磁攪拌(刮刀式)膜過濾分離

1、磁攪拌(刮刀式)膜過濾分離目的：利用適當孔徑的濾膜來分離或濃縮不同分子量的蛋白質(zhì)，並了解各項操作變數(shù)對刮刀式攪拌膜過濾之濾液通量的影響。原理：欲將某蛋白質(zhì)從其存在的起始環(huán)境中純化成為特殊用途的單一物質(zhì)，需經(jīng)由一連串複雜的回收、純化、品質(zhì)分析與控制等程序始能達成，膜分離為純化蛋白質(zhì)方法中的一個選擇。一般膜分離(membrane separation)的成效，通常由兩個指標判定：濾液通量(filtration flux)及溶質(zhì)選擇率(selectivity) ，其中濾液通量尤為膜過濾性能的重要指標。在過濾過程中濾液通量衰減現(xiàn)象的原因，可以歸納成濃度極化(concentration polariza

2、tion)及膜結(jié)垢(membrane fouling)等兩個主要因素。濃度極化現(xiàn)象通常是一個可逆的過程，主要是因為過濾的進行，將溶質(zhì)或粒子帶向濾材表面而形成一個高濃度的邊界層。此外固體微粒亦可能在濾膜表面上累積形成濾餅造成過濾的阻力。膜結(jié)垢則是因為溶質(zhì)或粒子在濾材孔道內(nèi)的阻塞，為一個不可逆的過程，此現(xiàn)象可能是由於粒子的吸附、流體力學特性、或是化學變化而發(fā)生。一般而言，降低濃度極化及預防結(jié)垢可以採用的方法有： (1)透過清洗或逆洗的步驟來去除結(jié)垢物； (2)利用薄膜模組內(nèi)流場的設計來避免膜面上粒子的堆積及結(jié)垢，如膜面附加刮刀攪拌、掃流方式操作或於模組內(nèi)置入擾流物等；降低膜材料對進料粒子的親和性來

3、減低結(jié)垢物的堆積與吸附； (3)其他，如外加震波、超音波、電場或磁場來減少結(jié)垢等均有人採用。一般影響濾液通量的因素，有薄膜本身之特性(如：孔隙大小、孔隙面積、表面粗糙度及材料等) 、溶液的性質(zhì)(如： pH值與離子強度等)及操作條件等。其中有關(guān)操作條件的影響包含： 1.透膜壓差(TMP, Trans-Membrane Pressure difference) ：對純水而言，濾速與透膜壓差呈線性關(guān)係，其斜率取決於濾膜之性質(zhì)；對溶液而言，在低透膜壓差下，濾速隨透膜壓差呈線性遞增，為壓力控制區(qū)域；而當透膜壓差逐漸增大，濃度極化現(xiàn)象漸趨明顯，濾速增加的趨勢變緩，最後濾速可能趨於一固定值是為極限濾速(li

4、miting flux) ，此時濾速不再隨透膜壓差的改變而變化，此乃因濃度極化層之阻力隨著透膜壓差之增加而增加所致，此為質(zhì)傳控制區(qū)。 2.進料濃度：進料濃度的增加會使溶質(zhì)在濾膜表面累積的機率增大，導致阻力變大而降低濾速。此外濃度的改變亦會影響溶液的黏度、密度及擴散係數(shù)等物理性質(zhì)，也就影響了濾速。 3.掃流速度的影響：掃流速度可以在薄膜表面形成剪切應力，使得溶質(zhì)不易在表面堆積，因而可以減輕表面之濃度極化現(xiàn)象。隨著掃流速度的增大，濾速也隨之增大，但其影響仍有所極限。 4.溫度的影響：通常隨著操作溫度的增高，濾速也隨著增大。溫度的高低會影響流體的黏度、密度以及各成分的擴散係數(shù)，因此會影響濾速。本實驗

5、用適當孔徑的濾膜來分離或濃縮不同分子量的蛋白質(zhì)，以刮刀式攪拌方式避免膜面之沈積阻塞，並可利用氮氣加壓或低轉(zhuǎn)速蠕動幫浦抽取，能加速分離或濃縮的速度。藉著不同過濾液(水及牛奶) 、不同過濾壓力以及有無攪拌的過濾操作，使同學對一般影響過濾的因素有所認識。實驗步驟：一、裝設磁攪拌過濾裝置(只須作到步驟7)：1. 將純化濃縮磁攪裝置，平放在工作檯上，並小心將外部的保護框架 (Retaining Stand Assembly) 挪除。(裝置各部名稱，參閱圖一)2. 將蓋子的黑色解壓鈕 (Pressure Relief Knob) 轉(zhuǎn)至水平位置。3. 將底部旋開，取出置膜盤 (Membrane Holder

