專利名稱：一種重力場輔助濃縮生物大分子的新型超濾方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及生物大分子的超濾濃縮，特別涉及一種利用重力場輔助濃縮生物大分
子的超濾方法及其裝置。
背景技術：
超濾是膜分離技術中的一種，作為綠色分離技術的突出代表，其主要的分離范圍 為分子量1000 500000的物質，已廣泛應用在了食品、生物、醫藥、化工、環保等領域。因 具有過程無相變、操作條件溫和、可規模放大等優點，超濾尤其適合生物活性大分子如蛋白 質、酶、多肽等的濃縮或脫鹽。然而，超濾濃縮生物大分子過程中，濃差極化及膜污染導致滲 透通量的下降或跨膜壓差的上升，降低了該過程的濃縮效率和經濟性。現有技術中通常選 用錯流過濾或動態膜過濾等方法盡可能地減緩濃差極化的不利影響，但無論采取何種方法 去減緩濃差極化，仍屬耗能操作。因此時至今日，濃差極化仍被絕大多數人們視為不利因素 予以對待。 國家發明專利CN101269298首次公開了一種利用濃差極化濃縮生物大分子的膜 過濾方法，依據濃差極化層形成速度快、層內溶質濃度高的特點，提出在靠近膜表面的位置 設置中空型濃縮液汲取器，通過專用濃縮液汲取器將膜表面濃差極化層內的高濃度料液汲 取出來，在獲得高濃度產品溶液的同時，降低了膜面濃差極化程度。然而，該發明盡管效果 顯著，但具體實施的關鍵取決于系統核心部件濃縮液汲取器的制作及其成本，限制了該方 法的實質性應用；如果沒有核心部件濃縮液汲取器，該發明的實施則無法得到保證，這同時 也影響了該發明的進一步推廣應用。 本發明提出一種無需專用濃縮液汲取器便能導出膜面濃差極化層內高濃度溶液 的新型超濾濃縮方法及裝置，即利用重力場輔助濃縮生物大分子的超濾方法及裝置。迄今 為止，國內外尚無相關研究及專利公布。
發明內容
本發明的目的在于提供一種超濾濃縮生物大分子的方法及裝置，具體地說是提供 一種利用濃差極化原理超濾濃縮生物大分子的方法及裝置，更具體地說是提供一種利用重 力場輔助濃縮生物大分子的超濾方法及裝置，以實現高效濃縮生物大分子的同時有效控制 膜污染。 本發明的提出基于下述原理利用超濾過程中固有的濃差極化現象及濃差極化層 形成速度快、層內溶質濃度高的特點，依據膜面濃差極化層內溶液與主體相中溶液之間存 在較大濃度差異即存在一定的密度梯度，濃差極化層內高濃度溶質分子在一定條件下可在 重力作用下從膜表面剝離并墜落，在終端超濾模式下，將墜落的高濃度料液從膜組件底部 直接進行收集從而獲得高濃度目標產品溶液。 運用本發明提出的方法進行生物大分子的超濾濃縮，無須設置專用濃縮液汲取器 便能將濃差極化層內高濃度溶液導出收集，硬件要求低，適用范圍廣，克服了傳統的利用濃差極化原理濃縮生物大分子方法必須選用合適的專用濃縮液汲取器才能實現濃縮液導出 的技術壁壘，從而能夠方便地實現連續、高效超濾濃縮生物大分子的目的；同時，因墜落的 高濃度溶質分子即膜面潛在的污染物被及時導出膜組件，超濾濃縮過程可在終端過濾模式 下長期穩定運行，從而降低了常規錯流超濾濃縮過程對料液循環流量的高度依賴，方便地 實現了料液濃縮和膜污染控制的雙重目的。 因此，本發明提出的方法雖是建立在利用濃差極化原理超濾濃縮生物大分子的基 礎之上，但在很大程度上與傳統的利用濃差極化原理超濾濃縮生物大分子的方法有所不 同，更確切地說是對如何導出濃差極化層內高濃度溶液這一關鍵核心技術進行了根本性質 地改變，具體的方法如下 按照膜滲透液方向平行于水平面的方式放置超濾膜組件，在終端過濾模式下控制 系統運行參數進行生物大分子溶液的超濾濃縮，形成于膜表面的濃差極化層內的高濃度料 液在重力作用下不斷從膜表面剝離并墜落，將墜落的高濃度料液直接抽取收集從而獲得目 標產品的濃縮液。 