膜分離技術(shù)研究進(jìn)展培訓(xùn)教學(xué)課件教學(xué)課件(36p)

1、 膜分離技術(shù)研究進(jìn)展 萬印華中國科學(xué)院過程工程研究所生化工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Email: 化學(xué)工程設(shè)計(jì)專業(yè)委員會成立大會暨全國化工化學(xué)工程設(shè)計(jì)技術(shù)中心站年會2007年11月18 - 22日，桂林膜分離技術(shù)的地位和影響美國官方文件曾說18世紀(jì)電器改變了整個(gè)工業(yè)進(jìn)程，而20世紀(jì)膜技術(shù)將改變整個(gè)面貌”，“目前沒有一種技術(shù)，能像膜技術(shù)這么廣泛地被應(yīng)用”日本和歐洲則把膜技術(shù)作為21世紀(jì)的基盤技術(shù)進(jìn)行研究和開發(fā)“誰掌握了膜技術(shù)，誰就掌握了化學(xué)工業(yè)的未來”- Norman N. Li，美國科學(xué)院院士，著名華裔科學(xué)家膜分離已得到廣泛應(yīng)用。21世紀(jì)是工業(yè)生物技術(shù)的世紀(jì)，膜技術(shù)將扮演重要角色生物制造過程示意簡圖Ha

2、ppy growingDrug producingFermentationKill the microbesSmash the microbesRemove cells/debrisConcentrate andPurify the productFormulateproductDownstream ProcessingMicrobesGenetic modificationMarketNutrientsOxygenPressure MF 0.1 mm - 10 mm UF 5 - 100 nm (10kD - 1MD) NF 1000 g/m2h，選擇性 15 優(yōu)先透醇滲透汽化后透過液的乙醇

3、濃度達(dá)30-60%超濾分離蛋白質(zhì)超濾法分離純化蛋白的過程優(yōu)化篩選合適的膜優(yōu)化操作條件 - 需要對每個(gè)參數(shù)逐個(gè)進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn) - 需要大量的實(shí)驗(yàn)工作 - 需要消耗一定量的蛋白質(zhì) - 費(fèi)時(shí)，同時(shí)成本高 因此，急需開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)快速判定給定膜的適用性，并能經(jīng)濟(jì)，方便，快速地優(yōu)化超濾分離蛋白質(zhì)的操作條件。超濾過程優(yōu)化實(shí)驗(yàn)新技術(shù)脈沖進(jìn)樣技術(shù) (Pulsed sample injection technique) 2000年由Ghosh and Cui 提出 (J Membr Sci 175:75-84)流動相超濾技術(shù) (Carrier phase ultrafiltration) 2001年由Ghos

4、h 提出 (Biotechnol Bioeng 74: 1-11)參數(shù)掃描超濾技術(shù)(Parameter scanning ultrafiltration) 2002年由Wan, Ghosh and Cui 提出 Desalination 144:301-306 RetentatePermeate Sample 2 3 4 5 6 7 89110AKTA Prime Stirred Cell Experimental Setup for Parameter Scanning UF Experiments 1 buffer reservoir a; 2 buffer reservoir b; 3

5、pump; 4 buffer mixer; 5 sample injector; 6 stirred cell module; 7 UV monitor; 8 conductivity monitor; 9 pH monitor; 10 computer for data logging and processing.蛋白質(zhì)溶液注射進(jìn)樣 采用兩種載體相(類似梯洗脫層析) 恒定滲透通量下操作 滲透液的pH, 電導(dǎo)和蛋白質(zhì)的透過率可在線檢測參數(shù)掃描超濾實(shí)驗(yàn)示意圖參數(shù)掃描超濾技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)每次實(shí)驗(yàn)所需蛋白樣品量僅為常規(guī)實(shí)驗(yàn)的1/20 至 1/10可測定參數(shù)(pH, 鹽濃度)連續(xù)變化下蛋白的透過率以及不同

6、滲透液通量下蛋白的透過率, 進(jìn)一步大大降低了蛋白消耗量, 極大地減少了實(shí)驗(yàn)量, 提高了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程在恒定的滲透液通量下操作，提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性可快速判定臨界通量(Critical flux)范圍，準(zhǔn)確測定膜阻與FPLC聯(lián)用，多參數(shù)在線監(jiān)測，自動化程度高超濾法分離人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG) Operating conditions: working solution 40 g/l HSA + 40g/l HIgG in deionised water at pH 4.7; pulse volume 500l; carrier phase 1.5 mM and 0.4 mM NaCl

