膜的亲和过滤

两个分支： 两个分支：
①亲和膜分离技术，制备带有亲和配基的分 亲和膜分离技术，制备带有亲和配基的分 离膜，直接进行产物分离； 离膜，直接进行产物分离； ②亲和—错流膜过滤，将水溶性或非水溶性 亲和—错流膜过滤， 高分子亲和载体与产物进行特异反应 亲和载体与产物进行特异反应， 高分子亲和载体与产物进行特异反应，然 后用膜进行错流过滤。 后用膜进行错流过滤。
第七章 膜亲和过滤法
本章的主要内容： 本章的主要内容： 亲和膜分离技术 亲和— 亲和—错流膜过滤
概述
随着生物工程和生命科学的迅速发展， 随着生物工程和生命科学的迅速发展，对生 物大分子分离纯化的要求越来越苛刻。 物大分子分离纯化的要求越来越苛刻。为获 高纯度、高质量、低成本的生物产品 的生物产品， 得高纯度、高质量、低成本的生物产品，突 破传统的分离方法， 破传统的分离方法，寻找一种既经济又有效 的新型分离途径已成为迫切需要。 的新型分离途径已成为迫切需要。 膜亲和过滤法是一项新兴的技术，兼有膜分 膜亲和过滤法是一项新兴的技术，兼有膜分 是一项新兴的技术 亲和色谱的优点 的优点， 离和亲和色谱的优点，可有效地进行生物产 品的分离和纯化。 品的分离和纯化。
亲和膜按形状可分为板式、圆盘式、 亲和膜按形状可分为板式、圆盘式、中空 板式 纤维式。 纤维式。 其中前两种统称为平板亲和膜。平板亲和 其中前两种统称为平板亲和膜。 膜可将膜片一层层叠加起来， 膜可将膜片一层层叠加起来，组成膜堆或 膜柱， 优点是自上而下比较均一 是自上而下比较均一， 膜柱，其优点是自上而下比较均一，结构 简单，成本低，缺点是单位体积内所占的 简单，成本低，缺点是单位体积内所占的 膜面积小，放大时操作压降较大。 膜面积小，放大时操作压降较大。
在传统的研究中，膜分离和亲和分离是两个平行 在传统的研究中， 发展的研究方向， 发展的研究方向，在生物分子的分离和纯化方面 各具特色，但也存在着一些不可克服的技术缺陷。 各具特色，但也存在着一些不可克服的技术缺陷。 膜分离过程设备简单，易于放大，成本低， 膜分离过程设备简单，易于放大，成本低，分离 速度快，可连续操作； 速度快，可连续操作；而亲和分离的选择性和特 异性较强。 异性较强。由膜与亲和分离相结合的亲和膜分离 技术，可发挥两者的特色，具有处理量大、选择 技术，可发挥两者的特色，具有处理量大、 性强、 性强、易于放大等显著优点。
7.1.1亲和膜的基本过程和操作方式 7.1.1亲和膜的基本过程和操作方式
（一）亲和膜的分离过程 ①分离膜的改性：即通过适当的化学反应， 分离膜的改性：即通过适当的化学反应， 在膜表面接上可反应的官能团或者是一定长 度的“间隔臂”(3个碳原子的化合物 个碳原子的化合物) 度的“间隔臂”(3个碳原子的化合物)。 常用的亲和膜载体材料 常用的亲和膜载体材料有：脂族烃类(聚乙烯、 亲和膜载体材料有 脂族烃类(聚乙烯、 聚丙烯) 芳香族共聚物(聚碳酸酯、聚砜、 聚丙烯)，芳香族共聚物(聚碳酸酯、聚砜、聚 醚砜) 脂族聚酰胺(尼龙6 尼龙66) 醚砜)，脂族聚酰胺(尼龙6、尼龙66)，以及一 些特殊的聚合物，如聚乙烯醇、纤维素。 些特殊的聚合物，如聚乙烯醇、纤维素。
7.1.5 亲和膜分离技术的应用
