分離生物活性肽的膜工藝設(shè)備.課件

1、分離生物活性肽的膜處理工藝和設(shè)備 專業(yè)：化學(xué)工藝姓名： 朱道學(xué)第一部分生物活性肽主要內(nèi)容1.1 生物活性肽研究簡史1.2 生物活性肽定義、功能、特性、作用1.3 生物活性肽的分類1.4 重要活性肽研究簡介1.5 生物活性肽的作用機(jī)理1.6 生物活性肽生產(chǎn)方法1.7 生物活性肽產(chǎn)品1.1 生物活性肽研究簡史1902年倫敦大學(xué)醫(yī)學(xué)院的兩位生理學(xué)家Bayliss和Starling在動物胃腸里發(fā)現(xiàn)了一種能刺激胰液分泌的神奇物質(zhì)。他們把它稱為胰泌素。這是人類第一次發(fā)現(xiàn)的多肽物質(zhì)。 1931年一種命名為P物質(zhì)的多肽被發(fā)現(xiàn)，它能興奮平滑肌并能舒張血管而降低血壓。科學(xué)家們從此開始關(guān)注多肽類物質(zhì)對神經(jīng)系統(tǒng)的影響

2、，并把這類物質(zhì)稱為神經(jīng)肽。1953年由Vigneand領(lǐng)導(dǎo)的生化小組第一次完成了生物活性肽催產(chǎn)素的合成。 50年代末Merrifield發(fā)明了多肽固相合成法并因此榮獲諾貝爾化學(xué)獎。 60年代初期多肽的研究出現(xiàn)了驚人的發(fā)展，多肽的結(jié)構(gòu)分析、生物功能等都相繼取得成果。 1965年我國科學(xué)家完成了牛結(jié)晶胰島素的合成，這是世界上第一次人工合成多肽類生物活性物質(zhì)。 1.2 生物活性肽定義 定義1：生物活性肽是蛋白質(zhì)中25個天然氨基酸以不同組成和排列方式構(gòu)成的從二肽到復(fù)雜的線性、環(huán)形結(jié)構(gòu)的不同肽類的總稱，是源于蛋白質(zhì)的多功能化合物。 定義2：生物活性肽指的是一類分子量小于6000D，具有多種生物學(xué)功能的多

3、肽。其分子結(jié)構(gòu)程度不一，可從簡單的二肽到環(huán)形大分子多肽，而且這些多肽可通過磷酸化、糖基化或?；恍揎棥９δ?活性肽具有多種人體代謝和生理調(diào)節(jié)功能，易消化吸收，有促進(jìn)免疫、激素調(diào)節(jié)、抗菌、抗病毒、降血壓、降血脂等作用，食用安全性極高，是當(dāng)前國際食品界最熱門的研究課題和極具發(fā)展前景的功能因子。特性 它有良好的吸收性，它的吸收效率比氨基酸和蛋白質(zhì)都高。 它有獨(dú)特的生理調(diào)節(jié)功能，胰島素調(diào)節(jié)血糖就是一個例子。 肽的活性很高，往往很小的量就能起到很大的作用。作用 人體肽物質(zhì)來源于蛋白質(zhì)營養(yǎng)，主要是兩個方面，一是食物在消化過程中蛋白質(zhì)產(chǎn)生肽，被身體吸收；二是體內(nèi)細(xì)胞利用蛋白質(zhì)的降解物氨基酸直接合成。 如

4、果由于營養(yǎng)、消化、疾病等原因，體內(nèi)肽物質(zhì)的缺乏，將會使人體的健康受到影響，例如：免疫能力降低、消化不良、代謝異常、生長發(fā)育障礙等等。進(jìn)而使健康人產(chǎn)生疾病，使病人難以康復(fù)。 科學(xué)家已在人體中發(fā)現(xiàn)了100多種生物活性肽，這些肽具有傳遞生理信息，調(diào)節(jié)生理功能的作用，對于人體的神經(jīng)、消化、生殖、生長、運(yùn)動、代謝、循環(huán)等系統(tǒng)的正常生理活動的維持非常重要，所有疾病的發(fā)生、發(fā)展、治療、康復(fù)都與肽有關(guān)系。 因此，科學(xué)家建議，針對身體需求，在滿足了人體的基本營養(yǎng)攝入后，適當(dāng)補(bǔ)充肽營養(yǎng)，對于健康和疾病康復(fù)是大有好處的。 1.4 重要活性肽研究簡介乳肽 早在20世紀(jì)50年代，某公司即以乳酪蛋白酶解制取了第一代的酪蛋

5、白肽和氨基酸混合物，含58個氨基酸組成的肽和70以上的游離氨基酸，用于低抗原性防過敏牛奶粉，在市場上行銷40多年；6070年代，開發(fā)出第二代的高度水解乳清蛋白肽混合物，含1012個氨基酸組成的肽和4060的游離氨基酸。以上兩代產(chǎn)品的游離氨基酸含量過高，影響了產(chǎn)品的風(fēng)味和生物效價(jià)；90年代，推出了低度水解乳清蛋白肽混合物，含1015個氨基酸組成的肽和20以下的游離氨基酸，產(chǎn)品風(fēng)味明顯改善，生物效價(jià)提高。 1992年，Haque.Z.U和Mozffar.Z研究了胰蛋白酶、凝乳蛋白酶等酶的固定化反應(yīng)器制取乳肽的工藝，可以通過調(diào)節(jié)流速來控制反應(yīng)程度，并通過重復(fù)使用酶來降低成本。1989年，Mauboi

