超濾膜分離牛血清蛋白的操作條件優(yōu)化研究

張曉艷，姜 英，王龍飛，王 旭，許海麗

（赤峰學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

超濾膜分離牛血清蛋白的操作條件優(yōu)化研究

張曉艷，姜 英，王龍飛，王 旭，許海麗

（赤峰學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

本文采取超濾膜技術(shù)進行分離實驗，用紫外分光光度計進行分離結(jié)果測量.通過聚砜聚乙烯超濾膜分離牛血清蛋白的研究，以主要影響的因素：牛血清蛋白的濃度、流量，膜前后壓力來確定影響分離效果的因素，通過配制一系列不同的牛血清蛋白水溶液濃度和吸光度做出的標準曲線，清濃液濃度對比，以及用正交實驗的方法對實驗數(shù)據(jù)進行處理，即可得到膜分離的最佳條件.最后由正交實驗得出最佳條件為第六組實驗條件：濃液流量為8L/h，清夜流量為2.5L/h，膜前壓力為0.200Mpa,膜后有壓力為0.176Mpa.由最佳條件可知，若要提高超濾膜分離效率，需減小清液流量并且增大膜前壓力.

超濾；膜分離技術(shù)；牛血清蛋白；正交實驗；最佳條件

1 前言

膜分離技術(shù)是一種已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的新型分離技術(shù)，它采用的分離介質(zhì)是對組分擁有有選擇透過性的天然高分子薄膜或人工合成的無機膜等凝結(jié)相物質(zhì)，其膜有氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的一相或復(fù)合相[1].在生產(chǎn)等工程中為了達到混合物分離的目的，通常可以使膜兩側(cè)產(chǎn)生一定的梯度差異進而形成相應(yīng)的推動力，使原料中的某組分可以有選擇性地優(yōu)先透過分離膜，繼而使其依次經(jīng)過濃縮、提取，純化等單元操作得到所需產(chǎn)物的一種新型分離過程[2].

牛血清白蛋白(BSA)在生物體內(nèi)主要有兩種作用,一是平衡滲透壓，二是維持營養(yǎng)的運轉(zhuǎn)，它不僅是一種重要的載體蛋白，在生物學(xué)中，也是一種重要的模式蛋白[3].因其分子量較大，故在分離實驗中，分離效果明顯，所形成的實驗數(shù)據(jù)能夠清晰并且直觀的表現(xiàn)出影響分離效果的因素.

正交試驗被叫做正交設(shè)計，它是以數(shù)理統(tǒng)計和概率論和為理論基礎(chǔ)，科學(xué)地安排多種因素作為實驗的研究對象，這是一類實用性比較強的數(shù)學(xué)方法[4].

2 實驗研究

2.1 實驗裝置

在本次實驗中，采用聚砜聚丙烯膜為實驗裝置，由于本次實驗為模擬實驗，因此最大工作壓力和透過液通量都低于工業(yè)現(xiàn)場實際使用情況，實驗中，壓力不可超過膜組件的承受范圍.主要工藝參數(shù)如表1.

表1 膜分離裝置主要工藝參數(shù)

圖1 實驗裝置圖

2.2 實驗內(nèi)容及分析

2.2.1 實驗步驟

以自來水為原料，利用紫外分光光度計測量料液通過超濾膜后濃液和清液的吸光度進而分析膜的滲透通量隨時間的衰減情況，操作壓力和清液、濃液濃度對滲透通量的影響.

操作步驟如下：

標準曲線：

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，配置出不同濃度的溶液，繼而在紫外分光光度計上測得到標準曲線.

2.2.1.1 控制膜前、膜后壓力、清液流量不變，調(diào)節(jié)濃液流量大小

（1）先向料液槽內(nèi)加入適量自來水，再將適宜牛血清蛋白倒入料液灌中的自來水，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).

（2）控制泵的回流閥，控制壓力表的壓力為某一壓力值（不超過0.2MPa），穩(wěn)定清液流量在某一值，調(diào)節(jié)濃液流量計，待穩(wěn)定好后取少許清液和濃液分別為樣液1和樣液2.

（3）將樣液1和樣液2分別在紫外分光光度儀內(nèi)測出相應(yīng)的濃度.隔一定的時間，多取幾組樣液進而測量.

（4）記錄相關(guān)數(shù)據(jù).

2.2.1.2 控制膜前、膜后壓力、濃液流量不變，調(diào)節(jié)清液流量大小

（1）先向料液槽內(nèi)加入適量自來水，再將適宜牛血清蛋白倒入料液灌中的自來水，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).

（2）控制泵的回流閥，控制壓力表的壓力為某一壓力值（不超過0.2MPa），穩(wěn)定濃液流量在某一值，調(diào)節(jié)清液流量計，待穩(wěn)定好后取少許清液和濃液分別為樣液3和樣液4.

（3）將樣液3和樣液4分別在紫外分光光度儀內(nèi)測出相應(yīng)的濃度.隔一定的時間，多取幾組樣液進而測量.

（4）記錄相關(guān)數(shù)據(jù).

