模塊2-3超濾膜分離海帶多糖分離情景視野拓展視野拓展超濾技術概況所謂的膜，是指在一種流體相內或是在兩種流體相之間有一層薄的凝聚相，它把流體相分隔為互不相通的兩部分，并能使這兩部分之間產生傳質作用。分離情景膜分離過程原理：以選擇性透膜為分離介質，通過在膜兩邊施加一個推動力（如濃度差、壓力差或電位差等）時，使原料側組分選擇性地透過膜，以達到分離提純的目的。通常膜原料側稱為膜上游，透過側稱為膜下游。膜上游

透膜

膜下游選擇性透膜分離情景超濾膜的過濾原理分離情景超濾技術過濾的分類過濾的操作方式切向流（TFF）過濾的基本概念分離情景微濾超濾反滲透/納濾膜分離過程過濾的分類?分離情景

濾膜孔徑分布0.1kD-2.0kD反滲透納濾

超濾微濾0.1-0.65μm1kD–1000kD0.001-0.10um0.001kD-0.5kD0.00005-0.001um分離情景區分譜圖分離情景過濾方式普通過濾

(NFF)濾芯形式或“死過濾”流向是垂直于過濾介質的

所有的液體全部透過過濾介質

顆粒被截留在過濾膜內部或表面切向流過濾

(TFF)

交叉流動過濾

流向是切向(平行)于過濾膜表面的一小部分液體透過過濾介質截留的顆粒從膜的表面被”掃除””分離情景切向流（TFF）過濾系統模型儲罐膜夾具

泵Pp

透過液Q

T回流液P

FP

R回流閥透析/補料

泵分離情景%Passage=透過率[]retentate[]permeatex100%Retention=100-%Passage截留率基本TFF術語Retentate回流液Permeate透過液%Passage透過率%Retention截留率分離情景

體積/升112234567891011面積/平方米時間/小時Litres/(SquareMetrexHour)orLMH升/(平方米X小時)

Flux:通量基本超濾術語分離情景Start500L,1g/LFinishVCF=VinitialVfinal

體積濃縮因子濃縮倍數基本超濾術語X=CfinalCinitial分離情景Concentration濃縮分離情景Concentration濃縮分離情景Operation:Diafiltration

操作:透析Diafiltrationistheadditionofafluid(buffer)tothefeedtankduringaUFoperationwhilepermeateisbeingremovedfromthesystem透析是當透出液被從系統中去除,在料液罐中加入另外一種液體(緩沖溶液)Inclarificationapplicationsitisdonetoimproveremovalofpassingspecies在澄清的應用中,它是用來提高透出物的透出效率的Inconcentrationapplicationsitisdonetochangethebuffer

在濃縮的應用中,它是用來置換緩沖溶液的分離情景Diafiltration透析分離情景Diafiltration透析分離情景Diafiltration透析分離情景Diafiltration透析分離情景Diafiltration透析分離情景Diafiltration透析分離情景Diafiltration透析分離情景Diafiltration透析分離情景DiafiltrationVolume透析體積

N(Diavolumes)

Termtodescribethenumberofwashvolumesusedduringaconstantvolume

diafiltration

process透析過程中以等體積透析所用的透析體積N=Vdf/VrBasedonvolume根據體積算Vr=VolumeofLiquidintankVdf=TotalVolumeofDFBufferVr50lVdfVdf500lN=500/50=10基本超濾術語分離情景TransmembranePressure跨膜壓PressureDrop壓降-PP2Tmp=PF+PRΔP=PF

-PR=k.QPFeed(PF)Pretentate(PR)PFiltrate(PP)FeedFlowQFlux基本超濾操作參數TMP=(30+20)/2-2=23psiPressure,psi30202InletOutletPermeateDP=30-20=10psi分離情景海帶多糖的提取技術從海帶中發現3種多糖:褐藻膠、褐藻糖膠、褐藻淀粉。褐藻膠和褐藻糖膠是細胞壁填充物，褐藻淀粉存于細胞質中。褐藻膠在海帶中相對含量最豐富，約為19.17%，有水溶性和水不溶性兩種，主要由葡萄糖的多聚物組成。分離情景海帶多糖的提取技術海帶多糖經提取工藝后得到粗品，需要經過一定的分離純化過程，現介紹比較先進的超濾法分離海帶多糖。生產訂單：海帶多糖提取物100kg，總多糖>20%，其中褐藻糖膠（HPLC）≥2.0％，水分<5%，灰分<5%，國標檢測（苯酚-硫酸法）；價格：￥200元/Kg分離情景