将水解后的尼龙66微孔膜用二溴丙烷活化， 将水解后的尼龙66微孔膜用二溴丙烷活化，接上 微孔膜用二溴丙烷活化 己二胺作间隔臂 再用戊二醛法固载上组氨酸 己二胺作间隔臂，再用戊二醛法固载上组氨酸， 间隔臂， 固载上组氨酸， 制得的亲和膜可成功地去除氨基酸注射液、牛血 制得的亲和膜可成功地去除氨基酸注射液、 清蛋白、溶菌酶等医药制剂中的内毒素，去除率 内毒素， 清蛋白、溶菌酶等医药制剂中的内毒素 在90％以上； 90％以上； 采用酰化一胺化和氯甲基化一胺化等途径对聚砜 膜进行改性，在芳环上引入末端氨基， 膜进行改性，在芳环上引入末端氨基，制得的亲 胰蛋白酶的固载化和 和超滤膜已被用于胰蛋白酶的固载化 和超滤膜已被用于胰蛋白酶的固载化和对其抑制 剂的亲和分离。 剂的亲和分离。
亲和膜的制备方法
微 孔 膜
亲和膜的作用机理
7.1.2亲和分离需解决的几个关键问题 7.1.2亲和分离需解决的几个关键问题： 亲和分离需解决的几个关键问题：
膜表面要有足够多并可利用的化学基团 足够多并可利用的化学基团(一般为 ①膜表面要有足够多并可利用的化学基团 一般为 一OH基)，使其能进行活化，接上合适的间隔臂 基 ，使其能进行活化， 和配基。 和配基。 ②要有足够数量可利用的化学基团则必需有足够 高的表面积，以便于让生物大分子自由地出入膜， 高的表面积，以便于让生物大分子自由地出入膜， 必需有足够大的孔径。 必需有足够大的孔径。
7.2 亲和—膜过滤 亲和—
概述
亲和— 亲和—膜过滤 (Affinity filtration) ，是1981年由 1981年由 Hedda等人首先提出并得到迅速发展的一种新型大规 Hedda等人首先提出并得到迅速发展的一种新型大规 模分离纯处技术。 模分离纯处技术。 亲和- 膜过滤技术既充分利用了载体上的配基对目标 亲和 膜过滤技术既充分利用了载体上的配基对目标 组分的专一的可逆的亲和吸附作用和超滤膜分离易于 组分的专一的可逆的亲和吸附作用和超滤膜分离易于 实现大规模生产的优点， 实现大规模生产的优点，又克服了超滤膜分离技术 对分子质量相近的大分子无法实现分离的缺点， 对分子质量相近的大分子无法实现分离的缺点，在生 物工程下游产品纯化过程中具有广阔的应用前景。 物工程下游产品纯化过程中具有广阔的应用前景。
7.1.3 操作方式
连接上的配基用于亲和膜用于分离时， 连接上的配基用于亲和膜用于分离时，主要 的操作方式有： 的操作方式有： ①亲和超滤 亲和超滤 ②亲和微滤 亲和微滤
亲和超滤过程（分离目标物的同时Байду номын сангаас浓缩其他 成分）
微孔亲和过滤过程（仅分离目标物） 微孔亲和过滤过程（仅分离目标物）
7.1.4 亲和膜组件的形式
③孔分布应窄而均匀，以获得高的通适量和 孔分布应窄而均匀， 分离效能。 分离效能。 ④为了实现快速分离，常要加压操作，因此 为了实现快速分离，常要加压操作， 要求膜有一定的机械强度 能承受力， 机械强度， 要求膜有一定的机械强度，能承受力，长 期使用不变形。 期使用不变形。 ⑤亲和膜要耐酸、耐碱、耐高浓度的缓冲浪 亲和膜要耐酸 耐碱、耐高浓度的缓冲浪 耐酸、 和有机溶剂。 和有机溶剂。
④洗脱：改变条件，加洗脱液的组成、pH 洗脱：改变条件，加洗脱液的组成、 离子强度、温度等． 值、离子强度、温度等．使复合物产生解 离并将解离物收集起来．进一步处理。 离并将解离物收集起来．进一步处理。 ⑤亲和膜再生：将解离后的亲和膜进行洗 亲和膜再生： 再生、平衡， 涤、再生、平衡，以备下次分离操作时再 用。
接配基的方法有：溴化氰活化法、 接配基的方法有：溴化氰活化法、高碘酸氧化 法和表氯醇法。 法和表氯醇法。
