超濾膜分離牛血清蛋白

王興權(quán)

（赤峰市特種設(shè)備檢驗所，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

超濾膜分離牛血清蛋白

王興權(quán)

（赤峰市特種設(shè)備檢驗所，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

運用膜分離現(xiàn)代分離技術(shù)對牛血清蛋白溶液濃縮，實現(xiàn)物質(zhì)純化與分離.

膜分離；濃縮；牛血清蛋白

膜及其相關(guān)技術(shù)在自然界中扮演著越來越重要的角色，它的產(chǎn)生和發(fā)展與人類的生活密切相關(guān)，在人類的生活與實踐中，人們早已不自覺地接觸和應(yīng)用到了膜分離技術(shù).膜分離技術(shù)的迅猛發(fā)展是在上世紀(jì)60～80年代，由于膜分離技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，使傳統(tǒng)的分離過程受到挑戰(zhàn)，引起了分離技術(shù)的重大變革.膜分離技術(shù)是一種借助外界能量或化學(xué)位的推動，以選擇性透過膜為分離介質(zhì)，對兩組分或多組分氣體或液體進行分離、分級和富集.與傳統(tǒng)分離方法（蒸發(fā)、萃取或離子交換等）相比，它是在常溫下操作，沒有相變，最適宜對熱敏性物質(zhì)和生物活性物質(zhì)的分離與濃縮；具有高效、節(jié)能、工藝過程簡單、投資少、污染小等優(yōu)點，因而在化工、輕工、電子、醫(yī)藥、紡織、生物工程、環(huán)境治理、冶金等方面具有廣泛的應(yīng)用前景[1].

1 膜及膜分離技術(shù)

1.1 膜的分類

工業(yè)上膜分離大致分為微濾、超濾、納濾和反滲透等，不同的分離類型其作用機理是各不相同.

微濾：膜孔徑大約0.1μm；主要從氣相和液相物質(zhì)中截留微米及亞微米的細小懸浮物、微生物、微粒、細菌、酵母、紅血球、污染物等，以達到凈化和濃縮的目.在靜壓差的作用下，小于膜孔的粒子透過膜，大于膜孔的粒子則被截留在膜的表面上，使大小不同的粒子得以分離.微濾分離的實質(zhì)是利用膜的“篩分”作用來進行的.

超濾：膜孔徑在10～100nm，主要用于分離液相物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、核酸聚合物、淀粉等大分子化合物、膠體分散液和乳液等.超濾過程的分離機理一般認為是壓力驅(qū)動的篩孔分離過程，但膜表面的化學(xué)物質(zhì)也是影響分離的一個重要因素.

納濾：膜孔徑在1～10nm，是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動膜分離過程，主要用于二價或多價離子及分子量介于200～500之間的有機物的脫除.與超濾膜相比，納濾膜有一定的荷電容量；與反滲膜相比，納濾膜又不是完全無孔的，因此其分離機理在存在共性的同時，也存在差異.

反滲透：膜孔徑小于1nm，它仍是一種壓力驅(qū)動的膜過程，與其他壓力驅(qū)動的膜過程相比，反滲透是最精細的過程，因此又稱“高濾”.它過濾的實質(zhì)是利用反滲透膜具有選擇性透過溶劑而截留離子物質(zhì)的性質(zhì).分離的過程是依靠膜兩側(cè)的靜壓力差為推動力，用以克服溶劑的滲透壓，使溶劑通過反滲透膜而實現(xiàn)對液體混合物的分離.它主要用于水的脫鹽、軟化、除菌等.它的分離機理與其它壓力驅(qū)動膜過程有所不同，分離過程除與孔的大小有關(guān)外，還取決于透過組分在膜中的溶解、吸附和擴散，因此與膜的化學(xué)、物理性質(zhì)以及透過組分與膜之間的相互作用有很大關(guān)系.

四個過程的主要區(qū)別在于被分離物粒子或分子的大小和所采用膜的結(jié)構(gòu)與性能.微濾膜的壓差范圍約為0.015～0.2MPa；超濾膜壓差范圍約為0.1～0.5MPa；反滲透的壓差與溶液中溶質(zhì)的相對分子質(zhì)量及濃度有關(guān)，通常的壓差在2MPa左右，也有高達10MPa的；介于反滲透與超濾之間的為納濾過程，膜的脫鹽率及操作壓力通常比反滲透低.

1.2 膜分離技術(shù)

膜分離是以對組分具有選擇性透過功能的膜為分離介質(zhì)，通過在膜兩側(cè)施加（或存在）一種或多種推動力，使原料中的某組分選擇性地優(yōu)先透過膜，從而達到混合物的分離，并實現(xiàn)產(chǎn)物的提取、濃縮、純化等目的的一種新型分離過程.其推動力可以為壓力差、濃度差、電位差、溫度差等.膜分離過程有多種，不同的過程所采用的膜及施加的推動力不同，通常稱進料液流側(cè)為膜上游、透過液流側(cè)為膜下游.

膜分離技術(shù)是一種新型高效、精密分離技術(shù)，它是材料科學(xué)與介質(zhì)分離技術(shù)的交叉結(jié)合，具有高效分離、設(shè)備簡單、節(jié)能、常溫操作、無污染等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，尤其在化工、食品、醫(yī)藥、生化領(lǐng)域發(fā)展迅猛[2].

膜分離技術(shù)具有如下特點：（1）膜分離過程不發(fā)生相變化，因此膜分離技術(shù)是一種節(jié)能技術(shù)；（2）膜分離過程是在壓力驅(qū)動下，在常溫下進行分離，特別適合于對熱敏感物質(zhì)，如酶、果汁、某些藥品的分離、濃縮、精制等.（3）膜分離技術(shù)適用分離的范圍極廣，從微粒級到微生物菌體，甚至離子級都有其用武之地，關(guān)鍵在于選擇不同的膜類型；（4）膜分離技術(shù)以壓力差作為驅(qū)動力，因此采用裝置簡單，操作方便.

