CN108579472A - 一种生物医药分离用的两性离子膜制备方法 - Google Patents

一种生物医药分离用的两性离子膜制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种生物医药分离用的两性离子膜制备方法,该两性离子膜的制备方法包括如下步骤,一)氯甲基化试剂的制备;二)聚醚砜的氯甲基化;三)铸膜液的配制;四)刮膜;五)离子化改性。其中离子化改性溶液为N,N‑二羟乙基甘氨酸的水溶液,其制备方法简单,制得的两性离子膜具有阴阳两种离子基团,且随着分离液的pH变化显示不同的电性,适用于生物医药的分离。

Description

一种生物医药分离用的两性离子膜制备方法
技术领域
本发明涉及一种两性离子膜的制备方法,特别是生物医药分离用的两性离子膜制备方法。
背景技术
生物药物售价高,附加值高,有效成分一般为生物大分子物质,如蛋白质、氨基酸、多肽和酶等物质,其成分复杂,易变性,失活或者分解,在分离过程中的每一步都需要进行严格的质量控制。滤膜过滤因对过滤介质要求低,也不需要高温,高压等极端环境而逐渐引起人们的重视。
近些年来,我国微滤膜生产制备技术有所提高,但是生产的通用型滤膜抗污染和生物相容性较差,在应用过程中容易产生污堵现象,分离效果较差。
因生物药物中含有的大多数蛋白质、氨基酸、多肽和酶类都带有电荷,因此选用荷电性膜利用膜自身孔径及电荷同性排斥、异性相吸原理,不仅可以通过膜孔径筛分来分离大小不同的物质,还可以利用电荷作用分离大小相似、电荷不同的物质,甚至可以截留比膜孔径小的物质。因荷电膜中含有离子基团,膜的亲水性能得到提高,水通量增加;又因为荷电膜与溶液间的静电作用,使得溶液的渗透压降低;同时荷电膜在抗污染、选择透过性及能耗方面都具有优异的性能。基于以上种种优势,荷电膜在生物医药分离中具有广泛的应用前景。
而两性离子膜材料具有良好的抗污染性和生物相容性,其分子链上直接含有阳离子基团和阴离子基团,同时具有荷正电性和荷负电性,能对分离液中的荷电物质进行快速选择性分离,增加了分离效率,在生物医药工业中的蛋白质浓缩、净化与分离等方面显示出巨大的应用空间。
目前,两性离子膜材料一般采用传统的方法获得,通过单体聚合合成两性离子聚合物,再共混制膜,或者利用两性聚合物对膜改性得两性离子膜。这些方法制备的两性离子聚合物有以下缺点:两性聚合物一般碳链较长,正负电荷基团距离较大,电性较弱;聚合过程中易发生交联团聚反应,使得部分离子基团被包埋不显电性或阴阳基团数量不同。这些制备方法影响了两性离子膜的性能和分离效果。
发明内容
针对上述不足,本发明提供了一种生物医药分离用两性离子膜的简单制备方法。
本发明提供了一种生物医药分离用的两性离子膜的简单制备方法。制得的膜具有阴阳两种离子基团,适用于生物医药的分离。
所述生物医药分离用两性离子膜的制备方法,包括如下步骤,
一)氯甲基化试剂的制备:将15-25g的1,4-丁二醇和10-20g甲醛及200-250g水混合后置于冰水浴中,滴加60-100g三氯化磷,使温度保持10-20℃,反应结束后,蒸馏提取得氯甲基化试剂1,4-二氯甲氧基丁烷;
二)聚醚砜氯甲基化:-10℃–-5℃的冰水浴条件下,将20-30g聚醚砜完全溶解于250-350ml浓硫酸中,待温度稳定后再加入20-35ml的步骤一)所得1,4-二氯甲氧基丁烷,反应20-35min,将反应后的溶液缓慢倒入去离子水中,得到白色线状的聚合物氯甲基聚醚砜,用去离子水反复清洗,干燥;
