第六章 膜分离3

多级串联连续操作
膜技术的应用
膜分离法在生物产物的回收和纯化方面的应用可归纳为 以下几个方面: (1)细胞培养基的除菌; (2)发酵或培养液中细胞的收集或除去; (3)细胞破碎后碎片的除去; (4) 目标产物部分纯化后的浓缩或洗滤除去小分子溶质; (5) 最终产品的浓缩和洗滤除盐; (6) 制备用于调制生物产品和清洗产品容器的无热原水.
但如前所述,膜分离的最大问题是膜污染引起的透 过通量大幅度下降.如合理地解决膜污染和清洗问题, 保持较高的透过通量,错流过滤将会替代传统的过滤技 术和离心分离技术,成为菌体分离的重要手段. 2 小分子生物产物的回收 氨基酸,抗生素,有机酸和动物疫苗等发酵产品的 相对分子质量在2000以下,因此选用MWCO为l×104一 3×104的超滤膜,可从发酵液中回收这些小分子发酵产物, 然后利用反渗透法进行浓缩和除去相对分子质量更小的 杂质.
超滤浓缩和分级分离酶,生产部分纯化的酶 制剂已实现工业规模,其中的关键问题是如何抑 制酶的失活和膜对酶的吸附.超滤过程中,不适 宜的温度,pH和离子强度以及流动引起的剪切作 用均可能引起酶的失活.超滤膜对酶的吸附不仅 造成酶的收率下降,还会使透过通量降低,影响 分离速度.
由于超滤膜的孔径有一定的分布范围,利用 超滤膜进行蛋白质分离时,蛋白质之间的分子量 差需在10倍以上,否则难以分离.80年代以来, 人们注重研究膜分离与生物特异性结合作用相结 合的亲和超滤技术和亲和膜层析技术的开发.亲 和超滤即利用亲和配基修饰的可溶性高分子物质 特异性吸附目标蛋白质,增大目标蛋白质与杂蛋 白之间分子大小的差别,从而有效地纯化目标蛋 白质.亲和膜层析则将亲和配基固定在微滤膜孔 表面,特异性吸附目标分子,透过其他杂蛋白,
膜生物反应器(Membrane Reactor) Reactor)
通过膜分离过程和生物反应过程的耦合,实现 反应-分离一体化,并可减少底物抑制,提高目 标产物的产率.
�
V0 CF = Vc
Vccc cc 1 R= = V0c0 c0 CF
cc = c0 (CF)R
R = (CF)
R1
c f = (V0c0 Vccc ) /Vf
例1, 有浓度为2%的蛋白质溶液,欲使蛋白质分 别浓缩至4%,10%和20%,计算不同截留率情况 下蛋白质的收率.
例2,浓缩1000dm3浓度为2%的蛋白质溶液,所 用膜组件对蛋白质的截留率为1,透过流量为Q (dm3/h)= 500ln( cs / c ), cs = 27% 计算浓缩不 , 同程度所需的时间. 根据公式: dV = Qdt 根据浓差极化模型,在完全截留的情况下, 透过液的流量可用下式表示: Q = J = k ln cs
c
V0 c (c0 / c)1/ R 存在如下方程: t = ∫c0 cln( cs / c)dc Rk
将各种参数带入上式,得到浓缩倍数与时间 的关系见下表:
2,洗滤或透析: 在悬浮粒子或大分子的透析过滤中, 产物被膜截留住,低相对分子量溶质 (盐,蔗糖和醇)则通过膜.主要以 除去菌体或高分子溶液中的小分子溶 质为目的. 透析过程中向原料罐中连续加入水或缓冲液, 若保持料液量和透过通量不变,则目标产物和小 分子溶质的物料衡算式为:
3,纯化:采用这一工作模式纯化不同分子量的
蛋白质,分子量较小的溶质进入透过液 中,分子量较大的物质被截留.产物在 纯化过程中的总回收率R为:
R= Vf cf V0c0
Vf 和 V 分别为透过液和初始浓缩液体积. 0
中空纤维膜的工作模式 中空纤维膜的工作模式分为超滤,再循环, 逆洗. 超-微滤系统的操作方式: 1,开路循环 2,闭路循环 3,连续操作
4,纳米过滤在生物分离中的应用 (1) 纳米过滤在抗生素的回收与精制上的应用
在抗生素的生产过程中,抗生素常用溶剂萃取法 进行分离提取,如赤霉素,青霉素常被萃取剂-乙酸乙 酯或乙酸丁酯萃取到有机溶剂中,后续工序常用真空 蒸馏或共沸蒸馏进行浓缩.若用膜过滤法进行浓缩, 则要求用于分离的膜必须具有良好的耐有机溶剂的性 能,同时还应具有良好的疏水性能,以便排斥抗生素, 提高其选择性.现MPW公司生产的MPF—50和MPF—60的膜, 可以用于上述过程,其中透过该膜的纯化了的有机溶 剂,可继续作萃取剂循环使用,而浓缩液中为高浓度 的抗生素.此外,在抗生素的萃取过程中,一般在水 相残液中还含有0.1%一1%抗生素和溶解的较多量的 有机溶剂,如果我们用亲溶剂并稳定的膜MPF—42,则 同样能回收抗生素与溶剂.
