膜分離技術(shù)研究進(jìn)展培訓(xùn)課件

膜分離技術(shù)研究進(jìn)展

萬(wàn)印華中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Email:yhwan@

化學(xué)工程設(shè)計(jì)專業(yè)委員會(huì)成立大會(huì)暨全國(guó)化工化學(xué)工程設(shè)計(jì)技術(shù)中心站年會(huì)2007年11月18-22日，桂林膜分離技術(shù)研究進(jìn)展化學(xué)工程設(shè)計(jì)專業(yè)委員會(huì)成立大會(huì)暨全國(guó)膜分離技術(shù)的地位和影響美國(guó)官方文件曾說(shuō)"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(méi)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(pán)技術(shù)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)“誰(shuí)掌握了膜技術(shù)，誰(shuí)就掌握了化學(xué)工業(yè)的未來(lái)”-NormanN.Li，美國(guó)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)將扮演重要角色膜分離技術(shù)的地位和影響美國(guó)官方文件曾說(shuō)"18世紀(jì)電器改變了整生物制造過(guò)程示意簡(jiǎn)圖HappygrowingDrugproducingFermentationKillthemicrobesSmashthemicrobesRemovecells/debrisConcentrateandPurifytheproductFormulateproductDownstreamProcessingMicrobesGeneticmodificationMarketNutrientsOxygen生物制造過(guò)程示意簡(jiǎn)圖HappygrowingDrugprPressure

MF0.1mm-10mm

UF5-100nm(10kD-1MD)

NF<5nm(MW200D-10kD)壓力驅(qū)動(dòng)膜分離示意簡(jiǎn)圖

PressureMF0.1mm滲透汽化膜分離的應(yīng)用滲透汽化(Pervaporation，簡(jiǎn)稱PV)是一種新型膜分離技術(shù)，是在液體混合物中組分蒸汽壓差推動(dòng)下，利用不同組分在特定聚合物/無(wú)機(jī)膜中溶解與擴(kuò)散速率不同來(lái)實(shí)現(xiàn)不同組分分離的目的適合具有一定揮發(fā)性物質(zhì)的分離，從混合物中分離出少量物質(zhì)按功能分：優(yōu)先透水膜、優(yōu)先透有機(jī)物膜和有機(jī)物分離膜其突出的優(yōu)點(diǎn)是能夠以低的能耗實(shí)現(xiàn)蒸餾、萃取、吸附等傳統(tǒng)的方法難于完成的分離任務(wù)滲透汽化膜分離的應(yīng)用滲透汽化(Pervaporation，簡(jiǎn)膜篩分分離機(jī)理膜篩分分離機(jī)理電荷作用膜分離機(jī)理CELMembranePositivelychargedlysozymeNegativelychargedCEAC:Convectiveforce;E:Electrostaticforce;L:Positivelychargedlysozymelayer膜－溶質(zhì)電荷相互作用溶質(zhì)－溶質(zhì)電荷相互作用電荷作用膜分離機(jī)理CELMembranePositively滲透氣化分離原理

它的基本原理是利用膜與被分離有機(jī)液體混和物中各組份的親合力不同而有選擇地優(yōu)先吸附溶解某一組份，及各組份在膜中擴(kuò)散速度不同來(lái)達(dá)到分離的目的，因此它不存在蒸餾法中的共沸點(diǎn)的限制，可連續(xù)分離、濃縮，直至得到純有機(jī)物。滲透氣化分離原理它的基本原理是利用膜與被分離有機(jī)液體膜分離技術(shù)優(yōu)點(diǎn)占地少，處理效率高，設(shè)備易于放大；條件溫和，可在室溫或低溫下操作，適宜于熱敏感物質(zhì)分離濃縮；化學(xué)與機(jī)械剪切作用小，減少失活；無(wú)相轉(zhuǎn)變（除滲透氣化外），節(jié)能；有相當(dāng)好選擇性，可在分離、濃縮的同時(shí)達(dá)到部分純化目的；系統(tǒng)可密閉循環(huán)，防止外來(lái)污染；易于和反應(yīng)或其他分離過(guò)程集成和耦合。膜分離技術(shù)優(yōu)點(diǎn)占地少，處理效率高，設(shè)備易于放大；發(fā)酵－膜分離耦合技術(shù)發(fā)酵－膜分離耦合技術(shù)分離設(shè)備：較難滿足發(fā)酵過(guò)程分離介質(zhì)：對(duì)細(xì)胞存在毒害作用分離過(guò)程：不能有效移走抑制物生物反應(yīng)和分離耦合的發(fā)展存在的問(wèn)題國(guó)際專利申請(qǐng)數(shù)量與工業(yè)生物技術(shù)的興起密切相關(guān)分離技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了發(fā)展三個(gè)主要技術(shù)：萃取、膜分離、吸附分離設(shè)備：較難滿足發(fā)酵過(guò)程生物反應(yīng)和分離耦合的發(fā)展存在的問(wèn)題秸稈發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇

