超滤膜分离海带多糖

1、模块模块2-3 超滤膜分离海带多糖超滤膜分离海带多糖分离情景分离情景视野视野拓展拓展视野视野拓展拓展超滤技术概况超滤技术概况 所谓的所谓的膜膜，是指在一种流体相内或，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层是在两种流体相之间有一层薄的凝薄的凝聚相聚相，它把流体相分隔为互不相通，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。生传质作用。分离情景分离情景膜分离过程原理膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压推动力（如浓度差、压力差或电位差等）力差或电位差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的

2、目的。通常膜原料侧称为膜上游膜上游，透过侧称为膜下游膜下游。膜上游 透膜 膜下游选择性透膜选择性透膜分离情景分离情景超滤膜的过滤原理超滤膜的过滤原理分离情景分离情景超滤技术超滤技术 过滤的分类 过滤的操作方式 切向流（TFF）过滤的基本概念分离情景分离情景微滤超滤反渗透/纳滤膜分离过程膜分离过程过滤的分类过滤的分类?分离情景分离情景滤膜孔径分布滤膜孔径分布0.1 kD - 2.0 kD反渗透反渗透 纳滤纳滤 超滤超滤 微滤微滤0.1 - 0.65 m1 kD 1 000 kD0.001 - 0.10 um0.001 kD - 0.5 kD0.00005 - 0.001 um分离情景分离情景 区

3、分谱图区分谱图分离情景分离情景过滤方式过滤方式普通过滤普通过滤 (NFF) 滤芯形式或滤芯形式或“死过滤死过滤” 流向是垂直于过滤介流向是垂直于过滤介质的质的 所有的液体全部透过所有的液体全部透过过滤介质过滤介质 颗粒被截留在过滤膜颗粒被截留在过滤膜内部或表面内部或表面切向流过滤切向流过滤 (TFF) 交叉流动过滤交叉流动过滤 流向是切向流向是切向(平行平行)于过于过滤膜表面的滤膜表面的 一小部分液体透过过滤一小部分液体透过过滤介质介质 截留的颗粒从膜的表面截留的颗粒从膜的表面被被”扫除扫除”分离情景分离情景切向流（切向流（TFF）过滤系统模型）过滤系统模型储罐膜夹具 泵Pp 透过液Q T回流

4、液 P FP R回流阀透析/补料 泵分离情景分离情景% Passage = 透过率 retentate permeatex 100% Retention = 100 - % Passage 截留率基本基本TFF术语术语Retentate 回流液回流液Permeate 透过液透过液% Passage 透过率透过率% Retention 截留率截留率分离情景分离情景 体积体积/升升112234567891011面积面积/平方米平方米时间时间/小时小时Litres / ( Square Metre x Hour ) or LMH 升升/(平方米平方米X小时小时) Flux : 通量通量基本超滤术语基

5、本超滤术语分离情景分离情景Start 500L,1g/LFinishVCF = VinitialVfinal 体积浓缩因子体积浓缩因子 浓缩倍数浓缩倍数基本超滤术语基本超滤术语Vo,CoVr,CrVp,Cpwhere V = Volume of Liquid at a given time; C = Conc. of Solute at a given timeX = CfinalCinitial分离情景分离情景Concentration浓缩分离情景分离情景Concentration浓缩分离情景分离情景Operation: Diafiltration操作:透析Diafiltration is

6、the addition of a fluid (buffer) to the feed tank during a UF operation while permeate is being removed from the system 透析是当透出液被从系统中去除,在料液罐中加入另外一种液体(缓冲溶液) In clarification applications it is done to improve removal of passing species 在澄清的应用中,它是用来提高透出物的透出效率的 In concentration applications it is done t

7、o change the buffer 在浓缩的应用中,它是用来置换缓冲溶液的分离情景分离情景Diafiltration透析分离情景分离情景Diafiltration透析分离情景分离情景Diafiltration透析分离情景分离情景Diafiltration透析分离情景分离情景Diafiltration透析分离情景分离情景Diafiltration透析分离情景分离情景Diafiltration透析分离情景分离情景Diafiltration透析分离情景分离情景Diafiltration Volume透析体积透析体积 N (Diavolumes)Term to describe the numbe

8、r of wash volumes used during a constant volume diafiltration process透析过程中以等体积透析所用的透析体积N = Vdf/Vr Based on volume根据体积算Vr = Volume of Liquid in tank Vdf = Total Volume of DF BufferVr50 lVdfVdf500 lN= 500/50 =10基本超滤术语基本超滤术语分离情景分离情景 Transmembrane Pressure跨膜压 Pressure Drop压降- PP2Tmp =PF + PRP = PF - PR