其中，超濾過程的跨膜壓差控制在-100 300KPa之間，膜滲透通量控制在5 30L/m2 'h之間，生物大分子原料液濃度在0. 1 1. 5g/L之間，抽取流量控制在2. 5X10—3 5. OL/h，濃縮液濃度在10 180g/L之間，初次抽取時間為超濾起始之后的0. 5 3. 5h之 間。 所述的超濾膜組件型式為中空纖維式、管式、平片式或巻式，且膜有效長度在 3000mm以內；濾膜選用高分子有機超濾膜或無機超濾膜，且所選超濾膜對生物大分子的截 留率在60. 0-99. 9%之間。 所述的高分子有機超濾膜包括纖維素類、聚醚砜類、聚砜類、聚偏氟乙烯類、聚乙
烯醇類、聚乙烯醇縮醛類、聚氯乙烯類超濾膜或它們之間可能存在的共混膜。
所述的無機超濾膜包括陶瓷膜或金屬膜。 所述的超濾濃縮過程采用終端過濾模式，其中，膜滲透液可循環回進料液罐，也可 直接外排收集。為了增加生物大分子在濃縮過程中的回收率，通常采用滲透液先外排，待進 料液幾乎完全進入濃縮系統后，再切換為滲透液循環模式。另外，如果選用的超濾膜對目標 生物大分子的截留率較低，也可以采用滲透液循環模式進行濃縮，以提高目標產品的濃縮 倍數及回收率。 所述的生物大分子是蛋白質、多肽、酶。 本發明同時提供了實現本發明所述方法的超濾濃縮裝置。該裝置基本組成單元包 括超濾濃縮單元、濃縮液收集單元、濃縮液濃度在線檢測單元。其中，原料液進口設置在膜 組件頂部，濃縮液收集口設置在膜組件底部，濃縮液收集口通過三通與濃縮液收集單元和 濃縮液濃度在線檢測單元相連，墜落至膜組件底部的濃縮液經由抽取泵收集前，先通過濃 縮液濃度在線檢測單元進行分析，到達預設值時開啟抽取泵以連續或間歇的方式收集。
紫外檢測器因量程所限，高濃度濃縮液無法直接通過紫外在線檢測器進行濃度分 析，因此，本發明提供的裝置不僅能夠實現高效濃縮生物大分子的目的，還同時提供了高濃 度料液在線檢測功能。高濃度料液在線檢測功能是通過選用連續稀釋進樣方式或定量進樣 方式予以實現。因此， 所述的濃縮液濃度在線檢測單元，必要的組成部件包括進樣泵、稀釋泵、紫外在線檢測器和混合器，其中進樣泵和稀釋泵均為恒流量泵，工作流量范圍為0. 6X 10—4 0. 6L/ h。 所述的連續稀釋進樣方式是通過調節進樣泵和稀釋泵的流量即控制在線稀釋比 率予以實現，稀釋后的溶液再進入紫外在線檢測器進行分析，通過調整稀釋比及進樣泵流 量，可獲得相對較佳的稀釋液濃度，再通過稀釋比反推濃縮液濃度，其中進樣泵的進樣流量 不應低于1. 5X10—3L/h。 所述的定量進樣方式是通過進樣泵在瞬間注入固定量的高濃度溶液，定量的高濃
度溶液與連續的稀釋液通過混合器混合后進入紫外在線檢測器進行分析，通過控制注入量
和稀釋泵流量控制出峰時間和峰面積，進而計算得出濃縮液的真實濃度，其中進樣泵的進
樣量不應低于5X 10—SL，最佳流動稀釋相流速范圍1. 8-15. 0X 10—2L/h。 所述的連續抽取方式為當濃縮液收集口處的生物大分子溶液濃度經檢測到達預
期濃度值時，連續不斷地抽取濃縮液收集口處的高濃度溶液。此時，濃縮液抽取流量的設置