6、s.J.D.和Ieonil.j.研究了帶超濾膜的酶反應(yīng)器，在反應(yīng)器內(nèi)加入鈣和磷酸根離子，用于制備酪蛋白磷酸肽和去磷酸化酪蛋白多肽。 我國對乳肽的研究不多，主要是進(jìn)行蛋白酶的篩選和酶解工藝的優(yōu)化，如1991年，肖安樂等人篩選出胰蛋白酶的胰酶是水解變性乳清蛋白質(zhì)的最佳酶種；1994年，王鳳翼等人對胰蛋白酶控制水解酪蛋白的最佳條件進(jìn)行了優(yōu)選；張和平等人采用胰蛋白酶水解熱敏性乳清蛋白，獲得熱穩(wěn)定好、易溶解的多肽，并以此開發(fā)出穩(wěn)定性良好的乳清飲料；1995年，于江虹也從牛乳酪蛋白中分離提純獲得酪蛋白磷酸肽，證實(shí)了其在小腸中可與鈣、鐵等礦物質(zhì)形成可溶性絡(luò)合物，促進(jìn)人體對鈣、鐵的吸收；廣州市輕工研究所生產(chǎn)的

7、酪蛋白磷酸肽CPP含量達(dá)85以上，易溶于水，加工性能穩(wěn)定，已在我國市場上推出。最近，我國生物工作者開發(fā)了采用微生物發(fā)酵控制、蛋白轉(zhuǎn)化率高的乳肽產(chǎn)品，其中氨態(tài)氮占20左右、肽態(tài)氮占80左右，產(chǎn)品無不良?xì)馕?，已獲專利；湖北工學(xué)院吳思方等人進(jìn)行了固定化胰蛋白酶生產(chǎn)酪蛋白磷酸肽的研究，CPP得率為21.3，產(chǎn)品中CPP總含量為15，此工藝中酶可重復(fù)多次使用，既降低了成本，又有利于產(chǎn)品分離和生產(chǎn)自動化。 大豆肽 大豆肽是大豆蛋白質(zhì)經(jīng)酸法或酶法水解后分離、精制而得到的多肽混合物，以36個氨基酸組成的小分子肽為主，還含有少量大分子肽、游離氨基酸、糖類和無機(jī)鹽等成分，分子質(zhì)量在1000以下。大豆肽的蛋白質(zhì)含量

8、為85左右，其氨基酸組成與大豆蛋白質(zhì)相同，必需氨基酸的平衡良好，含量豐富。大豆肽與大豆蛋白相比，具有消化吸收率高、提供能量迅速、降低膽固醇、降血壓和促進(jìn)脂肪代謝的生理功能以及無豆腥味、無蛋白變性、酸性不沉淀、加熱不凝固、易溶于水、流動性好等良好的加工性能，是優(yōu)良的保健食品素材。 大豆肽的生產(chǎn)有酸法水解和酶法水解。酸法因水解程度不易控制、生產(chǎn)條件苛刻、氨基酸受到損害而很少采用；酶法水解易控制、條件溫和、不損害氨基酸而大多被采用。酶的選擇至關(guān)重要。通常選用胰蛋白酶、胃蛋白酶等動物蛋白酶，也可選用木瓜和菠蘿等植物蛋白酶。但應(yīng)用較廣的主要是放線菌166、枯草芽孢桿菌1389、棲土曲霉3942、黑曲霉3

9、350和地衣型芽桿菌2709等微生物蛋白酶。 20世紀(jì)70年代初，美國首先研制出大豆肽，D.S公司建成了年產(chǎn)5000噸食用大豆肽裝置；日本于80年代開始研制大豆肽，不二制油公司首先采用酶法規(guī)?；a(chǎn)出3種大豆肽，雪印和森永等乳業(yè)公司應(yīng)用大豆肽生產(chǎn)食品。 我國近幾年也開展了大豆肽的生產(chǎn)和應(yīng)用研究。江西省科學(xué)院高科技中心李雄輝等人采用ASI389中性蛋白酶和木瓜蛋白酶雙酶水解生產(chǎn)大豆肽，使大豆肽生成率為62.9，肽態(tài)氮含量大于85，游離氨基酸含量小于8，平均肽鍵長度58，分子質(zhì)量2000左右。雙酶水解工藝既縮短了酶解時間、提高了蛋白質(zhì)水解度，又減輕了產(chǎn)品苦味。華南理工大學(xué)黃惠華等人用木瓜蛋白酶對大

10、豆分離蛋白進(jìn)行水解試驗(yàn)，測得木瓜蛋白酶的動力學(xué)常數(shù)。另外，無錫輕工大學(xué)的葛文光對大豆肽的生理功能及作用效果進(jìn)行了研究；郭敏亮采用豆粕生產(chǎn)出大豆肽飲料等。 根據(jù)大豆肽的理化特性，可用大豆肽為基本素材，開發(fā)腸胃功能不良者和消化道手術(shù)病人康復(fù)的腸道營養(yǎng)食品的流態(tài)食品、降膽固醇、降血壓、預(yù)防心血管疾病的保健食品，增強(qiáng)肌肉和消除疲勞的運(yùn)動員食品、嬰幼兒及老年人保健食品、促進(jìn)脂肪代謝的減肥食品、酸性蛋白飲料和用作促進(jìn)微生物生長、代謝的發(fā)酵促進(jìn)劑等。 高F值寡肽 高F值寡肽即是由動、植物蛋白酶解后制得的具有高支鏈、低芳香族氨基酸組成的寡肽，以低苯丙氨酸寡肽為代表，具有獨(dú)特的生理功能。F值是指支鏈氨基酸（BC

