超滤膜分离海带多糖

模块2-3超滤膜分离海带多糖分离情景视野拓展视野拓展超滤技术概况所谓的膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，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生传质作用。分离情景膜分离过程原理：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，以达到分离提纯的目的。通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。膜上游

透膜

膜下游选择性透膜分离情景超滤膜的过滤原理分离情景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微滤超滤反渗透/纳滤膜分离过程过滤的分类?分离情景

滤膜孔径分布0.1kD-2.0kD反渗透纳滤

超滤微滤0.1-0.65µm1kD–1000kD0.001-0.10um0.001kD-0.5kD0.00005-0.001um分离情景区分谱图分离情景过滤方式普通过滤

(NFF)滤芯形式或“死过滤”流向是垂直于过滤介质的

所有的液体全部透过过滤介质

颗粒被截留在过滤膜内部或表面切向流过滤

(TFF)

交叉流动过滤

流向是切向(平行)于过滤膜表面的一小部分液体透过过滤介质截留的颗粒从膜的表面被”扫除””分离情景切向流（TFF）过滤系统模型储罐膜夹具

泵Pp

透过液Q

T回流液P

FP

R回流阀透析/补料

泵分离情景%Passage=透过率[]retentate[]permeatex100%Retention=100-%Passage截留率基本TFF术语Retentate回流液Permeate透过液%Passage透过率%Retention截留率分离情景

体积/升112234567891011面积/平方米时间/小时Litres/(SquareMetrexHour)orLMH升/(平方米X小时)

Flux:通量基本超滤术语分离情景Start500L,1g/LFinishVCF=VinitialVfinal

体积浓缩因子浓缩倍数基本超滤术语X=CfinalCinitial分离情景Concentration浓缩分离情景Concentration浓缩分离情景Operation:Diafiltration

操作:透析Diafiltrationistheadditionofafluid(buffer)tothefeedtankduringaUFoperationwhilepermeateisbeingremovedfromthesystem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)Inclarificationapplicationsitisdonetoimproveremovalofpassingspecies在澄清的应用中,它是用来提高透出物的透出效率的Inconcentrationapplicationsitisdonetochangethebuffer

在浓缩的应用中,它是用来置换缓冲溶液的分离情景Diafiltration透析分离情景Diafiltration透析分离情景Diafiltration透析分离情景Diafiltration透析分离情景Diafiltration透析分离情景Diafiltration透析分离情景Diafiltration透析分离情景Diafiltration透析分离情景DiafiltrationVolume透析体积

N(Diavolumes)

Termtodescribethenumberofwashvolumesusedduringaconstantvolume

diafiltration

process透析过程中以等体积透析所用的透析体积N=Vdf/VrBasedonvolume根据体积算Vr=VolumeofLiquidintankVdf=TotalVolumeofDFBufferVr50lVdfVdf500lN=500/50=10基本超滤术语分离情景TransmembranePressure跨膜压PressureDrop压降-PP2Tmp=PF+PRΔP=PF

-PR=k.QPFeed(PF)Pretentate(PR)PFiltrate(PP)FeedFlowQFlux基本超滤操作参数TMP=(30+20)/2-2=23psiPressure,psi30202InletOutletPermeateDP=30-20=10psi分离情景海带多糖的提取技术从海带中发现3种多糖:褐藻胶、褐藻糖胶、褐藻淀粉。褐藻胶和褐藻糖胶是细胞壁填充物，褐藻淀粉存于细胞质中。褐藻胶在海带中相对含量最丰富，约为19.17%，有水溶性和水不溶性两种，主要由葡萄糖的多聚物组成。分离情景海带多糖的提取技术海带多糖经提取工艺后得到粗品，需要经过一定的分离纯化过程，现介绍比较先进的超滤法分离海带多糖。生产订单：海带多糖提取物100kg，总多糖>20%，其中褐藻糖胶（HPLC）≥2.0％，水分<5%，灰分<5%，国标检测（苯酚-硫酸法）；价格：￥200元/Kg分离情景

海带粗多糖配制成100μg/mL溶液→取上述溶液1000mL超滤（截留分子量10000、50000、100000）→收集透过液和截留液→用硫酸-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MWC1万MWC5万MWC10万1万以下10万以上5万~10万1万~5万操作流程超滤工艺的优化分离情景教师讲解超滤技术的核心部件是超滤膜，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。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。超滤膜的结构一般由三层结构组成。即最上层的表面活性层，致密而光滑，厚度为0.1～1.5μm，其中细孔孔径一般小于10nm；中间的过渡层，具有大于10nm的细孔，厚度一般为1～10μm；最下面的支撑层，厚度为50～250μm，具有50nm以上的孔。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。分离情景中空纤维状超滤膜的外径为0.5～2μm。特点是直径小，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的内表面积很大，能有效提高渗透通量。