6、), 並取下置膜盤上的橡膠墊圈 (O-ring) 。4. 取一張適當孔徑的膜 (50K)，小心的將光亮面朝上放在置膜盤上，然後將橡膠墊圈放在膜上，並輕壓橡膠墊圈使膜平整鋪在置膜盤上。請小心避免濾膜表面與任何硬物(如指甲)接觸刮傷。5. 將裝好膜的置膜盤與壓克力的儲液槽 (Cell Body) 結(jié)合 (置膜盤的垂片要坎入儲液槽的凹洞), 並將底部旋回去,注意要旋緊及密合。6. 將濾過物流出管 (Filtrate Exit Tubing) 插到置膜盤流出口。7. 將磁攪拌棒裝入儲液槽中 (磁攪拌棒上部支臂會架在槽壁的脊沿上) 。8. 將約350ml純水倒入儲液槽中使呈八分滿, 並蓋上蓋子 (因有O

7、-ring, 要稍微旋一下), 同時蓋子上的進氣口與下面濾過物流出口要方向相反。9. 將蓋子的黑色解壓鈕轉(zhuǎn)至水平位置 (開), 並將整個裝置好的儲液槽放回保護框架, 儲液槽的底部要放入保護框架的洞中。10. 將蓋子的黑色解壓鈕轉(zhuǎn)至垂直位置 (關(guān)) 。11. 如附圖二所示，安裝氣體壓力管線, (1)先將蓋子前面六角螺帽旋下, 並將O-ring 拿下 (2)將紅色的耐高壓氣管穿過螺帽 (a), 再穿過金屬環(huán) (b) 約1/2英吋 (金屬環(huán)方向不能裝錯, 凸面要朝向管端貼向白色墊片凹面), 再穿過白色墊片 (c) 並使凹面朝向金屬環(huán), 最後再套入O-ring (d) 。12. 將裝置好的氣體壓力管線

8、插入儲液槽的上蓋，並且徒手 (不使用工具) 將六角螺帽旋緊。13. 將此純化濃縮磁攪裝置放置在磁性攪拌器 (Magnetic Stirring Table) 上，如果純化濃縮的樣品需要維持低溫，則整個純化濃縮系統(tǒng)可在冷房或低溫櫃中操作。14. 連接氮氣時，先將氮氣源 (ex. 氮氣鋼瓶) 減壓至50 psi以內(nèi) (整個系統(tǒng)耐壓至75 psi, 並且充氮氣加壓時，不能除去外部的保護框架)。連接氮氣源至耐高壓氣管，此時氮氣源是關(guān)閉狀態(tài)。15. 將系統(tǒng)的濾過物流出管放入癈液收集瓶中，然後緩慢打開氮氣源氣閥，漸增壓力到設定值，直到純水完全排出。 Note:氮氣鋼瓶閥門之操作為旋入(旋緊)時為開，旋出(

9、旋鬆)時為關(guān)，與一般開關(guān)的操作正好相反！二、純水過濾1. 將儲液槽裝滿RO水(約八分滿)設定磁攪拌轉(zhuǎn)速(此轉(zhuǎn)速於此系列實驗均須維持固定) 。2. 利用上述方式以量筒分別測定壓力為20 psi、30 psi、40 psi時濾出液流量與時間的關(guān)係(每週選定一特定壓力，先作水再作牛奶)。前15分鐘有攪拌，後15分鐘停止攪拌。3. 完畢時，先將氮氣源關(guān)掉。4. 緩慢地打開黑色的解壓閥 (轉(zhuǎn)至水平)，若解壓閥無效時可先將鋼瓶閥門關(guān)閉後，再鬆開壓力管線與氮氣鋼瓶連接之螺栓。將儲液槽蓋子往下壓，並將儲液槽裝置推出保護框架。5. 打開蓋子時，要確定槽壓已完全解壓，並且解壓閥保持水平位置 (開)，否則易造成膜的

10、損壞。三、分離不同分子量的蛋白質(zhì)1. 打開蓋子, 將150ml樣品 (以牛奶為樣品), 倒入儲液槽中, 而後蓋上蓋子，解壓閥要保持水平位置，並將整個裝置好的儲液槽放回保護框架。2. 將蓋子的黑色解壓閥關(guān)上, 並將系統(tǒng)的濾過物流出管放入新的收集瓶中。3. 然後緩慢打開氮氣源氣閥，漸增壓力直到所需設定值(如20、30、40 psi ，注意氣壓太大容易造成阻塞)。啟動磁性攪拌器 (此三週實驗之攪拌速率均需維持定值，但是同學仍應知攪拌速率亦會影響過濾速率) ，記錄濾出液流量與時間的關(guān)係。4. 分離過程中，注意壓力須保持定值，前30分鐘做有攪拌，後30分鐘做無攪拌，過濾體積需持續(xù)紀錄。5. 持續(xù)濾液的收集，直到設計時間點到達。6. 分離完畢時，先將氮氣源關(guān)掉，並且關(guān)掉攪拌器。7. 緩慢地打開黑色的解壓閥 (轉(zhuǎn)至水平)，將蓋子往下壓，並將儲液槽裝置推出保護框架。8. 打開蓋子，將剩餘液體吸出。移去濾膜，並清洗儲液槽裝置。結(jié)果與討論：1.將實驗數(shù)據(jù)列表。2.將結(jié)果作圖，比較水、牛奶於不同壓力下即有、無攪拌時其濾過液體積與過濾時間的關(guān)係曲線(有、無攪拌曲線須連續(xù)，所有曲線畫在同一圖上)，