第三章+过滤与膜分离技术ppt课件.ppt

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1、1,第三章 过滤与膜分离技术,第一节 非膜过滤 第二节 膜分离技术 第三节 实验,2,过滤 ：是借助过滤介质将不同大小、不同形状的物质分离的技术过程。过滤介质多种多样，常用的有滤纸、滤布、纤维、多孔陶瓷、烧结金属和各种高分子膜等，可以根据需要选用。根据过滤介质的不同，过滤可以分为膜过滤 和非膜过滤两大类。,3,非膜过滤：粗滤和部分微滤采用高分子膜以外的物质作为过滤介质，称为非膜过滤。膜过滤：大部分微滤以及超滤、反渗透、透析、电渗析等采用各种高分子膜为过滤介质，称为膜过滤。,4,第一节 非膜过滤,一、非膜过滤的分类 1、粗滤 由于过滤介质截留悬浮液中的物质直径大于2m，这种固形物与液体分离的技术

2、称为粗滤。通常所说的过滤是指粗滤而言。粗滤主要用于分离酵母、霉菌、动物细胞、植物细胞、培养基残渣及其他大颗粒固形物。,5,2. 微滤,微滤又称为微孔过滤。微滤介质截留的物质颗粒直径为0.22m，主要用于细菌、灰尘等光学显微镜可以看到的物质颗粒的分离。在无菌水、矿泉水、汽水等软饮料的生产中广泛使用。非膜微滤一般采用微孔陶瓷、烧结金属等作为过滤介质，也可采用微滤膜为过滤介质进行膜分离。,6,微孔金属过滤器,7,陶瓷过滤器,8,9,10,11,12,滤饼,传统的过滤,cake,Conventional filtration,13,根据推动力的产生条件不同，过滤有常压过滤、加压过滤、减压过滤3种。（1

3、） 常压过滤常压过滤是以液位差为推动力的过滤。过滤装置竖直安装，悬浮液置于过滤介质的上方，由于存在液位差，在重力的作用下，滤出液通过过滤介质从下方流出，大颗粒的物质被截留在介质表面，从而达到分离。实验室常用的滤纸过滤以及生产中使用的吊蓝或吊袋过滤都属于常压过滤。常压过滤设备简单，操作方便易行。但是过滤速度较慢，分离效果较差，难于大规模连续使用。,14,（2）加压过滤,加压过滤是以压力泵或压缩空气产生的压力为推动力。生产中常用的各式压滤机进行加压过滤。添加助滤剂、降低悬浮液黏度、适当提高温度等措施，均有利于加快过滤速度和提高分离效果。加压过滤设备比较简单，过滤速度较快，过滤效果较好，在生产中广泛

4、应用。,15,（3）减压过滤,减压过滤又称为真空过滤或抽滤，是通过在过滤介质的下方抽真空的方法，以增加过滤介质上下方之间的压力差，推动液体通过过滤介质，而把大颗粒截留的过滤方法。实验室常用的抽滤瓶和生产中使用的各种真空抽滤机均属于此类。减压过滤需要配备有抽真空系统。由于压力差最高不超过0.1Mpa，多用于黏性不大的物料的过滤。,16,二、非膜过滤的操作过程,过滤的设备简单、操作方便，在实验室和工业生产中广泛应用。其基本操作过程如下： 1.过滤介质的选择过滤介质主要有滤纸、滤布、纤维、多孔陶瓷、烧结金属等。在实际应用中，应选择那些孔径大小适宜，孔的数量较多又分布均匀，过滤效果好，具有一定的机械强

5、度，化学稳定性好、廉价易得的过滤介质。,17,2.助滤剂的选择,为了加快过滤速度,提高分离效果，经常需要添加助滤剂。常用的助滤剂有硅藻土、活性炭、纸粕等。在添加助滤剂时，添加量要求在过滤介质的表面形成一定厚度的薄层，量太少则大不到助滤效果，量过多则不但造成浪费，还会对过滤带来一定的不利影响。,18,3.过滤条件的确定,在过滤过程中，除了选择好过滤介质和助滤剂以外，还要控制好各种过滤条件。主要包括压力差、混合液的黏度、混合液的浓度、温度、PH值等。过滤条件的确定应该以过滤速度快和过滤效果好为指标。通常情况下，增大压力差，降低混合液黏度，降低混合液的浓度，升高温度都有利于提高过滤速度。过滤速度是指

