生物制藥工藝學 第11章 膜分離.ppt

1、第十一章 膜分離技術(Membrane Separation Technology ),“膜分離”的定義： 如果在一個流體相內或兩個流體相之間有一薄層凝聚相物質把流體分隔開來成為兩部分，則這一薄層物質就是膜。 借助于膜而實現(xiàn)各種分離的過程稱為膜分離。,國內外研究狀況,國外：膜分離技術起步于本世紀六十年代 “18世紀電器改變了整個工業(yè)過程，而20世紀膜技術改 變了整個面貌”。 國內：起步于年，年代末開始步入工業(yè)化， 與國外市場的差距： 一、對膜技術這一高新技術的認識 二、膜技術推廣應用領域亟待進一步擴大，并建立相應的示范工程 三、面臨一些國外膜及膜裝置，膜工程的大企業(yè)進入我國，以獨資或合資企業(yè)形

2、式加大競爭 四、國內膜技術膜產品質量、品種與國外尚存在較大差距。,應用范圍,海水脫鹽淡化 醫(yī)藥工業(yè)的純化水、注射用水 生物大分子物質的濃縮與純化 人工腎透析 過濾除菌（溶液、空氣）,特點(優(yōu)勢),1.高效：由于膜具有選擇性，它能有選擇性地透過某些物質，而阻擋另一些物質的透過。選擇合適的膜，可以有效地進行物質的分離，提純和濃縮。 2.節(jié)能：多數膜分離過程在常溫下操作，被分離物質不發(fā)生相變, 是一種低能耗，低成本的單元操作。 3.過程簡單、容易操作和控制。 4.不污染環(huán)境。,第一節(jié) 透析,透析膜 透析的材料：獸類的膀胱、硝酸纖維素膜、玻璃紙。 定義：透析是采用半透膜作為濾膜,使試樣中的小分子經擴散

3、作用不斷透出膜外,而大分子不能透過被保留在透析袋內，從而達到大小分子分離的一種膜過濾方法。 特點：半透膜兩邊均為液體，一邊為試樣溶液（保留液），另一邊為純凈溶劑（水或緩沖溶液）。可不斷更換外層溶劑使擴散不斷進行，直至符合要求。 應用：制備或提純生物大分子時，除去小分子物質及其雜質，脫鹽。,用于透析的半透膜應具備的條件： （1）在溶劑中能形成分子篩狀多孔薄膜，只允許小分子溶質通過，而阻止大分子（如蛋白質）通過； （2）化學惰性；在水、鹽溶液、稀酸或稀堿溶液中穩(wěn)定； （3）良好的物理性能：有一定的機械強度和良好的再生性能,使用 預處理：用50%乙醇慢慢煮沸一小時，再分別用50%乙醇、0.01mol

4、/L碳酸氫納溶液、0.001 mol/L EDTA 溶液依次洗滌，最后用蒸餾水洗滌三次；,透析過程注意點： （1）透析前，對裝有試液的透析袋檢查是否有泄漏； （2）透析袋裝一半左右，防止膜外溶劑因濃度差滲入將袋漲裂或過度膨脹使膜孔徑改變； （3）攪拌；定期或連續(xù)更換外部溶劑可提高透析效果。 透析袋的保存：,二、透析方法及裝置 1 旋轉透析器 2 平面透析器 3 連續(xù)透析器 4 淺流透析器,第二節(jié) 超濾技術(Ultra filtration technology ),一、超濾的特征和用途 定義：超過濾(簡稱超濾)是一項分子級膜分離手段，以壓力差為推動力將不同分子量的物質進行選擇性分離。一般用于液

