膜分离技术研究进展培训课件

膜分离技术研究进展

万印华中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室Email:yhwan@

化学工程设计专业委员会成立大会暨全国化工化学工程设计技术中心站年会2007年11月18-22日，桂林膜分离技术研究进展化学工程设计专业委员会成立大会暨全国膜分离技术的地位和影响美国官方文件曾说"18世纪电器改变了整个工业进程，而20世纪膜技术将改变整个面貌”，“目前没有一种技术，能像膜技术这么广泛地被应用”日本和欧洲则把膜技术作为21世纪的基盘技术进行研究和开发“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化学工业的未来”-NormanN.Li，美国科学院院士，著名华裔科学家膜分离已得到广泛应用。21世纪是工业生物技术的世纪，膜技术将扮演重要角色膜分离技术的地位和影响美国官方文件曾说"18世纪电器改变了整生物制造过程示意简图HappygrowingDrugproducingFermentationKillthemicrobesSmashthemicrobesRemovecells/debrisConcentrateandPurifytheproductFormulateproductDownstreamProcessingMicrobesGeneticmodificationMarketNutrientsOxygen生物制造过程示意简图HappygrowingDrugprPressure

MF0.1mm-10mm

UF5-100nm(10kD-1MD)

NF<5nm(MW200D-10kD)压力驱动膜分离示意简图

PressureMF0.1mm渗透汽化膜分离的应用渗透汽化(Pervaporation，简称PV)是一种新型膜分离技术，是在液体混合物中组分蒸汽压差推动下，利用不同组分在特定聚合物/无机膜中溶解与扩散速率不同来实现不同组分分离的目的适合具有一定挥发性物质的分离，从混合物中分离出少量物质按功能分：优先透水膜、优先透有机物膜和有机物分离膜其突出的优点是能够以低的能耗实现蒸馏、萃取、吸附等传统的方法难于完成的分离任务渗透汽化膜分离的应用渗透汽化(Pervaporation，简膜筛分分离机理膜筛分分离机理电荷作用膜分离机理CELMembranePositivelychargedlysozymeNegativelychargedCEAC:Convectiveforce;E:Electrostaticforce;L:Positivelychargedlysozymelayer膜－溶质电荷相互作用溶质－溶质电荷相互作用电荷作用膜分离机理CELMembranePositively渗透气化分离原理

它的基本原理是利用膜与被分离有机液体混和物中各组份的亲合力不同而有选择地优先吸附溶解某一组份，及各组份在膜中扩散速度不同来达到分离的目的，因此它不存在蒸馏法中的共沸点的限制，可连续分离、浓缩，直至得到纯有机物。渗透气化分离原理它的基本原理是利用膜与被分离有机液体膜分离技术优点占地少，处理效率高，设备易于放大；条件温和，可在室温或低温下操作，适宜于热敏感物质分离浓缩；化学与机械剪切作用小，减少失活；无相转变（除渗透气化外），节能；有相当好选择性，可在分离、浓缩的同时达到部分纯化目的；系统可密闭循环，防止外来污染；易于和反应或其他分离过程集成和耦合。膜分离技术优点占地少，处理效率高，设备易于放大；发酵－膜分离耦合技术发酵－膜分离耦合技术分离设备：较难满足发酵过程分离介质：对细胞存在毒害作用分离过程：不能有效移走抑制物生物反应和分离耦合的发展存在的问题国际专利申请数量与工业生物技术的兴起密切相关分离技术的进步促进了发展三个主要技术：萃取、膜分离、吸附分离设备：较难满足发酵过程生物反应和分离耦合的发展存在的问题秸秆发酵生产生物乙醇

