专利名称：一种重力场辅助浓缩生物大分子的新型超滤方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物大分子的超滤浓縮，特别涉及一种利用重力场辅助浓縮生物大分
子的超滤方法及其装置。
背景技术：
超滤是膜分离技术中的一种，作为绿色分离技术的突出代表，其主要的分离范围 为分子量1000 500000的物质，已广泛应用在了食品、生物、医药、化工、环保等领域。因 具有过程无相变、操作条件温和、可规模放大等优点，超滤尤其适合生物活性大分子如蛋白 质、酶、多肽等的浓縮或脱盐。然而，超滤浓縮生物大分子过程中，浓差极化及膜污染导致渗 透通量的下降或跨膜压差的上升，降低了该过程的浓縮效率和经济性。现有技术中通常选 用错流过滤或动态膜过滤等方法尽可能地减缓浓差极化的不利影响，但无论采取何种方法 去减缓浓差极化，仍属耗能操作。因此时至今日，浓差极化仍被绝大多数人们视为不利因素 予以对待。 国家发明专利CN101269298首次公开了一种利用浓差极化浓縮生物大分子的膜 过滤方法，依据浓差极化层形成速度快、层内溶质浓度高的特点，提出在靠近膜表面的位置 设置中空型浓縮液汲取器，通过专用浓縮液汲取器将膜表面浓差极化层内的高浓度料液汲 取出来，在获得高浓度产品溶液的同时，降低了膜面浓差极化程度。然而，该发明尽管效果 显著，但具体实施的关键取决于系统核心部件浓縮液汲取器的制作及其成本，限制了该方 法的实质性应用；如果没有核心部件浓縮液汲取器，该发明的实施则无法得到保证，这同时 也影响了该发明的进一步推广应用。 本发明提出一种无需专用浓縮液汲取器便能导出膜面浓差极化层内高浓度溶液 的新型超滤浓縮方法及装置，即利用重力场辅助浓縮生物大分子的超滤方法及装置。迄今 为止，国内外尚无相关研究及专利公布。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超滤浓縮生物大分子的方法及装置，具体地说是提供 一种利用浓差极化原理超滤浓縮生物大分子的方法及装置，更具体地说是提供一种利用重 力场辅助浓縮生物大分子的超滤方法及装置，以实现高效浓縮生物大分子的同时有效控制 膜污染。 本发明的提出基于下述原理利用超滤过程中固有的浓差极化现象及浓差极化层 形成速度快、层内溶质浓度高的特点，依据膜面浓差极化层内溶液与主体相中溶液之间存 在较大浓度差异即存在一定的密度梯度，浓差极化层内高浓度溶质分子在一定条件下可在 重力作用下从膜表面剥离并坠落，在终端超滤模式下，将坠落的高浓度料液从膜组件底部 直接进行收集从而获得高浓度目标产品溶液。 运用本发明提出的方法进行生物大分子的超滤浓縮，无须设置专用浓縮液汲取器 便能将浓差极化层内高浓度溶液导出收集，硬件要求低，适用范围广，克服了传统的利用浓差极化原理浓縮生物大分子方法必须选用合适的专用浓縮液汲取器才能实现浓縮液导出 的技术壁垒，从而能够方便地实现连续、高效超滤浓縮生物大分子的目的；同时，因坠落的 高浓度溶质分子即膜面潜在的污染物被及时导出膜组件，超滤浓縮过程可在终端过滤模式 下长期稳定运行，从而降低了常规错流超滤浓縮过程对料液循环流量的高度依赖，方便地 实现了料液浓縮和膜污染控制的双重目的。 因此，本发明提出的方法虽是建立在利用浓差极化原理超滤浓縮生物大分子的基 础之上，但在很大程度上与传统的利用浓差极化原理超滤浓縮生物大分子的方法有所不 同，更确切地说是对如何导出浓差极化层内高浓度溶液这一关键核心技术进行了根本性质 地改变，具体的方法如下 按照膜渗透液方向平行于水平面的方式放置超滤膜组件，在终端过滤模式下控制 系统运行参数进行生物大分子溶液的超滤浓縮，形成于膜表面的浓差极化层内的高浓度料 液在重力作用下不断从膜表面剥离并坠落，将坠落的高浓度料液直接抽取收集从而获得目 标产品的浓縮液。 