海帶粗多糖配制成100μg/mL溶液→取上述溶液1000mL超濾（截留分子量10000、50000、100000）→收集透過液和截留液→用硫酸-蒽酮法測定每段溶液中總糖的含量。注：為基本流程線；為截流液

為透過液海帶粉熱水浸提離心分離上清液殘渣浸提離心殘渣MWC1萬MWC5萬MWC10萬1萬以下10萬以上5萬~10萬1萬~5萬操作流程超濾工藝的優化分離情景教師講解超濾技術的核心部件是超濾膜，分離截留的原理為篩分，小于孔徑的微粒隨溶劑一起透過膜上的微孔，而大于孔徑的微粒則被截留。膜上微孔的尺寸和形狀決定膜的分離效率。超濾膜均為不對稱膜，形式有平板式、卷式、管式和中空纖維狀等。超濾膜的結構一般由三層結構組成。即最上層的表面活性層，致密而光滑，厚度為0.1～1.5μm，其中細孔孔徑一般小于10nm；中間的過渡層，具有大于10nm的細孔，厚度一般為1～10μm；最下面的支撐層，厚度為50～250μm，具有50nm以上的孔。支撐層的作用為起支撐作用，提高膜的機械強度。膜的分離性能主要取決于表面活性層和過度層。分離情景中空纖維狀超濾膜的外徑為0.5～2μm。特點是直徑小，強度高，不需要支撐結構，管內外能承受較大的壓力差。此外，單位體積中空纖維狀超濾膜的內表面積很大，能有效提高滲透通量。

分離情景制備超濾膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纖維素等。超濾膜的工作條件取決于膜的材質，如醋酸纖維素超濾膜適用于pH=3～8，三醋酸纖維素超濾膜適用于pH=2～9，芳香聚酰胺超濾膜適用于pH=5～9，溫度0～40℃，而聚醚砜超濾膜的使用溫度則可超過100℃。分離情景超濾技術主要用于含分子量500～500,000的微粒溶液的分離，是目前應用最廣的膜分離過程之一，它的應用領域涉及化工、食品、醫藥、生化等。分離情景超濾的主要應用Clarification澄清Concentration濃縮Desalting脫鹽Bufferexchange緩沖溶液的置換Fractionation/purification分離/純化分離情景Bio/PharmaceuticalProcessSteps

生物工程/制藥領域超濾的應用Clarification-separatingcells/cellulardebris

澄清-分離細胞/細胞碎片cellharvesting(priortolysis)細胞收集cellremoval細胞去除Concentration-removingwater/buffer

濃縮-去除水/緩沖溶液priorto/afterchromatography層析前/后priortofillandfinish灌裝BufferExchange/Desalting-removingsalts

緩沖溶液的置換/脫鹽-除鹽priorto/afterchromatography層析前/后priortofillandfinish灌裝前后Purification-removingcontaminants

純化-去除污染物removalofnativeproteins/endotoxin去除雜蛋白/內毒素產品Proteinsandpolypeptides

蛋白和多肽Polysaccharides多糖Virusesand

virus-likeparticles

病毒和類病毒顆粒Nucleicacids核酸Antibody抗體分離情景UsesofTFFinPurifyingIntracellularProteinsfromBacteria細菌胞內蛋白質純化過程中TFF的應用細胞收獲MechanicalDisruption(lysis)菌體破碎不溶性蛋白可溶性蛋白溶菌液的澄清過濾發酵TFFTFF蛋白復性/折疊胞含體的收集(centrifuge)復性液去除/復性層析前澄清和/或濃縮(TFFand/orcartridgefiltration)離子交換,凝膠/或親和層析緩沖溶液的置換或濃縮除菌過濾最終無菌灌裝TFFTFF1234TFF53110SM分離情景UsesofTFFinPurifyingExtracellularProteinsfromYeastorMammalianCells酵母或哺乳動物細胞胞外蛋白質純化中TFF的應用有血清培養基13110SM234培養基置換（僅限哺乳動物細胞）無血清培養基（僅限哺乳動物細胞）TFFTFFTFFTFFFermentationorCellCulture發酵或細胞培養細胞分離或澄清蛋白產物上柱前澄清過濾和/或濃縮(TFFand/orcartridgefiltration)離子交換或親和層析(MultipleSteps)最終無菌灌裝除菌過濾緩沖溶液的置換和濃縮(MultipleSteps)分離情景Clarification澄清Concentration,desaltingandbufferexchange濃縮,脫鹽和緩沖溶液的置換Solventremoval去除溶劑UsesofTFFinNaturalExtractedProductProcessing超濾在天然萃取產品生產中的應用Serumproteins血清蛋白Plantextracts植物提取液Tissueextracts組織提取液分離情景PolarizationandFouling:ConsequencesandControl

