CN101269298B - 利用浓差极化浓缩生物大分子的膜过滤方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用膜过滤过程中浓差极化原理高效浓缩生物大分子的膜过滤方法及其装置。它针对常规膜浓缩过程中膜污染严重、生物大分子易失活、膜清洗频繁、浓缩过程难以连续进行等问题，提出了利用浓差极化层形成速度快，溶质浓度高的特点，通过操作条件的调控，调节浓差极化层厚度和浓差极化层内溶质的浓度及其浓度分布，然后将浓差极化层的浓溶液通过浓缩液汲取器导出，从而在获得高浓度目标溶液的同时，及时将潜在的污染物排出，实现浓缩过程的连续操作。本发明提出的利用浓差极化浓缩生物大分子的方法和思路，巧妙地解决了膜浓缩过程中浓差极化和膜污染这一孪生难题，是膜浓缩技术在原理和实施方式上的变革。

Description

利用浓差极化浓缩生物大分子的膜过滤方法及其装置
发明领域
本发明涉及利用膜技术进行浓缩生物大分子，特别涉及利用膜过滤过程中浓差极化原理高效浓缩生物大分子的膜过滤方法及其装置。
背景技术
在利用基因工程和细胞培养技术生产功能性生物大分子如单抗和质粒DNA的制备过程中，为了降低过程处理负荷，提高目标产物回收率，改善产品的储存性能，对料液和产物进行浓缩是其生产过程中的关键之一。目前用于浓缩生物大分子的分离方法主要包括离心法，常规过滤法，超声波法，薄层层析法等。膜分离技术由于其工艺绿色无污染，能耗低，分离效率高，近年来在生物产品的分离和制备中得到了广泛的关注。超滤是膜分离技术中的一种，由于其分离范围为分子量1000～1000000，且过程无相变，条件温和，能较好地保持生物大分子的活性，因此特别适合生物大分子尤其是蛋白质、酶、DNA、单克隆抗体等生物产品的浓缩或脱盐，并具有成本低，操作方便，易于放大，回收率高等优点，已在生物技术产业中得到了广泛应用。
超滤浓缩通常采用终端过滤或错流过滤工艺。终端过滤与砂滤类似，料液垂直流过膜面，所有被截留的物质都聚集于膜表面，溶剂及小分子物质透过膜。由于被截留的物质在膜表面不断积累，膜过滤的总阻力持续增大，膜污染严重，导致膜通量逐渐下降，须对膜频繁清洗。采用错流过滤时，料液主体平行于膜面流动，透过液垂直透过膜，切向高速流动的料液能将沉积在膜表面的物质带走，从而减慢过滤阻力的增长速度。但是由于料液在膜表面的切向高速流动，使得错流过滤应用于对剪切敏感的生物大分子受到限制。可见不论采用何种过滤方式，膜污染均不可避免，因此，研究开发膜污染小，能耗低，经济、快速、高效、适合生物大分子浓缩加工特点的新型膜浓缩过程对现代生物技术的发展具有重要意义。
大量研究表明，膜过滤过程中普遍存在的浓差极化是影响膜通量，导致膜污染的关键因素之一。膜分离过程中，被处理的溶液在压力差的推动下，对流流向膜表面，被截留的溶质聚积在膜表面附近，从而使溶质在膜表面的浓度高于其在主体溶液的浓度，形成了膜表面与主体溶液之间的浓度梯度，引起溶质从膜表面向主体溶液扩散，导致通量的减少，这种现象就称为浓差极化。影响浓差极化以及浓差极化层的主要因素包括跨膜压力、过滤方式、进料流速和溶液性质，如：pH值、离子强度、溶质扩散系数、溶液黏度等。通过调控这些影响因素，在浓差极化作用下，浓差极化层内的溶质浓度可达其主体相浓度的几百倍，甚至超过其在溶剂中的溶解度在膜表面析出。大量研究表明，相对稳定的浓差极化层可以在一分钟或数分钟内形成。因此，浓差极化是一种高效浓缩过程。本发明正是根据浓差极化的上述特点，提出了一种利用膜过程中的浓差极化高效、快速浓缩生物大分子的方法。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利用浓差极化浓缩生物大分子的膜过滤方法；以实现利用膜快速、高效浓缩生物大分子，这种方法克服了常规膜浓缩过程中膜污染严重、生物大分子易失活、膜清洗频繁、浓缩过程难以连续进行等问题。
本发明的另一目的在于提供一种适用于利用浓差极化浓缩生物大分子的膜过滤方法的装置。
本发明的利用浓差极化浓缩生物大分子的膜过滤方法是通过调控操作条件等实现的，如调节：滤膜的渗透通量、原料液浓度、汲取速率和跨膜压力；调节膜表面原料液浓度的浓差极化层的厚度和浓差极化层内生物大分子(溶质)的浓度分布，然后采用不同的汲取方式将浓差极化层的浓溶液通过浓缩液汲取器导出。