11、AA）與芳香族氨基酸（AAA）的摩爾比值。 1976年，Yamashita等人首次利用胃蛋白酶和鏈霉蛋白酶從魚蛋白和大豆分離蛋白酶解中制得含低苯丙氨酸的寡肽混合物，產(chǎn)率分別為69.3和60.9，苯丙氨酸含量分別為0.05和0.23。1982年，Nakhost等人用胰凝乳蛋白酶和羧肽酶A酶解大豆蛋白，也制得相似的產(chǎn)物。1986年，Soichi等人進(jìn)行了多種酶分別酶解乳清蛋白制取低苯丙氨酸寡肽的多種工藝、方法試驗(yàn)，結(jié)果以胃蛋白酶鏈霉蛋白酶兩步水解法為佳，產(chǎn)品得率為81.0、苯丙氨酸含量為0.30。1991年，Shinya等人用嗜堿蛋白酶和肌動蛋白酶水解玉米醇溶蛋白，制取了無苦味高F值寡肽，產(chǎn)率為5

12、6.0，F(xiàn)值20.00，AAA含量為1.86。 1996年，西班牙的Bautista等人用肌動蛋白酶和Kerase中性蛋白酶酶解葵花濃縮蛋白，制取高F值寡肽，產(chǎn)率為24.8，F(xiàn)值為20.47，AAA含量為1.01。王梅也在1992年首次采用堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶降解玉米黃粉；成功地研制出高F值寡肽混合物，產(chǎn)率為7.9，F(xiàn)值為31.00，AAA含量為0.06，完全符合高F值制劑的要求，為解決玉米濕法淀粉廠副產(chǎn)品黃粉的綜合利用開創(chuàng)了新路子。 高F值寡肽具有消除或減輕肝性腦病癥狀、改善肝功能和改善多種病人蛋白質(zhì)營養(yǎng)失常狀態(tài)及抗疲勞等功能，除可制作治療肝疾藥品外，還可廣泛用作保肝、護(hù)肝功能食品，燒傷、

13、外科手術(shù)、膿毒血癥等高付出病人及消化酶缺乏患者的蛋白營養(yǎng)食品和腸道營養(yǎng)劑，高強(qiáng)度勞動者和運(yùn)動員食品營養(yǎng)強(qiáng)化劑等。 由于谷胱甘肽分子有一個特異的肽鍵，決定了它在人機(jī)體中的許多重要生理功能，如蛋白質(zhì)和核糖核酸的合成、氧及營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸、內(nèi)源酶的活力、代謝和細(xì)胞保護(hù)、參與體內(nèi)三羧酸循環(huán)及糖代謝，具有抗氧化、抗疲勞、抗衰老、清除體內(nèi)過多自由基、解毒護(hù)肝、預(yù)防糖尿病和癌癥等功效，因此而成為機(jī)體防御功能肽的代表。谷胱甘肽除可在臨床上用作治療眼角膜疾病，解除丙烯酯、氟化物、重金屬、一氧化碳、有機(jī)溶劑等中毒癥狀的解毒藥物外，還可用于運(yùn)動營養(yǎng)食品和功能食品添加劑等。 1.5 作用機(jī)理谷胱甘肽（Glutathio

14、ne，簡稱GSH）谷胱甘肽結(jié)合反應(yīng)谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶能催化還愿型谷胱甘肽（GSH）與一些鹵化有機(jī)物、環(huán)氧化等結(jié)合，降低環(huán)氧化物的毒性，對基體起保護(hù)作用?？咕嚯?Antimicrobial peptides）抗菌肽是生物體經(jīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的一種具有生物活性的小分子肽，可分為環(huán)狀肽、唐肽和脂肽3類。在動植物防御病原微生物的感染中起到重要的防御作用?？咕牡目咕饔脵C(jī)理首先結(jié)合在質(zhì)膜上。接著其分子中的疏水段和兩親性a-螺旋也插入到質(zhì)膜中。最終通過膜內(nèi)分子間的相互位移，抗菌肽分子聚集形成離子性通道，使細(xì)胞失去膜勢而死亡?？咕嚯牡膬?yōu)點(diǎn)不產(chǎn)生耐藥性殺菌速度快對人體無毒副作用價(jià)值1.小肽吸收快速、低耗、不易

15、飽和為某些特殊身體狀況的人群補(bǔ)充營養(yǎng)對乳酸菌、雙歧桿菌和酵母菌等多種微生物的生長有促進(jìn)作用。低抗原性，滲透壓比氨基酸低。3.神經(jīng)活性肽多種食物蛋白經(jīng)酶解后，會產(chǎn)生類鴉片活性肽（如腦啡肽、生長激素抑制劑、舒緩激肽和促甲狀腺釋放激素）TLH等神經(jīng)活性肽，可起到鎮(zhèn)痛及調(diào)節(jié)人體情緒、呼吸、脈搏、體溫的作用。4.降壓血肽許多蛋白質(zhì)的酶解產(chǎn)物中都有血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑（ACEI）。血管緊張素轉(zhuǎn)換酶（ACE）抑制劑（ACEI，即降血壓肽）通過抑制ACE的活性來實(shí)現(xiàn)降壓功能的，達(dá)到治療高血壓的目的。1.6 生物活性肽的生產(chǎn)方法天然活性肽的分離提取 存在于細(xì)菌、真菌、動植物等生物體內(nèi)的激素、酶抑制劑等天然活性