組分分離秸稈纖維素固態(tài)發(fā)酵酒精

寡糖植保素生物農(nóng)藥高效纖維素酶可降解材料地膜材料木質(zhì)素半纖維素剩余物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)能量自供有機(jī)肥生物飼料乙烯

主要問(wèn)題1.乙醇濃度低2~4%2.能耗高3.效益差秸稈發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇組分分離秸稈纖維素酒精寡糖植保素高效乙醇起始濃度對(duì)乙醇蒸餾能耗的影響秸稈乙醇(2-4%)精餾等濃縮乙醇(20-95%)熱超高能量消耗通過(guò)精餾從不同原始濃度提升到90%的能量消耗（Aldrldgeetal.,Ind.Eng.Chem.Process.Des.Dev.1984.23：733）10%16%提高乙醇蒸餾起始濃度是降低能耗的關(guān)鍵!!!生物乙烯燃料乙醇BTUPERPOUNDOFETHANOLPRODUCED6%0.060.00MASSFRACTIONOFETHANOLINFEED原料乙醇液濃度乙醇起始濃度對(duì)乙醇蒸餾能耗的影響秸稈乙醇(2-4%)精餾等濃發(fā)酵-滲透汽化分離耦合生產(chǎn)燃料乙醇關(guān)鍵技術(shù)：（1）優(yōu)先透醇膜的研制（2）過(guò)程優(yōu)化

常規(guī)乙醇發(fā)酵工藝存在的主要問(wèn)題

產(chǎn)物抑制作用能耗高，成本偏高主要技術(shù)指標(biāo)其乙醇滲透通量>1000g/m2h，選擇性>15

優(yōu)先透醇滲透汽化后透過(guò)液的乙醇濃度達(dá)30-60%發(fā)酵-滲透汽化分離耦合生產(chǎn)燃料乙醇關(guān)鍵技術(shù)：（1）優(yōu)先透醇超濾分離蛋白質(zhì)超濾分離蛋白質(zhì)超濾法分離純化蛋白的過(guò)程優(yōu)化篩選合適的膜優(yōu)化操作條件

-需要對(duì)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(kāi)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。超濾法分離純化蛋白的過(guò)程優(yōu)化篩選合適的膜因此，急需開(kāi)發(fā)新的實(shí)超濾過(guò)程優(yōu)化實(shí)驗(yàn)新技術(shù)脈沖進(jìn)樣技術(shù)(Pulsedsampleinjectiontechnique)

2000年由GhoshandCui提出

(JMembrSci175:75-84)流動(dòng)相超濾技術(shù)(Carrierphaseultrafiltration)

2001年由Ghosh提出

(BiotechnolBioeng74:1-11)參數(shù)掃描超濾技術(shù)(Parameterscanningultrafiltration)

2002年由Wan,GhoshandCui提出

Desalination144:301-306超濾過(guò)程優(yōu)化實(shí)驗(yàn)新技術(shù)脈沖進(jìn)樣技術(shù)(Pulsedsamp

RetentatePermeate

Sample

2

3

4

5

6

7

89110AKTAPrime

StirredCell

ExperimentalSetupforParameterScanningUFExperiments

1bufferreservoira;2bufferreservoirb;3pump;4buffermixer;5sampleinjector;6stirredcellmodule;7UVmonitor;8conductivitymonitor;9pHmonitor;10computerfordataloggingandprocessing.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(guò)率可在線檢測(cè)參數(shù)掃描超濾實(shí)驗(yàn)示意圖RetentatePermeateSample2參數(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?jī)H為常規(guī)實(shí)驗(yàn)的1/20至1/10可測(cè)定參數(shù)(pH,鹽濃度)連續(xù)變化下蛋白的透過(guò)率以及不同滲透液通量下蛋白的透過(guò)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(Criticalflux)范圍，準(zhǔn)確測(cè)定膜阻與FPLC聯(lián)用，多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化程度高參數(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?jī)H為常規(guī)實(shí)驗(yàn)的1超濾法分離人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG)