三)铸膜液的配制:将步骤二)中所得氯甲基聚醚砜、聚醚砜、二甘醇和PEG600配制成均匀透明的铸膜液,备用;
四)刮膜:取洁净的玻璃板水平放置刮膜机上,将步骤三)所得铸膜液流延于玻璃板的一端,用150μm刮刀将铸膜液在玻璃板上均匀铺展开,停留30-60s后浸入质量分数为20-30%的N-甲基吡咯烷酮水溶液中固化10-30s,再浸入去离子水中固化成膜,然后将膜取出放入干净的去离子水中保存;
五)离子化改性:取步骤四)中所得膜浸泡于离子化溶液中,置于50-60℃水浴中反应10-15h,用清水洗至中性,得两性离子膜。
优选的,所述两性离子膜的制备方法,其铸膜液组成及重量百分数为:氯甲基聚醚砜2-4%,聚醚砜13-18%,二甘醇3-5%,PEG600 3-5%和N-甲基吡咯烷酮70-75%。
优选的,所述两性离子膜的制备方法,其铸膜液组成及重量百分数为:氯甲基聚醚砜3%,聚醚砜16%,二甘醇4%,PEG600 4%和N-甲基吡咯烷酮73%。
优选的,步骤二)中氯甲基聚醚砜的氯化率为10-15%。
优选的,步骤四)中刮膜温度为30℃,湿度为65-80%。
优选的,步骤五)中离子化溶液为质量分数为3%-5%的N,N-二羟乙基甘氨酸的水溶液。
优选的,步骤五)中使用碳酸钠调节溶液pH值大于10。
优选的,一种所得膜应用于分离pH不同的牛血清蛋白溶液,其质量分数为0.1g/L,方法为,用磷酸盐缓冲液调待分离的牛血清蛋白溶液pH值,使分离液pH值大于7,用两性离子膜截留蛋白质;或用柠檬酸–柠檬酸钠缓冲液调分离液的pH值,使分离液的pH值小于4,用两性离子膜截留蛋白质;蛋白质溶液为中性条件下,用两性离子膜截留中性蛋白质。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1、本发明提供的方法制备得到的两性离子膜具有阴阳两种电荷,不仅可以通过膜孔径大小分离不同分子量的物质,还可以分离分子量相似、带电性相反的物质,分离效率高。
2、本发明提供的方法制备得到的两性离子膜随着溶液pH值的变化可以显示正电或者负电,从而将溶液中的带电荷的物质分离。当分离液为酸性时,膜材料显正电,可以选择性截留带正电荷物质,透过带负电荷的物质;当分离液为碱性时,膜材料带负电,可以选择性截留带负电荷物质,透过带正电荷物质,从而实现对目标物质选择性分离,其分离选择性更高。
3、采用二甘醇和PEG600两种添加剂共同调节两性分离膜的表面孔型及断面孔结构,二甘醇的加入使得膜表面孔独立、孔径均匀,减少大孔的生成,分离膜的性能均一性更好。
4、二羟乙基甘氨酸分子为小分子,在对膜的改性时不存在碳链分子长,离子基团距离远电性弱问题。另外,二羟乙基甘氨酸分子上同时含有阴阳两种离子基团,由其改性的两性离子膜解决了大分子聚合物改性膜时因为团聚使得阴阳离子数不相同的问题。此外,使用二羟乙基甘氨酸分子改性的方法简单,易于操作,应用性较强。
5、本发明使用自制的氯甲基化试剂环保无公害,避免了使用致癌试剂氯甲醚。
6、本发明提供的两性离子膜制备方法简单易操作,通过引入两性离子基团,膜的亲水性能得到加强,水通量显著增加。
7、本发明提供的两性分离膜在抗污染、选择透过性及能耗方面都具有优异的性能,在生物医药分离中具有广泛的应用前景。
具体实施方法