16、肽，經(jīng)分離提取而得。 食品蛋白質(zhì)水解制取活性肽 一般采用酸水解，工藝簡單、成本低，但因氨基酸受損嚴(yán)重、水解難控制而較少應(yīng)用。 化學(xué)合成多肽 采用液相或固相化學(xué)合成法可制取任意需要的活性肽，但因成本高、副反應(yīng)物及殘留化合物多等因素而制約其發(fā)展。 基因重組法制取多肽 采用DNA重組技術(shù)制取活性肽的試驗(yàn)研究尚在進(jìn)行中。 酶法生產(chǎn)活性肽 產(chǎn)品安全性極高，生產(chǎn)條件溫和，水解易控制，可定位生產(chǎn)特定的肽，成本低，已成為最主要的生產(chǎn)方法。酶法生產(chǎn)活性肽工藝一般流程為：選擇原料蛋白預(yù)處理酶解精制成品 1.7 生物活性肽產(chǎn)品保健品和藥物，如武漢九生唐生物工程有限公司生產(chǎn)的三九蛋白肽、”三九牌大豆多肽”、“九生牌降

17、糖肽”、“三九牌調(diào)脂康口服液（降脂肽）”、“三九牌長線條口服液（減肥肽）”、“九生牌抗癌肽”、“九生牌抗艾滋病毒肽”等。第二部分精制生物活性肽的膜處理工藝和設(shè)備主要內(nèi)容1 壓力驅(qū)動工藝 1.1 膜基本知識 1.2 超濾 1.3 納濾2 加外電場的膜驅(qū)動工藝 2.1 電增強(qiáng)型膜過濾 2.2 強(qiáng)制流膜電泳 3 電泳的膜工藝 3.1 電泳 3.2 固定邊界電泳分離 3.2.1 基本原理 3.2.2 Gradiflow 技術(shù) 3.3 電滲析 3.3.1 基本原理 3.3.2 膜過濾電滲析法 4 未來發(fā)展趨勢1 壓力驅(qū)動膜過程簡介微濾是指大于0.1m的顆?；蚩扇芪锉唤亓舻膲毫︱?qū)動模型過程；超濾是指小于0

18、.1 m大于2nm的顆粒或可溶物被截留的壓力驅(qū)動模型過程；反滲透是指高壓下溶劑逆著其滲透壓而選擇性透過的膜過程；納濾是指小于2nm的顆粒或可溶物被截留的壓力驅(qū)動模型過程。1.1 膜基本知識膜技術(shù)發(fā)展簡介膜廣泛地存在于自然界，與生命起源和生命活動緊密相關(guān)在許多自然現(xiàn)象中發(fā)揮重大作用，在現(xiàn)代化的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民日常生活中也扮演重要角色對膜的認(rèn)識和開發(fā)僅有二百多年的歷史膜科學(xué)和技術(shù)的飛躍發(fā)展是近三十年的事，倍受科技界和工業(yè)界的重視膜反應(yīng)器，滲透汽化無機(jī)膜，納濾，膜蒸餾提出液膜概念氣體分離研究開始，ED合成離子交換膜Donnan理論的提出滲透壓關(guān)系式的建立滲透裝置出現(xiàn)離子交換現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)滲透現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)親和

19、膜、促進(jìn)傳遞、膜能轉(zhuǎn)換氣體分離、超濾、控制釋放世界上第一張高通量反滲透膜提出反滲透脫鹽設(shè)想合成離子交換樹脂系列化微孔膜問世第一張合成的CN膜發(fā)現(xiàn)超濾現(xiàn)象氣體透過膜現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)膜技術(shù)發(fā)展簡介（續(xù)）膜技術(shù)特點(diǎn)（1）無試劑加入，無額外材料損耗，無需再生，無二次污染，可連續(xù)操作能充分利用工業(yè)壓力源做為膜分離推動力，物料僅通過簡單流經(jīng)膜表面即可得到分離 工藝相容性強(qiáng)，易與相關(guān)工藝配套，能因地制宜地滿足多樣化工藝組合要求 膜技術(shù)特點(diǎn)（2）模塊組合方式既可滿足集中應(yīng)用，又可進(jìn)行單元操作，不受場地和自然環(huán)境的限制 常溫操作，投資少、能耗低、回收率高，無公害 設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占據(jù)空間小；工藝簡單，組裝方便；易操作，

20、免維護(hù) 一般無需相變和化學(xué)變化即可達(dá)到分離目的 mARELATIVESIZE OFCOMMONMATERIAL過濾對象MOLECULARWEIGHT分子量0.001100.011000.110001.01041010510010001061071002005,00020,000150,000500,000Aqueous salts中水鹽份Metal ions金屬離子Sugars蔗糖FILTRATIONTECHNO-LOGY過濾方法Pyrogens熱源Virus病毒Colloidal silica膠體硅Albumin protein白蛋白Bacteria細(xì)菌Carbon black碳黑Paint

21、 pigment顏料色素Yeast cells酵母Milled flour面粉Beach sand海灘沙礫Pollens花粉RO反滲透Ultrafiltration 超濾Microfiltration微濾Particle filtration一般過濾THE FILTRATION SPECTRUM 過濾譜圖NF 納濾 壓力驅(qū)動膜截留溶質(zhì)分子大小比較微濾超濾納濾反滲透懸浮顆粒大分子有機(jī)物糖類等小分子有機(jī)物，二價(jià)鹽或多價(jià)鹽單價(jià)鹽水各種膜的分離特性乳制品分離譜圖1.2 超濾原理：超濾同微濾類似，也是利用膜的“篩分”作用進(jìn)行分離的膜過程。在靜壓差的作用下，小于膜孔的粒子通過膜，大于膜孔的粒子則被阻攔在膜