可根據物料恒算進行計算。 所述的間歇抽取方式為當濃縮液收集口處的生物大分子溶液濃度經檢測到達預 期濃度值時，抽取濃縮液收集口處的高濃度溶液，抽取一段時間后，當濃縮液收集口處的生 物大分子溶液濃度低于預期濃度值時，停止抽取操作；待濃縮液收集口處的生物大分子溶 液濃度恢復到預期濃度值時，再次抽取，如此反復操作。 本發明提供的利用重力場輔助濃縮生物大分子的方法與裝置，具有如下突出特點 和優勢 1.結合了濃差極化自身特性與重力場的場效應，濃縮效率高。 2.無須專用濃縮液汲取器，方法簡單，對裝置的硬件要求低，易規模放大，推廣應 用性強。 3.濃縮過程在無剪切或低剪切的條件下進行，特別適合對剪切敏感的生物大分子 的濃縮。 4.濃縮過程在終端過濾模式下運行，能耗大為降低。
圖1.利用重力場輔助濃縮生物大分子的超濾裝置流程示意圖。
附圖標記 1.進料泵2.濃縮液抽取泵3.進樣泵4.稀釋泵5.混合器6.紫外在線檢測器 7.膜組件8、9.流量傳感器10、 11、 12.閥門13、 14.壓力傳感器
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明做進一步說明。本發明所涉及的主題保護范圍并非僅限
于這些實施例。 實施例1. 請參見圖1。 一種利用重力場輔助濃縮生物大分子超濾方法的裝置包括進料泵1， 濃縮液抽取泵2，進樣泵3，稀釋泵4，混合器5，紫外在線檢測器6，膜組件7，流量傳感器8 和9，閥門1Q、11和12，壓力傳感器13和14。
5
膜組件7內裝填聚醚砜中空纖維膜(天津工業大學提供，截留分子量10KDa，膜有 效裝填面積0. 30m2，膜絲有效長度315mm)。原料液為2L濃度0. 5g/L的牛血清白蛋白(BSA， 分子量68KDa，純度大于98X )溶液。關閉閥門11、12，打開閥門10。原料液經由進料泵 1連續恒流量注入位于膜組件7頂部的進料液口，滲透液經過流量傳感器9后回到原料液 罐中(即滲透液循環模式)。流量傳感器8和9顯示進料流量和滲透液流量均為4. 2L/h。 跨膜壓差(TMP= (Pl+P2)/2)經過一段短暫的快速增長期后逐漸進入平臺期(65.6KPa左 右)。該膜對BSA初始截留率為97.7X。 2.0h后，打開閥門12，開啟進樣泵3、稀釋泵4、動 態混合器5和紫外在線檢測器6，進樣泵流量0. 003L/h，稀釋泵流量0. 297L/h，測得此時膜 組件7底部濃縮液收集口處濃度為65. Og/L，為進料液濃度的130. 0倍。此時，打開閥門11， 開啟濃縮液抽取泵2，采取間歇抽取模式進行收集(開2分鐘/關30分鐘，濃縮液抽取泵2 流量設定為0. 03L/h) ， 10. 5小時后關閉系統。系統運行期間，TMP由最高的65. 6KPa逐漸 下降至52. 7KPa，共收集到高倍濃縮液16ml，內含BSAO. 92g，平均濃縮倍數115. 4倍。而如 果采用常規終端過濾濃縮過程(膜組件7相同，沒有汲取操作)，濃縮倍數理論最多只能達 到12. 5倍。 其他條件不變，如果將原料液體積增大至4L， TMP同樣經過一段短暫的快速增長 期后逐漸進入平臺期(68. 9KPa左右)。2. 0h后測得膜組件7底部濃縮液收集口處BSA濃 度為125. 55g/L，為原料液濃度的251. 1倍。10. 5小時后關閉系統，系統運行期間，TMP由 最高的68. 9KPa逐漸下降至51. 3KPa，共收集到高倍濃縮液16ml，內含BSA1. 88g，平均濃縮 倍數235.0倍，是常規超濾濃縮最大理論濃縮倍數的18. 8倍。顯然，本發明提出的膜濃縮
方法操作簡單且濃縮效果顯著。