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
所述生物药物分离用两性离子膜的制备方法,包括如下步骤,
一)氯甲基化试剂的制备:将15g的1,4-丁二醇和10g甲醛及200g水混合后置于冰水浴中,滴加60g三氯化磷,使温度保持10-20℃,反应结束后,蒸馏提取得氯甲基化试剂1,4-二氯甲氧基丁烷;
二)聚醚砜氯甲基化:-5℃的冰水浴条件下,将20g聚醚砜完全溶解于300ml浓硫酸的中,待温度稳定后加入25ml步骤一)所得1,4-二氯甲氧基丁烷,反应25min,将反应后的溶液缓慢倒入去离子水中,得到白色线状的聚合物氯甲基聚醚砜,用去离子水反复清洗,干燥,得氯化率为13%的氯甲基聚醚砜;
三)铸膜液的配制:将铸膜液各组成混合均匀,备用;所述铸膜液组成及重量百分数为:氯甲基聚醚砜3%,聚醚砜16%,二甘醇4%,PEG600 4%和N-甲基吡咯烷酮73%;
四)刮膜:在室温为30℃,湿度为70%的环境中刮膜,取洁净的玻璃板水平放置刮膜机上,将铸膜液流延于玻璃板的一端,用150μm刮刀将铸膜液在玻璃板上均匀铺展开,停留30s后浸入质量分数为20%的N-甲基吡咯烷酮水溶液中固化10s,再浸入去离子水中固化成膜,然后将膜取出放入干净的去离子水中保存,得120μm固化膜;
五)离子化改性:取步骤四)中所得的膜浸泡于质量分数为4%的N,N-二羟乙基甘氨酸中,加入碳酸钠,使溶液pH值大于10,置于60℃水浴中反应10h,用清水洗至中性。
所得膜应用于分离pH不同的牛血清蛋白溶液,其蛋白质质量分数为0.1g/L,方法为,用磷酸盐缓冲液调待分离的牛血清蛋白溶液pH值,使分离液pH值大于7,用两性离子膜截留蛋白质;或用柠檬酸–柠檬酸钠缓冲液调分离液的pH值,使分离液的pH值小于4,用两性离子膜截留蛋白质;蛋白质溶液为中性条件下,用两性离子膜截留中性蛋白质。
实施例2
所述生物药物分离用两性离子膜的制备方法,包括如下步骤,
一)氯甲基化试剂的制备:将25g的1,4-丁二醇和20g甲醛及250g水混合后置于冰水浴中,滴加100g三氯化磷,使温度保持10-20℃,反应结束后,蒸馏提取得氯甲基化试剂1,4-二氯甲氧基丁烷;
二)聚醚砜氯甲基化:-10℃的冰水浴条件下,将30g聚醚砜完全溶解于350ml浓硫酸的中,待温度稳定后加入35ml步骤一)所得1,4-二氯甲氧基丁烷,反应35min,将反应后的溶液缓慢倒入去离子水中,得到白色线状的聚合物氯甲基聚醚砜,用去离子水反复清洗,干燥,得氯化率为15%的氯甲基聚醚砜;
三)铸膜液的配制:将铸膜液各组成混合均匀,备用;所述铸膜液组成及重量百分数为:氯甲基聚醚砜2%,聚醚砜18%,二甘醇5%,PEG600 5%和N-甲基吡咯烷酮70%;
四)刮膜:在室温为30℃,湿度为65%的环境中刮膜,取洁净的玻璃板水平放置刮膜机上,将铸膜液流延于玻璃板的一端,用150μm刮刀将铸膜液在玻璃板上均匀铺展开,停留45s后浸入质量分数为30%的N-甲基吡咯烷酮水溶液中固化30s,再浸入去离子水中固化成膜,然后将膜取出放入干净的去离子水中保存,得110μm固化膜;
五)离子化改性:取步骤四)中所得的膜浸泡于质量分数为3%的N,N-二羟乙基甘氨酸中,加入碳酸钠,使溶液pH值大于10,置于50℃水浴中反应15h,用清水洗至中性。
