溶剂化作用；4)空间立体作用；5) 膜的粗糙程度。
膜污染的控制：
1. 蛋白质对亲水性超滤膜主要表现为膜面的吸附和沉积，对疏水性膜主要表现为膜孔内的堵塞。一般亲水性的膜，受蛋白质的污染较小。
2. 膜孔径小于离子或溶质尺寸时，切向流作用下，它们在膜表面很难停留聚集，因而不容易堵住孔隙。
3. 膜结构选择：通常选择不对称的膜比较耐污染。
4. 组件结构选择：若产物在透过液，组件选择较为自由；若超滤浓缩，则不宜选择隔网作为料液流道的组件。
5. 溶液pH：在等电点时，蛋白吸附量最高，膜的透水性最低，因此用膜分离、浓缩蛋白质和酶时，体系pH一般要偏离等电点。
6. 溶液中的盐浓度：一是有些无机盐复合物在膜表面或膜孔内直接沉积，使得膜对蛋白质的吸附增强而污染膜；二是无机盐改变了溶液离子强度，进而影响蛋白质的溶解性、构象和悬浮状态，使得形成沉积层的疏密程度发生改变，对膜透水率产生影响。
7. 溶液温度：一般溶液温度升高，黏度下降，透水率提高，但是对某些蛋白质溶液来说，升高温度蛋白质溶解度下降，导致膜容易被堵塞。
8. 溶质浓度、料液流速和压力控制：浓差极化不明显时，膜的透水率随压力增加而线性增加；浓差极化起作用后，透水率随压力增加而曲线增加；当压力升高到一定程度后，浓差极化导致膜表面溶质浓度达到极限（饱和浓度cg），溶质在膜表面开始析出形成凝胶层，透水率此时和压力无关，反而溶质浓度下降或者提高料液流速，透水率仍然增加。
膜清洗：物理方法为加水冲洗后，再擦拭膜面；化学方法有加清洗剂如酶、稀酸稀碱、表活等，但是这种方法需要评估对膜的损伤。
（四）膜分离在生物工程中的应用
微生物的分离与收集：近年来发展的切向流过滤收集细胞的方法，具有回收率高、无需助剂、减少空气中病原体污染等优点。
超滤分级。
超滤亲和纯化：把超滤和亲和层析的优点结合了起来。步骤为：
(1) 亲和结合：把去除颗粒物后的粗料液与大分子亲和基混合，大分子亲和基与分离的生物产品分子有选择地发生亲和结合，形成高分子量聚合物；
(2) 洗涤：用选择合适截留分子量的超滤膜进行分离，由于复合物分子量远大于料液中其他成分，所以只有复合物被截留，从而得到纯化；
(3) 解离：采用加入低分子量亲和基或者改变溶液条件如pH、离子强度等方法使复合物解离，并进行超滤，解离后的产品分子透过膜后，进一步浓缩、纯化；
(4) 再生：解离后的大分子亲和基溶液用超滤的方法除去低分子亲和基或使溶液条件恢复原始状态以备再用。
亲和膜分离技术：把亲和配体键合在分离膜上，利用膜作为基质，对其进行改性，在膜的内外表面活化并耦合上配基，再按吸附、清洗、洗脱、再生的步骤对生物产品进行分离。当目标蛋白质通过时，就留在膜上，杂质则通过膜过滤掉。