其中，超滤过程的跨膜压差控制在-100 300KPa之间，膜渗透通量控制在5 30L/m2 'h之间，生物大分子原料液浓度在0. 1 1. 5g/L之间，抽取流量控制在2. 5X10—3 5. OL/h，浓縮液浓度在10 180g/L之间，初次抽取时间为超滤起始之后的0. 5 3. 5h之 间。 所述的超滤膜组件型式为中空纤维式、管式、平片式或巻式，且膜有效长度在 3000mm以内；滤膜选用高分子有机超滤膜或无机超滤膜，且所选超滤膜对生物大分子的截 留率在60. 0-99. 9%之间。 所述的高分子有机超滤膜包括纤维素类、聚醚砜类、聚砜类、聚偏氟乙烯类、聚乙
烯醇类、聚乙烯醇縮醛类、聚氯乙烯类超滤膜或它们之间可能存在的共混膜。
所述的无机超滤膜包括陶瓷膜或金属膜。 所述的超滤浓縮过程采用终端过滤模式，其中，膜渗透液可循环回进料液罐，也可 直接外排收集。为了增加生物大分子在浓縮过程中的回收率，通常采用渗透液先外排，待进 料液几乎完全进入浓縮系统后，再切换为渗透液循环模式。另外，如果选用的超滤膜对目标 生物大分子的截留率较低，也可以采用渗透液循环模式进行浓縮，以提高目标产品的浓縮 倍数及回收率。 所述的生物大分子是蛋白质、多肽、酶。 本发明同时提供了实现本发明所述方法的超滤浓縮装置。该装置基本组成单元包 括超滤浓縮单元、浓縮液收集单元、浓縮液浓度在线检测单元。其中，原料液进口设置在膜 组件顶部，浓縮液收集口设置在膜组件底部，浓縮液收集口通过三通与浓縮液收集单元和 浓縮液浓度在线检测单元相连，坠落至膜组件底部的浓縮液经由抽取泵收集前，先通过浓 縮液浓度在线检测单元进行分析，到达预设值时开启抽取泵以连续或间歇的方式收集。
紫外检测器因量程所限，高浓度浓縮液无法直接通过紫外在线检测器进行浓度分 析，因此，本发明提供的装置不仅能够实现高效浓縮生物大分子的目的，还同时提供了高浓 度料液在线检测功能。高浓度料液在线检测功能是通过选用连续稀释进样方式或定量进样 方式予以实现。因此， 所述的浓縮液浓度在线检测单元，必要的组成部件包括进样泵、稀释泵、紫外在线检测器和混合器，其中进样泵和稀释泵均为恒流量泵，工作流量范围为0. 6X 10—4 0. 6L/ h。 所述的连续稀释进样方式是通过调节进样泵和稀释泵的流量即控制在线稀释比 率予以实现，稀释后的溶液再进入紫外在线检测器进行分析，通过调整稀释比及进样泵流 量，可获得相对较佳的稀释液浓度，再通过稀释比反推浓縮液浓度，其中进样泵的进样流量 不应低于1. 5X10—3L/h。 所述的定量进样方式是通过进样泵在瞬间注入固定量的高浓度溶液，定量的高浓
度溶液与连续的稀释液通过混合器混合后进入紫外在线检测器进行分析，通过控制注入量
和稀释泵流量控制出峰时间和峰面积，进而计算得出浓縮液的真实浓度，其中进样泵的进
样量不应低于5X 10—SL，最佳流动稀释相流速范围1. 8-15. 0X 10—2L/h。 所述的连续抽取方式为当浓縮液收集口处的生物大分子溶液浓度经检测到达预
期浓度值时，连续不断地抽取浓縮液收集口处的高浓度溶液。此时，浓縮液抽取流量的设置