所得膜应用于分离pH不同的牛血清蛋白溶液,其蛋白质质量分数为0.1g/L,方法为用磷酸盐缓冲液调待分离的牛血清蛋白溶液pH值,使分离液pH值大于7,用两性离子膜截留蛋白质;或用柠檬酸–柠檬酸钠缓冲液调分离液的pH值,使分离液的pH值小于4,用两性离子膜截留蛋白质;蛋白质溶液为中性条件下,用两性离子膜截留中性蛋白质。
实施例3
所述生物药物分离用两性离子膜的制备方法,包括如下步骤,
一)氯甲基化试剂的制备:将20g的1,4-丁二醇和15g甲醛及200g水混合后置于冰水浴中,滴加65g三氯化磷,使温度保持10-20℃,反应结束后,蒸馏提取得氯甲基化试剂1,4-二氯甲氧基丁烷;
二)聚醚砜氯甲基化:-8℃的冰水浴条件下,将20g聚醚砜完全溶解于250ml浓硫酸的中,待温度稳定后再加20ml步骤一)所得1,4-二氯甲氧基丁烷,反应20min,将反应后的溶液缓慢倒入去离子水中,得到白色线状的聚合物氯甲基聚醚砜,用去离子水反复清洗,干燥,得氯化率为10%的氯甲基聚醚砜;
三)铸膜液的配制:铸膜液各组成混合均匀,备用;所述铸膜液组成及重量百分数为:氯甲基聚醚砜4%,聚醚砜16%,二甘醇3%,PEG600 3%和N-甲基吡咯烷酮74%;
四)刮膜:在室温为30℃,湿度为80%的环境中刮膜,取洁净的玻璃板水平放置刮膜机上,将铸膜液流延于玻璃板的一端,用150μm刮刀将铸膜液在玻璃板上均匀铺展开,停留60s后浸入质量分数为25%的N-甲基吡咯烷酮水溶液中固化20s,再浸入去离子水中固化成膜,然后将膜取出放入干净的去离子水中保存,得120μm固化膜;
五)离子化改性:取步骤四)中所得的膜浸泡于质量分数为5%的N,N-二羟乙基甘氨酸中,加入碳酸钠,使溶液pH值大于10,置于55℃水浴中反应12h,用清水洗至中性。
所得膜应用于分离pH不同的牛血清蛋白溶液,其蛋白质质量分数为0.1g/L,方法为用磷酸盐缓冲液调待分离的牛血清蛋白溶液pH值,使分离液pH值大于7,用两性离子膜截留蛋白质;或用柠檬酸–柠檬酸钠缓冲液调分离液的pH值,使分离液的pH值小于4,用两性离子膜截留蛋白质;蛋白质溶液为中性条件下,用两性离子膜截留中性蛋白质。
实施例4
所述生物药物分离用两性离子膜的制备方法,包括如下步骤,
一)氯甲基化试剂的制备:将20g的1,4-丁二醇和15g甲醛及220g水混合后置于冰水浴中,滴加80g三氯化磷,使温度保持10-20℃,反应结束后,蒸馏提取得氯甲基化试剂1,4-二氯甲氧基丁烷;
二)聚醚砜氯甲基化:-9℃的冰水浴条件下,将20g聚醚砜完全溶解于250ml浓硫酸的中,待温度稳定后再加25ml步骤一)所得1,4-二氯甲氧基丁烷,反应25min,将反应后的溶液缓慢倒入去离子水中,得到白色线状的聚合物氯甲基聚醚砜,用去离子水反复清洗,干燥,得氯化率为12%的氯甲基聚醚砜;
三)铸膜液的配制:将铸膜液各组成混合均匀,备用;所述铸膜液组成及重量百分数为:氯甲基聚醚砜2%,聚醚砜13%,二甘醇5%,PEG600 5%和N-甲基吡咯烷酮75%;
四)刮膜:在室温为30℃,湿度为72%的环境中刮膜,取洁净的玻璃板水平放置刮膜机上,将铸膜液流延于玻璃板的一端,用150μm刮刀将铸膜液在玻璃板上均匀铺展开,停留30s后浸入质量分数为25%的N-甲基吡咯烷酮水溶液中固化25s,再浸入去离子水中固化成膜,然后将膜取出放入干净的去离子水中保存,得115μm固化膜;
五)离子化改性:取步骤四)中所得的膜浸泡于质量分数为5%的N,N-二羟乙基甘氨酸中,加入碳酸钠,使溶液pH值大于10,置于60℃水浴中反应12h,用清水洗至中性。