6、在单位时间内通过单位过滤面积的液体体积，以L/hm2或ml/mincm2表示。影响过滤速度和过滤效果的因素很多，主要包括：过滤介质的孔径和厚度、压力差、混合液的黏度、混合液中组分的种类和浓度、温度、PH值等。在过滤过程中，必须采取适当的措施，以提高过滤速度，增强过滤效果。,19,0,0,200,400,600,6,12,18,pH 4.6,pH 4.2,pH 3.8,pH 2.8,Filtrate Volume, cm,3,Time,minutes,Fig2.1 The effect on filtrate volume of pH and filter aid,图2.1 pH值对过滤体积的影

7、响,20,(b)Effect of filter aid,1% filter aid in feed,2%,3%,5%,Time,minutes,0,0,100,400,600,6,12,18,Filtrate Volume,cm,3,Fig2.1 The effect on filtrate volume of pH and filter aid,图2.1 助滤剂对过滤体积的影响,21,第二节 膜分离技术,膜分离技术的概念。膜分离技术的分类。各种膜的分离特性和材料的基本要求。膜组件类型。超滤和反渗透过程中渗透压的影响了解亲和膜分离技术了解电渗析的工作原理,22,膜分离技术,膜分离的概念：利用

8、膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。,23,膜的概念,在一种流体相间有一层薄的凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜。膜本身是均一的一相或由两相以上凝聚物构成的复合体被膜分开的流体相物质是液体或气体膜的厚度应在0.5mm以下，否则不能称其为膜,24,膜分离技术的类型和定义,膜分离过程的实质是物质透过或被截留于膜的过程，近似于筛分过程，依据滤膜孔径大小而达到物质分离的目的，故而可以按分离粒子大小进行分类：微滤（MF）：以多孔细小薄膜为过滤介质，压力差为推动力，使不溶性物质得以分离的操作，孔径分布范围

9、在0.02514m之间；超滤（UF）：分离介质同上，但孔径更小，为0.0010.02 m，分离推动力仍为压力差，适合于分离酶、蛋白质等生物大分子物质；,25,反渗透（RO）：是一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作，孔径范围在0.00010.001 m之间；（由于分离的溶剂分子往往很小，不能忽略渗透压的作用，故而成为反渗透）；纳滤：以压力差为推动力，从溶液中分离3001000小分子量的膜分离过程，孔径分布在平均2nm；电渗析：以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作；,26,扩散与渗透,27,水,各种膜的分离特性,28,膜分离法与物质大小

10、(直径)的关系,29,各种膜分离法的原理和应用范围,30,膜的分类,按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜,31,膜材料的特性,对于不同种类的膜都有一个基本要求：耐压：膜孔径小，要保持高通量就必须施加较高的压力，一般模操作的压力范围在0.10.5MPa，反渗透膜的压力更高，约为110MPa耐高温:高通量带来的温度升高和清洗的需要耐酸碱：防止分离过程中，以及清洗过程中的水解；化学相容性：保持膜的稳定性；生物相容性：防止生物大分子的变性；成本低；,32,各种膜材料,有机高分子膜：纤维素酯膜、缩合系聚合物（聚砜类）、聚烯

11、烃及其共聚物、脂肪族或芳香族聚酰胺类聚合物、全氟磺酸共聚物和全氟羧酸共聚物、聚碳酸酯；无机多孔膜：陶瓷膜,33,目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类膜占53，聚砜膜占33.3，聚酰胺膜占11.7，其他材料的膜占2，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。,34,1. 纤维素酯类膜材料 纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过1, 4甙链连接起来的天然线性高分子化合物，其结构式为：,35,从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）