2 超濾膜分離實驗

2.1 實驗儀器

膜分離實驗裝置，電子天平，紫外可見分光光度計.

2.2 實驗原理

2.2.1 膜性能表征

膜組件的性能可用截留率（R）、透過液通量（J）和溶質(zhì)濃縮倍數(shù)（N）來表示.

式中，R——截流率；c0——原料液的濃度，mol/m3；cp——透過液的濃度，kmol/m3.

對于不同溶質(zhì)成分，在膜的正常工作壓力和工作溫度下，截留率不盡相同，因此這也是工業(yè)上選擇膜組件的基本參數(shù)之一.

式中，J——透過液通量，L/（m2·h）；Vp——透過液的體積，L；S——膜面積，m2；t——分離時間，h.

式中，N——溶質(zhì)濃縮倍數(shù)；cR——濃縮液的濃度，kmol/m3；cp——透過液的濃度，kmol/m3.

該值比較了濃縮液和透過液的分離程度，在某些以獲取濃縮液為產(chǎn)品的膜分離過程中（如大分子提純、生物酶濃縮等），是重要的表征參數(shù).

2.2.2 實驗儀器操作流程圖

見圖1.

圖1

2.2.3 實驗內(nèi)容

（1）用電子天平稱量牛血清蛋白（生化試劑），加蒸餾水使其溶于燒杯中，分別配制濃度為0.200g/l、0.100g/l、0.067g/l、0.050g/l的溶液，取樣為樣液1、樣液2、樣液3、樣液4.

（2）將配好的的牛血清蛋白溶液（濃度為0.05g/l）倒入料液灌中，打開泵進口閥、超濾進口閥和超濾出口閥，關(guān)閉微濾出口閥和微濾進口閥，打開電源、泵、儀表開關(guān).

（3）控制泵的回流閥，控制壓力表的壓力（不超過0.15MPa），調(diào)節(jié)清液和濃液流量計，待穩(wěn)定好后取少許清液和濃液分別為樣液5和樣液6.

（4）實驗完畢后關(guān)閉電源，打開排水閥.然后用水清洗管路，若較長時間不用時，為了防止系統(tǒng)生菌，應(yīng)加入少量防腐劑，例如甲醛、雙氧水等（濃度均不高于0.5％）.在下次使用前，則必須將這些保護液沖洗干凈，才能進行實驗.

（5）將樣液用紫外分光光度計在波長為280nm處進行檢測（以蒸餾水為基準(zhǔn)）得到以下圖譜（見圖2）；

圖2

根據(jù)lambert-beer定律A=abc.A為吸光度，a為吸收系數(shù)（l·g-1·cm-1），b 為液層厚度（cm），c 為吸光度物質(zhì)的濃度（g/l）.對于同一種物質(zhì)ab都是定值，則A與c呈線性方程，由樣液1、樣液2、樣液3、樣液4的數(shù)據(jù)可得到下圖（見圖3）.

圖3

通過線性方程可以得出樣液5和樣液6的濃度，從圖譜結(jié)果可以得出超濾能對牛血清蛋白濃縮，這可用于某些藥物的純化與分離.

目前膜分離技術(shù)在許多方面得到廣泛應(yīng)用，而且在某些方面應(yīng)用得還比較成熟.在對產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高、生產(chǎn)成本要求不斷降低的今天，膜技術(shù)的優(yōu)勢越來越明顯，其必將取代傳統(tǒng)的低效分離技術(shù).但我們也應(yīng)該清醒的認識到，膜分離技術(shù)的大量應(yīng)用畢竟是近幾十年開始的，許多方面還不成熟，還有待進一步深入的研究.首先，選擇性問題應(yīng)集中于膜材的研究，繼續(xù)開發(fā)功能高分子膜材料和無機膜材料.對仿生膜、高效電解質(zhì)膜、分子識別型膜的研究需要達到智能化、高效化和專一化目標(biāo).其次，膜通量的穩(wěn)定性和產(chǎn)值比問題應(yīng)集中于滲透時的防污染和膜過程強化的研究上.無論采用那種類型的膜，都存在膜孔被堵塞、膜表面形成黏性附層等膜污染問題，這極大的影響了通量的穩(wěn)定性和產(chǎn)值比.因此應(yīng)研究一種適用面廣的強化膜過程分離技術(shù)，以減少膜污染、增大過濾通量、延長膜壽命.這需要將許多因素結(jié)合起來綜合考慮，如選擇合適的膜材，合理的膜組件設(shè)計、具有針對性的清洗和防污染方法、以及周密的工藝流程設(shè)計等方面.

隨著新型膜材料的不斷開發(fā)、高效強化膜過程分離技術(shù)研究的不斷深入，膜分離技術(shù)必定會有更加廣泛的應(yīng)用前景[3].

〔1〕王志斌，楊宗偉，邢曉林，高朝祥.膜分離技術(shù)應(yīng)用的研究進展[J].過濾與分離，2008，（2）:19-23.

〔2〕羅麗萍，高蔭榆，揚柏云.膜分離技術(shù)在食品工業(yè)上的應(yīng)用[J].江西科學(xué)，2004，2（2）：146—150.

〔3〕王馳，魏東洋.膜處理技術(shù)在飲用水處理的應(yīng)用研究.醫(yī)藥衛(wèi)生，2005，34（3）：210.

TQ464.7

A

1673-260X（2011）12-0166-03