第6章 膜亲和过滤

第七章膜亲和过滤法亲和分离技术被认为是解决生物工程下游产品回收和纯化的高效方法。

亲和分配、亲和沉淀、亲和色谱等技术正在迅速发展，其中亲和色谱已成为色谱领域中的一个重要分支，它的选择性和特异性极强，是其他技术无法比拟的，但填充亲和色谱柱技术在发展中遇到某些固有限制，如流速低、填充颗粒的压缩、扩散传递慢，故造成柱效率不高并且不易大规模应用7.1 亲和膜分离技术●亲和膜分离首要的是研制出一种有效地用于生物大分子纯化分离的“亲和膜”（Affinity Membrane，简称AM）。

●制备亲和膜的关键是要选择合适的膜材料，并对膜进行表面化学改性●有人称：“膜表面改性技术领导膜进入90年代”；“未来的十年将是产生新的更为先进的第三、第四代膜的时代”。

7.1.1 基本过程和操作方式亲和膜的分离操作方式①亲和超滤过程②微孔亲和膜过滤过程亲和膜组件的形式有板式、圆盘式、中空纤维式等7.1.2 基本理论●由于亲和膜分离过程非常复杂，故到目前为止真正基于物理-化学-生物特异性相互作用的理论关系式还未建立，最初基于配基-蛋白质相互作用的吸附—解离平衡过程所提出的亲和模型有一定的局限性●有人用对流、扩散和Langmuir吸附理论对亲和膜分离过程作了数学分析，推导了蛋白质和配基之间形成的络合物浓度与蛋白质浓度和配基浓度之间的关系式7.1.3 基质材料●亲和膜分离技术要得到发展并获得应用的必要前提之一，是要制备出能对生物活性物质如蛋白质、酶等能有效地进行固载化的基质膜材料。

●在亲和分离中使用的基质材料有纤维素及其衍生物，聚酰胺（PA）及其衍生物，聚丙烯酰胺及其衍生物，羟乙基甲基丙烯酸酯，感动羟甲基酰胺、聚砜等●可通过活化或改性等手段与蛋白相结合或固载上酶组成亲和膜●聚乙烯醇、聚丙烯酸环氧烷等也有可能成为亲和膜材料，甚至某些无机材料，如大孔硅胶，氧化铝等，也能制成亲和膜或作为添加剂7.2 亲和膜分离技术的应用IgG的亲和膜分离过程举例①起始膜材料的选择动物细胞的尺寸大于10μm蛋白质的尺寸一般都小于0.01μm故选用0.65μm的微孔膜来载留细胞而透过蛋白质②膜的表面处理聚砜类的微孔膜表面改性使之亲水化羟基转化为活泼基团(表氯醇法活化羟基)③接配基反应方法有溴化氰活化法、高碘酸氧化法和表氯醇法7.3 亲和-膜过滤●亲和膜过滤又称亲和过滤（Affinity Filtration）或亲和超滤（Affinity Cross-Flow Filration简称ACFF），是1981年由Hedda等人首先提出并得到迅速发展的一中新型大规模分离纯化技术。

生物工程下游技术作业及答案第三章1 凝聚:是指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。

2 絮凝：是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成絮凝团的过程。

3 为有利于发酵液过滤可采用哪些方法来改变发酵液过滤特性？其简要机理如何？答：可通过以下几个方式：（1）降低液体粘度(加水稀释法和加热法)；（2）调节pH；（3）凝聚与絮凝；（4）加入助滤剂；（5）加入反应剂。

4 杂蛋白是发酵液中主要杂质，常用的除去方法有哪些？答：沉淀法；变性法；吸附法。

第四章1 细胞破碎：是指选用物理、化学、酶或机械的方法来破坏细胞壁或细胞膜。

2 细胞破碎有哪些方法？简述他们的基本原理。

答：固体剪切法；液体剪切法；超声波法；其他方法。

3 高压匀浆法与球磨法比较？答：1、高压匀浆法操作参数少，易于确定，适于大规模操作，而球磨法操作参数多，一般凭经验估计，在大规模操作中，夹套冷却控温难度较大。

2、球磨机连续操作时兼具破碎和冷却双重功能，减少了产物失活的可能性，而高压匀浆机需配备换热器进行级间冷却。

3、球磨法破碎在适当条件下一次操作即可达到较高的破损率，而高压匀浆法往往需循环2-4次才行。

4、球磨机适合于各种微生物细胞的破碎，而高压匀浆机不适合丝状真菌及含有包含体的基因工程菌。

第六章1浓差极化：是指当溶剂透过膜，而溶质留在膜上，因而使膜面浓度增大，并高于主体中浓度的现象。

2 膜的污染：随着操作时间的增加，膜透过流速的迅速下降，溶质的截留率也明显下降，这一现象被称为膜的污染。

3 简要说明各种膜（超滤膜、微孔过滤膜和纳米过滤膜）的特点及用途？答：超滤膜：能截留相对分子质量500以上的高分子的膜，应用于大分子产品，主要是酶及蛋白类产品。

微孔过滤膜：主要用于分离流体中尺寸为0.1-10µm的微生物和微粒子，以达到净化、分离和浓缩的目的。

主要用于无菌液体的生产，反渗透及超过滤的前处理。

《生化分离工程》思量题及答案第一章绪论1、何为生化分离技术？其主要研究那些内容？生化分离技术是指从动植物组织培养液和微生物发酵液中分离、纯化生物产品的过程中所采用的方法和手段的总称。