12、存在下，能与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维素或三醋酸纤维素。 C6H7O2 + (CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O C6H7O2 + 3(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)3 + 2 CH2COOH,36,醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。 醋酸纤维素性能稳定，但在高温和酸、碱存在下易发生水解。为了改进其性能，进一步提高分离效率和透过速率，可采用各种不同取代度的醋酸纤维素的混合物来制膜，也可采用醋酸纤维素与硝酸纤维素的混合物来制膜。此外，醋酸丙酸纤维素、醋酸丁酸纤维素也是很好的膜材料。 纤维素醋类材料易受微生物侵蚀，pH值适应范围较窄，不耐

13、高温和某些有机溶剂或无机溶剂。因此发展了非纤维素酯类（合成高分子类）膜。,37,2. 非纤维素酯类膜材料（1）非纤维素酯类膜材料的基本特性 分子链中含有亲水性的极性基团； 主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之有高的抗压密性和耐热性； 化学稳定性好； 具有可溶性； 常用于制备分离膜的合成高分子材料有聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物等。,38,（2）主要的非纤维素酯类膜材料 （i）聚砜类 聚砜结构中的特征基团为 ，为了引入亲水基团，常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，用氯磺酸进行磺化。 聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等。,39,聚砜类树脂具有良

14、好的化学、热学和水解稳定性，强度也很高，pH值适应范围为113，最高使用温度达120，抗氧化性和抗氯性都十分优良。因此已成为重要的膜材料之一。这类树脂中，目前的代表品种有：,40,41,（ii）聚酰胺类 早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龙4、尼龙66等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水的分离率在8090之间，但透水率很低，仅0.076 ml/cm2h。以后发展了芳香族聚酰胺，用它们制成的分离膜，pH适用范围为311，分离率可达99.5（对盐水），透水速率为0.6 ml/cm2h。长期使用稳定性好。由于酰胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的游离氯有较高要求。,42,Du Pont公司生产的DPI

15、型膜即为由此类膜材料制成的，它的合成路线如下式所示：,43,类似结构的芳香族聚酰胺膜材料还有：,44,（iii）芳香杂环类 聚苯并咪唑类 如由美国Celanese公司研制的PBI膜即为此种类型。这种膜材料可用以下路线合成：,45, 聚苯并咪唑酮类 这类膜的代表是日本帝人公司生产的PBLL膜，其化学结构为： 这种膜对0.5NaCl溶液的分离率达9095，并有较高的透水速率。,46, 聚吡嗪酰胺类 这类膜材料可用界面缩聚方法制得，反应式为：,47, 聚酰亚胺类 聚酰亚胺具有很好的热稳定性和耐有机溶剂能力，因此是一类较好的膜材料。例如，下列结构的聚酰亚胺膜对分离氢气有很高的效率。,48,其中，Ar为

16、芳基，对气体分离的难易次序如下：H2O，H(He)，H2S，CO2，O2，Ar(CO)，N2(CH4)，C2H6，C3H8易 难 聚酰亚胺溶解性差，制膜困难，因此开发了可溶性聚酰亚胺，其结构为：,49,（iv）离子性聚合物 离子性聚合物可用于制备离子交换膜。与离子交换树脂相同，离子交换膜也可分为强酸型阳离子膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型阴离子膜等。在淡化海水的应用中，主要使用的是强酸型阳离子交换膜。 磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的两种离子聚合物膜。,50,51,（v）乙烯基聚合物 用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等

17、。共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。,52,膜的结构特点,1.孔道结构 膜的孔道结构因膜材料和制造方法而异。膜的孔道结构对膜的透过通量、耐污染能力等操作性能具有重要影响。早期的膜多为对称膜(symmetric membrane)，即膜截面的膜厚方向上孔道结构均匀，如图所示。但对称膜的传质阻力大，透过通量低，并且容易污染，清洗困难。,对称膜的弯曲孔道结构示意图,53,60年代开发的不对称膜解决了上述对称膜的弊端，如图所示。不对称膜(asymmetric membrane)主要由起膜分离作用的