濃差極化與堵塞的成因與控制CROSSFLOWFLUX透過BulkConcentrationCbMEMBRANESURFACEConcentrationPolarization濃差極化與堵塞成因與控制WallConcentrationCw分離情景部分濃差極化的膜未濃差極化的膜濃差極化膜濃差極化機理分離情景PolarizationandFouling極化與堵塞Whatispolarizationandhowdoesitrelatetofouling?什么是極化,及它與堵塞的關系Whataretheirimpactsandeffects?它們的影響和結果是什么?Howdowecontrolthem?如何控制?Polarization:bybalancingpressure,cross-flowandpermeateflux通過平衡壓力，控制切向流速和通透量Fouling:bycarefulmembranechoiceandselectionofoptionalfeedadditives(e.g.,antifoams)通過仔細選擇超濾膜和相應輔助試劑(如防沫劑)分離情景DefinitionsofPolarizationandFouling

有關術語Polarization極化Accumulationofsolutesretainedbythemembraneinaconcentratedlayerclosetothemembranesurface溶質在膜的表面濃縮層附近被膜截留并聚集在一起Affectedbycross-flow,TMP,temperatureandconcentration受切向流速、膜透壓、溫度和濃度的影響Reversible可逆轉的Fouling堵塞Solutesadsorbingtothemembraneorblockingthepores溶質吸附在膜的表面堵塞膜孔Irreversibleandtime-dependent不可逆轉和時間依賴性分離情景Polarization

極化CirculatingfeedVelocityProfileConcentrationProfilemembraneMasstransferboundarylayercwallVwall

=0HydrodynamicboundarylayerPorousSubstrateProduct產品cbulkVbulkCenterLineRepresents101%ofConc.Represents99%ofVelocity分離情景PolarizationinMFandUF

TFF

極化的形成FormsaHighConcentrationLayer形成一個高濃度層分離情景ControllingPolarization

濃差極化的控制

Increasethemixingofthepolarizationlayerbackintothebulktangentialflowofthefeed/retentate 通過對進口/及回流的樣品進行充分的攪拌可有效地破壞極化層分離情景HowtoControlPolarization

濃差極化的控制Cross-flowrate切向流速TMP膜透壓Temperature溫度Turbulence渦流Solutesolubility溶質的可溶解性Ionicstrength/pHmonitoring 離子強度/PH值監測分離情景BalanceTMP&Cross-flowRate平衡膜透壓和切向流速

Principle-

Membranesmustremaincleanbybalancingparticledepositionandparticleremoval

原則-

通過顆粒的沉淀和去除之間的平衡來保持膜表面的清潔

CorrectSystemOperation

BalancesBothFactorsRemoval去除Deposition沉積分離情景Deposition:沉淀:TransMembranePressure(TMP)膜透壓(TMP)SoluteConcentration溶質濃度Removal:去除:Cross-flowrate切向流速ReduceTMP/Diffusion減小膜透壓Prevention:預防:TurbulencePromoters渦流促成物MembraneSelection 膜的正確選擇CorrectSystemOperation

BalancesBothFactorsRemovalDepositionBalanceTMP&Cross-flowRate平衡膜透壓和切向流速降低濃差極化ReducePressure降低壓力Reduceconcentrationatmembranesurface降低表面的濃度Highvelocitygradient速度梯度Thinchannelsand/orturbulencepromoters膜流道的選擇Shortfeedflowpathlength進口的路徑MoveMembrane移動膜MoveLiquid移動溶液MembraneSelection膜的選擇分離情景EffectsofFouling堵塞的影響Slowsfiltrationrate過濾速度慢Increasesresistancetofluidflownearmembranesurface 膜表面附近流體流動的阻力增大Makescleaningmoredifficult使清洗更加困難Requiresmoreaggressivecleaningconditions,whichmayreducemembranelife.需要更強的清洗條件，這將縮短膜的壽命DecreaseseffectivemembraneNMWL

