超滤原理及应用

密理博中国有限公司密理博中国有限公司生物制药工艺部生物制药工艺部讲座主要内容ÆMillipore公司简介Æ超滤基础知识Æ膜的结构和功能Æ为分离工艺选择合适的膜Æ超滤系统介绍Æ超滤基本操作WhoisMillipore?密理博简介•创建于1954年,总部位于美国麻省波士顿，世界最早的膜生产商之一。•雇员超过5800人•专注于生物/制药及生命科学领域•分离纯化设备的领先者•拥有超过6500种产品•2006年销售额达到15亿美元Millipore全球有7个符合ISO9000标准的制造工厂EuropeMolsheimWorldwideMilliporeProductRange:froma$2.00pipettetipsto$5millioncustom-engineeredsystems密理博产品范围:从2美金的移液管至500万美金专为客户定制的系统Bioprocess57%LifeScience23%LabWater20%密理博中国Æ1982年在中国开始设立办事处Æ2000年在上海设立贸易有限公司Æ在香港,上海,北京,广州,成都,沈阳等地都有办事处ChangchunBeijingShanghaiGuangzhouHongKongChengduHarbinDalianJinanXianNanjingHangzhouWuhanFuzhouKunmingMillipore将成为您忠实的战略合作伙伴Æ专业的销售人员产品，应用，商务Æ技术应用专员验证专员为客户提供技术解决方案Æ服务工程师售后服务Æ实验室支持验证实验室应用开发实验室Æ现场验证欧洲总部支持本地服务EuropeWorldwideMolsheim微滤超滤反渗透/纳滤膜分离过程什么是超滤?滤膜孔径分布0.1kD-2.0kD反渗透纳滤超滤微滤0.1-0.65µm1kD–1000kD0.001-0.10um0.001kD-0.5kD0.00005-0.001um过滤方式Æ普通过滤(NFF)|滤芯形式或“死过滤”|流向是垂直于过滤介质的|所有的液体全部透过过滤介质|颗粒被截留在过滤膜内部或表面Æ切向流过滤(TFF)|交叉流动过滤|流向是切向(平行)于过滤膜表面的|一小部分液体透过过滤介质|截留的颗粒从膜的表面被”扫除””普通过滤(死端过滤)液体流向膜表面切向流过滤(错流过滤)切向流速透过流速溶液浓度Cb膜表面膜表面浓度膜表面浓度CwCw料液浓度Cb膜表面膜表面浓度膜表面浓度CwCw料液切向流透过液切向流过滤(TFF)膜表面常规过滤(NFF)透过液超滤系统模型储罐膜夹具泵Pp透过液QT回流液PFPR回流阀透析/补料泵%Passage=透过率[]retentate[]permeatex100%Retention=100-%Passage截留率基本超滤术语ÆRetentate回流液ÆPermeate透过液Æ%Passage透过率Æ%Retention截留率体积/升112234567891011面积/平方米时间/小时Litres/(SquareMetrexHour)orLMH升/(平方米X小时)ÆFlux:通量基本超滤术语TypicalFluxesMillipore超滤/微滤膜典型通量SoluteType&ObjectiveBestMembraneTypicalFluxLMHMammalian哺乳动物0.65um50-80Plant/insect植物/昆虫0.65/0.45um50Yeast酵母菌0.45um50-75E.Coli大肠杆菌0.2um25-50Lysateclarification细胞裂解液澄清300-1000kD10-20Proteinconcenrtration蛋白浓缩50-100kD40-80Proteinconcentration蛋白浓缩10-30kD20-40Soluteconcentration溶质浓缩1-8kD5-20StartVinitialFinishVfinalVCF=VinitialVfinalÆVolumetricConcentrationFactor体积浓缩因子基本超滤术语ÆYield=productrecoveredatendofprocess收率|Minuslosses损失最小化|losstopermeate/retentate透过液/回流液中的损失|adsorptiontomembrane膜吸附|unrecoverableproduct(holdup)无法回收的产物(死体积)FinishVfinal基本超滤术语ÆTransmembranePressure跨膜压ÆPressureDrop压降-PP2Tmp=PF+PRΔP=PF-PR=k.QPFeed(PF)Pretentate(PR)PFiltrate(PP)FeedFlowQFlux基本超滤操作参数Optimalcrossflowis3l/min-increasingcrossflowbeyondthisvaluedoesn'timprovefluxsignificantly.超滤参数优化-切向流速ÆFindOptimalCrossflowatCinitial优化的流速Fluxvs.TMPandCrossflow(Q)010203040506001020304050607080TMP,psiFlux,lmhQ=4l/mQ=3l/mQ=2l/m超滤参数优化-TMPÆFindOptimalTMPatoneCrossflow(atCinitial)优化的TMPFluxvs.TMP(atoneQ)polarizedoptimalTMPunpolarized0102030405060708090TMP,psi0102030405060Flux,lmhQ=3l/m膜的结构和功能RegeneratedCelluloseComposite30kDMembraneat2014x摘要z膜的结构和材质−微孔过滤(MF)−超滤(UF)−反渗透/纳滤(RO/NF)z膜的关键特性z分离工艺膜