超濾膜分離牛血清蛋白

王興權

（赤峰市特種設備檢驗所，內蒙古 赤峰 024000）

超濾膜分離牛血清蛋白

王興權

（赤峰市特種設備檢驗所，內蒙古 赤峰 024000）

運用膜分離現代分離技術對牛血清蛋白溶液濃縮，實現物質純化與分離.

膜分離；濃縮；牛血清蛋白

膜及其相關技術在自然界中扮演著越來越重要的角色，它的產生和發展與人類的生活密切相關，在人類的生活與實踐中，人們早已不自覺地接觸和應用到了膜分離技術.膜分離技術的迅猛發展是在上世紀60～80年代，由于膜分離技術的應用與發展，使傳統的分離過程受到挑戰，引起了分離技術的重大變革.膜分離技術是一種借助外界能量或化學位的推動，以選擇性透過膜為分離介質，對兩組分或多組分氣體或液體進行分離、分級和富集.與傳統分離方法（蒸發、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和生物活性物質的分離與濃縮；具有高效、節能、工藝過程簡單、投資少、污染小等優點，因而在化工、輕工、電子、醫藥、紡織、生物工程、環境治理、冶金等方面具有廣泛的應用前景[1].

1 膜及膜分離技術

1.1 膜的分類

工業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，如蛋白質、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動的篩孔分離過程，但膜表面的化學物質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，它仍是一種壓力驅動的膜過程，與其他壓力驅動的膜過程相比，反滲透是最精細的過程，因此又稱“高濾”.它過濾的實質是利用反滲透膜具有選擇性透過溶劑而截留離子物質的性質.分離的過程是依靠膜兩側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動膜過程有所不同，分離過程除與孔的大小有關外，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、物理性質以及透過組分與膜之間的相互作用有很大關系.

四個過程的主要區別在于被分離物粒子或分子的大小和所采用膜的結構與性能.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的相對分子質量及濃度有關，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

膜分離是以對組分具有選擇性透過功能的膜為分離介質，通過在膜兩側施加（或存在）一種或多種推動力，使原料中的某組分選擇性地優先透過膜，從而達到混合物的分離，并實現產物的提取、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，通常稱進料液流側為膜上游、透過液流側為膜下游.

膜分離技術是一種新型高效、精密分離技術，它是材料科學與介質分離技術的交叉結合，具有高效分離、設備簡單、節能、常溫操作、無污染等優點，廣泛應用于工業領域，尤其在化工、食品、醫藥、生化領域發展迅猛[2].

膜分離技術具有如下特點：（1）膜分離過程不發生相變化，因此膜分離技術是一種節能技術；（2）膜分離過程是在壓力驅動下，在常溫下進行分離，特別適合于對熱敏感物質，如酶、果汁、某些藥品的分離、濃縮、精制等.（3）膜分離技術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，關鍵在于選擇不同的膜類型；（4）膜分離技術以壓力差作為驅動力，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）和溶質濃縮倍數（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，因此這也是工業上選擇膜組件的基本參數之一.

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——溶質濃縮倍數；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.

2.2.2 實驗儀器操作流程圖

見圖1.

圖1

2.2.3 實驗內容

（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，關閉微濾出口閥和微濾進口閥，打開電源、泵、儀表開關.

（3）控制泵的回流閥，控制壓力表的壓力（不超過0.15MPa），調節清液和濃液流量計，待穩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，為了防止系統生菌，應加入少量防腐劑，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）得到以下圖譜（見圖2）；

圖2

根據lambert-beer定律A=abc.A為吸光度，a為吸收系數（l·g-1·cm-1），b 為液層厚度（cm），c 為吸光度物質的濃度（g/l）.對于同一種物質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的數據可得到下圖（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.

目前膜分離技術在許多方面得到廣泛應用，而且在某些方面應用得還比較成熟.在對產品質量要求不斷提高、生產成本要求不斷降低的今天，膜技術的優勢越來越明顯，其必將取代傳統的低效分離技術.但我們也應該清醒的認識到，膜分離技術的大量應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，選擇性問題應集中于膜材的研究，繼續開發功能高分子膜材料和無機膜材料.對仿生膜、高效電解質膜、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.其次，膜通量的穩定性和產值比問題應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定性和產值比.因此應研究一種適用面廣的強化膜過程分離技術，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合起來綜合考慮，如選擇合適的膜材，合理的膜組件設計、具有針對性的清洗和防污染方法、以及周密的工藝流程設計等方面.

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

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

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

〔3〕王馳，魏東洋.膜處理技術在飲用水處理的應用研究.醫藥衛生，2005，34（3）：210.

TQ464.7

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1673-260X（2011）12-0166-03