膜分离技术 工程技术资料3

膜分离技术研究进展万印华中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室Email:[e-mail]化学工程设计专业委员会成立大会暨全国化工化学工程设计技术中心站年会2007年11月18-22日，桂林膜分离技术的地位和影响美国官方文件曾说18世纪电器改变了整个工业进程，而20世纪膜技术将改变整个面貌”，“目前没有一种技术，能像膜技术这么广泛地被应用”日本和欧洲则把膜技术作为21世纪的基盘技术进行研究和开发“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化学工业的未来”-NormanN.Li，美国科学院院士，著名华裔科学家膜分离已得到广泛应用。21世纪是工业生物技术的世纪，膜技术将扮演重要角色生物制造过程示意简图HappygrowingDrugproducingFermentationKillthemicrobesSmashthemicrobesRemovecells/debrisConcentrateandPurifytheproductFormulateproductDownstreamProcessingMicrobesGeneticmodificationMarketNutrientsOxygenPressureMF0.1mm-10mmUF5-100nm(10kD-1MD)NF5nm(MW200D-10kD)压力驱动膜分离示意简图渗透汽化膜分离的应用渗透汽化(Pervaporation，简称PV)是一种新型膜分离技术，是在液体混合物中组分蒸汽压差推动下，利用不同组分在特定聚合物/无机膜中溶解与扩散速率不同来实现不同组分分离的目的适合具有一定挥发性物质的分离，从混合物中分离出少量物质按功能分：优先透水膜、优先透有机物膜和有机物分离膜其突出的优点是能够以低的能耗实现蒸馏、萃取、吸附等传统的方法难于完成的分离任务膜筛分分离机理电荷作用膜分离机理CELMembranePositivelychargedlysozymeNegativelychargedCEAC:Convectiveforce;E:Electrostaticforce;L:Positivelychargedlysozymelayer膜－溶质电荷相互作用溶质－溶质电荷相互作用渗透气化分离原理它的基本原理是利用膜与被分离有机液体混和物中各组份的亲合力不同而有选择地优先吸附溶解某一组份，及各组份在膜中扩散速度不同来达到分离的目的，因此它不存在蒸馏法中的共沸点的限制，可连续分离、浓缩，直至得到纯有机物。水分子醇分子膜膜分离技术优点占地少，处理效率高，设备易于放大；条件温和，可在室温或低温下操作，适宜于热敏感物质分离浓缩；化学与机械剪切作用小，减少失活；无相转变（除渗透气化外），节能；有相当好选择性，可在分离、浓缩的同时达到部分纯化目的；系统可密闭循环，防止外来污染；易于和反应或其他分离过程集成和耦合。发酵－膜分离耦合技术分离设备：较难满足发酵过程分离介质：对细胞存在毒害作用分离过程：不能有效移走抑制物生物反应和分离耦合的发展存在的问题国际专利申请数量与工业生物技术的兴起密切相关分离技术的进步促进了发展三个主要技术：萃取、膜分离、吸附11131159207050100150200250世界专利1981-19851986-19901991-19951996-20002001-2005年份秸秆发酵生产生物乙醇组分分离秸秆纤维素固态发酵酒精寡糖植保素生物农药高效纤维素酶可降解材料地膜材料木质素半纤维素剩余物转化系统能量自供有机肥生物饲料乙烯主要问题1.乙醇浓度低2~4%2.能耗高3.效益差乙醇起始浓度对乙醇蒸馏能耗的影响秸秆乙醇(2-4%)精馏等浓缩乙醇(20-95%)热超高能量消耗通过精馏从不同原始浓度提升到90%的能量消耗（Aldrldgeetal.,Ind.Eng.Chem.Process.Des.Dev.1984.23：733）10%16%提高乙醇蒸馏起始浓度是降低能耗的关键!!!生物乙烯燃料乙醇BTUPERPOUNDOFETHANOLPRODUCED6%0.060.080.100.120.140.160.180.20MASSFRACTIONOFETHANOLINFEED原料乙醇液浓度发酵渗透汽化—分馏渗透汽化脱水发酵罐分馏塔99%乙醇90-95%乙醇5-10%乙醇蒸汽5%乙醇循环优先透醇渗透汽化优先透水渗透汽化7-10%乙醇30%乙醇生物质进料0.5%乙醇循环或排放发酵渗透汽化—分馏渗透汽化脱水发酵罐分馏塔99%乙醇90-95%乙醇5-10%乙醇蒸汽5%乙醇循环优先透醇渗透汽化优先透水渗透汽化7-10%乙醇30%乙醇生物质进料0.5%乙醇循环或排放发酵渗透汽化—分馏渗透汽化脱水发酵罐分馏塔99%乙醇90-95%乙醇5-10%乙醇蒸汽5%乙醇循环优先透醇渗透汽化优先透水渗透汽化7-10%乙醇30%乙醇生物质进料0.5%乙醇循环或排放发酵-渗透汽化分离耦合生产燃料乙醇关键技术：（1）优先透醇膜的研制（2）过程优化常规乙醇发酵工艺存在的主要问题产物抑制作用能耗高，成本偏高主要技术指标其乙醇渗透通量1000g/m2h，选择性15优先透醇渗透汽化后透过液的乙醇浓度达30-60%超滤分离蛋白质超滤法分离纯化蛋白的过程优化•筛选合适的膜•优化操作条件-需要对每个参数逐个进行系统的实验-需要大量的实验工作-需要消耗一定量的蛋白质-费时，同时成本高因此，急需开发新的实验技术快速判定给定膜的适用性，并能经济，方便，快速地优化超滤分离蛋白质的操作条件。