超濾膜分離海帶多糖

模塊2-3超濾膜分離海帶多糖分離情景視野拓展視野拓展超濾技術(shù)概況所謂的膜，是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之間有一層薄的凝聚相，它把流體相分隔為互不相通的兩部分，并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。分離情景膜分離過程原理：以選擇性透膜為分離介質(zhì)，通過在膜兩邊施加一個推動力（如濃度差、壓力差或電位差等）時(shí)，使原料側(cè)組分選擇性地透過膜，以達(dá)到分離提純的目的。通常膜原料側(cè)稱為膜上游，透過側(cè)稱為膜下游。膜上游

透膜

膜下游選擇性透膜分離情景超濾膜的過濾原理分離情景超濾技術(shù)過濾的分類過濾的操作方式切向流（TFF）過濾的基本概念分離情景微濾超濾反滲透/納濾膜分離過程過濾的分類?分離情景

濾膜孔徑分布0.1kD-2.0kD反滲透納濾

超濾微濾0.1-0.65μm1kD–1000kD0.001-0.10um0.001kD-0.5kD0.00005-0.001um分離情景區(qū)分譜圖分離情景過濾方式普通過濾

(NFF)濾芯形式或“死過濾”流向是垂直于過濾介質(zhì)的

所有的液體全部透過過濾介質(zhì)

顆粒被截留在過濾膜內(nèi)部或表面切向流過濾

(TFF)

交叉流動過濾

流向是切向(平行)于過濾膜表面的一小部分液體透過過濾介質(zhì)截留的顆粒從膜的表面被”掃除””分離情景切向流（TFF）過濾系統(tǒng)模型儲罐膜夾具

泵Pp

透過液Q

T回流液P

FP

R回流閥透析/補(bǔ)料

泵分離情景%Passage=透過率[]retentate[]permeatex100%Retention=100-%Passage截留率基本TFF術(shù)語Retentate回流液Permeate透過液%Passage透過率%Retention截留率分離情景

體積/升112234567891011面積/平方米時(shí)間/小時(shí)Litres/(SquareMetrexHour)orLMH升/(平方米X小時(shí))

Flux:通量基本超濾術(shù)語分離情景Start500L,1g/LFinishVCF=VinitialVfinal

體積濃縮因子濃縮倍數(shù)基本超濾術(shù)語X=CfinalCinitial分離情景Concentration濃縮分離情景Concentration濃縮分離情景Operation:Diafiltration

操作:透析Diafiltrationistheadditionofafluid(buffer)tothefeedtankduringaUFoperationwhilepermeateisbeingremovedfromthesystem透析是當(dāng)透出液被從系統(tǒng)中去除,在料液罐中加入另外一種液體(緩沖溶液)Inclarificationapplicationsitisdonetoimproveremovalofpassingspecies在澄清的應(yīng)用中,它是用來提高透出物的透出效率的Inconcentrationapplicationsitisdonetochangethebuffer

在濃縮的應(yīng)用中,它是用來置換緩沖溶液的分離情景Diafiltration透析分離情景Diafiltration透析分離情景Diafiltration透析分離情景Diafiltration透析分離情景Diafiltration透析分離情景Diafiltration透析分離情景Diafiltration透析分離情景Diafiltration透析分離情景DiafiltrationVolume透析體積

N(Diavolumes)

Termtodescribethenumberofwashvolumesusedduringaconstantvolume

diafiltration

process透析過程中以等體積透析所用的透析體積N=Vdf/VrBasedonvolume根據(jù)體積算Vr=VolumeofLiquidintankVdf=TotalVolumeofDFBufferVr50lVdfVdf500lN=500/50=10基本超濾術(shù)語分離情景TransmembranePressure跨膜壓PressureDrop壓降-PP2Tmp=PF+PRΔP=PF

-PR=k.QPFeed(PF)Pretentate(PR)PFiltrate(PP)FeedFlowQFlux基本超濾操作參數(shù)TMP=(30+20)/2-2=23psiPressure,psi30202InletOutletPermeateDP=30-20=10psi分離情景海帶多糖的提取技術(shù)從海帶中發(fā)現(xiàn)3種多糖:褐藻膠、褐藻糖膠、褐藻淀粉。褐藻膠和褐藻糖膠是細(xì)胞壁填充物，褐藻淀粉存于細(xì)胞質(zhì)中。褐藻膠在海帶中相對含量最豐富，約為19.17%，有水溶性和水不溶性兩種，主要由葡萄糖的多聚物組成。分離情景海帶多糖的提取技術(shù)海帶多糖經(jīng)提取工藝后得到粗品，需要經(jīng)過一定的分離純化過程，現(xiàn)介紹比較先進(jìn)的超濾法分離海帶多糖。生產(chǎn)訂單：海帶多糖提取物100kg，總多糖>20%，其中褐藻糖膠（HPLC）≥2.0％，水分<5%，灰分<5%，國標(biāo)檢測（苯酚-硫酸法）；價(jià)格：￥200元/Kg分離情景