22、的表面上，使大小不同的粒子得以分離，不過其過濾精度更高，因而膜孔更小，實(shí)際的操作壓力也比微濾略高，一般為0.1-0.5Mpa。對象：超濾主要用于從液相物質(zhì)中分離大分子化合物(蛋白質(zhì)，核酸聚合物，淀粉，天然膠，酶等）、膠體分散液（黏土，顏料，礦料，乳液粒子，微生物）以及乳液（潤滑劑，洗滌劑，油水乳液)。采用先與適合的大分子結(jié)合的方法也可以從水溶液中分離金屬離子、可溶型溶質(zhì)和高分子物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、酶、病毒），以達(dá)到凈化、濃縮的目的。1.2 超濾超濾膜一般為非對稱膜，由一層極薄（通常為0.11um）具有一定孔徑的表皮層和一層較厚（通常為125um）具有海綿狀或指狀結(jié)構(gòu)的多孔層組成，前者起篩分作用，后

23、者起支撐作用。分離機(jī)理：一般認(rèn)為超濾過程的分離機(jī)理為篩孔分離過程，但膜表面的化學(xué)性質(zhì)也是影響超濾分離的重要因素，即超濾過程中溶質(zhì)的截留包括在膜表面上的機(jī)械截留（篩分）、在膜孔中的停留（阻塞）、在膜孔表面及膜孔內(nèi)的吸附三種方式。1.2 超濾超濾的操作模式和微濾類似，基本上是死端過濾和錯流過濾兩種，但由于超濾的功能與微濾有所不同，微濾多數(shù)是除雜，產(chǎn)物是過濾液；而超濾著重是分離，產(chǎn)物既可以是滲透液，也可以使截留液或者二者兼有，因此在這兩種基本模式的基礎(chǔ)上又發(fā)展了多種模式。中空纖維超濾膜結(jié)構(gòu)單 內(nèi) 皮 層雙 皮 層 Hollow-fiber membraneCross sectionSurface0.

24、3-2.0 mmCross sectionMF、UF主要公司國外： Millipore、 Pall、 Sartorius、Gelman、U.S.Filter、 Koch、 Cuno、 Zenon、 富士、三井、三菱等國內(nèi)： 折疊微孔膜、中空纖維膜組器生產(chǎn)廠家較多 杭州北斗星膜制品有限公司：卷式UF、MF膜組器MF、UF發(fā)展方向無機(jī)膜浸沒式MF或UF組器MF或UF+活性炭生產(chǎn)飲用水連續(xù)膜過濾（中空UF、MF）高度不對稱膜高孔隙率、大孔徑熱致相分離MF膜新應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)1.3 納濾納濾（Nanofiltration）是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動膜分離過程，納濾膜的孔徑范圍在幾個納米左右。與其

25、他壓力驅(qū)動型膜分離過程相比，出現(xiàn)較晚。它的出現(xiàn)可追溯到70年代末J.E.Cadotte的NS-300膜的研究，之后，納濾膜大多從反滲透膜衍化而來，但與反滲透相比，其操作壓力更低，因此納濾膜又稱作“低壓反滲透”或“疏松反滲透”。與超濾或反滲透相比，納濾過程對單價(jià)離子和分子量低于200的有機(jī)物截留較差，而對二價(jià)或多價(jià)離子及分子量介于200500之間的有機(jī)物有較高的脫除率，基于這一特性，納濾過程主要應(yīng)用于水的軟化、凈化以及相對分子量在百級的物質(zhì)的分離、分離和濃縮（如染料、抗生素、多肽、多糖等化工和生物工程產(chǎn)物的分級和濃縮）、脫色和去味等。納濾納濾膜分離性能范圍納濾分離原理與超濾膜相比，納濾膜有一定的

26、荷電容量，對不同價(jià)態(tài)的離子存在Donnan效應(yīng)；與反滲透膜相比，納濾膜又不是完全無孔的，因此其分離機(jī)理在存在共性的同時，也存在差別。其對大分子的分離機(jī)理與超濾相似，但對無機(jī)鹽的分離行為不僅由化學(xué)勢梯度控制（溶解擴(kuò)散原理），也受電勢梯度的影響，即納濾膜的分離行為與其荷電特性、溶質(zhì)荷電狀態(tài)以及二者的相互作用均有關(guān)系，在現(xiàn)存的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)中，關(guān)于納濾膜的分離機(jī)理模型有空間位阻-孔道模型、溶解擴(kuò)散模型、空間電荷模型、固定電荷模型、靜電排斥和立體位阻模型、 Donnan平衡模型等。納濾分離規(guī)律對于陰離子，截留率遞增的順序?yàn)椋篘O3-、Cl-、OH-、SO42-、CO32-；對于陽離子，截留率遞增的順序?yàn)椋篐

27、+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、等；截留分子量在200-1000之間，分子大小為1nm的溶解組分的分離。納濾分離機(jī)理：篩分、優(yōu)先吸附、離子作用分離范圍：介于RO、UF之間膜種類：芳香聚酰胺復(fù)合膜、CA-CTA不 對稱膜、磺化聚電解質(zhì)復(fù)合膜膜組器：卷式、管式應(yīng)用：膜軟化、水凈化、染料、多糖、 抗菌素純化濃縮2 加外電場的膜驅(qū)動工藝電增強(qiáng)型膜過濾（Electrically-Enhanced Membrane Filtration）強(qiáng)制流膜電泳（Forced-flow Membrane Electrophoresis）2.1 電增強(qiáng)型膜過濾電增強(qiáng)型膜過濾相對于傳統(tǒng)膜過濾單元添加了一個