组分分离秸秆纤维素固态发酵酒精

寡糖植保素生物农药高效纤维素酶可降解材料地膜材料木质素半纤维素剩余物转化系统能量自供有机肥生物饲料乙烯

主要问题1.乙醇浓度低2~4%2.能耗高3.效益差秸秆发酵生产生物乙醇组分分离秸秆纤维素酒精寡糖植保素高效乙醇起始浓度对乙醇蒸馏能耗的影响秸秆乙醇(2-4%)精馏等浓缩乙醇(20-95%)热超高能量消耗通过精馏从不同原始浓度提升到90%的能量消耗（Aldrldgeetal.,Ind.Eng.Chem.Process.Des.Dev.1984.23：733）10%16%提高乙醇蒸馏起始浓度是降低能耗的关键!!!生物乙烯燃料乙醇BTUPERPOUNDOFETHANOLPRODUCED6%0.060.00MASSFRACTIONOFETHANOLINFEED原料乙醇液浓度乙醇起始浓度对乙醇蒸馏能耗的影响秸秆乙醇(2-4%)精馏等浓发酵-渗透汽化分离耦合生产燃料乙醇关键技术：（1）优先透醇膜的研制（2）过程优化

常规乙醇发酵工艺存在的主要问题

产物抑制作用能耗高，成本偏高主要技术指标其乙醇渗透通量>1000g/m2h，选择性>15

优先透醇渗透汽化后透过液的乙醇浓度达30-60%发酵-渗透汽化分离耦合生产燃料乙醇关键技术：（1）优先透醇超滤分离蛋白质超滤分离蛋白质超滤法分离纯化蛋白的过程优化筛选合适的膜优化操作条件

-需要对每个参数逐个进行系统的实验-需要大量的实验工作-需要消耗一定量的蛋白质-费时，同时成本高

因此，急需开发新的实验技术快速判定给定膜的适用性，并能经济，方便，快速地优化超滤分离蛋白质的操作条件。超滤法分离纯化蛋白的过程优化筛选合适的膜因此，急需开发新的实超滤过程优化实验新技术脉冲进样技术(Pulsedsampleinjectiontechnique)

2000年由GhoshandCui提出

(JMembrSci175:75-84)流动相超滤技术(Carrierphaseultrafiltration)

2001年由Ghosh提出

(BiotechnolBioeng74:1-11)参数扫描超滤技术(Parameterscanningultrafiltration)

2002年由Wan,GhoshandCui提出

Desalination144:301-306超滤过程优化实验新技术脉冲进样技术(Pulsedsamp

RetentatePermeate

Sample

2

3

4

5

6

7

89110AKTAPrime

StirredCell

ExperimentalSetupforParameterScanningUFExperiments

1bufferreservoira;2bufferreservoirb;3pump;4buffermixer;5sampleinjector;6stirredcellmodule;7UVmonitor;8conductivitymonitor;9pHmonitor;10computerfordataloggingandprocessing.蛋白质溶液注射进样

采用两种载体相(类似梯洗脱层析)

恒定渗透通量下操作

渗透液的pH,电导和蛋白质的透过率可在线检测参数扫描超滤实验示意图RetentatePermeateSample2参数扫描超滤技术的优点每次实验所需蛋白样品量仅为常规实验的1/20至1/10可测定参数(pH,盐浓度)连续变化下蛋白的透过率以及不同渗透液通量下蛋白的透过率,进一步大大降低了蛋白消耗量,极大地减少了实验量,提高了实验进程在恒定的渗透液通量下操作，提高了实验的准确性可快速判定临界通量(Criticalflux)范围，准确测定膜阻与FPLC联用，多参数在线监测，自动化程度高参数扫描超滤技术的优点每次实验所需蛋白样品量仅为常规实验的1超滤法分离人白蛋白(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!参数扫描超滤技术可快速，有效地优化操作条件，促进蛋白质高效膜分离超滤法分离人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG)OpepH对人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG)分离的影响Operatingconditions:workingsolution40g/LHSA+40g/LHIgGindeionisedwateratpH4.7;pulsevolume500μL;carrierphase1.5mMNaClsolutionatspecifiedpH;permeateflux7.368×10-6m/s;stirringspeed2100rpm.ReverseselectivitypH对人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG)分离的影阴离子交换层析技术去除DNA等细胞培养微滤或离心过滤分离细胞等蛋白A亲和层析技术提取单克隆抗体(Campath)阳离子交换层析技术提纯单克隆抗体SEC去除二聚体DV50膜过滤器去除病毒等罐装FCS单克隆抗体(Campath-1H)的生产简介