Operatingconditions:workingsolution40g/lHSA+40g/lHIgGindeionisedwateratpH4.7;pulsevolume500μl;carrierphase1.5mMand0.4mMNaClsolutionsatpH4.7for100and300kDamembrane,respectively;stirringspeed2100rpm.

Previous~1!

Previous30–50!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)高效膜分離超濾法分離人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG)OpepH對(duì)人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG)分離的影響Operatingconditions:workingsolution40g/LHSA+40g/LHIgGindeionisedwateratpH4.7;pulsevolume500μL;carrierphase1.5mMNaClsolutionatspecifiedpH;permeateflux7.368×10-6m/s;stirringspeed2100rpm.ReverseselectivitypH對(duì)人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG)分離的影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(guò)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(yáng)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(guò)濾器去除病毒等罐裝FCS單克隆抗體(Campath-1H)的生產(chǎn)簡(jiǎn)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(chǎng)。主要用于治療腫瘤，自身免疫性疾病及器官移植免疫排斥反應(yīng)等。流程示意圖陰離子交換層析細(xì)胞培養(yǎng)微濾或離蛋白A親和陽(yáng)離子交換層SEC去單克隆抗體(Campath-1H)

單體與二聚體的分離(I)RapidassessmentofmembranesuitabilityusingparameterscanningUFpHorsaltscanningUFforsingleproteinsolutionofalemtuzumabmonomerwithdifferentmembranes.Sampleinjected:500Lof4.0g/Lalemtuzumab(Campath-1H);Permeateflux:7.36810-6m/s;Stirringspeed:1800rpm.ForpHscans

BufferA:15mMNaH2PO4,pH4.6;BufferB:15mMNaH2PO4-NaOH,pH10.7;Forsaltscans

BufferA:15mMNaH2PO4-Na2HPO4,pH8.5;BufferB:400mMNaH2PO4-Na2HPO4,pH8.5.單克隆抗體(Campath-1H)單體與二聚體的分離(I)單克隆抗體(Campath-1H)單體與二聚體的分離(II)Comparisonofactualandpredictedyieldsandpuritiesofthemonomer

Two-stageDFprocessN=8Yield96.37%Purity96.40%(Selectivity=10)

CurrentSECYield~85%Purity92%(usedforclinictrial)單克隆抗體(Campath-1H)單體與二聚體的分離(II問(wèn)題與對(duì)策問(wèn)題與對(duì)策

問(wèn)題與對(duì)策

挑戰(zhàn)

對(duì)策膜本身孔徑分布寬

研制開(kāi)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

問(wèn)題與對(duì)策

濃差極化層濃度分布示意圖濃差極化層濃度分布示意圖膜污染膜污染新型膜的研制RelativenumberofplateletsadheredonPSandPS/MPCmembranesIshiharaetal.,Biomaterials,1999,

20:1553–1559Yeetal.,Biomaterials,2003,24:4143-4152ProteinsadsorbedonCAI(hatchedbar)andCA/PMB30III(blackbar)andpolysulfone(whitebar)membranes.

新型膜的研制Relativenumberofplate可降解抗污染膜的研制親水性聚合物可降解聚合物+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凝固浴（H2O）PEG支撐體聚合物溶液可降解抗污染膜的研制親水性聚合物可降解聚合物+可降解抗污染分

膜過(guò)程強(qiáng)化傳質(zhì)對(duì)策氣體吹掃(GasSparging)插入物(Inserts)反向沖洗(Back-flushingandback–pulsing)

低透過(guò)通量下操作

(e.g.,Criticalflux)外加力場(chǎng)(電,磁場(chǎng)及超聲波)膜過(guò)程強(qiáng)化傳質(zhì)對(duì)策氣液兩相流強(qiáng)化HSA-IgG分離Li&CuiJMS,1997IgGHSATMP=0.3barFl=0.5L/min,Fg=30mL/min,40mMphosphatebufferpH8.0TubularMembranePVDF100kD(1/2”id)料液：