28、外電場，因此，膜的選擇性與生物分子的電泳淌度和膜的篩分性有關(guān)。為了適應(yīng)電勢梯度，報(bào)導(dǎo)了兩種不同電濾塵器的膜構(gòu)型。兩種不同電濾膜構(gòu)型電極平行放置的過濾膜電場加在膜和另一個電極之間電增強(qiáng)型膜過濾的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)勢：有效地減少了膜污染和提高了膜的選擇性。缺點(diǎn)：壓力梯度模塊產(chǎn)生的微粒累積在膜表面附近，從而改變了膜的選擇性；在這種構(gòu)型中，由于電極反應(yīng)動力學(xué)的影響，電極隔間沒有把已處理的溶液和滲透過來的溶液分開；電極附近的PH值改變了。2.2 強(qiáng)制流膜電泳強(qiáng)制流膜電泳首先用于分離帶電大分子化合物的懸浮液，如在平行膜之間的蛋白質(zhì)。大分子化合物根據(jù)它們的電荷轉(zhuǎn)移。電場方向垂直于膜，與溶液流出方向平行。由于極性不同，

29、一部分蛋白質(zhì)保留在膜的一側(cè)，而目標(biāo)蛋白質(zhì)則透過膜，這樣就使蛋白質(zhì)變得更純了。強(qiáng)制流膜電泳為了改進(jìn)強(qiáng)制流膜電泳Perry對其進(jìn)行了改進(jìn)。分離是在電泳槽中進(jìn)行的。Feed recirculation（原料循環(huán)）Permeate（滲透）AEM （anion exchange membrane 陰離子交換膜）CEM（cation exchange membrane 陽離子交換膜）Electrolyte（電解液）強(qiáng)制流膜電泳的原理圖解強(qiáng)制流膜電泳進(jìn)一步改進(jìn)Cathodic buffer（陰極緩沖液）Anodic（陽極緩沖液）改進(jìn)后強(qiáng)制流膜電泳的原理圖解強(qiáng)制流膜電泳強(qiáng)制流膜電泳技術(shù)是用來分離混合蛋白質(zhì)的，

30、盡管如此，但是它從來沒用于測試多肽碎片。通過增加膜面積可以放大強(qiáng)制流膜電泳。然而，它需要高電壓（100V/cm）和較低的流動速率等因素限制了它的工業(yè)化。3 電泳的膜工藝3.1 電泳定義電泳（electrophoresis）是指帶電荷的溶質(zhì)或粒子在電場中向著與其本身所帶電荷相反的電極移動的現(xiàn)象。利用電泳現(xiàn)象將多組分物質(zhì)分離、分析的技術(shù)叫做電泳技術(shù)（electrophoresis technique）?？梢詫?shí)現(xiàn)電泳分離技術(shù)的儀器稱之為電泳儀（electrophoresister）。電泳決定于環(huán)繞每個離子的離子霧中的擴(kuò)散雙電層，離子尺寸越大、溶液中的離子強(qiáng)度越高時，電泳現(xiàn)象變得越明顯。因此，電泳現(xiàn)象

31、中的表面電勢和雙電層的因素起著決定性的作用。 目前，電泳技術(shù)已廣泛用于蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸、核苷酸、無機(jī)離子等成份的分離和鑒定，甚至還用于細(xì)胞與病毒的研究。 臨床常用的電泳分析方法主要有醋酸纖維素薄膜電泳、凝膠電泳、等電聚焦電泳、雙向電泳和毛細(xì)管電泳等。 電泳的簡單原理蛋白質(zhì)、核酸、多糖等常以顆粒分散在溶液中，它們的凈電荷取決于介質(zhì)的H+濃度或與其它大分子的相互作用。帶電粒子在電場中的遷移方式主要依據(jù)分子尺寸大小和形狀、分子所帶電荷或分子的生物學(xué)與化學(xué)特性。 物質(zhì)分子在正常情況下一般不帶電，即所帶正負(fù)電荷量相等，故不顯示帶電性。但是在一定的物理作用或化學(xué)反應(yīng)條件下，某些物質(zhì)分子會成為帶電的離子

32、（或粒子），不同的物質(zhì)，由于其帶電性質(zhì)、顆粒形狀和大小不同，因而在一定的電場 中它們的移動方向和移 動速度也不同，因此可 使它們分離。電泳現(xiàn)象和電滲流現(xiàn)象（一）醋酸纖維素薄膜電泳 電泳時經(jīng)過膜的預(yù)處理、加樣、電泳、染色、脫色與透明即可得到滿意的分離效果。此電泳的特點(diǎn)是分離速度快、 電泳時間短、樣品 用量少。因此特別 適合于病理情況下 微量異常蛋白的檢測。血清蛋白的電泳圖譜 電泳技術(shù)介紹應(yīng)用實(shí)例白蛋白、蛋白素、蛋白質(zhì)球蛋白球蛋白球蛋白電泳法分離血清蛋白血清蛋白電泳 新鮮血清經(jīng)醋酸纖維薄膜或瓊脂糖電泳、染色后，通?？梢?條帶，即清蛋白、1、2、和球蛋白。許多疾病總血清蛋白濃度和各蛋白組分的比例有所