分离情景制备超滤膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纤维素等。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pH=3～8，三醋酸纤维素超滤膜适用于pH=2～9，芳香聚酰胺超滤膜适用于pH=5～9，温度0～40℃，而聚醚砜超滤膜的使用温度则可超过100℃。分离情景超滤技术主要用于含分子量500～500,000的微粒溶液的分离，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。分离情景超滤的主要应用Clarification澄清Concentration浓缩Desalting脱盐Bufferexchange缓冲溶液的置换Fractionation/purification分离/纯化分离情景Bio/PharmaceuticalProcessSteps

生物工程/制药领域超滤的应用Clarification-separatingcells/cellulardebris

澄清-分离细胞/细胞碎片cellharvesting(priortolysis)细胞收集cellremoval细胞去除Concentration-removingwater/buffer

浓缩-去除水/缓冲溶液priorto/afterchromatography层析前/后priortofillandfinish灌装BufferExchange/Desalting-removingsalts

缓冲溶液的置换/脱盐-除盐priorto/afterchromatography层析前/后priortofillandfinish灌装前后Purification-removingcontaminants

纯化-去除污染物removalofnativeproteins/endotoxin去除杂蛋白/内毒素产品Proteinsandpolypeptides

蛋白和多肽Polysaccharides多糖Virusesand

virus-likeparticles

病毒和类病毒颗粒Nucleicacids核酸Antibody抗体分离情景UsesofTFFinPurifyingIntracellularProteinsfromBacteria细菌胞内蛋白质纯化过程中TFF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/折叠胞含体的收集(centrifuge)复性液去除/复性层析前澄清和/或浓缩(TFFand/orcartridgefiltration)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TFFTFF1234TFF53110SM分离情景UsesofTFFinPurifyingExtracellularProteinsfromYeastorMammalianCells酵母或哺乳动物细胞胞外蛋白质纯化中TFF的应用有血清培养基13110SM234培养基置换（仅限哺乳动物细胞）无血清培养基（仅限哺乳动物细胞）TFFTFFTFFTFFFermentationorCellCulture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(TFFand/orcartridgefiltration)离子交换或亲和层析(MultipleSteps)最终无菌灌装除菌过滤缓冲溶液的置换和浓缩(MultipleSteps)分离情景Clarification澄清Concentration,desaltingandbufferexchange浓缩,脱盐和缓冲溶液的置换Solventremoval去除溶剂UsesofTFFinNaturalExtractedProductProcessing超滤在天然萃取产品生产中的应用Serumproteins血清蛋白Plantextracts植物提取液Tissueextracts组织提取液分离情景PolarizationandFouling:ConsequencesandControl

浓差极化与堵塞的成因与控制CROSSFLOWFLUX透过BulkConcentrationCbMEMBRANESURFACEConcentrationPolarization浓差极化与堵塞成因与控制WallConcentrationCw分离情景部分浓差极化的膜未浓差极化的膜浓差极化膜浓差极化机理分离情景PolarizationandFouling极化与堵塞Whatispolarizationandhowdoesitrelatetofouling?什么是极化,及它与堵塞的关系Whataretheirimpactsandeffects?它们的影响和结果是什么?Howdowecontrolthem?如何控制?Polarization:bybalancingpressure,cross-flowandpermeateflux通过平衡压力，控制切向流速和通透量Fouling:bycarefulmembranechoiceandselectionofoptionalfeedadditives(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DefinitionsofPolarizationandFouling

有关术语Polarization极化Accumulationofsolutesretainedbythemembraneinaconcentratedlayerclosetothemembranesurface溶质在膜的表面浓缩层附近被膜截留并聚集在一起Affectedbycross-flow,TMP,temperatureandconcentration受切向流速、膜透压、温度和浓度的影响Reversible可逆转的Fouling堵塞Solutesadsorbingtothemembraneorblockingthepores溶质吸附在膜的表面堵塞膜孔Irreversibleandtime-dependent不可逆转和时间依赖性分离情景Polarization

极化CirculatingfeedVelocityProfileConcentrationProfilemembraneMasstransferboundarylayercwallVwall

=0HydrodynamicboundarylayerPorousSubstrateProduct产品cbulkVbulkCenterLineRepresents101%ofConc.Represents99%ofVelocity分离情景PolarizationinMFandUF

TFF

极化的形成FormsaHighConcentrationLayer形成一个高浓度层分离情景ControllingPolarization

浓差极化的控制

Increasethemixingofthepolarizationlayerbackintothebulktangentialflowofthefeed/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HowtoControlPolarization

浓差极化的控制Cross-flowrate切向流速TMP膜透压Temperature温度Turbulence涡流Solutesolubility溶质的可溶解性Ionicstrength/pHmonitoring 离子强度/PH值监测分离情景BalanceTMP&Cross-flowRate平衡膜透压和切向流速