Campath-1H是牛津大学医用抗体中心研制的人源化IgG型单克隆抗体，始于1982年，2002年投放市场。主要用于治疗肿瘤，自身免疫性疾病及器官移植免疫排斥反应等。流程示意图阴离子交换层析细胞培养微滤或离蛋白A亲和阳离子交换层SEC去单克隆抗体(Campath-1H)

单体与二聚体的分离(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.单克隆抗体(Campath-1H)单体与二聚体的分离(I)单克隆抗体(Campath-1H)单体与二聚体的分离(II)Comparisonofactualandpredictedyieldsandpuritiesofthemonomer

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

CurrentSECYield~85%Purity92%(usedforclinictrial)单克隆抗体(Campath-1H)单体与二聚体的分离(II问题与对策问题与对策

问题与对策

挑战

对策膜本身孔径分布宽

研制开发新型膜浓差极化

强化系统水力学控制膜污染（如吸附）

提高膜的亲水性

强化系统水力学控制形成凝胶层

低通量下操作

强化系统水力学控制蛋白质-蛋白质/蛋白质-膜之间相互作用

调节溶液的pH和离子强度

膜进行预处理

问题与对策

浓差极化层浓度分布示意图浓差极化层浓度分布示意图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亲水性聚合物可降解聚合物+可降解抗污染分离膜相转化法PCL

可降解，但速度较慢;生物相容性好PEG亲水性,生物相容性好PCLE嵌段共聚PCL凝固浴（H2O）PEG支撑体聚合物溶液可降解抗污染膜的研制亲水性聚合物可降解聚合物+可降解抗污染分

膜过程强化传质对策气体吹扫(GasSparging)插入物(Inserts)反向冲洗(Back-flushingandback–pulsing)

低透过通量下操作

(e.g.,Criticalflux)外加力场(电,磁场及超声波)膜过程强化传质对策气液两相流强化HSA-IgG分离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气液两相流强化HSA-IgG分离Li&CuiJMS,199Initialproteinconcentrationinthestirredcell:0.53g/Lalemtuzumab(25%dimers+75%monomer)in15mMsodiumphosphatebufferatpH8.5;Diafiltrationbuffer:15mMsodiumphosphatebufferatpH8.5;Stirringspeed:330±10rpm.低通量(CriticalFlux)运行Initialproteinconcentration小结1.研制无缺陷(Perfect)抗污染膜及智能型分离膜;2.设计，开发新型抗污染膜组件;3.提高膜过程的可预测性,如从理论上预测给定体系的临界通量,分离效率等;4.开展膜技术分离实际生物大分子混合体系的研究工作,促进高通量高选择性生物大分子膜分离技术研究与应用;5.深化反应—膜分离耦合技术研究，推进工业应用进程；

6.拓展膜生物分离技术应用新领域,如膜生物传感器,微型膜

取样器,组织培养等。膜技术在理论及应用领域均得到了极大发展,膜污染和浓差极化仍是制约其大规模工业应用的技术瓶颈。为充分发挥膜技术的优势和潜力,有必要继续加强以下几方面的研究:小结1.研制无缺陷(Perfect)抗污染膜及智能型谢谢恳请指正!谢谢演讲完毕，谢谢观看！演讲完毕，谢谢观看！

膜分离技术研究进展

万印华中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室Email:yhwan@

化学工程设计专业委员会成立大会暨全国化工化学工程设计技术中心站年会2007年11月18-22日，桂林膜分离技术研究进展化学工程设计专业委员会成立大会暨全国膜分离技术的地位和影响美国官方文件曾说"18世纪电器改变了整个工业进程，而20世纪膜技术将改变整个面貌”，“目前没有一种技术，能像膜技术这么广泛地被应用”日本和欧洲则把膜技术作为21世纪的基盘技术进行研究和开发“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化学工业的未来”-NormanN.Li，美国科学院院士，著名华裔科学家膜分离已得到广泛应用。21世纪是工业生物技术的世纪，膜技术将扮演重要角色膜分离技术的地位和影响美国官方文件曾说"18世纪电器改变了整生物制造过程示意简图HappygrowingDrugproducingFermentationKillthemicrobesSmashthemicrobesRemovecells/debrisConcentrateandPurifytheproductFormulateproductDownstreamProcessingMicrobesGeneticmodificationMarketNutrientsOxygen生物制造过程示意简图HappygrowingDrugprPressure