5、相分離，也可用于氣相分離。 用途： 1大分子物質的脫鹽和濃縮，以及大分子物質溶劑系統(tǒng)的交換平衡 2.大分子物質的分級分離 3生化制劑或其它制劑的去熱原處理,二、超濾膜 （一）超濾膜的構造 各向同性膜：膜的厚度較大，孔隙為一定直徑的圓柱形的膜。 各向異性膜：正反兩面的結構不一致的膜。膜質分為“功能層”和 “支持層”， “功能層”具有一定孔徑的多孔，決定膜的選擇透過性質，厚度為0.11m； “支持層”孔隙大其支持作用，厚度約0.1mm 。 喇叭口濾膜：孔隙不是圓柱體，而是梯形圓臺,（二）超濾膜的制造 入水凝凍法制備各向異性膜： 1 制膜材料（二醋酸纖維素，丙酮，甲酰胺） 2 制膜液的配制：25g醋

6、酸纖維素、100ml丙酮、80ml甲酰胺加入密封容器內，間歇攪拌使其溶解 3 制膜操作：玻璃板，刮刀，5秒鐘，45的冷水中，1h后取出，貼在玻璃板上的一面為反面，孔徑大；另一面為小孔徑的功能面。,影響膜孔徑的因素 增加添加劑與成膜材料的比例或添加劑與溶劑的比例，可使膜表面孔徑增大。 降低刮膜溫度，或減少刮好的膜在空氣中的蒸發(fā)時間，會使膜表面孔徑增大。,（三）超濾膜的選用,超濾的選用應注意： 1 分子量截留值： 阻留率達90%以上的最被截留物質的分子量。,2 流動速率：在一定壓力下每分鐘通過單位面積膜的液體量來表示。 3 其他 （1）操作溫度 （2）化學耐受性 （3）膜的吸附性質 （4）膜的無菌

7、處理,三、超濾過程和裝置,（一）濃差極化現(xiàn)象 外源壓力迫使分子量較小的溶質通過薄膜，大分子被截留于膜表面，并逐漸形成濃度梯度，這就是濃差極化現(xiàn)象。 克服極化的措施：震動、攪拌、錯流(cross flow) 、切流(tangent flow) 。,（二）實驗用超濾器,（1）無攪拌式裝置 （2）攪拌或震動式裝置 （3）小棒超濾器 （4）中空纖維超濾 （5）淺道系統(tǒng)超濾裝置,（三）工業(yè)用超濾裝置,設計要求： 有效過濾面積大 支撐裝置強度大 極化現(xiàn)象小 典型裝置： 板式、管式、螺旋卷式、中空纖維,（四）影響超濾流速和選擇性的因素,溶質分子性質：大小、形狀和帶電性質。 超濾膜的性質：孔徑、結構、吸附性。

8、 超濾裝置和操作：膜或組合膜的構造、超濾器的結構以及操作壓力、攪拌情況. 液體物料的溫度、粘度、pH、離子強度。,四、超濾的操作和應用,（一）超濾膜和超濾器的處理 （二）過濾操作 （三）應用 濃縮和脫鹽 分級分離和純化 超濾分離與酶反應連用,采用超濾技術濃縮提純南瓜多糖,南瓜是一種糖尿病療效食物。從南瓜中提取的南瓜多糖，對大鼠、家兔、人等有非常顯著的降血糖作用，具有治療糖尿病的功效。但是，南瓜中的南瓜多糖含量通常都在 3%以下，要達到降血糖效果，患者必須長期的食用大量南瓜，讓人難以接受。因此有必要開發(fā)一種南瓜多糖精制產品。目前國內對南瓜多糖的分離提取主要采用傳統(tǒng)的水提醇沉法，存在生產過程中能量

9、、乙醇等試劑消耗均較大，色素脫除不徹底，成本高，效率低等問題。,粗提：準確稱取 1000g 南瓜泥分別置于不銹鋼鍋里，加入3000ml電熱恒溫水浴中加熱80度,1小時進行提取，提取液采用四層紗布過濾，濾液定容 4000ml(保藏于冰箱冷藏室備用。濾液中總糖含量為 15.36mg/ml), 超濾：控制超濾壓力為0.1MP，溫度為25度，將南瓜料液先用 100KD 超濾膜進行超濾處理。濾過液繼續(xù)采用 30KD的超濾膜進行超濾處理，分別測定100KD 超濾膜的截留液、30KD 超濾膜的截留液、 30KD超濾膜的濾過液中的總糖。南瓜多糖的大致分子量分布為：,第三節(jié) 微孔濾膜過濾技術,一、微孔濾膜的特點