的选择膜的材质„微孔过滤膜聚醚砜Polyethersulfone再生纤维素RegeneratedCellulose聚偏二氟乙烯PVDF-polyvinylidenefluoride聚碳酸酯Polycarbonate尼龙Nylon„超滤膜聚醚砜Polyethersulfone再生纤维素RegeneratedCellulose聚偏二氟乙烯PVDF-polyvinylidenefluoride膜的材质–物理性质–可压性–弹性–韧性–化学性质–pH–溶剂–化学兼容性–热敏性质–温度MembraneFunctionality膜的功能„Capturemechanisms„捕获机理–SizeExclusion大小排除–Surfacecapture/Entrapment–表面捕获/内部捕获–Adsorption吸附–Particlesareadsorbedintothemembranestructure–颗粒被吸附在膜上„Porosity开孔率–Definedby%ofmembranemadeupbythepores定义墨上开孔的比率–Thehighertheporositythehigherthepermeability–高开孔率高通透率MembraneStructure:UFCross-sectionalSEM's膜结构VoidFreeBiomaxPESmembranes无缺陷的聚砜膜BiomaxConventionalPESmembraneswithfingervoids手指状的传统聚砜膜PESMembranes聚砜膜RegeneratedCellulose再生纤维素ConventionalRegeneratedCellulose传统再生纤维素CompositeRegeneratedCelluloseUltracel复合再生纤维素UltracelMembraneStructure:UFCross-sectionalSEMs膜结构:降低成本---产物是最重要的因素!CharacteristicsofUFMembranes超滤膜的材料特性PropertyBiomax™membranesUltracel™PLCmembranes膜材质聚醚砜复合再生纤维素分子量截留5kDto1000kD相对流速快速中等相对截留推荐使用30-50%分子量截留蛋白吸附低吸附极低pH范围1-142-13推荐使用30-50%分子量截留5kDto1000kD1-3kD非复合UltrafiltrationMembranes超滤膜参数OperatingPressure操作压力„0-100psi(0-6.9bar)„Tighterporestructurerequireshigherpressurestoovercometheresistanceofthemembrane„紧密的膜孔结构可在高压下也可获得膜的截留率PoreRating孔径„BasedonretentionofGlobularproteinmarkersfornominalporesizeratings„相对孔径基于球状蛋白截留率的标定„Singlesolutetestingmostcommon„通常是单一溶液测试„Mixedsolutetestingismorerealisticbutnewer„混合溶液测试更现实,但是较新Structure结构„CastMembrane铸造膜„Thinskin薄皮„Asymmetric不对称„Fingervoidsorvoid-free手指状或无缺陷„Non-compositeorcomposite非复合或复合IntegrityTesting完整性测试„Diffusion(Testingonlydetectsgrossdefects)气体扩散MIXINGTHICKNESSCONTROLMEMBRANECASTINGHYDROPHILISATIONDRYINGENVIRONMENTALYCONTROLLEDCHAMBER孔径定义---葡聚糖截留曲线TypicalMembraneRetentionCharacteristics典型的膜截留特征FilterCodeMaterialNMWLRetentionMarkersPassageMarkersPTGCPS10,000CytochromeC90%Albumin98%VitaminB1270%PLGCRC10,000CytochromeC95%VitaminB1270%PTTKPS30,000Albumin98%GammaGlobulin99%CytochromeC50%PTHKPS100,000GammaGlobulin99%Albumin20%PLMKRC300,000T500Dextran70%T70Dextran60%PKMKPVDF300,000T500Dextran60%T70Dextran60%GVWPPVDF0.22umB.diminutaBpt.HVLPPVDF0.45umS.marcesensBpt.SelectingaMembraneforaSeparation如何为分离工艺选择合适的膜?zObjectiveoftheseparation分离的目的zCharacteristicsofthefluidandthesolute液体和溶质的性质zConcentrations-initialandfinal浓度-初始和最后zStability/solubility稳定性/可溶性zEffectiveporesize有效孔径zProcessingsensitivity过程的敏感性zPotentialhazards潜在的风险DefiningtheSeparationObjective明确分离的目的zWhatistheproductsolution/suspensiontobefiltered?z待过滤的产品溶液/悬浮液是什么?Îname,composition,properties,stabili