2、生化分离的普通步骤包括哪些环节及技术？普通说来，生化分离过程主要包括 4 个方面：①原料液的预处理和固液分离，常用加热、调 PH、凝结和絮凝等方法；②初步纯化(提取)，常用沉淀、吸附、萃取、超滤等单元操作；③高度纯化(精制)，常选用色谱分离技术；④成品加工，有浓缩、结晶和干燥等技术。

3、生化分离工程有那些特点，及其重要性？特点： 1、目的产物在初始物料(发酵液)中的含量低； 2、培养液是多组分的混合物，除少量产物外，还有大量的细胞及碎片、其他代谢物(几百上千种)、培养基成份、无机盐等； 3、生化产物的稳定性低，易变质、易失活、易变性，对温度、pH 值、重金属离子、有机溶剂、剪切力、表面张力等非常敏感； 4、对最终产品的质量要求高重要性：生物技术产品普通存在于一个复杂的多相体系中。

惟有经过分离和纯化等下游加工过程，才干制得符合使用要求的产品。

因此产品的分离纯化是生物技术工业化的必需手段。

在生物产品的开发研究中，分离过程的费用占全部研究费用的 50％以上；在产品的成本构成中，分离与纯化部份占总成本的 40~80％；精细、药用产品的比例更高达 70~90％。

显然开辟新的分离和纯化工艺是提高经济效益或者减少投资的重要途径。

5、为何生物技术领域中往往浮现“丰产不丰收”的现象？第二章预处理、过滤和细胞破碎1、发酵液预处理的目的是什么？主要有那几种方法？目的：改变发酵液的物理性质，加快悬浮液中固形物沉降的速率；出去大部份可溶性杂质，并尽可能使产物转入便于以后处理的相中(多数是液相)，以便于固液分离及后提取工序的顺利进行。

：①加热法。

升高温度可有效降低液体粘度，从而提高过滤速率，常用于粘度随温度变化较大的流体。

控制适当温度和受热时间，能使蛋白质凝结形成较大颗粒，进一步改善发酵液的过滤特性。

生化分离工程知识点归纳第一章绪论1、生物物质分离工程：在工业规模上，通过适当的分离纯化技术与装备并消耗一定的能量和分离介质来实现生物物质（产品）制备的过程，是生物产业的一个重要组成部分。

2、生物工程下游加工过程的特点：（1）成分复杂：固体成分、液体成分（2）悬液中的目标产物浓度低（3）稳定性差：化学（温度和pH值）或微生物引起的降解（4）生物产品质量要求高：纯度、卫生、生物活性3、下游加工过程的一般流程（4个阶段）：发酵液的预处理与固液分离、初步纯化（提取）、高度纯化（精制）、成品加工。

4、某一具体产品的分离提取工艺设计中应考虑的问题：①产物本身的性质；②是胞内产物还是胞外产物；③原料中产物和主要杂质浓度；④产物和主要杂质的理化特性及差异；⑤产品用途和质量标准；⑥产品的市场价格；⑦不同分离方法的技术经济比较及废液的处理方法等。

