超滤膜分离牛血清蛋白

王兴权

（赤峰市特种设备检验所，内蒙古 赤峰 024000）

超滤膜分离牛血清蛋白

王兴权

（赤峰市特种设备检验所，内蒙古 赤峰 024000）

运用膜分离现代分离技术对牛血清蛋白溶液浓缩，实现物质纯化与分离.

膜分离；浓缩；牛血清蛋白

膜及其相关技术在自然界中扮演着越来越重要的角色，它的产生和发展与人类的生活密切相关，在人类的生活与实践中，人们早已不自觉地接触和应用到了膜分离技术.膜分离技术的迅猛发展是在上世纪60～80年代，由于膜分离技术的应用与发展，使传统的分离过程受到挑战，引起了分离技术的重大变革.膜分离技术是一种借助外界能量或化学位的推动，以选择性透过膜为分离介质，对两组分或多组分气体或液体进行分离、分级和富集.与传统分离方法（蒸发、萃取或离子交换等）相比，它是在常温下操作，没有相变，最适宜对热敏性物质和生物活性物质的分离与浓缩；具有高效、节能、工艺过程简单、投资少、污染小等优点，因而在化工、轻工、电子、医药、纺织、生物工程、环境治理、冶金等方面具有广泛的应用前景[1].

1 膜及膜分离技术

1.1 膜的分类

工业上膜分离大致分为微滤、超滤、纳滤和反渗透等，不同的分离类型其作用机理是各不相同.

微滤：膜孔径大约0.1μm；主要从气相和液相物质中截留微米及亚微米的细小悬浮物、微生物、微粒、细菌、酵母、红血球、污染物等，以达到净化和浓缩的目.在静压差的作用下，小于膜孔的粒子透过膜，大于膜孔的粒子则被截留在膜的表面上，使大小不同的粒子得以分离.微滤分离的实质是利用膜的“筛分”作用来进行的.

超滤：膜孔径在10～100nm，主要用于分离液相物质，如蛋白质、核酸聚合物、淀粉等大分子化合物、胶体分散液和乳液等.超滤过程的分离机理一般认为是压力驱动的筛孔分离过程，但膜表面的化学物质也是影响分离的一个重要因素.

纳滤：膜孔径在1～10nm，是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程，主要用于二价或多价离子及分子量介于200～500之间的有机物的脱除.与超滤膜相比，纳滤膜有一定的荷电容量；与反渗膜相比，纳滤膜又不是完全无孔的，因此其分离机理在存在共性的同时，也存在差异.

反渗透：膜孔径小于1nm，它仍是一种压力驱动的膜过程，与其他压力驱动的膜过程相比，反渗透是最精细的过程，因此又称“高滤”.它过滤的实质是利用反渗透膜具有选择性透过溶剂而截留离子物质的性质.分离的过程是依靠膜两侧的静压力差为推动力，用以克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而实现对液体混合物的分离.它主要用于水的脱盐、软化、除菌等.它的分离机理与其它压力驱动膜过程有所不同，分离过程除与孔的大小有关外，还取决于透过组分在膜中的溶解、吸附和扩散，因此与膜的化学、物理性质以及透过组分与膜之间的相互作用有很大关系.

四个过程的主要区别在于被分离物粒子或分子的大小和所采用膜的结构与性能.微滤膜的压差范围约为0.015～0.2MPa；超滤膜压差范围约为0.1～0.5MPa；反渗透的压差与溶液中溶质的相对分子质量及浓度有关，通常的压差在2MPa左右，也有高达10MPa的；介于反渗透与超滤之间的为纳滤过程，膜的脱盐率及操作压力通常比反渗透低.

1.2 膜分离技术

膜分离是以对组分具有选择性透过功能的膜为分离介质，通过在膜两侧施加（或存在）一种或多种推动力，使原料中的某组分选择性地优先透过膜，从而达到混合物的分离，并实现产物的提取、浓缩、纯化等目的的一种新型分离过程.其推动力可以为压力差、浓度差、电位差、温度差等.膜分离过程有多种，不同的过程所采用的膜及施加的推动力不同，通常称进料液流侧为膜上游、透过液流侧为膜下游.

膜分离技术是一种新型高效、精密分离技术，它是材料科学与介质分离技术的交叉结合，具有高效分离、设备简单、节能、常温操作、无污染等优点，广泛应用于工业领域，尤其在化工、食品、医药、生化领域发展迅猛[2].

膜分离技术具有如下特点：（1）膜分离过程不发生相变化，因此膜分离技术是一种节能技术；（2）膜分离过程是在压力驱动下，在常温下进行分离，特别适合于对热敏感物质，如酶、果汁、某些药品的分离、浓缩、精制等.（3）膜分离技术适用分离的范围极广，从微粒级到微生物菌体，甚至离子级都有其用武之地，关键在于选择不同的膜类型；（4）膜分离技术以压力差作为驱动力，因此采用装置简单，操作方便.