4.5g/LHSA+1.0g/LIgGHSA68kDpI=4.7HIgG150kDpI=7-8氣液兩相流強(qiáng)化HSA-IgG分離Li&CuiJMS,199Initialproteinconcentrationinthestirredcell:0.53g/Lalemtuzumab(25%dimers+75%monomer)in15mMsodiumphosphatebufferatpH8.5;Diafiltrationbuffer:15mMsodiumphosphatebufferatpH8.5;Stirringspeed:330±10rpm.低通量(CriticalFlux)運(yùn)行Initialproteinconcentration小結(jié)1.研制無(wú)缺陷(Perfect)抗污染膜及智能型分離膜;2.設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)新型抗污染膜組件;3.提高膜過(guò)程的可預(yù)測(cè)性,如從理論上預(yù)測(cè)給定體系的臨界通量,分離效率等;4.開(kāi)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(shì)和潛力,有必要繼續(xù)加強(qiáng)以下幾方面的研究:小結(jié)1.研制無(wú)缺陷(Perfect)抗污染膜及智能型謝謝懇請(qǐng)指正!謝謝演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！

膜分離技術(shù)研究進(jìn)展

萬(wàn)印華中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Email:yhwan@

化學(xué)工程設(shè)計(jì)專業(yè)委員會(huì)成立大會(huì)暨全國(guó)化工化學(xué)工程設(shè)計(jì)技術(shù)中心站年會(huì)2007年11月18-22日，桂林膜分離技術(shù)研究進(jìn)展化學(xué)工程設(shè)計(jì)專業(yè)委員會(huì)成立大會(huì)暨全國(guó)膜分離技術(shù)的地位和影響美國(guó)官方文件曾說(shuō)"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(méi)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(pán)技術(shù)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)“誰(shuí)掌握了膜技術(shù)，誰(shuí)就掌握了化學(xué)工業(yè)的未來(lái)”-NormanN.Li，美國(guó)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)將扮演重要角色膜分離技術(shù)的地位和影響美國(guó)官方文件曾說(shuō)"18世紀(jì)電器改變了整生物制造過(guò)程示意簡(jiǎn)圖HappygrowingDrugproducingFermentationKillthemicrobesSmashthemicrobesRemovecells/debrisConcentrateandPurifytheproductFormulateproductDownstreamProcessingMicrobesGeneticmodificationMarketNutrientsOxygen生物制造過(guò)程示意簡(jiǎn)圖HappygrowingDrugprPressure

MF0.1mm-10mm

UF5-100nm(10kD-1MD)

NF<5nm(MW200D-10kD)壓力驅(qū)動(dòng)膜分離示意簡(jiǎn)圖

PressureMF0.1mm滲透汽化膜分離的應(yīng)用滲透汽化(Pervaporation，簡(jiǎn)稱PV)是一種新型膜分離技術(shù)，是在液體混合物中組分蒸汽壓差推動(dòng)下，利用不同組分在特定聚合物/無(wú)機(jī)膜中溶解與擴(kuò)散速率不同來(lái)實(shí)現(xiàn)不同組分分離的目的適合具有一定揮發(fā)性物質(zhì)的分離，從混合物中分離出少量物質(zhì)按功能分：優(yōu)先透水膜、優(yōu)先透有機(jī)物膜和有機(jī)物分離膜其突出的優(yōu)點(diǎn)是能夠以低的能耗實(shí)現(xiàn)蒸餾、萃取、吸附等傳統(tǒng)的方法難于完成的分離任務(wù)滲透汽化膜分離的應(yīng)用滲透汽化(Pervaporation，簡(jiǎn)膜篩分分離機(jī)理膜篩分分離機(jī)理電荷作用膜分離機(jī)理CELMembranePositivelychargedlysozymeNegativelychargedCEAC:Convectiveforce;E:Electrostaticforce;L:Positivelychargedlysozymelayer膜－溶質(zhì)電荷相互作用溶質(zhì)－溶質(zhì)電荷相互作用電荷作用膜分離機(jī)理CELMembranePositively滲透氣化分離原理