所得膜应用于分离pH不同的牛血清蛋白溶液,其蛋白质质量分数为0.1g/L,方法为用磷酸盐缓冲液调待分离的牛血清蛋白溶液pH值,使分离液pH值大于7,用两性离子膜截留蛋白质;或用柠檬酸–柠檬酸钠缓冲液调分离液的pH值,使分离液的pH值小于4,用两性离子膜截留蛋白质;蛋白质溶液为中性条件下,用两性离子膜截留中性蛋白质。
对比例1
所述生物药物分离用两性离子膜的制备方法,包括如下步骤,
一)氯甲基化试剂的制备:将25g的1,4-丁二醇和20g甲醛及250g水混合后置于冰水浴中,滴加100g三氯化磷,使温度保持10-20℃,反应结束后,蒸馏提取得氯甲基化试剂1,4-二氯甲氧基丁烷;
二)聚醚砜氯甲基化:-10℃的冰水浴条件下,将30g聚醚砜完全溶解于350ml浓硫酸的中,待温度稳定后再加35ml步骤一)所得1,4-二氯甲氧基丁烷,反应35min,将反应后的溶液缓慢倒入去离子水中,得到白色线状的聚合物氯甲基聚醚砜,用去离子水反复清洗,干燥,得氯化率为15%的氯甲基聚醚砜;
三)铸膜液的配制:将铸膜液各组成混合均匀,备用;所述铸膜液组成及重量百分数为:氯甲基聚醚砜2%,聚醚砜18%,二甘醇5%,PEG600 5%和N-甲基吡咯烷酮70%;
四)刮膜:在室温为30℃,湿度为65%的环境中刮膜,取洁净的玻璃板水平放置刮膜机上,将铸膜液流延于玻璃板的一端,用150μm刮刀将铸膜液在玻璃板上均匀铺展开,停留45s后浸入质量分数为30%的N-甲基吡咯烷酮水溶液中固化30s,再浸入去离子水中固化成膜,然后将膜取出放入干净的去离子水中保存,得110μm固化膜。
所得膜应用于分离pH不同的牛血清蛋白溶液,其蛋白质质量分数为0.1g/L,方法为用磷酸盐缓冲液调待分离的牛血清蛋白溶液pH值,使分离液pH值大于7,用两性离子膜截留蛋白质;或用柠檬酸–柠檬酸钠缓冲液调分离液的pH值,使分离液的pH值小于4,用两性离子膜截留蛋白质;蛋白质溶液为中性条件下,用两性离子膜截留中性蛋白质。
效果检验
通量测试方法为:将湿膜在0.15MPa下预压30分钟,待通量稳定后在1MPa测试纯水通量。
截留率测试:分别测试分离溶液pH小于4,中性,pH大于7时蛋白质的截留率。
表1为各个实施例中膜的性能。
表1各个实施例中膜的性能
所得两性离子膜的动态接触角为66°左右,而未改性的聚醚砜膜动态接触角为80°左右,接触角的大幅度降低说明了两性离子膜的亲水性有较大的提高,其水通量由167L/(m2.h)增加到大于230L/(m2.h),由此可见,两性分离膜的通量显著增加。
在pH小于4的酸性环境中,膜上的离子基团电离使膜材料显示正电,更易将带有正电荷的目标分离物截留分离。而牛血清蛋白等电点为4.7,在pH小于4的酸性条件下显正电,由于同种电荷的排斥作用,牛血清蛋白在该环境下可以更好的得到截留分离,其截留率大于95%。
在pH大于7的碱性环境下,膜上面的离子基团电离使得膜材料显示负电,更易将带有负电的目标分离物截留分离。而牛血清蛋白等电点为4.7,在pH大于7的酸性条件下显负电,由于同种电荷的排斥作用,牛血清蛋白在该环境下可以更好的得到截留分离,其截留率大于95%。
而在中性溶液环境中,膜上的离子基团不电离,膜材料不带电性,分离作用主要靠膜的孔径大小实现。牛血清蛋白的分离主要靠膜孔径大小得以分离,其截留率大于82%。由此可见,本发明提供的两性离子膜亲水性有较大提高的同时对带电荷物质的截留率也有较大的提高。