實施例2 采用和實施例1相同的膜組件、相同濃度的BSA溶液、相同的進料液流量，原料液 體積增加至IOL。將10L原料液連續泵入膜組件7中進行超濾濃縮，超濾濃縮2h前，滲透 液外排，2h后切換回滲透液循環模式。TMP同樣經過一段短暫的快速增長期后逐漸進入平 臺期(71. 8KPa左右)。2h時測得膜組件7底部濃縮液收集口處BSA濃度為161. 89g/L，為 原料液的323. 8倍。21. Oh后關閉系統，系統運行期間，TMP由最高的71. 8KPa逐漸下降至 61. 6KPa，共收集到高倍濃縮液32ml，內含BSA4. 75g，平均濃縮倍數296. 9倍，是常規超濾濃 縮最大理論濃縮倍數的23. 8倍。本實施例更進一步證實了本發明提出的濃縮方法具有常 規方法無法達到的濃縮效果。
實施例3 采用和實施例1相同的膜組件、相同濃度的BSA溶液、相同的進料液流量，原料液 體積增加至45L。將45L原料液連續泵入膜組件7中進行超濾濃縮，滲透液外排。采用連 續抽取方式，濃縮液抽取泵流量設定為0. 02L/h， 1. 5h時開始連續抽取，此時膜組件7底部 濃縮液收集口處BSA濃度為130. 29g/L，為原料液濃度的260.6倍。10. 7h后關閉系統，共 收集出高倍濃縮液214ml，內含BSA22. 09g，平均濃縮倍數206. 5倍。系統運行伊始至1. 5h 期間內，TMP快速上升至73. 4KPa， 1. 5h后TMP進入緩慢增長區，10. 7h后系統停止運行時， TMP為80. 2KPa，緩慢增長區的壓力上升速率僅為0. 74KPa/h。顯然，通過本實施例可以證 明，本發明提出的濃縮方法不僅具有高效濃縮的突出優點，還同時具備了"自清潔"效應，完 全可以實現長時間連續的濃縮操作。
實施例4 膜組件7內裝填聚偏氟乙烯管式膜(德國Memos公司，截留分子量100KDa，膜有效 裝填面積0. 80m2，膜管有效長度950mm)。原料液為20L濃度0. 5g/L的Y _球蛋白(分子 量156kD，純度大于98X )溶液。關閉閥門11、12，打開閥門10。原料液經由進料泵1連續 注入位于膜組件7頂部的進料液口，滲透液經過流量傳感器9后回到原料液罐中(即滲透 液循環模式)。流量傳感器8和9顯示進料流量和滲透液流量均為9. 6L/h。 TMP經過一段 短暫的快速增長期后逐漸進入平臺期(86.6KPa左右)。該膜對BSA初始截留率為93.5X。 1. 5h后打開閥門12，開啟進樣泵3、稀釋泵4、動態混合器5和紫外在線檢測器6，測得此時 膜組件7底部濃縮液收集口處濃度為42. 35g/L，為進料液濃度的84. 7倍。此時打開閥門 11，開啟濃縮液抽取泵2，采取連續抽取模式進行收集(濃縮液抽取泵2流量設定為0. 05L/ h) ，6. 5小時后關閉系統。系統運行期間，TMP由最高的86. 6KPa逐漸下降至74. 5KPa，共收 集到高倍濃縮液250ml，內含BSA9. 37g，平均濃縮倍數75. 0倍。
實施例5 膜組件7內裝填聚偏氟乙烯管式膜(江陰金水膜公司，對BSA平均截留率63. 5%， 單只管膜有效裝填膜面積O. 83m2，單只膜管有效長度1150mm)。膜組件7由四只管式膜并聯 組成并豎直放置。原料液為60L濃度0.5g/L的BSA溶液。關閉閥門11、12，打開閥門10。 原料液經由進料泵1連續注入位于膜組件7頂部的進料液口，流量傳感器8和9顯示進料 流量和滲透液流量均為21. OL/h。超濾濃縮2. 5h前，滲透液外排，2. 5h后切換回滲透液循 環模式。TMP經過一段短暫的快速增長期后逐漸進入平臺期(256.4KPa左右)。3h時打開 閥門12，開啟進樣泵3、稀釋泵4、動態混合器5和紫外在線檢測器6，測得此時膜組件7底 部濃縮液收集口處濃度為28. 52g/L，為原料液的57. 0倍。此時打開閥門11，開啟濃縮液抽 取泵2，采取連續抽取模式進行收集(濃縮液抽取泵2流量設定為0. 15L/h) 。 13. 5h后關 閉系統，系統運行期間，TMP由最高的256. 4KPa逐漸下降至157. 8KPa，共收集到高倍濃縮液 950ml，內含BSA15. 05g，平均濃縮倍數31. 7倍。說明本發明提出的濃縮方法即使在低截留 率條件下，同樣具有常規方法無法達到的濃縮效果，且可長期穩定運行。