将生物大分子原料液不断加入到底面带有平片滤膜的终端过滤池中，生物大分子原料液经滤膜过滤，被过滤出来的水由滤膜下方的终端过滤池下部的渗透液出口不断排出，在滤膜上方的浓差极化层内的生物大分子浓溶液由靠近滤膜面的浓缩液汲取器，采用连续汲取或间歇汲取方式导出终端过滤池。其中，滤膜的渗透通量在1.84×10-6m/s～3.69×10-5m/s之间，生物大分子原料液浓度在1.0mg/L～1000mg/L之间，汲取速率视生物大分子原料液性质及浓缩要求而定，一般为生物大分子原料液进入终端过滤池中流量的几分之一至千分之一，跨膜压力在0.02MPa～4MPa之间。
所述的连续汲取方式为：当跨膜压力达到设定值时，将连续不断地汲取浓差极化层内的生物大分子浓溶液(可开启连接在浓缩液汲取器上的注射泵或恒流泵，通过浓缩液汲取器汲取导出终端过滤池)。所述的间歇汲取方式为：当跨膜压力达到设定值时，汲取浓差极化层内的生物大分子浓溶液(可开启连接在浓缩液汲取器上的注射泵或恒流泵，通过浓缩液汲取器汲取导出终端过滤池)，汲取一段时间后，跨膜压力低于设定值时，停止汲取操作(可关闭注射泵或恒流泵)；待跨膜压力恢复到设定值时，再次汲取浓差极化层内的生物大分子浓溶液(可再开启注射泵或恒流泵)，如此反复操作。
所述的生物大分子是蛋白质、多肽、氨基酸、多糖、核糖核酸或脱氧核糖核酸。
所述的生物大分子原料液是由终端过滤池的上部加入到底面带有平片滤膜的终端过滤池中。
所述的浓缩液汲取器在终端过滤池中的端部是十字形或螺旋形的中空管，且十字形或螺旋形的中空管平行于滤膜面并紧贴滤膜面，该中空管在靠近滤膜面的一侧带有许多直径为0.1～0.5mm的小孔。
所述的滤膜选用纤维素类、聚醚砜类、聚砜类或聚酰胺类等超滤或纳滤膜。
本发明的适用于利用浓差极化浓缩生物大分子的膜过滤方法的装置包括终端过滤池、滤膜、浓缩液汲取器、压力传感器、进料泵、注射泵或恒流泵；
在终端过滤池中的底面有平片滤膜，一浓缩液汲取器安装在终端过滤池中，该浓缩液汲取器的一端通向终端过滤池外部，另一端是十字形或螺旋形的中空管，且十字形或螺旋形的中空管平行于滤膜面并紧贴滤膜面，该中空管在靠近滤膜面的一侧带有许多小孔；在终端过滤池的上部开有原料液进口，在滤膜下方的终端过滤池的下部开有渗透液出口。
所述终端过滤池为平片膜过滤器，采用“矮胖”式设计，原料液侧和渗透液侧装有压力传感器。
所述的原料液进口处安装有一带有压力传感器的管路，该管路与一进料泵连接。
所述的渗透液出口处安装有一带有压力传感器的管路。
所述的小孔的直径为0.1～0.5mm。
所述的浓缩液汲取器采用微加工技术，用外径为0.5～1.5mm的中空塑料或硅橡胶管制作而成，一端为一十字形或螺旋形的中空管，且中空管在靠近滤膜面的一侧开有许多直径为0.1～0.5mm小孔。浓缩液汲取器与滤池外部的注射泵或恒流泵相连，以便按要求的流量准确将浓缩液从终端过滤池中汲取出来。根据待测浓缩生物大分子的性质，本发明中的滤膜通常选用纤维素类、聚醚砜类、聚砜类或聚酰胺类等超滤或纳滤膜。
本发明提供的利用浓差极化浓缩生物大分子的方法与常规超滤浓缩过程相比，具有如下突出特点和优势：
1.利用了浓差极化的特性，即使溶质在主体相浓度较低时都可取得很好的富集效果，极大地提高了浓缩速度和浓缩效率。
2.浓缩过程中，浓缩液连续地从膜过滤池中排出，潜在的膜污染物同时随浓缩液从膜单元中排出，有效地降低了膜污染的潜力，大大降低了清洗的频率，具有浓缩和减缓膜污染的双重功效。
3.膜浓缩过程设备、工艺及操作简单，有利于连续或半连续操作，同时膜的使用寿命可得到进一步提高。
4.浓缩在无剪切或低剪切的条件下进行，能耗更为大大降低，有效地降低了剪切导致生物大分子失活、变性的风险，特别适合对剪切敏感的生物大分子的浓缩。
本发明针对常规膜浓缩过程中膜污染严重、生物大分子易失活、膜清洗频繁、浓缩过程难以连续进行等问题，提出了利用浓差极化层形成速度快，溶质浓度高的特点，通过操作条件的调控，调节浓差极化层厚度和浓差极化层内溶质的浓度及其分布，然后将浓差极化层的浓溶液通过浓缩液汲取器导出，从而在获得高浓度目标溶液的同时，及时将潜在的污染物排出，实现浓缩过程的连续操作。本发明提出的利用浓差极化浓缩生物大分子的方法和思路，巧妙地解决了膜浓缩过程中浓差极化和膜污染这一孪生难题，是膜浓缩技术在原理和实施方式上的变革，膜技术高效、节能、过程简单及易于操作的优点在这一系统中得到了充分体现。