它的基本原理是利用膜與被分離有機(jī)液體混和物中各組份的親合力不同而有選擇地優(yōu)先吸附溶解某一組份，及各組份在膜中擴(kuò)散速度不同來(lái)達(dá)到分離的目的，因此它不存在蒸餾法中的共沸點(diǎn)的限制，可連續(xù)分離、濃縮，直至得到純有機(jī)物。滲透氣化分離原理它的基本原理是利用膜與被分離有機(jī)液體膜分離技術(shù)優(yōu)點(diǎn)占地少，處理效率高，設(shè)備易于放大；條件溫和，可在室溫或低溫下操作，適宜于熱敏感物質(zhì)分離濃縮；化學(xué)與機(jī)械剪切作用小，減少失活；無(wú)相轉(zhuǎn)變（除滲透氣化外），節(jié)能；有相當(dāng)好選擇性，可在分離、濃縮的同時(shí)達(dá)到部分純化目的；系統(tǒng)可密閉循環(huán)，防止外來(lái)污染；易于和反應(yīng)或其他分離過(guò)程集成和耦合。膜分離技術(shù)優(yōu)點(diǎn)占地少，處理效率高，設(shè)備易于放大；發(fā)酵－膜分離耦合技術(shù)發(fā)酵－膜分離耦合技術(shù)分離設(shè)備：較難滿足發(fā)酵過(guò)程分離介質(zhì)：對(duì)細(xì)胞存在毒害作用分離過(guò)程：不能有效移走抑制物生物反應(yīng)和分離耦合的發(fā)展存在的問(wèn)題國(guó)際專利申請(qǐng)數(shù)量與工業(yè)生物技術(shù)的興起密切相關(guān)分離技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了發(fā)展三個(gè)主要技術(shù)：萃取、膜分離、吸附分離設(shè)備：較難滿足發(fā)酵過(guò)程生物反應(yīng)和分離耦合的發(fā)展存在的問(wèn)題秸稈發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇

組分分離秸稈纖維素固態(tài)發(fā)酵酒精

寡糖植保素生物農(nóng)藥高效纖維素酶可降解材料地膜材料木質(zhì)素半纖維素剩余物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)能量自供有機(jī)肥生物飼料乙烯

主要問(wèn)題1.乙醇濃度低2~4%2.能耗高3.效益差秸稈發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇組分分離秸稈纖維素酒精寡糖植保素高效乙醇起始濃度對(duì)乙醇蒸餾能耗的影響秸稈乙醇(2-4%)精餾等濃縮乙醇(20-95%)熱超高能量消耗通過(guò)精餾從不同原始濃度提升到90%的能量消耗（Aldrldgeetal.,Ind.Eng.Chem.Process.Des.Dev.1984.23：733）10%16%提高乙醇蒸餾起始濃度是降低能耗的關(guān)鍵!!!生物乙烯燃料乙醇BTUPERPOUNDOFETHANOLPRODUCED6%0.060.00MASSFRACTIONOFETHANOLINFEED原料乙醇液濃度乙醇起始濃度對(duì)乙醇蒸餾能耗的影響秸稈乙醇(2-4%)精餾等濃發(fā)酵-滲透汽化分離耦合生產(chǎn)燃料乙醇關(guān)鍵技術(shù)：（1）優(yōu)先透醇膜的研制（2）過(guò)程優(yōu)化

常規(guī)乙醇發(fā)酵工藝存在的主要問(wèn)題

產(chǎn)物抑制作用能耗高，成本偏高主要技術(shù)指標(biāo)其乙醇滲透通量>1000g/m2h，選擇性>15

優(yōu)先透醇滲透汽化后透過(guò)液的乙醇濃度達(dá)30-60%發(fā)酵-滲透汽化分離耦合生產(chǎn)燃料乙醇關(guān)鍵技術(shù)：（1）優(yōu)先透醇超濾分離蛋白質(zhì)超濾分離蛋白質(zhì)超濾法分離純化蛋白的過(guò)程優(yōu)化篩選合適的膜優(yōu)化操作條件

-需要對(duì)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(kāi)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。超濾法分離純化蛋白的過(guò)程優(yōu)化篩選合適的膜因此，急需開(kāi)發(fā)新的實(shí)超濾過(guò)程優(yōu)化實(shí)驗(yàn)新技術(shù)脈沖進(jìn)樣技術(shù)(Pulsedsampleinjectiontechnique)