10、和應用范圍 特點： 設備簡單 操作簡便、快速 分辨率高、重現(xiàn)性好 一些膜具有結合生物大分子的特殊能力，用于特殊測定 應用范圍：,0.010.05m：噬菌體、病毒或大的膠體顆粒。 0.1m：試劑的超凈、分離沉淀和膠體懸液。 0.2m：高純水的制備、制劑除菌、細菌計數、空氣病毒定量測定等。 0.45m：水的超凈化處理、色譜分析時流動相的處理、放射免疫測定、光測介質溶液的凈化以及鍋爐水中Fe(OH)3的分析等。,二、微孔濾膜,(一) 微孔濾膜的種類 再生纖維素 纖維素酯膜:硝酸纖維素酯膜 .醋酸纖維素酯膜 . 混合纖維素酯膜 聚四氟乙烯膜 聚氯乙烯膜 超細玻璃纖維濾膜,（二）微孔濾膜的制備,（1）自

11、然蒸發(fā)凝結法 （2）急速凝凍法,（三）微孔濾膜的性質與檢測,1 孔徑 膜孔徑檢測方法：氣泡壓力法、細菌過濾法(最大孔徑)、水流量法(平均孔徑)、 2 孔隙率 3 厚度及重量 4 阻力和流速,三、微孔濾膜過濾設備和操作,設備：注射式過濾器、玻璃濾器、平板濾器、筒式濾器等。,操作與注意事項 1 過濾系統(tǒng)的嚴密性 2 濾膜的濕潤 3 過濾速度 4 過濾系統(tǒng)的清洗和消毒 5 串濾技術,第四節(jié) 微孔膜過濾的應用,一、在生化中的應用 1溶液澄清 2 結合測定 3 蛋白質及核酸含量測定 二、在制藥工業(yè)中的應用 1 藥液中微粒及細菌的濾除 2 抗生素的無菌檢驗,納濾過濾（nanofiltration, NF）

12、,納濾膜的孔徑為納米級，因此稱為“納濾”。其孔介于反滲透膜(RO)和超濾膜(UF)之間，納濾膜能夠截留分子量為幾百的物質，對NaCl的截留率為50%-70%，對某些低分子有機物的截留率可達90%。 納濾膜的表層較RO膜的表層要疏松得多，但較UF膜的要致密得多。因此其制膜關鍵是合理調節(jié)表層的疏松程度，以形成大量具納米級的表層孔。,納濾截留的相對分子量為100-1000 納濾填補了超濾與反滲透之間的空白,它能截留透過超濾膜的那部分小分量的有機物,透析被反滲透膜所截留的無機鹽。而且，納濾膜對不同價態(tài)離子的截留效果不同,對單價離子的截留率低(10%-80%),對二價及多價離子的截留率明顯高于單價離子(

13、90%)以上。,多肽和氨基酸的分離 離子與荷電膜之間存在道南(Donnan) 效應,即相同電荷排斥而相反電荷吸引的作用。氨基酸和多肽在等電點時是中性的, 當高于或低于等電點時帶正電荷或負電荷。由于一些納濾膜帶有靜電官能團, 基于靜電相互作用, 對離子有一定的截留率, 可用于分離氨基酸和多肽。納濾膜對于處于等電點狀態(tài)的氨基酸和多肽等溶質的截留率幾乎為零, 因為溶質是電中性的并且大小比所用的膜孔徑要小。而對于非等電點狀態(tài)的氨基酸和多肽等溶質的截留率表現(xiàn)出較高的截留率, 因為溶質離子與膜之間產生靜電排斥, 即Donnan 效應而被截留。,反滲透（Reverse Osmosis）,反滲透（Reverse Osmosis）分離過程是使溶液在一定壓力（10-100 atm）下通過一個多孔膜，在常壓和環(huán)境溫度下收集膜滲透液。溶液中的一個或幾個組分在原液中富集，高濃度溶液留在膜的高壓側。 反滲透膜(homogeneous membrane or