附图说明
图1.本发明利用浓差极化浓缩生物大分子的膜过滤装置示意图。
附图标记
1.浓缩液汲取器      2.滤膜       3.终端过滤池
4.压力传感器        5.进料泵     6.注射泵或恒流泵
具体实施方式
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。一利用浓差极化浓缩生物大分子的膜过滤方法的装置包括终端过滤池3、滤膜2、浓缩液汲取器1、压力传感器4、进料泵5、注射泵或恒流泵6；
在终端杯式过滤池3(有效膜面积为4.45cm2，体积约为6.7mL)中的底面有平片滤膜2，滤膜选用截留分子量为(MWCO)10kD的Ultracel PL高回收率再生纤维素超滤膜(Millipore公司)，在滤膜的表面设置有用外径为0.5～1.5mm的中空塑料或硅橡胶管制作而成的浓缩液汲取器1；该浓缩液汲取器的一端通向终端过滤池3外部与注射泵或恒流泵6相连，另一端与滤膜接触的头部连接有十字形与浓缩液汲取器主管相通的中空管，且十字形中空管平行于滤膜面并紧贴滤膜面，在十字形中空管上钻有多个直径为0.1～0.5mm的小孔。在终端过滤池3的上部开有原料液进口，在原料液进口处安装有一带有压力传感器4的管路，该管路与一进料泵5连接。在滤膜下方的终端过滤池3的下部开有渗透液出口，在渗透液出口处安装有一带有压力传感器4的管路。
将浓度为0.5g/L的牛血清蛋白(BSA)(Mb＝68kD，纯度大于98％)原料液不断加入到上述终端过滤池中，滤膜的渗透通量为3.745×10-6m3/(m2·s)(0.1mL/min)；原料液经滤膜过滤浓缩操作进行1小时后开启注射泵连续汲取浓差极化层内的浓溶液，汲取速率为300μL/h。被过滤出来的水由滤膜下方的终端过滤池下部的渗透液出口不断排出，在滤膜上方被浓缩的牛血清蛋白溶液，由靠近滤膜面的浓缩液汲取器汲取导出终端过滤池。
将常规终端过滤浓缩方法(即：不汲取浓缩液的终端过滤)和本发明提出的膜浓缩方法的结果相比较，发现：经6.5小时的连续膜浓缩操作后，采用本发明汲取方法所得的浓缩液中BSA浓度为6.6g/L，是原料液浓度的13.2倍；而采用常规膜浓缩操作时，浓缩6.5小时后浓缩液中BSA的浓度仅达3.2g/L，为原料液浓度的6.4倍。同时，采用常规膜浓缩操作时，6.5小时后系统的跨膜压力(Transmembrane pressure，TMP)已达到装置的极限值(1.0MPa)，而采用本发明的膜浓缩方法，压力的上升趋势明显减缓，过滤6.5小时后的压力值只有常规浓缩过程的20％。过滤后膜阻的测定结果表明，采用汲取浓缩液的膜过程，过滤前后膜阻几乎没有变化；而在常规超滤浓缩下膜阻则增加了20％以上。因此，本发明提出的膜浓缩方法不仅浓缩效果好，还可以有效控制膜污染，有利于膜浓缩过程的长期稳定运行。
实施例2
采用和实施例1相同的方法和装置，原料液中BSA的浓度Cf＝0.5g/L，滤膜的渗透通量为[Jv＝3.745×10-6m3/(m2·s)]操作。当TMP上升至100KPa和150KPa时，分别以360μL/h和420μL/h的速率连续汲取浓缩液。在汲取初期，两种实验条件下的TMP均随着汲取的进行而下降，之后可分别长期稳定在60和107KPa下。这表明浓缩过程中膜污染得到了有效控制，浓缩操作可长期稳定进行。8小时后汲取得到的浓缩液中BSA的平均浓度分别为8.9和7.0g/L，浓缩倍数分别为原料液中BSA浓度的17.8和14.0倍。
实施例3
采用和实施例1相同的方法和装置，原料液中BSA的浓度Cf＝0.5g/L，滤膜的渗透通量为[Jv＝3.745×10-6m3/(m2·s)]操作。为了得到较高浓度的浓缩液，采用间歇汲取方式来汲取浓缩液。分别在TMP＝100KPa和150KPa时开始汲取浓缩液，待压力分别下降到60和107KPa时，停止汲取操作。等压力恢复到开始汲取时的TMP值时，再以相同的速率汲取，如此反复。浓缩液汲取速率分别为360μL/h和420μL/h。8小时后所得浓缩液浓度分别达到了11.8g/L和12.4g/L，是其原料液浓度的23.6和24.8倍。因此，采用多次间歇汲取操作方式有利于获得高浓度浓缩液。