9、= k . QP Feed (PF)P retentate (PR)P Filtrate (PP)Feed Flow QFlux基本超滤操作参数基本超滤操作参数TMP = (30 + 20)/2 - 2 = 23 psiPressure, psi30202InletOutletPermeateDP = 30-20=10 psi分离情景分离情景海带多糖的提取技术海带多糖的提取技术 从海带中发现从海带中发现3 3种多糖种多糖: :褐藻胶褐藻胶、褐藻褐藻糖胶糖胶、褐藻淀粉褐藻淀粉。 褐藻胶和褐藻糖胶是褐藻胶和褐藻糖胶是细胞壁细胞壁填充物，填充物，褐藻淀粉存于褐藻淀粉存于细胞质细胞质中。中。 褐藻胶在

10、海带中相对含量最丰富，约褐藻胶在海带中相对含量最丰富，约为为19.17%19.17%，有水溶性和水不溶性两种有水溶性和水不溶性两种，主要由，主要由葡萄糖葡萄糖的多聚物组成。的多聚物组成。分离情景分离情景海带多糖的提取技术海带多糖的提取技术 海带多糖经提取工艺后得到粗品，需要经海带多糖经提取工艺后得到粗品，需要经过一定的分离纯化过程，现介绍比较先进过一定的分离纯化过程，现介绍比较先进的的超滤法超滤法分离海带多糖。分离海带多糖。 生产订单：海带多糖提取物生产订单：海带多糖提取物100kg100kg， 总多总多糖糖20%20%，其中褐藻糖胶（，其中褐藻糖胶（HPLCHPLC）2.02.0，水分水分5

11、%5%，灰分，灰分5%5%，国标检测，国标检测（苯酚苯酚-硫酸硫酸法法）；价格：￥；价格：￥200200元元/Kg/Kg分离情景分离情景 海带粗多糖配制成海带粗多糖配制成100g/mL100g/mL溶液溶液取上述溶液取上述溶液1000mL1000mL超超滤（截留分子量滤（截留分子量10 00010 000、50 00050 000、100 000100 000）收集透过收集透过液和截留液液和截留液用硫酸用硫酸- -蒽酮法测定每段溶液中总糖的含量蒽酮法测定每段溶液中总糖的含量。注： 为基本流程线； 为截流液 为透过液海带粉热水浸提离心分离上清液残渣浸提离心残渣MWC 1万MWC 5万MWC 10

12、万1万以下10万以上5万10万1万 5万操作流程操作流程超滤工艺的优化超滤工艺的优化 分离情景分离情景教师讲解教师讲解超滤技术的核心部件是超滤技术的核心部件是超滤膜超滤膜，分离截留的原理，分离截留的原理为筛分，小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微为筛分，小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微孔，而大于孔径的微粒则被截留。膜上微孔的尺寸孔，而大于孔径的微粒则被截留。膜上微孔的尺寸和形状决定膜的分离效率。和形状决定膜的分离效率。 超滤膜均为不对称膜，形式有平板式、卷式、管式超滤膜均为不对称膜，形式有平板式、卷式、管式和中空纤维状等。和中空纤维状等。 超滤膜的结构一般由超滤膜的结构一般由三层结构组成三

13、层结构组成。 即最上层的即最上层的表面活性层表面活性层，致密而光滑，厚度为，致密而光滑，厚度为0.11.5m，其中细孔孔径一般小于，其中细孔孔径一般小于10nm； 中间的中间的过渡层过渡层，具有大于，具有大于10nm的细孔，厚度一般为的细孔，厚度一般为110m； 最下面的最下面的支撑层支撑层，厚度为，厚度为50250m，具有，具有50nm以上的以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用，提高膜的机械强度。孔。支撑层的作用为起支撑作用，提高膜的机械强度。 膜的分离性能主要取决于表面活性层和过度层。膜的分离性能主要取决于表面活性层和过度层。分离情景分离情景 中空纤维状超滤膜的外径为中空纤维状超滤膜的外径为