18、表面活性层(0.20.5）和起支撑强化作用的惰性层(50100m)构成。惰性层孔径很大，对透过流体无阻力，由于不对称膜起膜分离作用的表面活性层很薄，孔径微细，因此透过通量大、膜孔不易堵塞、容易清洗。目前的超滤和反渗透膜多为不对称膜。图示的不对称膜为指状结构，多用于超滤膜，而反渗透膜的结构多为海绵状，如图所示。,不对称膜的截面结构示意图,54,2.膜的孔道特性膜的孔道特性包括孔径、孔径分布和孔隙率。超滤和微滤膜的孔径、孔径分布和孔隙率可通过电子显微镜直接观察测定。此外，微滤膜的最大孔径还可通过泡点法(bubble point method)测量，即在膜表面覆盖一层水，用水湿润膜孔，从下面通入空气

19、，当压力升高到有稳定气泡冒出时称为泡点，此时的压力称为泡点压力。基于空气压力克服表面张力将水从膜孔毛细管中推出的动量平衡，可得到计算最大孔径的公式,式中 dmax 为最大孔径；为水的表面张力；为水与膜面的接触角度；pb 为泡点压力。因为亲水膜可被水完全润湿，故亲水膜的0，cos1，所以， dmax4/ pb,除核孔微滤膜的孔径比较均一外，其他膜的孔径均有较大的分布范围。图5.8为超滤膜孔径分布之一例。,55,图5.8 Millipore公司PTGC超滤膜的孔径分布,膜的另一特性是其纯水的透过通量，通称水通量。水通量是在一定的条件下(一般压力为0.1MPa，温度为20度)通过测量透过一定量纯水所

20、需的时间来测定。表5.2和表5.3分别列出了部分超滤膜和微滤膜的水通量。可以看出水通量随着膜的截留分子量（UF膜，表5.2）或膜孔径(MF膜，表5.3)的增大而增大。同时，膜材料的种类对水通量的影响显著，不同厂商生产的膜之间水通量的差别也很大。,3、水通量,56,57,58,由于纯水并非实际物系，因此水通量不能用来衡量和预测实际料液的透过通量。在实际膜分离操作中，由于溶质的吸附、膜孔的堵塞以及后述的浓度极化或凝胶极化现象的产生，都会造成透过的附加阻力，使透过通量大幅度降低。一般来讲，在菌体或蛋白质的膜分离浓缩过程中，随着操作的进行，透过通量急剧下降，根据操作条件和料液性质不同，520min即降

21、至最低。许多实验研究证明，膜孔径越大，通量下降速度越快，大孔径微滤膜的稳定通量比小孔径膜小，有时其至微滤膜通量比超滤膜还要小。这主要是由于溶质微粒容易进入到孔径较大的膜孔中堵塞膜孔造成的。因此，用膜分离法处理含菌体细胞或悬浮微粒的料液时，要根据料液性质选择膜孔径适当、不易堵塞、溶质吸附作用小的亲水膜，这样不仅可提高分离速度，还可以提高分离质量和目标产物的回收率。,59,60,各种膜组件,平板式管式中空纤维螺旋卷绕式,61,平板式膜组件,62,管式膜组件,63,螺旋卷式膜组件,64,中空纤维式膜组件,65,中空纤维超滤膜组件,66,膜断面图,67,68,反渗透膜与装置,超滤膜装置,69,70,7

22、1,72,73,74,图5.10 各种膜组件的结构示意图,75,外压式膜组件结构,内压式膜组件结构,76,77,78,膜过滤的基本概念和理论,超滤和反渗透目的：将溶质通过一层具有选择性的薄膜，从溶液中分离出来。分离时的推动力都是压强，由于被分离物质的分子量和直径大小差别及膜孔结构不同，其采用的压强大小不同。反渗透膜的操作压力高达10 MPa。,79,超滤和反渗透操作中的渗透压,由于超滤和反渗透过程都是用一种半透膜把两种不同浓度的溶液隔开（淡水或盐水），因此都存在渗透压。渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度；一般说来，无机小分子的渗透压要比有机大分子溶质的渗透压高得多。,80,81,渗透与反