可根据物料恒算进行计算。 所述的间歇抽取方式为当浓縮液收集口处的生物大分子溶液浓度经检测到达预 期浓度值时，抽取浓縮液收集口处的高浓度溶液，抽取一段时间后，当浓縮液收集口处的生 物大分子溶液浓度低于预期浓度值时，停止抽取操作；待浓縮液收集口处的生物大分子溶 液浓度恢复到预期浓度值时，再次抽取，如此反复操作。 本发明提供的利用重力场辅助浓縮生物大分子的方法与装置，具有如下突出特点 和优势 1.结合了浓差极化自身特性与重力场的场效应，浓縮效率高。 2.无须专用浓縮液汲取器，方法简单，对装置的硬件要求低，易规模放大，推广应 用性强。 3.浓縮过程在无剪切或低剪切的条件下进行，特别适合对剪切敏感的生物大分子 的浓縮。 4.浓縮过程在终端过滤模式下运行，能耗大为降低。
图1.利用重力场辅助浓縮生物大分子的超滤装置流程示意图。
附图标记 1.进料泵2.浓縮液抽取泵3.进样泵4.稀释泵5.混合器6.紫外在线检测器 7.膜组件8、9.流量传感器10、 11、 12.阀门13、 14.压力传感器
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。本发明所涉及的主题保护范围并非仅限
于这些实施例。 实施例1. 请参见图1。 一种利用重力场辅助浓縮生物大分子超滤方法的装置包括进料泵1， 浓縮液抽取泵2，进样泵3，稀释泵4，混合器5，紫外在线检测器6，膜组件7，流量传感器8 和9，阀门1Q、11和12，压力传感器13和14。
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膜组件7内装填聚醚砜中空纤维膜(天津工业大学提供，截留分子量10KDa，膜有 效装填面积0. 30m2，膜丝有效长度315mm)。原料液为2L浓度0. 5g/L的牛血清白蛋白(BSA， 分子量68KDa，纯度大于98X )溶液。关闭阀门11、12，打开阀门10。原料液经由进料泵 1连续恒流量注入位于膜组件7顶部的进料液口，渗透液经过流量传感器9后回到原料液 罐中(即渗透液循环模式)。流量传感器8和9显示进料流量和渗透液流量均为4. 2L/h。 跨膜压差(TMP= (Pl+P2)/2)经过一段短暂的快速增长期后逐渐进入平台期(65.6KPa左 右)。该膜对BSA初始截留率为97.7X。 2.0h后，打开阀门12，开启进样泵3、稀释泵4、动 态混合器5和紫外在线检测器6，进样泵流量0. 003L/h，稀释泵流量0. 297L/h，测得此时膜 组件7底部浓縮液收集口处浓度为65. Og/L，为进料液浓度的130. 0倍。此时，打开阀门11， 开启浓縮液抽取泵2，采取间歇抽取模式进行收集(开2分钟/关30分钟，浓縮液抽取泵2 流量设定为0. 03L/h) ， 10. 5小时后关闭系统。系统运行期间，TMP由最高的65. 6KPa逐渐 下降至52. 7KPa，共收集到高倍浓縮液16ml，内含BSAO. 92g，平均浓縮倍数115. 4倍。而如 果采用常规终端过滤浓縮过程(膜组件7相同，没有汲取操作)，浓縮倍数理论最多只能达 到12. 5倍。 其他条件不变，如果将原料液体积增大至4L， TMP同样经过一段短暂的快速增长 期后逐渐进入平台期(68. 9KPa左右)。2. 0h后测得膜组件7底部浓縮液收集口处BSA浓 度为125. 55g/L，为原料液浓度的251. 1倍。10. 5小时后关闭系统，系统运行期间，TMP由 最高的68. 9KPa逐渐下降至51. 3KPa，共收集到高倍浓縮液16ml，内含BSA1. 88g，平均浓縮 倍数235.0倍，是常规超滤浓縮最大理论浓縮倍数的18. 8倍。显然，本发明提出的膜浓縮
方法操作简单且浓縮效果显著。