降低膜的有效分子量精度NMWLChangesmembrane'sretentionofsolutes

改變膜對溶質的截留能力Reducesrecoveryofconcentratedsolutes 降低濃縮后溶質的回收率分離情景

堵塞的成因Particlesphysicallyorchemicallyadheringtosurfaceandblockingporeentrances 顆粒通過物理或化學作用吸附在膜的表面，阻塞了膜孔通道Particlesgettingintoporesandblockingpores顆粒嵌入孔內，堵塞膜孔Solutesdepositingandprecipitatinginsidepores,blockingpores溶質在孔內沉淀并快速聚集，堵塞膜孔分離情景FoulinginMFandUF

堵塞的成因分離情景HowtoControlFouling

堵塞的控制

選擇對溶質有較小吸附的膜材料避免操作條件低溶解度等電點溶液的電荷與膜相反在超濾前進行予處理將污染物去處分離情景PolarizationSummary

極化現象總結Polarizationisanincreaseinconcentrationatthemembranesurfacecausedby:極化是發生在膜表面的溶液濃度增大的現象，由以下原因引起:IncreasedTMP膜透壓升高FeedConcentration進料濃度較高LaminarFlow層流Polarizationcanbecontrolledby:極化可通過以下方法控制:LoweringTMP降低膜透壓Increasingthesweepingactionacrossthemembrane增加膜的接觸面積Ifpossiblekeepfeedconcentrationslow盡可能地使用濃度較低的料液MaintainingTurbulentFlow保持湍流分離情景OptimiseKeyVariables

主要優化變量MembraneselectionandFouling(膜的選擇)TMP(膜透壓)Crossflow(切向流速)ConcentrationFactor(濃縮倍數)DiafiltrationPoint(透析點)Recovery(產品回收)分離情景在初始濃度考察膜的堵塞情況Foulingcharacterisation

Fluxvs.timeatlowTMP&recommendedcrossflow但在10~20分鐘后會穩定.通量可能衰減60%0204060800102030Time,minFlux,lmh分離情景Acceptablesituationiffluxiseconomical良好的堵塞情況沒有堵塞的情形Fluxvs.timeatlowTMP&recommendedQGoodsituationTime,min6668707202040Flux,lmh部分堵塞情形,

butStabilizesFluxvs.time

atlowTMP&recommendedQ05010002040Time,minFlux,lmh分離情景Solution:更換膜的類型，防止吸附或堵塞不好的堵塞情況持續堵塞

Fluxvs.time

atlowTMPfailstostabilize--continueddeclineafter15-20mins020406080010203040Time,minFlux,lmh分離情景TMP優化在特定流量考察TMP與Flux關系(atCinitial)Fluxvs.TMP(atoneQ)polarizedoptimalTMPunpolarized0102030405060708090TMP,psi0102030405060Flux,lmhQ=4l/m分離情景優化流量為3l/min進一步提高流量通量無顯著增加切向流量的優化在起始濃度時找到優化的切向流量Fluxvs.TMPandCrossflow(Q)010203040506001020304050607080TMP,psiFlux,lmhQ=4l/mQ=3l/mQ=2l/m分離情景gelVCFFlux10010100806050C濃縮倍數與通量的關系

VolumetricConcentrationFactorVCF分離情景線性放大PelliconXL50

-0.05m2Pellicon2

“Mini”-0.1m2Pellicon2

cassette-0.5m2StacksofPellicon2cassette-from0.5

to80m2perholderLegendFeedFlowPathPermeatFlowPathAllflowpathsareidenticalinlength,width,heightandspacer&arefedinparallel.20cm10cmeachwayfromcenter20cm10cmeachwayfromcenter20cm10cmeachwayfromcenter20cm10cmeachwayfromcenter分離情景Basic

Operation

超濾的基本操作Flush沖洗IntegrityTest完整性測試BufferC