以上所述采用牛血清蛋白作为分离物,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换,只要不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种生物医药分离用的两性离子膜的制备方法,其特征在于:包括以下步骤,
一)氯甲基化试剂的制备:将15-25g的1,4-丁二醇、10-20g甲醛和200-250g水混合后置于冰水浴中,滴加60-100g三氯化磷,使温度保持10-20°C,反应结束后,蒸馏提取得氯甲基化试剂1,4-二氯甲氧基丁烷;
二)聚醚砜氯甲基化:-10°C–-5°C的冰水浴条件下,将20-30g聚醚砜完全溶解于250-350ml浓硫酸中,,待温度稳定后再加入20-35ml的步骤一)所得1,4-二氯甲氧基丁烷,反应20-35min,将反应后的溶液缓慢倒入去离子水中,得到白色线状的聚合物氯甲基聚醚砜,用去离子水反复清洗,干燥;
三)铸膜液的配制:将步骤二)中所得氯甲基聚醚砜、聚醚砜、二甘醇和PEG600配制成均匀透明的铸膜液,备用;
四)刮膜:取洁净的玻璃板水平放置刮膜机上,将步骤三)所得铸膜液流延于玻璃板的一端,用150μm刮刀将铸膜液在玻璃板上均匀铺展开,停留30-60s后浸入质量分数为20-30%的N-甲基吡咯烷酮水溶液中固化10-30s,再浸入去离子水中固化成膜,然后将膜取出放入干净的去离子水中保存;
五)离子化改性:取步骤四)中所得膜浸泡于离子化溶液中,置于50-60oC水浴中反应10-15h,用清水洗至中性,得两性离子膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述铸膜液组成及重量百分数为:氯甲基聚醚砜2-4%,聚醚砜13-18%,二甘醇3-5%,PEG600 3-5%和N-甲基吡咯烷酮70-75%。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述铸膜液组成及重量百分数为:氯甲基聚醚砜3%,聚醚砜16%,二甘醇4%,PEG6004%和N-甲基吡咯烷酮73%。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤二)中氯甲基聚醚砜的氯化率为10-15%。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤四)中刮膜温度为30oC,湿度为65-80%。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤五)中离子化溶液为质量分数为3%-5%的N,N-二羟乙基甘氨酸的水溶液。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤五)中使用碳酸钠调节溶液pH值大于10。
8.一种将权利要求1-7任一项制备方法所得膜应用于分离pH不同的牛血清蛋白溶液,其质量分数为0.1g/L,其方法为,用磷酸盐缓冲液调待分离的牛血清蛋白溶液pH值,使分离液pH值大于7,用两性离子膜截留蛋白质;或用柠檬酸–柠檬酸钠缓冲液调分离液的pH值,使分离液的pH值小于4,用两性离子膜截留蛋白质。
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