③亲和络合：将样品混合物缓慢地通过膜， 缓慢地通过膜 亲和络合：将样品混合物缓慢地通过 使样品中欲分离的物质与亲和配基产生特异 性相互作用，产生络合，生成配基和配位物 性相互作用，产生络合， 为一体的复合物，其余不和膜上配基产生亲 为一体的复合物， 和作用的物质则随流动相通过膜流走。 和作用的物质则随流动相通过膜流走。
③研究复杂体系的亲和纯化模型，模型确定 研究复杂体系的亲和纯化模型， 亲和纯化的操作条件，使生产达到最优化， 亲和纯化的操作条件，使生产达到最优化， 从而最大限度地利用膜上配基、 从而最大限度地利用膜上配基、增加产率 及活性收率。 及活性收率。 ④采用微处理器来控制其操作过程，实现亲 采用微处理器来控制其操作过程， 和膜分离过程吸附、清洗、洗脱、 和膜分离过程吸附、清洗、洗脱、再生的 自动化。 自动化。
膜分离是根据分子大小不同来实现分离的， 膜分离是根据分子大小不同来实现分离的，一 般相对分子质量相差 倍以上的物系才具有分 分子质量相差10倍以上 般相对分子质量相差 倍以上的物系才具有分 离作用， 离作用，因此它还远远不能满足生化分离的需 而生物亲和作用也存在载体价格昂贵; 要。而生物亲和作用也存在载体价格昂贵 色 谱柱易堵塞和污染等许多难以克服的缺点。 谱柱易堵塞和污染等许多难以克服的缺点。亲 和膜分离技术，综合了两种方法的优点， 和膜分离技术，综合了两种方法的优点，而且 相互互补克服缺点，具有传质阻力小、压降低、 相互互补克服缺点，具有传质阻力小、压降低、 设备体积小、配基利用率高等优点。 设备体积小、配基利用率高等优点。但在使用 过程中存在着膜的污染和膜孔堵塞等现象， 过程中存在着膜的污染和膜孔堵塞等现象，这 些现象的出现会使膜的分离效率下降、 些现象的出现会使膜的分离效率下降、寿命缩 短。
中空纤维亲和膜：单位体积内的面积大，放 中空纤维亲和膜：单位体积内的面积大， 大时可通过增加纤维数来实现， 大时可通过增加纤维数来实现，不会增加操 作压降，因而便于实现连续、自动、 作压降，因而便于实现连续、自动、规模化 操作．中空纤维亲和膜的主要缺点 缺点是 操作．中空纤维亲和膜的主要缺点是，由于 在膜管轴向与径向上存在流速分布， 在膜管轴向与径向上存在流速分布，流速不 同会导致亲和吸附的不均匀。 同会导致亲和吸附的不均匀。
②亲和膜制备：选用一个适合的亲和配基 亲和膜制备：
(Ligand)，在一定条件下让其与间隔臂分 Ligand) 子产生共价结合， 子产生共价结合，生成带有亲和配基的膜 分离介质。 分离介质。
（1）特异性配基：这类配基只与其对应的分子发生特 ）特异性配基： 异性结合，如抗原、抗体、抑制剂、激素、 异性结合，如抗原、抗体、抑制剂、激素、激素受体 等; （2）通用型配基：这类配基能与某一类物质结合，如 ）通用型配基：这类配基能与某一类物质结合， 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+ )辅酶能与许多需要这 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 辅酶能与许多需要这 种辅酶的酶结合。此外，由于活性染料的分子形状、 种辅酶的酶结合。此外，由于活性染料的分子形状、 大小以及电荷分布在某种程度上与辅酶相似， 大小以及电荷分布在某种程度上与辅酶相似，使之成 为较常用的通用型配基之一， 为较常用的通用型配基之一，比较常见的染料配基是 三嗪类染料。 三嗪类染料。