23、渗透,82,实现超滤和反渗透的条件,超滤：需要增加流体的静压力，改变天然过程的方向，才可能发生含有低分子量化合物的溶剂流通过膜，此时的推动力是流体静压力与渗透压的压差；反渗透：过程类似于超滤，只是纯溶剂通过膜，而低分子量的化合物被截留。因此，操作压力比超滤大得多。 因此，超滤和反渗透通常又被称之为“强制膜分离过程”,83,膜过滤的基础理论,通透量理论：一种基于粒子悬浊液在毛细管内流动的毛细管理论。水通量（Jw）和截留率（R）W透水量，A膜的有效面积，时间c1料液中溶质浓度， c2透过液中溶质浓度,84,超滤的基本方程,：穿透度（单位时间、单位膜面积的处理量）,85,纳米膜过滤技术,介于反渗透与

24、超滤膜之间，能截留有机小分子而使大部分无机盐通过；特点：在过滤分离过程中，能截留小分子有机物，并可以同时透析除盐，集浓缩与透析为一体；操作压力低,86,纳滤膜的性质与特点,有多层聚合薄膜组成，滤膜为多孔性材料，平均孔径为2nm，截留分子量范围在100200道尔顿之间；同样要求其具有良好的热稳定性、pH稳定性、有机溶剂稳定性；主要产品：Membrane products Kiryat Weizmann，MPW (以色列)Desalination System (美国)SelRO, DESAL-5, FT- 40等系列膜，Filmtech公司（美国，明尼苏达）,87,纳米过滤的分离机理,纳滤分离机

25、理与反渗透膜了类似，同样遵循，基本的膜传递方程：,88,纳滤的应用,89,膜亲和过滤法,膜亲和过滤法是传统膜分离技术与亲和分离技术的集成，是一种十分有效的分离方法。内容：包括两个分支亲和膜分离：制备带有亲和配基的分离膜，直接进行产物分离；亲和-错流膜过滤：将水溶性或非水溶性的高分子亲和载体与产物进行特异性反应，然后进行错流过滤；,90,亲和膜分离技术,分离膜的改性：通过化学改性，在载体表面连接上一条“手臂链”（大于三个碳原子）；亲和膜制备：选用合适的配基(Ligand)，与手臂链相连，构成带有亲和配基的分离介质；亲和络合：将混合物缓慢地通过膜，使要分离的物质与亲和配基产生特异性作用，形成配基与

26、配位物（Ligate）的复合体；洗脱：改变条件（洗脱液组成、pH、离子强度、温度等），使复合物解离；亲和膜再生：洗涤、再生、平衡，以备下次操作使用；,91,需解决的关键问题,膜表面要有足够多的并可利用的化学基团；表面积和孔径要足够大孔分布要窄而均匀，以获得高的通透量和分离效率：机械强度要高：要耐酸碱和高温；,92,亲和膜分离操作方式,亲和超滤过程（分离目标物的同时，浓缩其他成分）,93,微孔亲和过滤过程（仅分离目标物）,94,亲和膜过滤纯化伴刀豆蛋白A的实验装置,95,电渗析技术,电渗析技术是在直流电场的作用下，由于离子交换膜的阻隔作用，实现溶液的淡化和浓缩，分离推动力是静电引力。,96,97

27、,电渗析装备,98,膜分离过程在生物工程中的应用,99,4、 膜生物反应器,膜生物反应器(Membrane bioreactor，MBR)是膜分离过程与生物反应过程耦合的生物反应装置，可应用于动植物细胞的高密度培养、微生物发酵和酶反应过程。,中空纤维膜生物反应器,100,下图是生物反应器与膜分离装置分体设置的外循环式膜生物反应器。外部膜组件截留酶或微生物菌体，而使小分子产物透过；外循环式膜生物反应器是一种连续全混釜型反应器(CSTR)，适用于连续微生物发酵和连续酶反应过程。,外循环式膜生物反应器,此外，外循环式膜生物反应器还适用于淀粉和纤维素等高分子物质的酶解。由于高分子底物和酶被超滤膜完全截