海帶粗多糖配制成100μg/mL溶液→取上述溶液1000mL超濾（截留分子量10000、50000、100000）→收集透過液和截留液→用硫酸-蒽酮法測定每段溶液中總糖的含量。注：為基本流程線；為截流液

為透過液海帶粉熱水浸提離心分離上清液殘?jiān)犭x心殘?jiān)麺WC1萬MWC5萬MWC10萬1萬以下10萬以上5萬~10萬1萬~5萬操作流程超濾工藝的優(yōu)化分離情景教師講解超濾技術(shù)的核心部件是超濾膜，分離截留的原理為篩分，小于孔徑的微粒隨溶劑一起透過膜上的微孔，而大于孔徑的微粒則被截留。膜上微孔的尺寸和形狀決定膜的分離效率。超濾膜均為不對稱膜，形式有平板式、卷式、管式和中空纖維狀等。超濾膜的結(jié)構(gòu)一般由三層結(jié)構(gòu)組成。即最上層的表面活性層，致密而光滑，厚度為0.1～1.5μm，其中細(xì)孔孔徑一般小于10nm；中間的過渡層，具有大于10nm的細(xì)孔，厚度一般為1～10μm；最下面的支撐層，厚度為50～250μm，具有50nm以上的孔。支撐層的作用為起支撐作用，提高膜的機(jī)械強(qiáng)度。膜的分離性能主要取決于表面活性層和過度層。分離情景中空纖維狀超濾膜的外徑為0.5～2μm。特點(diǎn)是直徑小，強(qiáng)度高，不需要支撐結(jié)構(gòu)，管內(nèi)外能承受較大的壓力差。此外，單位體積中空纖維狀超濾膜的內(nèi)表面積很大，能有效提高滲透通量。

分離情景制備超濾膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纖維素等。超濾膜的工作條件取決于膜的材質(zhì)，如醋酸纖維素超濾膜適用于pH=3～8，三醋酸纖維素超濾膜適用于pH=2～9，芳香聚酰胺超濾膜適用于pH=5～9，溫度0～40℃，而聚醚砜超濾膜的使用溫度則可超過100℃。分離情景超濾技術(shù)主要用于含分子量500～500,000的微粒溶液的分離，是目前應(yīng)用最廣的膜分離過程之一，它的應(yīng)用領(lǐng)域涉及化工、食品、醫(yī)藥、生化等。分離情景超濾的主要應(yīng)用Clarification澄清Concentration濃縮Desalting脫鹽Bufferexchange緩沖溶液的置換Fractionation/purification分離/純化分離情景Bio/PharmaceuticalProcessSteps

生物工程/制藥領(lǐng)域超濾的應(yīng)用Clarification-separatingcells/cellulardebris

澄清-分離細(xì)胞/細(xì)胞碎片cellharvesting(priortolysis)細(xì)胞收集cellremoval細(xì)胞去除Concentration-removingwater/buffer

濃縮-去除水/緩沖溶液priorto/afterchromatography層析前/后priortofillandfinish灌裝BufferExchange/Desalting-removingsalts

緩沖溶液的置換/脫鹽-除鹽priorto/afterchromatography層析前/后priortofillandfinish灌裝前后Purification-removingcontaminants

純化-去除污染物removalofnativeproteins/endotoxin去除雜蛋白/內(nèi)毒素產(chǎn)品Proteinsandpolypeptides