实施例4
采用和实施例1相同的方法和装置，原料液中BSA的浓度Cf＝0.5g/L，滤膜的渗透通量为[Jv＝3.745×10-6m3/(m2·s)]操作，采用间歇汲取方式来汲取浓缩液。当TMP＝100KPa时开始汲取，汲取速率为360μL/h，汲取时间分别固定为30、10、5分钟，达到汲取时间后，停止汲取，待压力恢复到100KPa后，再次汲取，整个过程反复进行。结果表明，当汲取时间为5分钟时，浓缩液浓度高达34.9g/L，浓缩倍数为69.8；当汲取时间分别为10、30分钟时，浓缩液浓度分别为31.5和19.0g/L，浓缩倍数分别为63.0和38.0。并且在整个汲取过程中，体系的平均TMP均处于恒定状态，表明浓缩过程中膜污染得到了有效控制，可实现连续的浓缩操作。

Claims (10)

1.一种利用浓差极化浓缩生物大分子的膜过滤方法，其特征是：将生物大分子原料液不断加入到底面带有平片滤膜的终端过滤池中，生物大分子原料液经滤膜过滤，被过滤出来的水由滤膜下方的终端过滤池下部的渗透液出口不断排出，在滤膜上方的浓差极化层内的生物大分子浓溶液由靠近滤膜面的浓缩液汲取器，采用连续汲取或间歇汲取方式导出终端过滤池；
其中，滤膜的渗透通量在1.84×10-6m/s～3.69×10-5m/s之间，生物大分子原料液浓度在1.0mg/L～1000mg/L之间，汲取速率为生物大分子原料液进入终端过滤池中流量的几分之一至千分之一，跨膜压力在0.02MPa～4MPa之间；
所述的连续汲取方式为：当跨膜压力达到设定值时，将连续不断地汲取浓差极化层内的生物大分子浓溶液；
所述的间歇汲取方式为：当跨膜压力达到设定值时，汲取浓差极化层内的生物大分子浓溶液，汲取一段时间后，跨膜压力低于设定值时，停止汲取操作；待跨膜压力恢复到设定值时，再次汲取浓差极化层内的生物大分子浓溶液，如此反复操作；
所述的浓缩液汲取器在终端过滤池中的端部是十字形或螺旋形的中空管，且十字形或螺旋形的中空管平行于滤膜面并紧贴滤膜面，该中空管在靠近滤膜面的一侧带有许多直径为0.1～0.5mm的小孔。
2.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多肽、氨基酸、多糖、核糖核酸或脱氧核糖核酸。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的滤膜选用纤维素、聚砜或聚酰胺超滤或纳滤膜。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是：所述的聚砜是聚醚砜。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征是：所述的多肽是蛋白质。
6.一种利用浓差极化浓缩生物大分子的膜过滤装置，包括终端过滤池、滤膜、浓缩液汲取器、压力传感器、进料泵、注射泵或恒流泵；其特征是：
在终端过滤池中的底面有平片滤膜，一浓缩液汲取器安装在终端过滤池中，该浓缩液汲取器的一端通向终端过滤池外部，另一端是十字形或螺旋形的中空管，且十字形或螺旋形的中空管平行于滤膜面并紧贴滤膜面，该中空管在靠近滤膜面的一侧带有许多小孔；在终端过滤池的上部开有原料液进口，在滤膜下方的终端过滤池的下部开有渗透液出口。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征是：所述的原料液进口处安装有一带有压力传感器的管路，该管路与一进料泵连接；所述的渗透液出口处安装有一带有压力传感器的管路。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征是：所述的小孔的直径为0.1～0.5mm。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征是：所述的滤膜选用纤维素、聚砜或聚酰胺超滤或纳滤膜。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征是：所述的聚砜是聚醚砜。
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