第二章发酵液的预处理与过滤1、发酵液的预处理发酵液的预处理的方法：（1）加热：最简单、最经济的预处理方法是加热，降低料液黏度，也可以对其进行灭菌。

但加热变性的方法只适合于对热稳定性的产物。

（2）调节料液的pH值：促进全细胞聚集。

（3）凝聚和絮凝：凝聚是指通过加入简单电解质降低了胶体粒子间的排斥电位，从而使得范德华引力起主导作用，聚合成较大的胶粒，粒子的密度越大，越易分离。

常用凝聚剂多为阳离子型如明矾、三氯化铁。

絮凝是指预处理时加入絮凝剂（通常指天然或合成的生物大分子聚电解质）既能降低排斥电位，又吸附了周围的微粒，形成桥架作用，促使胶粒形成粗大，密度低的絮凝团。

这些絮凝团很容易被过滤得到。

主要絮凝剂：聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、多聚胺衍生物。

（4）使用惰性助滤剂：硅藻土、珍珠岩。

2、真空过滤器的优点：连续自动操作,节省人力，生产能力大。

真空过滤器的缺点：附属设备多，投资费用高，推动力小适用于量大易过滤的料液。

3、压滤器的优点：过滤推动力大，过滤面积大。

压滤器的：缺点：板框压滤机劳动强度大，投资、维护费用高。

膜滤膜技术是用于对分子和离子进行分离的技术，是一种已被证实的分离方法，在过去的20年中，早在七十年代初，这项技术就已在乳品工业中应用了。

定 义一些常用表达方法的定义供料=要进行浓缩或分馏的溶液。

流量=清液的流量，以每小时透过每平方米膜的清液的升数来测定(L/m2/h)。

膜污染=膜上的固体沉淀物，在加工过程中是不可逆的。

清液=滤液，通过膜的液体。

浓缩液=浓缩，保留液浓缩系数=通过浓缩，实现体积减小，即供料的最初体积与浓缩的终体积之比。

全滤＝是超滤的变形，在此，水作为滤液被加到料液中，以便洗去料液中那些将要通过膜的成分，基本上是乳糖和无机盐。

膜技术在乳品工业中，膜技术主要涉及到● 反渗透（RO）－除去水，使溶液浓缩。

● 毫微过滤(NF)－通过除去单价的成分如钠、氯（部分脱盐），实现有机成分的浓缩。

● 超滤（UF）－大分子的浓缩● 微滤（MF）－除去细菌，大分子分离在乳品工业中，膜分离技术的应用领域如图6.4.1所示。

以上所有技术的特点是液流横向流过滤膜，在这些技术中，供料液均是在压力作用下穿过膜。

溶液流过膜、在清液被分离的同时，固体（浓缩液）在膜上留下来。

膜可以按其界定分子量进行分类，即假定，界定分子量是不能通过滤膜的最小分子的分子量。

然而，由于多种因素的相互影响，不能只根据界定分子量来选择膜。

供液过滤器沉淀滤液供液膜清液（滤液）浓缩物（浓缩液）极化作用作为一种方法，值得提的是传统的或是惯用的过滤方法，也被称为死端(dead end)过滤法，经常用于分离粒径大于10μm的悬浮微粒，而膜滤则是用于分离分子小于10-4μm的方法。

传统的过滤与膜滤最主要的区别如图6.4.2所示。

图6.4.2传统过滤（左）与膜过滤的基本区别传统过滤与膜过滤之间值得注意的几点不同，即：●使用的过滤材料传统的过滤器厚且是开放式结构。

材料：典型为纸膜滤的膜薄且孔径大小受到控制材料：聚合物和陶瓷，现已很少用的醋酸纤维素。

●在传统的过滤中，重力是影响粒子分离的主要动力，压力只应用于加速分离的过程。

环境工程原理-环境工程原理课后思考题解答6膜分离第六章膜分离技术1、什么是膜分离过程，有哪些膜分离过程，各有什么特点，各分离过程分离离子的范围？答：若在流体内部或两流体间有一薄层凝聚相物质把流体分隔为两部分，则这一薄层物质称为膜，膜可以是固态、液态或气态。

膜分离是利用膜材料具有选择性渗透作用而使气体或液体混合物得到分离的一种方法。

膜分离技术具有以下优点：(1)能获得高纯度组分；(2)操作过程的能耗较低；(3)分离操作通常在常温或低温下操作，对热敏物料的分离尤其适宜。

2、说明膜分离过程的推动力及分离原理。

答：物质能选择性地透过膜的推动力有两种：一种是由外界提供能量，使物质能由低位向高位移动；另一种是因膜的存在造成被分离系统具有化学位差的作用下由高位向低位移动。

3、不同的膜分离过程适用于哪些场合？答：依据膜孔径的不同，分离的粒子颗粒直径也有差异。

4、膜组件有哪些形式，各有什么特点？答：(1)板框式膜组件板框式膜组件优点：组装方便，膜的清洗更换比较容易，料液流通截面较大，不易堵塞，可视生产需要组装膜组件。

缺点：密封边界长，板框和密封件的加工精度高；每块板上料液的流程短，通过板面的透过液量较少，(2)卷式膜组件与板框式膜组件相比，卷式膜组件优点是：膜组件比较紧凑；单位体积内的膜面积大；制作相对简单。

其缺点是：清洗不方便，膜损坏时，不易更换；卷式膜组件所用的膜必须是可焊接或可粘贴的膜。

(3)管式膜组件优点：结构简单；安装、操作方便；流体流动状态好,不易被堵塞。

缺点：单位体积膜组件的膜面积少，一般仅为30~330m2/m3，除特殊场合外，一般不被使用。

(4)中空纤维膜组件优点：设备紧凑，组件单位体积内的有效膜面积高达16000～3000m2/m3缺点：中空纤维内径小阻力大，易堵塞，所以料液走纤维管间，透过液走纤维管内。

透过液侧流体能量损失大，压降可达数个大气压，膜污染难除去。

5、简要说明反渗透的原理，反渗透的操作压力与膜的类型有关吗？答：当纯水与盐水用一张能透过水的半透膜隔开时，纯水能透过膜向盐水一侧渗透，直到盐水一侧水位升高到一定高度为止，渗透过程达到动态平衡，这种现象称之为渗透现象。