MF0.1mm-10mm

UF5-100nm(10kD-1MD)

NF<5nm(MW200D-10kD)压力驱动膜分离示意简图

PressureMF0.1mm渗透汽化膜分离的应用渗透汽化(Pervaporation，简称PV)是一种新型膜分离技术，是在液体混合物中组分蒸汽压差推动下，利用不同组分在特定聚合物/无机膜中溶解与扩散速率不同来实现不同组分分离的目的适合具有一定挥发性物质的分离，从混合物中分离出少量物质按功能分：优先透水膜、优先透有机物膜和有机物分离膜其突出的优点是能够以低的能耗实现蒸馏、萃取、吸附等传统的方法难于完成的分离任务渗透汽化膜分离的应用渗透汽化(Pervaporation，简膜筛分分离机理膜筛分分离机理电荷作用膜分离机理CELMembranePositivelychargedlysozymeNegativelychargedCEAC:Convectiveforce;E:Electrostaticforce;L:Positivelychargedlysozymelayer膜－溶质电荷相互作用溶质－溶质电荷相互作用电荷作用膜分离机理CELMembranePositively渗透气化分离原理

它的基本原理是利用膜与被分离有机液体混和物中各组份的亲合力不同而有选择地优先吸附溶解某一组份，及各组份在膜中扩散速度不同来达到分离的目的，因此它不存在蒸馏法中的共沸点的限制，可连续分离、浓缩，直至得到纯有机物。渗透气化分离原理它的基本原理是利用膜与被分离有机液体膜分离技术优点占地少，处理效率高，设备易于放大；条件温和，可在室温或低温下操作，适宜于热敏感物质分离浓缩；化学与机械剪切作用小，减少失活；无相转变（除渗透气化外），节能；有相当好选择性，可在分离、浓缩的同时达到部分纯化目的；系统可密闭循环，防止外来污染；易于和反应或其他分离过程集成和耦合。膜分离技术优点占地少，处理效率高，设备易于放大；发酵－膜分离耦合技术发酵－膜分离耦合技术分离设备：较难满足发酵过程分离介质：对细胞存在毒害作用分离过程：不能有效移走抑制物生物反应和分离耦合的发展存在的问题国际专利申请数量与工业生物技术的兴起密切相关分离技术的进步促进了发展三个主要技术：萃取、膜分离、吸附分离设备：较难满足发酵过程生物反应和分离耦合的发展存在的问题秸秆发酵生产生物乙醇

组分分离秸秆纤维素固态发酵酒精

寡糖植保素生物农药高效纤维素酶可降解材料地膜材料木质素半纤维素剩余物转化系统能量自供有机肥生物饲料乙烯

主要问题1.乙醇浓度低2~4%2.能耗高3.效益差秸秆发酵生产生物乙醇组分分离秸秆纤维素酒精寡糖植保素高效乙醇起始浓度对乙醇蒸馏能耗的影响秸秆乙醇(2-4%)精馏等浓缩乙醇(20-95%)热超高能量消耗通过精馏从不同原始浓度提升到90%的能量消耗（Aldrldgeetal.,Ind.Eng.Chem.Process.Des.Dev.1984.23：733）10%16%提高乙醇蒸馏起始浓度是降低能耗的关键!!!生物乙烯燃料乙醇BTUPERPOUNDOFETHANOLPRODUCED6%0.060.00MASSFRACTIONOFETHANOLINFEED原料乙醇液浓度乙醇起始浓度对乙醇蒸馏能耗的影响秸秆乙醇(2-4%)精馏等浓发酵-渗透汽化分离耦合生产燃料乙醇关键技术：（1）优先透醇膜的研制（2）过程优化

常规乙醇发酵工艺存在的主要问题

产物抑制作用能耗高，成本偏高主要技术指标其乙醇渗透通量>1000g/m2h，选择性>15

优先透醇渗透汽化后透过液的乙醇浓度达30-60%发酵-渗透汽化分离耦合生产燃料乙醇关键技术：（1）优先透醇超滤分离蛋白质超滤分离蛋白质超滤法分离纯化蛋白的过程优化筛选合适的膜优化操作条件