Principle-

Membranesmustremaincleanbybalancingparticledepositionandparticleremoval

原则-

通过颗粒的沉淀和去除之间的平衡来保持膜表面的清洁

CorrectSystemOperation

BalancesBothFactorsRemoval去除Deposition沉积分离情景Deposition:沉淀:TransMembranePressure(TMP)膜透压(TMP)SoluteConcentration溶质浓度Removal:去除:Cross-flowrate切向流速ReduceTMP/Diffusion减小膜透压Prevention:预防:TurbulencePromoters涡流促成物MembraneSelection 膜的正确选择CorrectSystemOperation

BalancesBothFactorsRemovalDepositionBalanceTMP&Cross-flowRate平衡膜透压和切向流速降低浓差极化ReducePressure降低压力Reduceconcentrationatmembranesurface降低表面的浓度Highvelocitygradient速度梯度Thinchannelsand/orturbulencepromoters膜流道的选择Shortfeedflowpathlength进口的路径MoveMembrane移动膜MoveLiquid移动溶液MembraneSelection膜的选择分离情景EffectsofFouling堵塞的影响Slowsfiltrationrate过滤速度慢Increasesresistancetofluidflownearmembranesurface 膜表面附近流体流动的阻力增大Makescleaningmoredifficult使清洗更加困难Requiresmoreaggressivecleaningconditions,whichmayreducemembranelife.需要更强的清洗条件，这将缩短膜的寿命DecreaseseffectivemembraneNMWL

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

改变膜对溶质的截留能力Reducesrecoveryofconcentratedsolutes 降低浓缩后溶质的回收率分离情景

堵塞的成因Particlesphysicallyorchemicallyadheringtosurfaceandblockingporeentrances 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Particlesgettingintoporesandblockingpores颗粒嵌入孔内，堵塞膜孔Solutesdepositingandprecipitatinginsidepores,blockingpores溶质在孔内沉淀并快速聚集，堵塞膜孔分离情景FoulinginMFandUF

堵塞的成因分离情景HowtoControlFouling

堵塞的控制

选择对溶质有较小吸附的膜材料避免操作条件低溶解度等电点溶液的电荷与膜相反在超滤前进行予处理将污染物去处分离情景PolarizationSummary

极化现象总结Polarizationisanincreaseinconcentrationatthemembranesurfacecausedby: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:IncreasedTMP膜透压升高FeedConcentration进料浓度较高LaminarFlow层流Polarizationcanbecontrolledby:极化可通过以下方法控制:LoweringTMP降低膜透压Increasingthesweepingactionacrossthemembrane增加膜的接触面积Ifpossiblekeepfeedconcentrationslow尽可能地使用浓度较低的料液MaintainingTurbulentFlow保持湍流分离情景OptimiseKeyVariables

主要优化变量MembraneselectionandFouling(膜的选择)TMP(膜透压)Crossflow(切向流速)ConcentrationFactor(浓缩倍数)DiafiltrationPoint(透析点)Recovery(产品回收)分离情景在初始浓度考察膜的堵塞情况Foulingcharacterisation

Fluxvs.timeatlowTMP&recommendedcrossflow但在10~20分钟后会稳定.通量可能衰减60%0204060800102030Time,minFlux,lmh分离情景Acceptablesituationiffluxiseconomical良好的堵塞情况没有堵塞的情形Fluxvs.timeatlowTMP&recommendedQGoodsituationTime,min6668707202040Flux,lmh部分堵塞情形,

butStabilizesFluxvs.time

atlowTMP&recommendedQ05010002040Time,minFlux,lmh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持续堵塞

Fluxvs.time

atlowTMPfailstostabilize--continueddeclineafter15-20mins020406080010203040Time,minFlux,lmh分离情景TMP优化在特定流量考察TMP与Flux关系(atCinitial)Fluxvs.TMP(atoneQ)polarizedoptimalTMPunpolarized0102030405060708090TMP,psi0102030405060Flux,lmhQ=4l/m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在起始浓度时找到优化的切向流量Fluxvs.TMPandCrossflow(Q)010203040506001020304050607080TMP,psiFlux,lmhQ=4l/mQ=3l/mQ=2l/m分离情景gelVCFFlux10010100806050C浓缩倍数与通量的关系

VolumetricConcentrationFactorVCF分离情景线性放大PelliconXL50

-0.05m²Pellicon2

“Mini”-0.1m²Pellicon2

cassette-0.5m²StacksofPellicon2cassette-from0.5

to80m²perholderLegendFeedFlowPathPermeatFlowPathAllflowpathsareidenticalinlength,width,heightandspacer&arefedinparallel.20cm10cmeachwayfromcenter20cm10cmeachwayfromcenter20cm10cmeachwayfromcenter20cm10cmeachwayfromcenter分离情景Basic

Operation

超滤的基本操作Flush冲洗IntegrityTest完整性测试BufferC