14、0.52m。特点是。特点是直径小，强度高，不需要支撑结构，管内外能承受直径小，强度高，不需要支撑结构，管内外能承受较大的压力差。此外，单位体积中空纤维状超滤膜较大的压力差。此外，单位体积中空纤维状超滤膜的内表面积很大，能有效提高渗透通量。的内表面积很大，能有效提高渗透通量。 分离情景分离情景制备超滤膜的材料主要有制备超滤膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纤维素腈和醋酸纤维素等。超滤膜的工作条件取决于膜的等。超滤膜的工作条件取决于膜的材质，如醋酸纤维素超滤膜适用于材质，如醋酸纤维素超滤膜适用于pH = 38，三醋，三醋酸纤维素超滤膜适用于酸纤维素超滤膜适用于pH =

15、29，芳香聚酰胺超滤，芳香聚酰胺超滤膜适用于膜适用于pH = 59，温度，温度040，而聚醚砜超滤，而聚醚砜超滤膜的使用温度则可超过膜的使用温度则可超过100。分离情景分离情景 超滤技术主要用于含分子量超滤技术主要用于含分子量500500,000的微粒的微粒溶液的分离，是目前应用最广的膜分离过程之一，溶液的分离，是目前应用最广的膜分离过程之一，它的应用领域涉及化工、食品、医药、生化等。它的应用领域涉及化工、食品、医药、生化等。分离情景分离情景 超滤的主要应用超滤的主要应用Clarification 澄清Concentration 浓缩Desalting 脱盐Buffer exchange 缓冲

16、溶液的置换Fractionation/purification 分离/纯化分离情景分离情景Bio/Pharmaceutical Process Steps 生物工程/制药领域超滤的应用Clarification - separating cells/cellular debris 澄清澄清-分离细胞分离细胞/细胞碎片细胞碎片 cell harvesting (prior to lysis)细胞收集细胞收集 cell removal细胞去除细胞去除Concentration - removing water/buffer 浓缩浓缩-去除水去除水/缓冲溶液缓冲溶液 prior to/after c

17、hromatography层析前层析前/后后 prior to fill and finish灌装灌装Buffer Exchange/Desalting - removing salts 缓冲溶液的置换缓冲溶液的置换/脱盐脱盐-除盐除盐 prior to/after chromatography层析前/后 prior to fill and finish灌装前后Purification - removing contaminants 纯化纯化-去除污染物去除污染物 removal of native proteins/endotoxin去除杂蛋白去除杂蛋白/内毒素内毒素产品产品Proteins

18、 and polypeptides 蛋白和多肽蛋白和多肽Polysaccharides多糖多糖Viruses and virus-like particles 病毒和类病毒颗粒病毒和类病毒颗粒Nucleic acids核酸核酸Antibody抗体抗体分离情景分离情景 Uses of TFF in Purifying Intracellular Proteins from Bacteria 细菌胞内蛋白质纯化过程中细菌胞内蛋白质纯化过程中TFF的应用的应用细胞收获MechanicalDisruption (lysis)菌体破碎不溶性蛋白可溶性蛋白溶菌液的澄清过滤发酵TFFTFF蛋白复性/折叠胞含

19、体的收集(centrifuge)复性液去除/复性层析前澄清和/或浓缩(TFF and/or cartridge filtration)离子交换,凝胶/或亲和层析缓冲溶液的置换或浓缩除菌过滤最终无菌灌装TFFTFF1 12 23 34 4TFF5 53110SM分离情景分离情景 Uses of TFF in Purifying Extracellular Proteins from Yeast or Mammalian Cells 酵母或哺乳动物细胞胞外蛋白质纯化中酵母或哺乳动物细胞胞外蛋白质纯化中TFF的应用的应用有血清培养基1 13110SM2 23 34 4培养基置换（仅限哺乳动物细胞）无

20、血清培养基（仅限哺乳动物细胞）TFFTFFTFFTFFFermentationor Cell Culture发酵或细胞培养细胞分离或澄清蛋白产物上柱前澄清过滤和/或浓缩(TFF and/or cartridge filtration)离子交换或亲和层析(Multiple Steps)最终无菌灌装除菌过滤缓冲溶液的置换和浓缩(Multiple Steps)分离情景分离情景Clarification澄清Concentration, desalting and buffer exchange浓缩,脱盐和缓冲溶液的置换Solvent removal去除溶剂Uses of TFF in Natural

21、Extracted Product Processing超滤在天然萃取产品生产中的应用超滤在天然萃取产品生产中的应用nSerum proteins血清蛋白nPlant extracts植物提取液nTissue extracts组织提取液分离情景分离情景Polarization and Fouling:Consequences and Control 浓差极化与堵塞的成因与控制浓差极化与堵塞的成因与控制CROSSFLOWFLUX透过透过Bulk Concentration CbMEMBRANE SURFACEConcentration Polarization浓差极化与堵塞浓差极化与堵塞成因与控