实施例2 采用和实施例1相同的膜组件、相同浓度的BSA溶液、相同的进料液流量，原料液 体积增加至IOL。将10L原料液连续泵入膜组件7中进行超滤浓縮，超滤浓縮2h前，渗透 液外排，2h后切换回渗透液循环模式。TMP同样经过一段短暂的快速增长期后逐渐进入平 台期(71. 8KPa左右)。2h时测得膜组件7底部浓縮液收集口处BSA浓度为161. 89g/L，为 原料液的323. 8倍。21. Oh后关闭系统，系统运行期间，TMP由最高的71. 8KPa逐渐下降至 61. 6KPa，共收集到高倍浓縮液32ml，内含BSA4. 75g，平均浓縮倍数296. 9倍，是常规超滤浓 縮最大理论浓縮倍数的23. 8倍。本实施例更进一步证实了本发明提出的浓縮方法具有常 规方法无法达到的浓縮效果。
实施例3 采用和实施例1相同的膜组件、相同浓度的BSA溶液、相同的进料液流量，原料液 体积增加至45L。将45L原料液连续泵入膜组件7中进行超滤浓縮，渗透液外排。采用连 续抽取方式，浓縮液抽取泵流量设定为0. 02L/h， 1. 5h时开始连续抽取，此时膜组件7底部 浓縮液收集口处BSA浓度为130. 29g/L，为原料液浓度的260.6倍。10. 7h后关闭系统，共 收集出高倍浓縮液214ml，内含BSA22. 09g，平均浓縮倍数206. 5倍。系统运行伊始至1. 5h 期间内，TMP快速上升至73. 4KPa， 1. 5h后TMP进入缓慢增长区，10. 7h后系统停止运行时， TMP为80. 2KPa，缓慢增长区的压力上升速率仅为0. 74KPa/h。显然，通过本实施例可以证 明，本发明提出的浓縮方法不仅具有高效浓縮的突出优点，还同时具备了"自清洁"效应，完 全可以实现长时间连续的浓縮操作。
实施例4 膜组件7内装填聚偏氟乙烯管式膜(德国Memos公司，截留分子量100KDa，膜有效 装填面积0. 80m2，膜管有效长度950mm)。原料液为20L浓度0. 5g/L的Y _球蛋白(分子 量156kD，纯度大于98X )溶液。关闭阀门11、12，打开阀门10。原料液经由进料泵1连续 注入位于膜组件7顶部的进料液口，渗透液经过流量传感器9后回到原料液罐中(即渗透 液循环模式)。流量传感器8和9显示进料流量和渗透液流量均为9. 6L/h。 TMP经过一段 短暂的快速增长期后逐渐进入平台期(86.6KPa左右)。该膜对BSA初始截留率为93.5X。 1. 5h后打开阀门12，开启进样泵3、稀释泵4、动态混合器5和紫外在线检测器6，测得此时 膜组件7底部浓縮液收集口处浓度为42. 35g/L，为进料液浓度的84. 7倍。此时打开阀门 11，开启浓縮液抽取泵2，采取连续抽取模式进行收集(浓縮液抽取泵2流量设定为0. 05L/ h) ，6. 5小时后关闭系统。系统运行期间，TMP由最高的86. 6KPa逐渐下降至74. 5KPa，共收 集到高倍浓縮液250ml，内含BSA9. 37g，平均浓縮倍数75. 0倍。
实施例5 膜组件7内装填聚偏氟乙烯管式膜(江阴金水膜公司，对BSA平均截留率63. 5%， 单只管膜有效装填膜面积O. 83m2，单只膜管有效长度1150mm)。膜组件7由四只管式膜并联 组成并竖直放置。原料液为60L浓度0.5g/L的BSA溶液。关闭阀门11、12，打开阀门10。 原料液经由进料泵1连续注入位于膜组件7顶部的进料液口，流量传感器8和9显示进料 流量和渗透液流量均为21. OL/h。超滤浓縮2. 5h前，渗透液外排，2. 5h后切换回渗透液循 环模式。TMP经过一段短暂的快速增长期后逐渐进入平台期(256.4KPa左右)。3h时打开 阀门12，开启进样泵3、稀释泵4、动态混合器5和紫外在线检测器6，测得此时膜组件7底 部浓縮液收集口处浓度为28. 52g/L，为原料液的57. 0倍。此时打开阀门11，开启浓縮液抽 取泵2，采取连续抽取模式进行收集(浓縮液抽取泵2流量设定为0. 15L/h) 。 13. 5h后关 闭系统，系统运行期间，TMP由最高的256. 4KPa逐渐下降至157. 8KPa，共收集到高倍浓縮液 950ml，内含BSA15. 05g，平均浓縮倍数31. 7倍。说明本发明提出的浓縮方法即使在低截留 率条件下，同样具有常规方法无法达到的浓縮效果，且可长期稳定运行。