-需要对每个参数逐个进行系统的实验-需要大量的实验工作-需要消耗一定量的蛋白质-费时，同时成本高

因此，急需开发新的实验技术快速判定给定膜的适用性，并能经济，方便，快速地优化超滤分离蛋白质的操作条件。超滤法分离纯化蛋白的过程优化筛选合适的膜因此，急需开发新的实超滤过程优化实验新技术脉冲进样技术(Pulsedsampleinjectiontechnique)

2000年由GhoshandCui提出

(JMembrSci175:75-84)流动相超滤技术(Carrierphaseultrafiltration)

2001年由Ghosh提出

(BiotechnolBioeng74:1-11)参数扫描超滤技术(Parameterscanningultrafiltration)

2002年由Wan,GhoshandCui提出

Desalination144:301-306超滤过程优化实验新技术脉冲进样技术(Pulsedsamp

RetentatePermeate

Sample

2

3

4

5

6

7

89110AKTAPrime

StirredCell

ExperimentalSetupforParameterScanningUFExperiments

1bufferreservoira;2bufferreservoirb;3pump;4buffermixer;5sampleinjector;6stirredcellmodule;7UVmonitor;8conductivitymonitor;9pHmonitor;10computerfordataloggingandprocessing.蛋白质溶液注射进样

采用两种载体相(类似梯洗脱层析)

恒定渗透通量下操作

渗透液的pH,电导和蛋白质的透过率可在线检测参数扫描超滤实验示意图RetentatePermeateSample2参数扫描超滤技术的优点每次实验所需蛋白样品量仅为常规实验的1/20至1/10可测定参数(pH,盐浓度)连续变化下蛋白的透过率以及不同渗透液通量下蛋白的透过率,进一步大大降低了蛋白消耗量,极大地减少了实验量,提高了实验进程在恒定的渗透液通量下操作，提高了实验的准确性可快速判定临界通量(Criticalflux)范围，准确测定膜阻与FPLC联用，多参数在线监测，自动化程度高参数扫描超滤技术的优点每次实验所需蛋白样品量仅为常规实验的1超滤法分离人白蛋白(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!参数扫描超滤技术可快速，有效地优化操作条件，促进蛋白质高效膜分离超滤法分离人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG)OpepH对人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG)分离的影响Operatingconditions:workingsolution40g/LHSA+40g/LHIgGindeionisedwateratpH4.7;pulsevolume500μL;carrierphase1.5mMNaClsolutionatspecifiedpH;permeateflux7.368×10-6m/s;stirringspeed2100rpm.ReverseselectivitypH对人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG)分离的影阴离子交换层析技术去除DNA等细胞培养微滤或离心过滤分离细胞等蛋白A亲和层析技术提取单克隆抗体(Campath)阳离子交换层析技术提纯单克隆抗体SEC去除二聚体DV50膜过滤器去除病毒等罐装FCS单克隆抗体(Campath-1H)的生产简介

Campath-1H是牛津大学医用抗体中心研制的人源化IgG型单克隆抗体，始于1982年，2002年投放市场。主要用于治疗肿瘤，自身免疫性疾病及器官移植免疫排斥反应等。流程示意图阴离子交换层析细胞培养微滤或离蛋白A亲和阳离子交换层SEC去单克隆抗体(Campath-1H)

单体与二聚体的分离(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.单克隆抗体(Campath-1H)单体与二聚体的分离(I)单克隆抗体(Campath-1H)单体与二聚体的分离(II)Comparisonofactualandpredictedyieldsandpuritiesofthemonomer

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

CurrentSECYield~85%Purity92%(usedforclinictrial)单克隆抗体(Campath-1H)单体与二聚体的分离(II问题与对策问题与对策

问题与对策

挑战

对策膜本身孔径分布宽

研制开发新型膜浓差极化

强化系统水力学控制膜污染（如吸附）

提高膜的亲水性

强化系统水力学控制形成凝胶层

低通量下操作

强化系统水力学控制蛋白质-蛋白质/蛋白质-膜之间相互作用

调节溶液的pH和离子强度

膜进行预处理

问题与对策

浓差极化层浓度分布示意图浓差极化层浓度分布示意图膜污染膜污染新型膜的研制Relative