2.2.1.3 控制清液流量、濃液流量不變，調(diào)節(jié)膜前、膜后壓力

（1）先向料液槽內(nèi)加入適量自來水，再將適宜牛血清蛋白倒入料液灌中的自來水，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).

（2）控制泵的回流閥，穩(wěn)定濃液流量和清液流量分別在某一值，調(diào)節(jié)壓力表的壓力值（不超過0.2MPa），待穩(wěn)定好后取少許清液和濃液分別為樣液5和樣液6.

（3）將樣液5和樣液6分別在紫外分光光度儀內(nèi)測出相應(yīng)的濃度.隔一定的時間，多取幾組樣液進而測量.

（4）記錄相關(guān)數(shù)據(jù)

2.2.1.4 實驗結(jié)束，關(guān)閉實驗儀器并清洗實驗儀器，整理實驗數(shù)據(jù).

2.2.2 實驗內(nèi)容

將樣液用紫外分光光度計進行檢測，采用蒸餾水為基準，分光光度計波長設(shè)為280nm，光度模式為單波長法，得到紫外光譜，得到校正曲線如下：

圖2 牛血清蛋白標準曲線

通過標準曲線可以的到濃度與吸光度的關(guān)系，y=-0.13613+0.68985x，R^2=0.99972.可以得出各種不同濃度下溶液的吸光度或者已知吸光度得到不同吸光度的溶液的濃度.

影響分離的因素有牛血清蛋白的濃度、流量，膜前后壓力，分別控制每一個變量，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)判斷出個影響因素之間的影響，綜合起來就可以得到分離牛血清蛋白的最優(yōu)條件.

圖3 清濃液對比折線圖

由此清濃液對比折線圖可以看出，設(shè)定的清液濃度和濃液濃度變化范圍不大，濃液濃度在0.8g/L左右，清液濃度在0.4g/L左右，但清液濃度和濃液濃度之間差別較大，更加清楚的反應(yīng)出實驗結(jié)果.

以自來水為原料，考察當料液通過超濾膜后，膜的滲透通量隨時間的增加而衰減的情況，并考察膜表面流速和操作壓力對滲透通量的影響.操作步驟如下：

用去離子水清洗超濾組件，加熱到60℃后清洗超濾組件2～3次.在原料液儲槽中加入一定量的自來水后，打開低壓料液泵回流閥和低壓料液泵出口閥，打開超濾料液進口閥、超濾清液出口閥和濃液出口閥，則整個超濾單元回路已暢通.將泵啟動，等到泵運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，通過控制和調(diào)整泵出口閥門和超濾餾液出口閥門，來達到實驗所需要的流量和壓力，待穩(wěn)定后，測量一定實驗時間內(nèi)的滲透液體積，每十分鐘一次，做好記錄.調(diào)節(jié)膜后的壓力為0.03 MPa，待穩(wěn)定后，測量滲透液的體積,，做好記錄.然后依次增加膜后的壓力分別為0.04MPa，0.06MPa，0.08MPa，分別測量滲透液的體積，做好記錄.利用用去離子水清洗超濾組件，方法同上.加入保護液甲醛溶液于超濾膜組件中，然后密閉系統(tǒng)，避免保護液的損失，到此，實驗結(jié)束.

表2 正交試驗分析

由表2可以得出，B組即清液流量的大小和C組膜前壓力值對超濾膜分離牛血清蛋白的效果影響比較大,A組濃液流量的大小和D組膜后壓力值對分離效果影響最小.并且影響因素由主到次為，清液流量，膜前壓力，膜后壓力，濃液流量，最優(yōu)組合條件為第一組實驗的實驗條件.

3 結(jié)論

在本次試驗中，對超濾膜的性能有一定的要求，其中有一個重要的參數(shù)為截留率(R)，截留率是指溶液經(jīng)過超濾處理后，被膜截留的溶質(zhì)質(zhì)量占溶液中該溶質(zhì)總量的百分率.截留率可以直觀的表現(xiàn)出超濾膜的性能是否合格，在本次實驗所采用的超濾膜經(jīng)過測試截流率為0.9992，達到實驗的標準.

由實驗結(jié)果得出，清液流量和膜前壓力對超濾膜分離的效果影響最為顯著，因此，若要得到最為理想的分離效果，需減小清液流量同時增大膜前壓力.

〔1〕張云飛，田蒙奎，許奎.我國膜分離技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代化工學(xué)報，2017，37（4）.

〔2〕王華,劉艷飛,彭東明,王福東,魯曼霞.膜分離技術(shù)的研究進展及應(yīng)用展望[J].應(yīng)用化工，2013(3).

〔3〕呂華，單曉輝.碳量子點的制備及與牛血清蛋白的相互作用[J].新型碳材料，2013（28）：308-310.

〔4〕秦穎.正交實驗設(shè)計法在造紙試驗中的應(yīng)用[J].黑龍江造紙,2006（1）：42-45.

Q592

A

1673-260X（2017）08-0005-03

2017-03-12

赤峰學(xué)院學(xué)生創(chuàng)新項目（1602164）