28、留可以提高反应的转化率和酶的使用效率。当然，外循环式膜生物反应器也适用于其他酶反应过程的连续操作。相当于一种固定化酶反应器。,膜生物反应器的形式还有很多，以适应不同生物反应的需要或提高生物反应速率。,101,应 用,膜分离法在生物产物的回收和纯化方面的应用可归纳为以下几个方面：(1)细胞培养基的除菌；(2)发酵或培养液中细胞的收集或除去；(3)细胞破碎后碎片的除去；(4)目标产物部分纯化后的浓缩或洗滤除去小分子溶质；(5)最终产品的浓缩和洗滤除盐；(6)制备用于调制生物产品和清洗产品容器的无热原水。,102,由此可见，膜分离技术在生物下游加工过程频繁使用，因此，膜分离是生物产物分离纯化过程必不

29、可少的技术。以下简要阐述膜分离法在茵体细胞的分离、小分子发酵产物的回收、蛋白质类生物大分子的浓缩和部分分组纯化方面的应用，最后介绍膜分离与生物反应的耦合过程，即膜生物反应器。,1、菌体分离,利用微滤或超滤操作进行菌体的错流过滤分离是膜分离法的重要应用之一。与传统的滤饼过滤和硅藻土过滤相比，错流过滤法具有如下优点；,103,(1)透过通量大；(2)滤液清净，菌体回收率高；(3)不添加助滤剂或絮凝剂，回收的菌体纯净有利于进一步分离操作(如菌体破碎，胞内产物的回收等)；(4)适于大规模连续操作。(5)易于进行无菌操作，防止杂菌污染。但膜分离的最大问题是膜污染引起的透过通量大幅度下降。如合理地解决膜污

30、染和清洗问题，保持较高的透过通量，错流过滤将会替代传统的过滤技术和离心分离技术，成为菌体分离的重要手段。,104,2、小分子生物产物的回收,氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵产品的相对分子质量在2000以下，因此选用MWCO为11043104的超滤膜，可从发酵液中回收这些小分子发酵产物，然后利用反渗透法进行浓缩和除去相对分子质量更小的杂质。 此外，抗生素等发酵产物中常含有超过药检允许量的致热原(pyrogen)，直接使用会引起恒温动物的体温升高，制成药剂前需进行除热原处理。热原一般由细菌细胞壁产生，主要成分是脂多糖、脂蛋白等，相对分子质量较大。如果产品的相对分子质量在1000以下，使用MW

31、CO为1104的超滤膜可有效地除去热原，并且不影响产品的回收率。,105,3、 蛋白质的回收、浓缩与纯化 胞外的蛋白质产物在微滤除菌的同时即可从滤液中回收，由于滤液清净，对进一步的分离纯化操作非常有利。蛋白质的透过与其相对分子质量、浓度、带电性质以及膜表面的吸附层结构、溶液的pH、离子强度和膜的孔径、结构有关。因此，对待定的蛋白质，需根据其分子特性，选择合适的膜，并对料液进行适当的预处理(如调节pH，离子强度等)，以提高目标产物的回收率。一般来说，胞外产物的收率较高，而胞内产物从细胞的破碎物中回收，收率较低。这是由于菌体碎片微小，容易对膜造成污染和形成吸附层，阻滞蛋白质的透过。有研究认为，使用