2 超滤膜分离实验

2.1 实验仪器

膜分离实验装置，电子天平，紫外可见分光光度计.

2.2 实验原理

2.2.1 膜性能表征

膜组件的性能可用截留率（R）、透过液通量（J）和溶质浓缩倍数（N）来表示.

式中，R——截流率；c0——原料液的浓度，mol/m3；cp——透过液的浓度，kmol/m3.

对于不同溶质成分，在膜的正常工作压力和工作温度下，截留率不尽相同，因此这也是工业上选择膜组件的基本参数之一.

式中，J——透过液通量，L/（m2·h）；Vp——透过液的体积，L；S——膜面积，m2；t——分离时间，h.

式中，N——溶质浓缩倍数；cR——浓缩液的浓度，kmol/m3；cp——透过液的浓度，kmol/m3.

该值比较了浓缩液和透过液的分离程度，在某些以获取浓缩液为产品的膜分离过程中（如大分子提纯、生物酶浓缩等），是重要的表征参数.

2.2.2 实验仪器操作流程图

见图1.

图1

2.2.3 实验内容

（1）用电子天平称量牛血清蛋白（生化试剂），加蒸馏水使其溶于烧杯中，分别配制浓度为0.200g/l、0.100g/l、0.067g/l、0.050g/l的溶液，取样为样液1、样液2、样液3、样液4.

（2）将配好的的牛血清蛋白溶液（浓度为0.05g/l）倒入料液灌中，打开泵进口阀、超滤进口阀和超滤出口阀，关闭微滤出口阀和微滤进口阀，打开电源、泵、仪表开关.

（3）控制泵的回流阀，控制压力表的压力（不超过0.15MPa），调节清液和浓液流量计，待稳定好后取少许清液和浓液分别为样液5和样液6.

（4）实验完毕后关闭电源，打开排水阀.然后用水清洗管路，若较长时间不用时，为了防止系统生菌，应加入少量防腐剂，例如甲醛、双氧水等（浓度均不高于0.5％）.在下次使用前，则必须将这些保护液冲洗干净，才能进行实验.

（5）将样液用紫外分光光度计在波长为280nm处进行检测（以蒸馏水为基准）得到以下图谱（见图2）；

图2

根据lambert-beer定律A=abc.A为吸光度，a为吸收系数（l·g-1·cm-1），b 为液层厚度（cm），c 为吸光度物质的浓度（g/l）.对于同一种物质ab都是定值，则A与c呈线性方程，由样液1、样液2、样液3、样液4的数据可得到下图（见图3）.

图3

通过线性方程可以得出样液5和样液6的浓度，从图谱结果可以得出超滤能对牛血清蛋白浓缩，这可用于某些药物的纯化与分离.

目前膜分离技术在许多方面得到广泛应用，而且在某些方面应用得还比较成熟.在对产品质量要求不断提高、生产成本要求不断降低的今天，膜技术的优势越来越明显，其必将取代传统的低效分离技术.但我们也应该清醒的认识到，膜分离技术的大量应用毕竟是近几十年开始的，许多方面还不成熟，还有待进一步深入的研究.首先，选择性问题应集中于膜材的研究，继续开发功能高分子膜材料和无机膜材料.对仿生膜、高效电解质膜、分子识别型膜的研究需要达到智能化、高效化和专一化目标.其次，膜通量的稳定性和产值比问题应集中于渗透时的防污染和膜过程强化的研究上.无论采用那种类型的膜，都存在膜孔被堵塞、膜表面形成黏性附层等膜污染问题，这极大的影响了通量的稳定性和产值比.因此应研究一种适用面广的强化膜过程分离技术，以减少膜污染、增大过滤通量、延长膜寿命.这需要将许多因素结合起来综合考虑，如选择合适的膜材，合理的膜组件设计、具有针对性的清洗和防污染方法、以及周密的工艺流程设计等方面.

随着新型膜材料的不断开发、高效强化膜过程分离技术研究的不断深入，膜分离技术必定会有更加广泛的应用前景[3].

〔1〕王志斌，杨宗伟，邢晓林，高朝祥.膜分离技术应用的研究进展[J].过滤与分离，2008，（2）:19-23.

〔2〕罗丽萍，高荫榆，扬柏云.膜分离技术在食品工业上的应用[J].江西科学，2004，2（2）：146—150.

〔3〕王驰，魏东洋.膜处理技术在饮用水处理的应用研究.医药卫生，2005，34（3）：210.

TQ464.7

A

1673-260X（2011）12-0166-03