2000年由GhoshandCui提出

(JMembrSci175:75-84)流動(dòng)相超濾技術(shù)(Carrierphaseultrafiltration)

2001年由Ghosh提出

(BiotechnolBioeng74:1-11)參數(shù)掃描超濾技術(shù)(Parameterscanningultrafiltration)

2002年由Wan,GhoshandCui提出

Desalination144:301-306超濾過(guò)程優(yōu)化實(shí)驗(yàn)新技術(shù)脈沖進(jìn)樣技術(shù)(Pulsedsamp

RetentatePermeate

Sample

2

3

4

5

6

7

89110AKTAPrime

StirredCell

ExperimentalSetupforParameterScanningUFExperiments

1bufferreservoira;2bufferreservoirb;3pump;4buffermixer;5sampleinjector;6stirredcellmodule;7UVmonitor;8conductivitymonitor;9pHmonitor;10computerfordataloggingandprocessing.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(guò)率可在線檢測(cè)參數(shù)掃描超濾實(shí)驗(yàn)示意圖RetentatePermeateSample2參數(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?jī)H為常規(guī)實(shí)驗(yàn)的1/20至1/10可測(cè)定參數(shù)(pH,鹽濃度)連續(xù)變化下蛋白的透過(guò)率以及不同滲透液通量下蛋白的透過(guò)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(Criticalflux)范圍，準(zhǔn)確測(cè)定膜阻與FPLC聯(lián)用，多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化程度高參數(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?jī)H為常規(guī)實(shí)驗(yàn)的1超濾法分離人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG)

Operatingconditions:workingsolution40g/lHSA+40g/lHIgGindeionisedwateratpH4.7;pulsevolume500μl;carrierphase1.5mMand0.4mMNaClsolutionsatpH4.7for100and300kDamembrane,respectively;stirringspeed2100rpm.

Previous~1!

Previous30–50!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)高效膜分離超濾法分離人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG)OpepH對(duì)人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG)分離的影響Operatingconditions:workingsolution40g/LHSA+40g/LHIgGindeionisedwateratpH4.7;pulsevolume500μL;carrierphase1.5mMNaClsolutionatspecifiedpH;permeateflux7.368×10-6m/s;stirringspeed2100rpm.ReverseselectivitypH對(duì)人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG)分離的影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(guò)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(yáng)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(guò)濾器去除病毒等罐裝FCS單克隆抗體(Campath-1H)的生產(chǎn)簡(jiǎn)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(chǎng)。主要用于治療腫瘤，自身免疫性疾病及器官移植免疫排斥反應(yīng)等。流程示意圖陰離子交換層析細(xì)胞培養(yǎng)微濾或離蛋白A親和陽(yáng)離子交換層SEC去單克隆抗體(Campath-1H)

單體與二聚體的分離(I)RapidassessmentofmembranesuitabilityusingparameterscanningUFpHorsaltscanningUFforsingleproteinsolutionofalemtuzumabmonomerwithdifferentmembranes.Sampleinjected:500Lof4.0g/Lalemtuzumab(Campath-1H);Permeateflux:7.36810-6m/s;Stirringspeed:1800rpm.ForpHscans

BufferA:15mMNaH2PO4,pH4.6;BufferB:15mMNaH2PO4-NaOH,pH10.7;Forsaltscans

BufferA:15mMNaH2PO4-Na2HPO4,pH8.5;BufferB:400mMNaH2PO4-Na2HPO4,pH8.5.單克隆抗體(Campath-1H)單體與二聚體的分離(I)單克隆抗體(Campath-1H)單體與二聚體的分離(II)Comparisonofactualandpredictedyieldsandpuritiesofthemonomer

Two-stageDFprocessN=8Yield96.37%Purity96.40%(Selectivity=10)

CurrentSECYield~85%Purity92%(usedforclinictrial)單克隆抗體(Campath-1H)單體與二聚體的分離(II問(wèn)題與對(duì)策問(wèn)題與對(duì)策

問(wèn)題與對(duì)策

挑戰(zhàn)

對(duì)策膜本身孔徑分布寬

研制開(kāi)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

問(wèn)題與對(duì)策

濃差極化層濃度分布示意圖濃差極化層濃度分布示意圖膜污染膜污染新型膜的研制Relative