7、solutions at pH 4.7 for 100 and 300 kDa membrane, respectively; stirring speed 2100 rpm. Previous 1! Previous 30 50!參數(shù)掃描超濾技術(shù)可快速，有效地優(yōu)化操作條件，促進(jìn)蛋白質(zhì)高效膜分離pH 對人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG) 分離的影響Operating conditions: working solution 40 g/L HSA + 40g/L HIgG in deionised water at pH 4.7; pulse volume 500L; carrier p

8、hase 1.5 mM NaCl solution at specified pH; permeate flux 7.36810-6 m/s; stirring speed 2100 rpm.Reverse selectivity陰離子交換層析技術(shù)去除DNA等細(xì)胞培養(yǎng)微濾或離心過濾分離細(xì)胞等蛋白A親和層析技術(shù)提取單克隆抗體(Campath)陽離子交換層析技術(shù)提純單克隆抗體 SEC去除二聚體DV50膜過濾器去除病毒等罐裝FCS單克隆抗體(Campath-1H)的生產(chǎn)簡介 Campath-1H 是牛津大學(xué)醫(yī)用抗體中心研制的人源化IgG型單克隆抗體，始于1982年，2002年投放市場。主要用于治療腫

9、瘤，自身免疫性疾病及器官移植免疫排斥反應(yīng)等。流程示意圖單克隆抗體(Campath-1H) 單體與二聚體的分離(I)Rapid assessment of membrane suitability using parameter scanning UFpH or salt scanning UF for single protein solution of alemtuzumab monomer with different membranes. Sample injected: 500 L of 4.0 g/L alemtuzumab (Campath-1H); Permeate flux:

10、7.368 10-6 m/s; Stirring speed: 1800 rpm. For pH scans Buffer A: 15 mM NaH2PO4, pH 4.6; Buffer B: 15 mM NaH2PO4 - NaOH, pH 10.7; For salt scans Buffer A: 15 mM NaH2PO4- Na2HPO4, pH 8.5; Buffer B: 400 mM NaH2PO4- Na2HPO4, pH 8.5.單克隆抗體(Campath-1H) 單體與二聚體的分離(II)Comparison of actual and predicted yields

11、 and purities of the monomer Two-stage DF process N=8 Yield 96.37% Purity 96.40% (Selectivity = 10) Current SEC Yield 85% Purity 92% (used for clinic trial)問題與對策 問題與對策挑 戰(zhàn) 對 策膜本身孔徑分布寬 研制開發(fā)新型膜濃差極化 強(qiáng)化系統(tǒng)水力學(xué)控制膜污染（如吸附） 提高膜的親水性 強(qiáng)化系統(tǒng)水力學(xué)控制形成凝膠層 低通量下操作 強(qiáng)化系統(tǒng)水力學(xué)控制蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)/蛋白質(zhì)-膜之間相互作用 調(diào)節(jié)溶液的pH和離子強(qiáng)度 膜進(jìn)行預(yù)處理 濃差極化層濃度分

12、布示意圖膜 污 染新型膜的研制Relative number of platelets adhered on PS and PS/MPC membranesIshihara et al., Biomaterials, 1999, 20:15531559Ye et al., Biomaterials, 2003, 24: 4143-4152Proteins adsorbed on CA I (hatched bar) and CA/PMB30 III (black bar) and polysulfone (white bar) membranes. 可降解抗污染膜的研制親水性聚合物可降解聚合物

13、+可降解抗污染分離膜相轉(zhuǎn)化法PCL 可降解，但速度較慢;生物相容性好PEG親水性,生物相容性好PCLE嵌段共聚PCL凝固?。℉2O）PEG支撐體聚合物溶液 膜過程強(qiáng)化傳質(zhì) 對 策氣體吹掃(Gas Sparging)插入物(Inserts)反向沖洗 (Back-flushing and backpulsing) 低透過通量下操作 (e.g., Critical flux)外加力場(電, 磁場及超聲波)氣液兩相流強(qiáng)化HSA-IgG分離Li&Cui JMS,1997IgGHSATMP = 0.3 bar Fl = 0.5 L/min, Fg = 30 mL/min, 40 mM phosphateb

14、uffer pH 8.0Tubular MembranePVDF 100 kD (1/2”id)料液： 4.5 g/L HSA + 1.0 g/L IgGHSA 68kD pI=4.7HIgG 150 kD pI =7-8Initial protein concentration in the stirred cell: 0.53g/L alemtuzumab (25 % dimers + 75% monomer) in 15 mM sodium phosphate buffer at pH 8.5; Diafiltration buffer: 15 mM sodium phosphate b