权利要求
一种重力场辅助浓缩生物大分子的超滤方法，其特征是按照膜渗透液方向平行于水平面的方式放置超滤膜组件，在终端过滤模式下控制系统运行参数进行生物大分子溶液的超滤浓缩，形成于膜表面的浓差极化层内的高浓度料液在重力作用下不断从膜表面剥离并坠落，将坠落的高浓度料液直接抽取收集从而获得目标产品的浓缩液。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是超滤膜组件型式为中空纤维式、管式、平片式或巻式，且膜有效长度在3000mm以内；滤膜选用高分子有机超滤膜或无机超滤膜，且所 选超滤膜对生物大分子的截留率在60. 0-99. 9%之间。
3. 根据权利要求2所述的高分子有机超滤膜包括纤维素类、聚醚砜类、聚砜类、聚偏 氟乙烯类、聚乙烯醇类、聚乙烯醇縮醛类、聚氯乙烯类超滤膜或它们之间可能存在的共混膜。
4. 根据权利要求2所述的无机超滤膜包括陶瓷膜或金属膜。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征是超滤过程的跨膜压差控制在-100 300KPa 之间，膜渗透通量控制在5 30L/m2 h之间，生物大分子原料液浓度在0. 1 1. 5g/L之 间，抽取流量控制在2. 5X 10—3 5. 0L/h，浓縮液浓度在10 180g/L之间，初次抽取时间 为超滤起始之后的0. 5 3. 5h之间。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的生物大分子是蛋白质、多肽或酶。
7. —种实现权利要求1所述方法的超滤装置，其特征是该装置基本组成单元包括超 滤浓縮单元、浓縮液收集单元、浓縮液浓度在线检测单元。
8. 根据权利要求7所述的装置，其特征是原料液进口设置在膜组件顶部，浓縮液收集口设置在膜组件底部，浓縮液收集口通过三通与浓縮液收集单元和浓縮液浓度在线检测单 元相连，坠落至膜组件底部的浓縮液经由抽取泵收集前，先通过浓縮液浓度在线检测单元 进行分析，到达预设值时开启抽取泵以连续或间歇的方式收集。
9. 根据权利要求7或8所述的浓縮液浓度在线检测单元，必要的组成部件包括进样 泵、稀释泵、紫外在线检测器和混合器，其中进样泵和稀释泵均为恒流量泵，工作流量范围为0. 6X10—4 0. 6L/h。
全文摘要
本发明涉及一种重力场辅助浓缩生物大分子的超滤方法及其装置，以实现简单、快速、连续、高效超滤浓缩生物大分子的目的。按照膜渗透液方向平行于水平面的方式放置超滤膜组件，在终端过滤模式下进行生物大分子溶液的超滤浓缩，形成于膜表面的浓差极化层内的高浓度料液在重力作用下不断从膜表面剥离并坠落，将坠落的高浓度料液直接抽取收集从而获得目标产品的浓缩液。因坠落的高浓度溶液即膜面潜在的污染物被及时排出，本发明所述的超滤浓缩过程可在终端过滤模式下长期稳定运行，因而该方法不仅具有低剪切、低能耗及自清洁的特点，还具有装置简单、操作便利、可控性强、易规模放大等突出优点。
文档编号B01D61/20GK101745316SQ20101010049
公开日2010年6月23日 申请日期2010年1月22日 优先权日2010年1月22日
发明者万印华, 沈飞 申请人:中国科学院过程工程研究所