蛋白和多肽Polysaccharides多糖Virusesand

virus-likeparticles

病毒和類病毒顆粒Nucleicacids核酸Antibody抗體分離情景UsesofTFFinPurifyingIntracellularProteinsfromBacteria細(xì)菌胞內(nèi)蛋白質(zhì)純化過程中TFF的應(yīng)用細(xì)胞收獲MechanicalDisruption(lysis)菌體破碎不溶性蛋白可溶性蛋白溶菌液的澄清過濾發(fā)酵TFFTFF蛋白復(fù)性/折疊胞含體的收集(centrifuge)復(fù)性液去除/復(fù)性層析前澄清和/或濃縮(TFFand/orcartridgefiltration)離子交換,凝膠/或親和層析緩沖溶液的置換或濃縮除菌過濾最終無菌灌裝TFFTFF1234TFF53110SM分離情景UsesofTFFinPurifyingExtracellularProteinsfromYeastorMammalianCells酵母或哺乳動物細(xì)胞胞外蛋白質(zhì)純化中TFF的應(yīng)用有血清培養(yǎng)基13110SM234培養(yǎng)基置換（僅限哺乳動物細(xì)胞）無血清培養(yǎng)基（僅限哺乳動物細(xì)胞）TFFTFFTFFTFFFermentationorCellCulture發(fā)酵或細(xì)胞培養(yǎng)細(xì)胞分離或澄清蛋白產(chǎn)物上柱前澄清過濾和/或濃縮(TFFand/orcartridgefiltration)離子交換或親和層析(MultipleSteps)最終無菌灌裝除菌過濾緩沖溶液的置換和濃縮(MultipleSteps)分離情景Clarification澄清Concentration,desaltingandbufferexchange濃縮,脫鹽和緩沖溶液的置換Solventremoval去除溶劑UsesofTFFinNaturalExtractedProductProcessing超濾在天然萃取產(chǎn)品生產(chǎn)中的應(yīng)用Serumproteins血清蛋白Plantextracts植物提取液Tissueextracts組織提取液分離情景PolarizationandFouling:ConsequencesandControl

濃差極化與堵塞的成因與控制CROSSFLOWFLUX透過BulkConcentrationCbMEMBRANESURFACEConcentrationPolarization濃差極化與堵塞成因與控制WallConcentrationCw分離情景部分濃差極化的膜未濃差極化的膜濃差極化膜濃差極化機(jī)理分離情景PolarizationandFouling極化與堵塞Whatispolarizationandhowdoesitrelatetofouling?什么是極化,及它與堵塞的關(guān)系Whataretheirimpactsandeffects?它們的影響和結(jié)果是什么?Howdowecontrolthem?如何控制?Polarization:bybalancingpressure,cross-flowandpermeateflux通過平衡壓力，控制切向流速和通透量Fouling:bycarefulmembranechoiceandselectionofoptionalfeedadditives(e.g.,antifoams)通過仔細(xì)選擇超濾膜和相應(yīng)輔助試劑(如防沫劑)分離情景DefinitionsofPolarizationandFouling

有關(guān)術(shù)語Polarization極化Accumulationofsolutesretainedbythemembraneinaconcentratedlayerclosetothemembranesurface溶質(zhì)在膜的表面濃縮層附近被膜截留并聚集在一起Affectedbycross-flow,TMP,temperatureandconcentration受切向流速、膜透壓、溫度和濃度的影響Reversible可逆轉(zhuǎn)的Fouling堵塞Solutesadsorbingtothemembraneorblockingthepores溶質(zhì)吸附在膜的表面堵塞膜孔Irreversibleandtime-dependent不可逆轉(zhuǎn)和時(shí)間依賴性分離情景Polarization

極化CirculatingfeedVelocityProfileConcentrationProfilemembraneMasstransferboundarylayercwallVwall

=0HydrodynamicboundarylayerPorousSubstrateProduct產(chǎn)品cbulkVbulkCenterLineRepresents101%ofConc.Represents99%ofVelocity分離情景PolarizationinMFandUF

TFF

極化的形成FormsaHighConcentrationLayer形成一個高濃度層分離情景ControllingPolarization

濃差極化的控制

Increasethemixingofthepolarizationlayerbackintothebulktangentialflowofthefeed/retentate 通過對進(jìn)口/及回流的樣品進(jìn)行充分的攪拌可有效地破壞極化層分離情景HowtoControlPolarization

濃差極化的控制Cross-flowrate切向流速TMP膜透壓Temperature溫度Turbulence渦流Solutesolubility溶質(zhì)的可溶解性Ionicstrength/pHmonitoring 離子強(qiáng)度/PH值監(jiān)測分離情景BalanceTMP&Cross-flowRate平衡膜透壓和切向流速

Principle-

Membranesmustremaincleanbybalancingparticledepositionandparticleremoval

原則-

通過顆粒的沉淀和去除之間的平衡來保持膜表面的清潔

CorrectSystemOperation

BalancesBothFactorsRemoval去除Deposition沉積分離情景Deposition:沉淀:TransMembranePressure(TMP)膜透壓(TMP)SoluteConcentration溶質(zhì)濃度Removal:去除:Cross-flowrate切向流速ReduceTMP/Diffusion減小膜透壓Prevention:預(yù)防:TurbulencePromoters渦流促成物MembraneSelection 膜的正確選擇CorrectSystemOperation