15、uffer at pH 8.5; Stirring speed: 330 10 rpm.低通量(Critical Flux)運(yùn)行小 結(jié)1. 研制無缺陷(Perfect)抗污染膜及智能型分離膜;2. 設(shè)計(jì)，開發(fā)新型抗污染膜組件;3. 提高膜過程的可預(yù)測性, 如從理論上預(yù)測給定體系的臨界通 量, 分離效率等;4. 開展膜技術(shù)分離實(shí)際生物大分子混合體系的研究工作, 促進(jìn) 高通量高選擇性生物大分子膜分離技術(shù)研究與應(yīng)用;5. 深化反應(yīng)膜分離耦合技術(shù)研究，推進(jìn)工業(yè)應(yīng)用進(jìn)程； 6. 拓展膜生物分離技術(shù)應(yīng)用新領(lǐng)域, 如膜生物傳感器, 微型膜 取樣器, 組織培養(yǎng)等。膜技術(shù)在理論及應(yīng)用領(lǐng)域均得到了極大發(fā)展, 膜污

16、染和濃差極化仍是制約其大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。為充分發(fā)揮膜技術(shù)的優(yōu)勢和潛力, 有必要繼續(xù)加強(qiáng)以下幾方面的研究:謝 謝懇 請 指 正 !1、不是井里沒有水，而是你挖的不夠深。不是成功來得慢，而是你努力的不夠多。2、孤單一人的時(shí)間使自己變得優(yōu)秀，給來的人一個(gè)驚喜，也給自己一個(gè)好的交代。3、命運(yùn)給你一個(gè)比別人低的起點(diǎn)是想告訴你，讓你用你的一生去奮斗出一個(gè)絕地反擊的故事，所以有什么理由不努力!4、心中沒有過分的貪求，自然苦就少?？诶锊徽f多余的話，自然禍就少。腹內(nèi)的食物能減少，自然病就少。思緒中沒有過分欲，自然憂就少。大悲是無淚的，同樣大悟無言。緣來盡量要惜，緣盡就放。人生本來就空，對人家笑笑，對自己

17、笑笑，笑著看天下，看日出日落，花謝花開，豈不自在，哪里來的塵埃!5、心情就像衣服，臟了就拿去洗洗，曬曬，陽光自然就會蔓延開來。陽光那么好，何必自尋煩惱，過好每一個(gè)當(dāng)下，一萬個(gè)美麗的未來抵不過一個(gè)溫暖的現(xiàn)在。6、無論你正遭遇著什么，你都要從落魄中站起來重振旗鼓，要繼續(xù)保持熱忱，要繼續(xù)保持微笑，就像從未受傷過一樣。7、生命的美麗，永遠(yuǎn)展現(xiàn)在她的進(jìn)取之中;就像大樹的美麗，是展現(xiàn)在它負(fù)勢向上高聳入云的蓬勃生機(jī)中;像雄鷹的美麗，是展現(xiàn)在它搏風(fēng)擊雨如蒼天之魂的翱翔中;像江河的美麗，是展現(xiàn)在它波濤洶涌一瀉千里的奔流中。8、有些事，不可避免地發(fā)生，陰晴圓缺皆有規(guī)律，我們只能坦然地接受;有些事，只要你愿意努力，

18、矢志不渝地付出，就能慢慢改變它的軌跡。9、與其埋怨世界，不如改變自己。管好自己的心，做好自己的事，比什么都強(qiáng)。人生無完美，曲折亦風(fēng)景。別把失去看得過重，放棄是另一種擁有;不要經(jīng)常艷羨他人，人做到了，心悟到了，相信屬于你的風(fēng)景就在下一個(gè)拐彎處。10、有些事想開了，你就會明白，在世上，你就是你，你痛痛你自己，你累累你自己，就算有人同情你，那又怎樣，最后收拾殘局的還是要靠你自己。11、人生的某些障礙，你是逃不掉的。與其費(fèi)盡周折繞過去，不如勇敢地攀登，或許這會鑄就你人生的高點(diǎn)。12、有些壓力總是得自己扛過去，說出來就成了充滿負(fù)能量的抱怨。尋求安慰也無濟(jì)于事，還徒增了別人的煩惱。13、認(rèn)識到我們的所見所聞都是假象，認(rèn)識到此生都是虛幻，我們才能真正認(rèn)識到佛法的真相。錢多了會壓死你，你承受得了嗎?帶，帶不走，放，放不下。時(shí)時(shí)刻刻發(fā)悲心，饒益眾生為他人。14、夢想總是跑在我的前面。努力追尋它們，為了那一瞬間的同步，這就是動人的生命奇跡。15、懶惰不會讓你一下子跌倒，但會在不知不覺中減少你的收