22、制成因与控制分离情景分离情景部分浓差极化的膜部分浓差极化的膜未浓差极化的膜未浓差极化的膜浓差极化膜浓差极化膜浓差极化机理浓差极化机理分离情景分离情景 Polarization and Fouling 极化与堵塞极化与堵塞nWhat is polarization and how does it relate to fouling?什么是极化,及它与堵塞的关系nWhat are their impacts and effects?它们的影响和结果是什么?nHow do we control them?如何控制?Polarization: by balancing pressure, cross-

23、flow and permeate flux通过平衡压力，控制切向流速和通透量Fouling: by careful membrane choice and selection of optional feed additives (e.g., antifoams)通过仔细选择超滤膜和相应辅助试剂(如防沫剂)分离情景分离情景Definitions of Polarization and Fouling有关术语有关术语Polarization 极化极化Accumulation of solutes retained by the membrane in a concentrated layer

24、close to the membrane surface溶质在膜的表面浓缩层附近被膜截留并聚集在一起溶质在膜的表面浓缩层附近被膜截留并聚集在一起Affected by cross-flow, TMP, temperature and concentration受切向流速、受切向流速、膜透压、温度和浓度的影响膜透压、温度和浓度的影响Reversible可逆转的可逆转的Fouling堵塞堵塞Solutes adsorbing to the membrane or blocking the pores溶质吸附在膜的溶质吸附在膜的表面堵塞膜孔表面堵塞膜孔Irreversible and time-d

25、ependent不可逆转和时间依赖性不可逆转和时间依赖性分离情景分离情景Polarization极化极化Circulating feedVelocity ProfileConcentration ProfilemembraneMass transfer boundary layerc wallV wall =0Hydrodynamic boundary layerPorous SubstrateProduct产品产品c bulkV bulkCenter LineRepresents 101% of Conc.Represents 99% of Velocity分离情景分离情景Polarizat

26、ion in MF and UF TFF 极化的形成极化的形成Forms a High Concentration Layer形成一个高浓度层形成一个高浓度层分离情景分离情景Controlling Polarization浓差极化的控制浓差极化的控制Increase the mixing of the polarization layer back into the bulk tangential flow of the feed/retentate通过对进口/及回流的样品进行充分的搅拌可有效地破坏极化层分离情景分离情景How to Control Polarization浓差极化的控制浓差极

27、化的控制Cross-flow rate切向流速TMP膜透压Temperature温度Turbulence涡流Solute solubility溶质的可溶解性Ionic strength/pH monitoring离子强度/PH值监测分离情景分离情景 Balance TMP & Cross-flow Rate 平衡膜透压和切向流速平衡膜透压和切向流速 Principle - Membranes must remain clean by balancing particle deposition and particle removal原则 - 通过颗粒的沉淀和去除之间的平衡来保持膜表面的

28、清洁Correct System OperationBalances Both FactorsRemoval 去除去除Deposition沉积沉积分离情景分离情景Deposition:沉淀:Trans Membrane Pressure (TMP)膜透压 (TMP)Solute Concentration溶质浓度Removal:去除:Cross-flow rate切向流速Reduce TMP/Diffusion减小膜透压Prevention:预防:Turbulence Promoters涡流促成物Membrane Selection膜的正确选择Correct System OperationB

29、alances Both FactorsRemovalDeposition Balance TMP & Cross-flow Rate 平衡膜透压和切向流速平衡膜透压和切向流速 降低浓差极化降低浓差极化ReducePressure降低压力Reduce concentrationat membrane surface降低表面的浓度High velocity gradient速度梯度Thin channelsand/or turbulence promoters膜流道的选择Short feed flow path length进口的路径MoveMembrane移动膜MoveLiquid移动

30、溶液Membrane Selection膜的选择分离情景分离情景Effects of Fouling堵塞的影响堵塞的影响Slows filtration rate过滤速度慢Increases resistance to fluid flow near membrane surface膜表面附近流体流动的阻力增大Makes cleaning more difficult使清洗更加困难Requires more aggressive cleaning conditions, which may reduce membrane life.需要更强的清洗条件，这将缩短膜的寿命Decreases eff