BalancesBothFactorsRemovalDepositionBalanceTMP&Cross-flowRate平衡膜透壓和切向流速降低濃差極化ReducePressure降低壓力Reduceconcentrationatmembranesurface降低表面的濃度Highvelocitygradient速度梯度Thinchannelsand/orturbulencepromoters膜流道的選擇Shortfeedflowpathlength進(jìn)口的路徑MoveMembrane移動膜MoveLiquid移動溶液MembraneSelection膜的選擇分離情景EffectsofFouling堵塞的影響Slowsfiltrationrate過濾速度慢Increasesresistancetofluidflownearmembranesurface 膜表面附近流體流動的阻力增大Makescleaningmoredifficult使清洗更加困難Requiresmoreaggressivecleaningconditions,whichmayreducemembranelife.需要更強(qiáng)的清洗條件，這將縮短膜的壽命DecreaseseffectivemembraneNMWL

降低膜的有效分子量精度NMWLChangesmembrane'sretentionofsolutes

改變膜對溶質(zhì)的截留能力Reducesrecoveryofconcentratedsolutes 降低濃縮后溶質(zhì)的回收率分離情景

堵塞的成因Particlesphysicallyorchemicallyadheringtosurfaceandblockingporeentrances 顆粒通過物理或化學(xué)作用吸附在膜的表面，阻塞了膜孔通道Particlesgettingintoporesandblockingpores顆粒嵌入孔內(nèi)，堵塞膜孔Solutesdepositingandprecipitatinginsidepores,blockingpores溶質(zhì)在孔內(nèi)沉淀并快速聚集，堵塞膜孔分離情景FoulinginMFandUF

堵塞的成因分離情景HowtoControlFouling

堵塞的控制

選擇對溶質(zhì)有較小吸附的膜材料避免操作條件低溶解度等電點(diǎn)溶液的電荷與膜相反在超濾前進(jìn)行予處理將污染物去處分離情景PolarizationSummary

極化現(xiàn)象總結(jié)Polarizationisanincreaseinconcentrationatthemembranesurfacecausedby:極化是發(fā)生在膜表面的溶液濃度增大的現(xiàn)象，由以下原因引起:IncreasedTMP膜透壓升高FeedConcentration進(jìn)料濃度較高LaminarFlow層流Polarizationcanbecontrolledby:極化可通過以下方法控制:LoweringTMP降低膜透壓Increasingthesweepingactionacrossthemembrane增加膜的接觸面積Ifpossiblekeepfeedconcentrationslow盡可能地使用濃度較低的料液MaintainingTurbulentFlow保持湍流分離情景OptimiseKeyVariables

主要優(yōu)化變量MembraneselectionandFouling(膜的選擇)TMP(膜透壓)Crossflow(切向流速)ConcentrationFactor(濃縮倍數(shù))DiafiltrationPoint(透析點(diǎn))Recovery(產(chǎn)品回收)分離情景在初始濃度考察膜的堵塞情況Foulingcharacterisation

Fluxvs.timeatlowTMP&recommendedcrossflow但在10~20分鐘后會穩(wěn)定.通量可能衰減60%0204060800102030Time,minFlux,lmh分離情景Acceptablesituationiffluxiseconomical良好的堵塞情況沒有堵塞的情形Fluxvs.timeatlowTMP&recommendedQGoodsituationTime,min6668707202040Flux,lmh部分堵塞情形,

butStabilizesFluxvs.time

atlowTMP&recommendedQ05010002040Time,minFlux,lmh分離情景Solution:更換膜的類型，防止吸附或堵塞不好的堵塞情況持續(xù)堵塞

Fluxvs.time

atlowTMPfailstostabilize--continueddeclineafter15-20mins020406080010203040Time,minFlux,lmh分離情景TMP優(yōu)化在特定流量考察TMP與Flux關(guān)系(atCinitial)Fluxvs.TMP(atoneQ)polarizedoptimalTMPunpolarized0102030405060708090TMP,psi0102030405060Flux,lmhQ=4l/m分離情景優(yōu)化流量為3l/min進(jìn)一步提高流量通量無顯著增加切向流量的優(yōu)化在起始濃度時(shí)找到優(yōu)化的切向流量Fluxvs.TMPandCrossflow(Q)010203040506001020304050607080TMP,psiFlux,lmhQ=4l/mQ=3l/mQ=2l/m分離情景gelVCFFlux10010100806050C濃縮倍數(shù)與通量的關(guān)系

VolumetricConcentrationFactorVCF分離情景線性放大PelliconXL50

-0.05m2Pellicon2

“Mini”-0.1m2Pellicon2

cassette-0.5m2StacksofPellicon2cassette-from0.5

to80m2perholderLegendFeedFlowPathPermeatFlowPathAllflowpathsareidenticalinlength,width,heightandspacer&arefedinparallel.20cm10cmeachwayfromcenter20cm10cmeachwayfromcenter20cm10cmeachwayfromcenter20cm10cmeachwayfromcenter分離情景Basic

Operation

超濾的基本操作Flush沖洗IntegrityTest完整性測試BufferC