V — 料液体积; VD—流加水或缓冲液的体积(透过液体积); Rs — 小分子溶质的截留率
s0— 小分子溶质的初始浓度;
例3,例2中的蛋白质溶液中盐浓度为1%,选用的 膜组件完全透过盐.其它条件同例2.欲使蛋白 质浓缩至20%,透析使盐浓度降至0.01%,计算 浓缩不同程度后所需的洗滤时间.
浓缩不同程度后所需的洗滤时间.
dc V = QC(1 R) dt ds V = QS(1 Rs ) dt
积分上两式
VD c = c0 exp[(1 R) ] VD = Qt V
s0 VD 1 = ln( ) V 1 Rs s
对于浓缩过程,R=1时
V0 c = c0 V
当RsБайду номын сангаас0时
V s0 t = ln Q s
s — 透析后的小分子溶质浓度;
1,菌体分离 利用微滤或超滤操作进行菌体的错流过滤分离是膜 分离法的重要应用之一.与传统的滤饼过滤和硅藻土过 滤相比,错流过滤法具有如下优点: (1)透过通量大; (2)滤液清净,菌体回收率高; (3)不添加助滤剂或絮凝剂,回收的菌体纯净,.有利 于进一步分离操作(如菌体破碎,胞内产物的回收 等); (4)适于大规模连续操作. (5)易于进行无菌操作,防止杂菌污染.
从而实现目标蛋白的纯化.利用荷电膜与氨基酸, 蛋白质间的静电相互作用可分离分子量相近而等 电点不同的氨基酸或蛋白质. 例如,利用磺化聚砜膜(带负电荷)可分离肌 红蛋白(MW=17000,pJ=6.8)和细胞色素C (MW=12400,pJ=10.6).在pH9.2的溶液中细 胞色素C带正电荷,与磺化膜相互吸引,完全透 过膜(R=0),但肌红蛋白带负电荷,受磺化膜的 静电排斥作用,截留率较高,从而实现二者的分 离.
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根据蛋白质的相对分子质量,选择适当MWCO 的超滤膜,可进行蛋白质的浓缩和去除其中的小 分子物质,回收率可达95%以上.收率的部分降 低主要是由于膜的吸附以及操作中剪切作用引起 的蛋白质变性. 超滤浓缩和分级分离酶,生产部分纯化的酶 制剂已实现工业规模,其中的关键问题是如何抑 制酶的失活和膜对酶的吸附.超滤过程中,不适 宜的温度,pH和离子强度以及流动引起的剪切作 用均可能引起酶的失活.超滤膜对酶的吸附不仅 造成酶的收率下降,还会使透过通量降低,影响 分离速度.
膜的分离操作
超-微滤的工作模式可分为浓缩,透析和纯化三种. 1,浓缩 主要用于以菌体或蛋白质浓缩为目的的膜分离. 在浓缩悬浮粒子或大分子的过程中,产物被截留 在料液罐中.
在分批浓缩中,浓缩物的最终体积Vc,可由其 初始体积V0和透过体积Vf之间的质量平衡来确定. Vc = V0 – Vf 体积浓缩系数CF
此外,抗生素等发酵产物中常含有超过药检允许量 的致热原(pyrogen),直接使用会引起恒温动物的体温升 高,制成药剂前需进行除热原处理.热原一般由细菌细 胞壁产生,主要成分是脂多糖,脂蛋白等,相对分子质 量较大.如果产品的相对分子质量在1000以下,使用 MWCO为l×104的超滤膜可有效地除去热原,并且不影响产 品的回收率.
(2)纳米过滤在各类肽的纯化与浓缩中的应用 纳米过滤在各类肽的纯化与浓缩中的应用
在制药工业中,常用色谱柱从混合有机物或水溶液 中纯化肽和多肽化合物并接着进行洗脱液的浓缩,通常 采用蒸发过程来完成,现可用亲溶剂并稳定的膜MPF—42 来进行肽与多肽的浓缩. 使用溶剂稳定的SelRO膜显示出两个优点:(1)纳米 过滤与蒸发浓缩过程相比可在低温下进行肽和多肽的浓 缩并使浓缩过程从几天缩短到几个小时,同时可以得到 完整的产品.(2)浓缩过程同时可以进行产品的纯化,这 是因为小分子的有机污染物和小分子盐将与溶剂同时透 过膜而肽和多肽被膜截留.
蛋白质的回收, 蛋白质的回收,浓缩与纯化 胞外的蛋白质产物在微滤除菌的同时即可从滤液中 回收,由于滤液清净,对进一步的分离纯化操作非常有 利.蛋白质的透过与其相对分子质量,浓度,带电性质 以及膜表面的吸附层结构,溶液的pH,离子强度和膜的 孔径,结构有关.因此,对特定的蛋白质,需根据其分 子特性,选择合适的膜,并对料液进行适当的预处理(如 调节pH,离子强度等),以提高目标产物的回收率.一般 来说,胞外产物的收率较高,而胞内产物从细胞的破碎 物中回收,收率较低.这是由于菌体碎片微小,容易对 膜造成污染和形成吸附层,阻滞蛋白质的透过.有研究 认为,使用非对称膜时,料液从孔径较大的一侧(惰性层) 流过,可大大改善目标蛋白的收率.