33、改變，通過血清蛋白電泳圖譜能幫助我們對某些疾病進(jìn)行診斷及鑒別診斷。 血清蛋白電泳圖譜 （二）凝膠電泳 由區(qū)帶電泳中派生出一種用凝膠物質(zhì)作支持物進(jìn)行電泳的方式，被稱為凝膠電泳。普通的凝膠電泳在板上進(jìn)行，以凝膠作為介質(zhì)。電泳中常用的凝膠為葡聚糖、交聯(lián)聚丙烯酰胺和瓊脂糖。 它具有機(jī)械強(qiáng)度好、彈性大、 透明、化學(xué)穩(wěn)定性高、無電滲 作用、設(shè)備簡單、樣品量小 (1100g）、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。 凝膠電泳圖（三）等電聚焦電泳 1 等電聚焦電泳過程 一種利用有pH值梯度的介質(zhì)，分離等電點(diǎn)不同的蛋白質(zhì)的電泳技術(shù)。 將等電點(diǎn)不同的蛋白質(zhì)混合物加入有pH值梯度的凝膠介質(zhì)中，在電場內(nèi)經(jīng)過一段時間后，各組分將分別聚焦在各

34、自等電點(diǎn)相應(yīng)的pH值位置上，最后，樣品的各組分在各自的等電點(diǎn)聚焦成一條清晰而穩(wěn)定的窄帶。 凈電荷與PH的關(guān)系曲線 2等電聚焦電泳的特點(diǎn) 使用兩性載體電解質(zhì)，在電極之間形成穩(wěn)定、連續(xù)、線性的pH梯度；由于“聚焦效應(yīng)”，即使很小的樣品也能獲得清晰、鮮明的區(qū)帶界面；電泳速度快;分辨率高;加入樣品的位置可任意選擇；可用于測定蛋白質(zhì)類物質(zhì)的等電點(diǎn);適用于中、大分子量（如蛋白質(zhì)、肽類、同工酶等）生物組分的分離分析。電泳弊端及改進(jìn)技術(shù)與待觀察和分析的比例相比，溶解性較差。電泳產(chǎn)率達(dá)到某種程度后就不可能再增加了，典型的產(chǎn)率是每小時幾毫克。為了克服這些弊端，提出了2種不同的技術(shù)，固定邊界電泳和電滲析。這些區(qū)域有

35、多個小區(qū)域，每個小區(qū)域用膜隔開。膜有2個顯著的特點(diǎn)：選擇性由溶質(zhì)流過膜的速率決定；增加小隔間的個數(shù)，產(chǎn)率會增加，但是不影響膜的選擇性。3.2 固定邊界電泳分離3.2.1 基本原理在固定邊界電泳分離中，半滲透膜將流體分為兩股，一股為帶電分子流體，另一股為下游流體（如圖）。流體在電極間流動，料液中的帶電分子在高達(dá)（380V/cm）的電壓下穿過膜。緩沖液在電泳分離過程中通過在電極隔間循環(huán)流動控制PH的變化。固定邊界電泳原理圖解3.2.2 Gradiflow技術(shù)Gadiflow 儀是根據(jù)介體電泳技術(shù)（preparative electrophorestsis）原理發(fā)明的。介體電泳技術(shù)是生物純化技術(shù)的一

36、個革命 ，它將電泳分離技術(shù)的原理與膜過濾分離技術(shù)的原理的相結(jié)合，利用分子的大小和其所帶電荷的性質(zhì)不同，對復(fù)雜的生物溶液進(jìn)行純化、濃縮和鹽析。澳大利亞著名科學(xué)家 Joel Margolis,即第一塊梯度電泳膠的構(gòu)思者，根據(jù)介體電泳技術(shù)原理發(fā)明了Gradiflow儀，經(jīng)過10多年的研制和改進(jìn)后，于 1998年開始進(jìn)入市場，相對于超濾和往層析等常用分離技術(shù)，因?yàn)槠浼兓瘲l件溫和、無需加壓和特殊處理，因此能夠快速、高質(zhì)量和低成本地分離純化生物活性物質(zhì)。介體電泳技術(shù)的優(yōu)越性減少了生物活性物質(zhì)的降解，純化條件溫和，無強(qiáng)酸強(qiáng)堿、強(qiáng)電解質(zhì)溶液，無高壓，可在適宜的溫度下操作 ；純化費(fèi)用低，操作容易，Gradifl

37、ow儀無需柱子、電泳膠，無需高壓、梯度處理和冷凍室，且儀器設(shè)備的價(jià)格低廉 ；產(chǎn)量高，純化時間短，純化速度可達(dá)80gh； 純化的同時可進(jìn)行濃縮和脫鹽，所以適用于未經(jīng)加工的原溶液； 因每次更換新的分離膜片，無交叉污染； Gradiflow儀在純化的同時可以除去病毒、細(xì)菌和內(nèi)毒素等病原體。 介體電泳技術(shù)的原理與儀器構(gòu)造介體電泳技術(shù)利用物質(zhì)分子量的大小和其所帶電荷的性質(zhì)不同，將所需要的物質(zhì)與雜質(zhì)分開。其主要部件是一個分離膜片，分離膜片由三層聚丙烯酸肢膜組成，上下兩層是小孔徑的限制膜，它們只允許相對分子質(zhì)量小于3103的小分子或離子通過，中間一層是分離膜，它的孔徑可根據(jù)分離的需要選擇，但通常比限制膜的孔

