扫流式膜过滤分离原理

掃流式膜過濾分離原理

蛋白質是細胞內蘊藏最豐富的有機大分子，也是活細胞機能運作的主要成份，因此他有各種不同的用途。欲將某蛋白質從其存在的起始環境中純化成為特殊用途的單一物質，需經由一連串複雜的回收、純化、品質分析與控制等程序始能達成。進行一個蛋白質分離純化過程最主要的目的就是去除雜質，濃縮純化所欲得之蛋白質使其成為一穩定並立即可使用的形式。

本實驗是採取過濾的方式分離純化蛋白質。過濾是一很傳統的固液分離技術，將樣品泵過具特別孔徑的多孔濾膜，理論上大於孔徑的物質留在殘留液(retentate)，小於孔徑的物質穿過濾膜成為濾過液（filtrate或permeate）。經由不同濾膜選擇，可以在filtrate或retentate得到想要的物質。

過濾依膜孔徑大小可分為：

1.微過濾（microfiltration，MF）---處理0.1至10μm的粒子；常用的膜有0.1，0.2，0.45μm等均勻對稱孔狀結構（應用於懸浮粒子的去除、醱酵中蛋白質或細胞的回收、清洗等）。

2.超過濾（ultrafiltration，UF）---處理0.1μm至1nm的粒子，其濾膜表面不對稱。（應用於濃縮分離不同分子大小的物質及緩衝液之交換等用途）

3.逆滲透（RO，reverse osmosis）---處理1nm以下的粒子，此粒子本身大小因素外，亦受鹽、金屬離子本身的擴散係數及價電數的影響，因此RO通常用來阻擋水以外的所有物質。

Note：有些濾膜孔徑大小以能通過之分子量大小表示（MW CO：molecular weight cut-off）一般膜分離(membrane separation)的成效，通常由兩個指標判定：濾液通量(filtration flux)及溶質選擇率(selectivity) ，其中濾液通量尤為膜過濾性能的重要指標。在過濾過程中濾液通量衰減現象的原因，可以歸納成濃度極化(concentration polarization)及膜結垢(membrane fouling)等兩個主要因素。濃度極化現象通常是一個可逆的過程，主要是因為過濾的進行，將溶質或粒子帶向濾膜表面而形成一個高濃度的邊界層。此外固體微粒亦可能在濾膜表面上累積形成濾餅造成過濾的阻力。膜結垢則是因為溶質或粒子在濾材孔道內的阻塞，為一個不可逆的過程，此現象可能導因於粒子的吸附、流體力學特性、或是化學變化而發生。一般而言，降低濃度極化及預防結垢可以採用的方法有：(1)透過清洗或逆洗的步驟來去除結垢物；(2)利用薄膜模組內流場的設計來避免膜面上粒子的堆積及結垢，如膜面附加刮刀攪拌、掃流方式操作或於模組內置入擾流物等；降低膜材料對進料粒子的親和性來減低結垢物的堆積與吸附；(3)其他，如外加震波、超音波、電場或磁場來減少結垢等均有人採用。

本實驗所採用掃流式過濾（cross-flow filtration）---是利用溶液平行流過濾面，產生平行剪切應力，掃除堆積於濾膜表面的粒子，使得小於濾膜孔徑的分子隨著時間仍能維持高濾速垂直穿過濾膜，而不增加操作阻力，因此以掃流過瀘方法進行膜過濾其壓力較小，可以進行量產規模之過濾。不過如何控制影響膜介面

(掃流速率會影響介面剪切速率)是掃流式過濾的重點；其中進出口壓力差(P in–

P out)直接影響掃流速率(或剪切速率)的大小，即影響濾膜表面濾餅堆積情形。而透膜壓差(TMP)，可視為(P in + P ou t)/2，則直接影響濾液通量。此二因素搭配合宜才能增加操作流速和產物之回收。

掃流式過濾方式乃利用pump將欲濾液平行地流過濾膜表面，借平行的流動剪切應力限制濾餅的成長，達到高速連續過濾的目地。搭配濾膜材質的選擇，掃流式膜過濾是近來在微生物菌体之分離、濃縮或蛋白質分離純化的主流。

常見的掃流式過濾器有板框式、中空纖維式、螺旋式、多套管式等不同模式，操作各有優缺點。例如：中空纖維式的packing density最大（約9000-30000m2/m3）；板框式可容許較高的流体含量而仍不致於造成阻力。這些設計一大特點即為提高流動時的剪切應力，模組內各膜間之距離相當小，在0.5-0.4mm之間。不過此設計也造成流動時壓力降相當的高。

雖然用掃流的作用來限制濾餅的成長，但在長時間的過濾下，濾速仍會衰退，主要原因是膜孔被小粒子阻塞或吸附所致，統稱membrane fouling (膜垢)。尤其遇到濾液本身內含物相當複雜且多時，fouling現象會更嚴重。在眾多避免fouling的方法下，仍以不斷的逆洗為最佳方式。但一般高分子膜很難受強力的逆洗衝擊，無機陶瓷材質的濾膜除了可直接逆洗之外，也可用較強的酸鹼條件來清洗膜，在fouling的避免上是一大利器。