31、ective membrane NMWL降低膜的有效分子量精度 NMWLChanges membranes retention of solutes改变膜对溶质的截留能力Reduces recovery of concentrated solutes降低浓缩后溶质的回收率分离情景分离情景堵塞的成因堵塞的成因Particles physically or chemically adhering to surface and blocking pore entrances颗粒通过物理或化学作用吸附在膜的表面，阻塞了膜孔通道Particles getting into pores and block

32、ing pores颗粒嵌入孔内，堵塞膜孔Solutes depositing and precipitating inside pores, blocking pores溶质在 孔内沉淀并快速聚集，堵塞膜孔分离情景分离情景Fouling in MF and UF堵塞的成因堵塞的成因polarizationlayerfouling of surface and pores分离情景分离情景How to Control Fouling堵塞的控制堵塞的控制 选择对溶质有较小吸附的膜材料选择对溶质有较小吸附的膜材料 避免操作条件避免操作条件 低溶解度低溶解度 等电点等电点 溶液的电荷与膜相反溶液的电荷与

33、膜相反 在超滤前进行予处理将污染物去处在超滤前进行予处理将污染物去处分离情景分离情景Polarization Summary极化现象总结Polarization is an increase in concentration at the membrane surface caused by:极化是发生在膜表面的溶液浓度增大的现象，由以下原因引起极化是发生在膜表面的溶液浓度增大的现象，由以下原因引起: Increased TMP膜透压升高膜透压升高 Feed Concentration进料浓度较高进料浓度较高 Laminar Flow层流层流 Polarization can be contr

34、olled by:极化可通过以下方法控制极化可通过以下方法控制: Lowering TMP降低膜透压降低膜透压 Increasing the sweeping action across the membrane增加膜的增加膜的接触面积接触面积 If possible keep feed concentrations low尽可能地使用浓度较低尽可能地使用浓度较低的料液的料液 Maintaining Turbulent Flow保持湍流保持湍流分离情景分离情景Optimise Key Variables主要优化变量主要优化变量Membrane selection and Fouling (膜的

35、选择)TMP(膜透压)Crossflow(切向流速)Concentration Factor(浓缩倍数)Diafiltration Point(透析点)Recovery(产品回收)分离情景分离情景在初始浓度考察膜的堵塞情况在初始浓度考察膜的堵塞情况Fouling characterisation Flux vs. time at low TMP & recommended crossflow但在1020分钟后会稳定. 通量可能衰减60%0204060800102030Time, minFlux, lmh分离情景分离情景Acceptable situation if flux is ec

36、onomical良好的堵塞情况良好的堵塞情况没有堵塞的情形没有堵塞的情形Flux vs. timeat low TMP & recommended Q Good situationTime, min6668707202040Flux , lmh部分堵塞情形部分堵塞情形, but Stabilizes Flux vs. time at low TMP & recommended Q05010002040Time, minFlux , lmh分离情景分离情景Solution: 更换膜的类型，防止吸附或堵塞不好的堵塞情况不好的堵塞情况持续堵塞持续堵塞 Flux vs. time at

37、 low TMPfails to stabilize-continued declineafter 15-20 mins020406080010203040Time, minFlux, lmh分离情景分离情景TMP 优化 在特定流量考察TMP与Flux关系(at Cinitial)Flux vs. TMP (at one Q)polarizedoptimal TMPunpolarized0102030405060708090TMP, psi0102030405060Flux, lmhQ=4 l/m分离情景分离情景优化流量为 3l/min进一步提高流量通量无显著增加切向流量的优化切向流量的优化

38、在起始浓度时找到优化的切向流量Flux vs. TMP and Crossflow (Q)010203040506001020304050607080TMP, psiFlux, lmhQ=4 l/mQ=3 l/mQ=2 l/m分离情景分离情景gelVCFFlux10010100806050C浓缩倍数与通量的关系 Volumetric Concentration Factor VCF分离情景分离情景线性放大Pellicon XL50- 0.05 mPellicon 2 “Mini” - 0.1 mPellicon 2 cassette - 0.5 mStacks of Pellicon 2cas

39、sette - from 0.5 to 80m per holderLegendFeed Flow PathPermeat Flow PathnAll flow paths are identical in length, width, height and spacer & are fed in parallel.20 cm10 cm each way from center20 cm10 cm each way from center20 cm10 cm each way from center20 cm10 cm each way from center分离情景分离情景Basic Operation超滤的基本操作Flush 冲洗冲洗Integrity Test 完整性测试完整性测试Buffer Condition缓冲