38、徑大，且孔徑大小一致。 操作時，將分離膜片插入分離裝置中，在分離膜片的上下是兩個電極，在電極與分離膜片之間循環(huán)已冷卻的緩沖液，目的是調(diào)節(jié)被分離溶液的PH值，和冷卻因電場產(chǎn)生的熱量，以保證整個分離過程在所需的溫度和PH值下進(jìn)行。 需要分離的溶液在限制膜與分離膜之間通過泵形成兩個循環(huán)，其中分離膜上部的循環(huán)液叫上流（Upstream），下部的循環(huán)液叫下流（Downstream），通常需要分離的溶液循環(huán)在上流，而空白液循環(huán)在下流。當(dāng)開啟電源后，帶有不同電荷的物質(zhì)將向兩個不同的電極方向運(yùn)動，而分離膜只允許分子量小于其孔徑的分子通過。根據(jù)所需要物質(zhì)的分子量大小和等電點(diǎn)，選擇分離膜孔徑的大小和緩沖液的 pH

39、值，可將需要的物質(zhì)與各種雜質(zhì)分開在上流和下流溶液中。 Cradiflow儀與紫外分光光度計(jì)連接，可監(jiān)測上流和下流中所需要物質(zhì)濃度的變化。 介體電泳技術(shù)應(yīng)用采用介體電脈技術(shù)分離純化的物質(zhì) 被分離的物質(zhì)需要分離的原溶液血清白蛋白人血漿重組蛋白質(zhì)大腸桿菌IgG人血漿粘蛋白豬胃白蛋白白蛋白和血紅蛋白溶菌酶雞蛋白卵白蛋白雞蛋白藻紅蛋白藻提取物IgG和IgM單克隆抗體腹水、無血清培養(yǎng)基纖維蛋白原人血漿3.3 電滲析（Electrodialysis）3.3.1 電滲析（ED）發(fā)展概況3.3.2 電滲析基本原理3.3.2 膜過濾電滲析法3.3.1 電滲析（ED）技術(shù)的發(fā)展概況對電滲析的基本概念的研究是從19世

40、紀(jì)50年代開始的。1854年 Graham發(fā)現(xiàn)了滲析現(xiàn)象；1862年 Dubrunfant制成了第一個膜滲析器，并成功地進(jìn)行了糖與鹽的分離；1940年 Meyer和Strauss提出了具有實(shí)用意義的多隔室電滲析裝置的概念；1950年 Juda試制成功了第一張具有選擇透過性的陽、陰離子交換膜，奠定了ED技術(shù)的實(shí)用基礎(chǔ)，ED技術(shù)得到迅速發(fā)展。1952年 美國Ionics公司制成了第一臺電滲析裝置；19541956年 英、美將ED首先應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，主要應(yīng)用于苦咸水淡化、制備工業(yè)用水和飲用水，此后，ED 技術(shù)逐步被引入北非、南非以及中東地區(qū)。1959年 前蘇聯(lián)開始研究和推廣應(yīng)用ED技術(shù)；1966年

41、 美國Du Pont公司研制全氟磺酸離子交換膜；1970年 日本將電滲析器用于苦咸水淡化；1972年 美國Ionics公司推出頻繁倒極電滲析(EDR)裝置；1974年 日本在野島建造了日產(chǎn)飲用水120t的海水淡化ED裝置；1982年 日本成功開發(fā)了全氟陰離子交換膜（AEM）；1991年 我國研制成功了無極水全自動控制ED器，以城市自來水為進(jìn)水，單臺多級多段配置，脫鹽率為99%以上，原水利用率達(dá)70%以上。20世紀(jì)80年代中后期，常規(guī)ED技術(shù)在國外的發(fā)展進(jìn)入了萎縮階段，西歐已基本不用。我國電滲析技術(shù)的發(fā)展概況1958年 開始電滲析技術(shù)的研究；1960年代初 小型ED裝置投入海上試驗(yàn)；1965年

42、在成昆鐵路上安裝了第一臺苦咸水淡化裝置；1966年 開始工業(yè)化試生產(chǎn)聚乙烯異相離子交換膜，從此ED技術(shù)開始進(jìn)入實(shí)用化階段；1967年 異相離子交換膜投入生產(chǎn)，為電滲析技術(shù)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件；1970年代以來 ED技術(shù)發(fā)展較快，離子交換膜生產(chǎn)已具相當(dāng)規(guī)模，全國共有44個膜品種，已商品化的有12類19種，并已具有相當(dāng)高的水平。我國離子交換膜產(chǎn)量占世界第二。3.3 電滲析（Electrodialysis）3.3.2 電滲析基本原理電滲析指在直流電場作用下，溶液中的荷電離子選擇性地定向遷移，透過離子交換膜并得以去除的一種膜分離技術(shù)。采用電滲析過程脫除溶液中的離子，基于2個基本條件： 1）離子交換膜的

43、選擇透過性； 2）直流電場。離子交換膜（ion exchange membrane）是電滲析器的主要部件，有“電滲析的心臟”之稱。它是一種由高分子材料制成的具有離子交換基團(tuán)的薄膜。在這里，離子交換膜的作用并不是起離子交換的作用，而是起著離子選擇透過的作用，所以更確切地說應(yīng)稱之為“離子選擇性透過膜”。離子交換膜的組成離子交換膜膜的主體增強(qiáng)材料(保證膜的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性)活動部分固定部分高分子骨架(基膜)離子交換基團(tuán)(固定荷電基團(tuán))反離子唐納滲透離子溶劑(如水)離子交換膜膜的主體增強(qiáng)材料(保證膜的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性)活動部分固定部分高分子骨架(基膜)離子交換基團(tuán)(固定荷電基團(tuán))反離子唐納滲透離子溶劑(如水)膜解離機(jī)理電滲析原理3.3.3 膜過濾的電滲析法（Electrodialysis with Filtration Membranes）EDFM/EDUM電滲析過程示