2. 膜基础与分离原理

超滤与透析同属膜分离技术，二者都依靠一张半透膜把料液分成透过液与截留液，但驱动传质的“动力”和“选择性来源”并不相同。理解这一点，是后续设计浓缩倍数、透析换液量、清洗周期和污染控制策略的基础。本节围绕四个核心概念展开：传质机制、截留分子量、筛分与扩散过程，以及浓差极化与膜污染的引入。

一、两种驱动力：压差传质与浓度差传质

超滤以跨膜压差（TMP）为驱动力。料液侧加压后，水和小分子溶质被压过膜孔，而粒径大于膜孔的大分子、胶体、颗粒被截留。其通量可用简化关系描述：

J = TMP / (μ · R_total)
R_total = R_m + R_cp + R_f

其中 J 为膜通量（L·m⁻²·h⁻¹），μ 为料液黏度，R_m 为膜自身阻力，R_cp 为浓差极化层阻力，R_f 为污染层阻力。这个式子说明：通量不只由压差决定，还受黏度和各类附加阻力影响。压差提高初期通量近似线性上升，但当浓差极化与污染层形成后，继续升压的收益迅速衰减，甚至因压实效应使通量不升反降。

透析则以膜两侧浓度差为驱动力，不依赖外加压力。小分子溶质从高浓度侧向低浓度侧扩散，直至接近平衡；大分子被膜截留而留在原侧。透析的传质速率常用总传质系数与平均浓度差表示：

N = K · A · ΔC_lm

N 为溶质传质速率，K 为总传质系数（含膜阻与两侧边界层阻力），A 为膜面积，ΔC_lm 为两侧浓度差的对数平均值。可见透析效率取决于膜面积、浓度差和边界层厚度，而不是压力。实际透析操作中，通过不断更换透析液维持浓度差，是提高去除率的关键手段。

二、截留分子量：膜的选择性标尺

截留分子量（MWCO，Molecular Weight Cut-Off）是表征超滤膜孔径选择性的常用指标，通常定义为能被膜截留约90%的溶质分子量。例如标称 MWCO 为 10 kDa 的超滤膜，对分子量 10 kDa 左右的球形蛋白截留率约为90%，对明显小于该值的溶质则大部分透过。需要强调三点：

• MWCO 是统计性指标，不是锐利的分界线。分子量接近 MWCO 的溶质往往部分透过，实际截留率随分子形状、电荷、浓度和操作条件变化。
• 分子形状影响显著。同样分子量下，线性柔性链分子比紧密球形蛋白更容易穿过滤孔，因此用 MWCO 判断截留效果时要结合分子构象。
• 选膜应留出安全余量。若目标产物分子量为 30 kDa，选用 10 kDa 膜可保证较高截留；若选用 30 kDa 膜，则截留率可能不足，造成产物损失。

下表给出常见超滤膜 MWCO 与典型应用对象的对应关系，可作为选型起点（示例性归纳，实际需以小试截留率验证）：

三、筛分与扩散：两种不同的传质路径

超滤的分离主要依靠筛分效应：膜表面与内部孔道构成尺寸筛，小于孔径的溶质随溶剂流穿过，大于孔径的被阻挡。同时，膜材质与溶质之间的电荷作用（如带负电的膜对带负电蛋白的排斥）也会影响透过行为，这称为道南效应，在脱盐和缓冲液置换中不可忽视。

透析的分离主要依靠扩散：溶质在浓度梯度作用下从高浓度侧穿过膜进入低浓度侧，其速率与分子扩散系数相关。小分子扩散系数大，快速趋于平衡；大分子扩散系数小，几乎不迁移。因此透析天然适合“去小留大”，如去除盐分、更换缓冲体系，而不适合快速浓缩——因为透析不移除溶剂，体积基本不变。

四、浓差极化与膜污染：通量衰减的两个来源

超滤过程中，被截留的溶质在膜表面不断累积，形成浓度高于主体料液的边界层，这就是浓差极化。它使局部渗透压升高、有效推动力下降，表现为通量随时间快速下降。浓差极化是可逆的：降低压差、提高错流流速或短暂反冲后，通量可大部分恢复。其程度可用浓度极化模数 β = C_wall / C_bulk 描述，β 越大，通量损失越明显。

膜污染则是溶质吸附、沉积、孔道堵塞或形成凝胶层，导致膜阻力不可逆上升。污染类型包括蛋白吸附、胶体沉积、微生物滋生和结垢。与浓差极化不同，污染往往需要化学清洗才能部分恢复，严重时不可逆。工程上判断二者贡献，可观察“降压后通量是否恢复”：若恢复明显，以浓差极化为主；若恢复有限，则污染已占主导。

控制策略上，提高错流流速可减薄边界层、抑制浓差极化；控制 TMP 在临界通量以下可减缓污染；定期反冲与按污染类型选择清洗剂（如碱性清洗去蛋白、酸性清洗去结垢）是维持通量的常规手段。这些内容将在后续章节结合具体工艺参数进一步展开。