32、非对称膜时，料液从孔径较大的一侧(惰性层)流过，可大大改善目标蛋白的收率。,106,根据蛋白质的相对分子质量，选择适当MWCO的超滤膜，可进行蛋白质的浓缩和去除其中的小分子物质，回收率可达95以上。收率的部分降低主要是由于膜的吸附以及操作中剪切作用引起的蛋白质变性。 超滤浓缩和分级分离酶、生产部分纯化的酶制剂己实现工业规模，其中的关键问题是如何抑制酶的失活和膜对酶的吸附。超滤过程中，不适宜的温度、pH和离子强度以及流动引起的剪切作用均可能引起酶的失活。超滤膜对酶的吸附不仅造成酶的收率下降，还会使透过通量降低，影响分离速度。,107,实验2-1 胰凝乳蛋白酶的透析脱盐,一、原理胰凝乳蛋白酶(ch

33、ymotrypsin)是一种丝氨酸蛋白酶，可从牛胰脏中提取出来，经过盐析分离、结晶而获得。由于在盐析和结晶过程中都使用硫酸铵，带有大量中性盐，必须经过透析脱盐，才能成为合格产品。,108,二、试剂和材料,（1）牛胰脏（2）硫酸（3）硫酸铵（4）氢氧化钠（5）透析袋（6）冷冻干燥机,109,三、操作步骤,1、原料处理 （1）新鲜的牛胰脏去除脂肪和结缔组织等杂质； （2）浸入预先冰冷的0.125mol/L的硫酸溶液中，迅速冷却，0放置； （3）绞肉机反复绞成胰浆。,110,2、提取 将胰浆加入2倍体积的经过预先冰冷的0.125mol/L硫酸溶液中，在冷室中提取，每12h搅拌一次，24h后，过滤取滤

34、液。滤渣再用等体积的0.125mol/L硫酸溶液提取1h，过滤，合并滤液。,111,3、分级盐析 滤液中加入固体硫酸铵，使饱和度达到40%，410放置过夜，取上清液，再加入固体硫酸铵使饱和度达到70%，得到胰凝乳蛋白酶沉淀。,112,4、胰凝乳蛋白酶原结晶 将上得到沉淀加入1.5倍体积冷水和0.5倍体积饱和硫酸铵溶液，用5mol/L氢氧化钠调节PH值至5.0，25结晶48h，抽滤得到粗的胰凝乳蛋白酶原结晶，重结晶后可获得棒状胰凝乳蛋白酶原结晶。,113,5、胰凝乳蛋白酶原活化 （1）称取胰凝乳蛋白酶原结晶的重量，加入3倍量的冰冷蒸馏水，滴加少量2.5mol/L的硫酸溶液，使结晶溶解； （2）加

35、入1倍量0.5mol/L PH7.6磷酸盐缓冲液及少量氢氧化钠，使PH稳定在7.6； （3）加入少量胰蛋白酶，置于5冷室中48h。,114,6、胰凝乳蛋白酶的盐析沉淀 胰凝乳蛋白酶溶液用0.5mol/L硫酸溶液调节PH值至4.0，再加入固体硫酸铵使其饱和度达到80%，使胰凝乳蛋白酶沉淀析出，过滤即得到胰凝乳蛋白酶。,115,7、透析（1）在蛋白酶沉淀中加入2.5倍量双蒸水，滴加少量0.05mol/L硫酸，使沉淀完全溶解；（2）将蛋白酶装入透析袋中，封口；（3）将透析袋悬于5水浴中，流动水连续透析4872h，直至透析液可用氯化钡检查无硫酸根存在；（4）将透析脱盐后的酶液进行冷冻干燥，获得胰凝乳蛋白酶原成品。,116,四、结果检测,分别检测透析前后酶液中的硫酸盐含量，以判断脱盐效果。检测硫酸盐的方法是通过加入氯化钡试剂，与硫酸盐反应，生成白色沉淀。 用比色法与标准硫酸钾溶液生成的硫酸钡沉淀相比，从而测定酶液中硫酸盐含量。,117,膜分离技术的概念。根据膜孔径大小，膜分离技术可分为哪几类？主要的膜组件有哪些？何谓反渗透膜分离过程？其特点有哪些？何谓强制膜分离过程？简述电渗析膜分离的基本原理。,