權利要求
一種重力場輔助濃縮生物大分子的超濾方法，其特征是按照膜滲透液方向平行于水平面的方式放置超濾膜組件，在終端過濾模式下控制系統運行參數進行生物大分子溶液的超濾濃縮，形成于膜表面的濃差極化層內的高濃度料液在重力作用下不斷從膜表面剝離并墜落，將墜落的高濃度料液直接抽取收集從而獲得目標產品的濃縮液。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征是超濾膜組件型式為中空纖維式、管式、平片式或巻式，且膜有效長度在3000mm以內；濾膜選用高分子有機超濾膜或無機超濾膜，且所 選超濾膜對生物大分子的截留率在60. 0-99. 9%之間。
3. 根據權利要求2所述的高分子有機超濾膜包括纖維素類、聚醚砜類、聚砜類、聚偏 氟乙烯類、聚乙烯醇類、聚乙烯醇縮醛類、聚氯乙烯類超濾膜或它們之間可能存在的共混膜。
4. 根據權利要求2所述的無機超濾膜包括陶瓷膜或金屬膜。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特征是超濾過程的跨膜壓差控制在-100 300KPa 之間，膜滲透通量控制在5 30L/m2 h之間，生物大分子原料液濃度在0. 1 1. 5g/L之 間，抽取流量控制在2. 5X 10—3 5. 0L/h，濃縮液濃度在10 180g/L之間，初次抽取時間 為超濾起始之后的0. 5 3. 5h之間。
6. 根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的生物大分子是蛋白質、多肽或酶。
7. —種實現權利要求1所述方法的超濾裝置，其特征是該裝置基本組成單元包括超 濾濃縮單元、濃縮液收集單元、濃縮液濃度在線檢測單元。
8. 根據權利要求7所述的裝置，其特征是原料液進口設置在膜組件頂部，濃縮液收集口設置在膜組件底部，濃縮液收集口通過三通與濃縮液收集單元和濃縮液濃度在線檢測單 元相連，墜落至膜組件底部的濃縮液經由抽取泵收集前，先通過濃縮液濃度在線檢測單元 進行分析，到達預設值時開啟抽取泵以連續或間歇的方式收集。
9. 根據權利要求7或8所述的濃縮液濃度在線檢測單元，必要的組成部件包括進樣 泵、稀釋泵、紫外在線檢測器和混合器，其中進樣泵和稀釋泵均為恒流量泵，工作流量范圍為0. 6X10—4 0. 6L/h。
全文摘要
本發明涉及一種重力場輔助濃縮生物大分子的超濾方法及其裝置，以實現簡單、快速、連續、高效超濾濃縮生物大分子的目的。按照膜滲透液方向平行于水平面的方式放置超濾膜組件，在終端過濾模式下進行生物大分子溶液的超濾濃縮，形成于膜表面的濃差極化層內的高濃度料液在重力作用下不斷從膜表面剝離并墜落，將墜落的高濃度料液直接抽取收集從而獲得目標產品的濃縮液。因墜落的高濃度溶液即膜面潛在的污染物被及時排出，本發明所述的超濾濃縮過程可在終端過濾模式下長期穩定運行，因而該方法不僅具有低剪切、低能耗及自清潔的特點，還具有裝置簡單、操作便利、可控性強、易規模放大等突出優點。
文檔編號B01D61/20GK101745316SQ20101010049
公開日2010年6月23日 申請日期2010年1月22日 優先權日2010年1月22日
發明者萬印華, 沈飛 申請人:中國科學院過程工程研究所