超滤过程优化实验新技术•脉冲进样技术(Pulsedsampleinjectiontechnique)2000年由GhoshandCui提出(JMembrSci175:75-84)•流动相超滤技术(Carrierphaseultrafiltration)2001年由Ghosh提出(BiotechnolBioeng74:1-11)•参数扫描超滤技术(Parameterscanningultrafiltration)2002年由Wan,GhoshandCui提出Desalination144:301-306RetentatePermeateSample23456789110AKTAPrimeStirredCellExperimentalSetupforParameterScanningUFExperiments1bufferreservoira;2bufferreservoirb;3pump;4buffermixer;5sampleinjector;6stirredcellmodule;7UVmonitor;8conductivitymonitor;9pHmonitor;10computerfordataloggingandprocessing.蛋白质溶液注射进样采用两种载体相(类似梯洗脱层析)恒定渗透通量下操作渗透液的pH,电导和蛋白质的透过率可在线检测参数扫描超滤实验示意图参数扫描超滤技术的优点每次实验所需蛋白样品量仅为常规实验的1/20至1/10可测定参数(pH,盐浓度)连续变化下蛋白的透过率以及不同渗透液通量下蛋白的透过率,进一步大大降低了蛋白消耗量,极大地减少了实验量,提高了实验进程在恒定的渗透液通量下操作，提高了实验的准确性可快速判定临界通量(Criticalflux)范围，准确测定膜阻与FPLC联用，多参数在线监测，自动化程度高超滤法分离人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG)Operatingconditions:workingsolution40g/lHSA+40g/lHIgGindeionisedwateratpH4.7;pulsevolume500μl;carrierphase1.5mMand0.4mMNaClsolutionsatpH4.7for100and300kDamembrane,respectively;stirringspeed2100rpm.Previous~1!Previous30–50!参数扫描超滤技术可快速，有效地优化操作条件，促进蛋白质高效膜分离pH对人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG)分离的影响Operatingconditions:workingsolution40g/LHSA+40g/LHIgGindeionisedwateratpH4.7;pulsevolume500μL;carrierphase1.5mMNaClsolutionatspecifiedpH;permeateflux7.368×10-6m/s;stirringspeed2100rpm.Reverseselectivity阴离子交换层析技术去除DNA等细胞培养微滤或离心过滤分离细胞等蛋白A亲和层析技术提取单克隆抗体(Campath)阳离子交换层析技术提纯单克隆抗体SEC去除二聚体DV50膜过滤器去除病毒等罐装FCS单克隆抗体(Campath-1H)的生产•简介Campath-1H是牛津大学医用抗体中心研制的人源化IgG型单克隆抗体，始于1982年，2002年投放市场。主要用于治疗肿瘤，自身免疫性疾病及器官移植免疫排斥反应等。•流程示意图单克隆抗体(Campath-1H)单体与二聚体的分离(I)0.000.200.400.600.801.006.57.58.59.510.5pHObservedTransmission300kDaPES100kDaPVDF100kDaPESRapidassessmentofmembranesuitabilityusingparameterscanningUFpHorsaltscanningUFforsingleproteinsolutionofalemtuzumabmonomerwithdifferentmembranes.Sampleinjected:500mLof4.0g/Lalemtuzumab(Campath-1H);Permeateflux:7.36810-6m/s;Stirringspeed:1800rpm.ForpHscansBufferA:15mMNaH2PO4,pH4.6;BufferB:15mMNaH2PO4-NaOH,pH10.7;ForsaltscansBufferA:15mMNaH2PO4-Na2HPO4,pH8.5;BufferB:400mMNaH2PO4-Na2HPO4,pH8.5.0.000.200.400.600.801.001.200.050.0100.0150.0200.0250.0SodiumPhosphate(mM)ObservedTransmission(SaM)300kDaPES100kDaPVDF100kDaPES单克隆抗体(Campath-1H)单体与二聚体的分离(II)ComparisonofactualandpredictedyieldsandpuritiesofthemonomerTwo-stageDFprocessN=8Yield96.37%Purity96.40%(Selectivity=10)CurrentSECYield~85%Purity92%(usedforclinictrial)问题与对策问题与对策挑战对策•膜本身孔径分布宽研制开发新型膜•浓差极化强化系统水力学控制•膜污染（如吸附）提高膜的亲水性强化系统水力学控制•形成凝胶层低通量下操作强化系统水力学控制•蛋白质-蛋白质/蛋白质-膜之间相互作用调节溶液的pH和离子强度膜进行预处理浓差极化层浓度分布示意图膜污染新型膜的研制RelativenumberofplateletsadheredonPSandPS/MPCmembranesIshiharaetal.,Biomaterials,1999,20:1553–1559Yeetal.,Biomaterials,2003,24:4143-4152ProteinsadsorbedonCAI(hatchedbar)andC