膜分离技术研究进展培训课件

,膜分离技术研究进展,万印华,中国科学院过程工程研究所,生化工程国家重点实验室,Email:,化学工程设计专业委员会成立大会暨全国化工化学工程设计技术中心站年会,2007年11月18-22日，桂林,膜,分离技术,的地位和影响,美国官方文件曾说18世纪电器改变了整个工业进程，而20世纪膜技术将改变整个面貌”，“目前没有一种技术，能像膜技术这么广泛地被应用”,日本,和欧洲,则把膜技术作为,21世纪的基盘技术进行研究和开发,“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化学工业的未来”,-,Norman N.Li,，,美国科学院院士，著名华裔科学家,膜分离已得到广泛应用,。,21,世纪是工业生物技术的世纪，膜技术将扮演重要角色,生物制造过程示意简图,Happy growing,Drug producing,Fermentation,Kill the microbes,Smash the microbes,Remove cells/debris,Concentrate and,Purify the product,Formulate,product,Downstream Processing,Microbes,Genetic modification,Market,Nutrients,Oxygen,Pressure,MF 0.1,m,m-10,m,m,UF 5-100 nm(10kD-1MD),NF 1000 g/m,2,h,，选择性,15,优先透醇,渗透汽化后透过液的乙醇浓度达,30-60%,超滤分离蛋白质,超滤法分离纯化蛋白,的过程优化,筛选合适的膜,优化操作条件,-,需要对每个参数逐个进行系统的实验,-需要大量的实验工作,-需要消耗一定量的蛋白质,-费时，同时成本高,因此,，急需开发新的实验技术快速判定给定膜的适用性，并能,经济，方便，快速地优化超滤分离蛋白质的操作条件。,超滤过程优化实验新技术,脉冲进样技术,(Pulsed sample injection technique),2000,年由,Ghosh and Cui,提出,(J Membr Sci 175:75-84),流动相超滤技术,(Carrier phase ultrafiltration),2001,年由,Ghosh,提出,(Biotechnol Bioeng 74:1-11),参数扫描超滤技术,(Parameter scanning ultrafiltration),2002,年由,Wan,Ghosh and Cui,提出,Desalination 144:301-306,Retentate,Permeate,Sample,2,3,4,5,6,7,8,9,1,10,AKTA Prime,Stirred Cell,Experimental Setup for Parameter Scanning UF Experiments,1,buffer reservoir a;,2,buffer reservoir b;,3,pump;,4,buffer mixer;,5,sample injector;,6,stirred cell module;,7,UV monitor;,8,conductivity monitor;,9,pH monitor;,10,computer for data logging and processing.,蛋白质溶液注射进样,采用两种载体相(类似梯洗脱层析,),恒定渗透通量下操作,渗透液的,pH,电导和蛋白质的透过率可在线检测,参数扫描超滤,实验,示意图,参数扫描超滤技术的优点,每次实验所需蛋白样品量仅为常规实验的,1/20,至,1/10,可测定参数,(,pH,盐浓度,),连续变化下蛋白的透过率以及不同渗透液通量下蛋白的透过率,进一步大大降低了蛋白消耗量,极大地减少了实验量,提高了实验进程,在,恒定,的,渗透液通量,下操作，提高了实验的准确性,可快速判定临界通量,(,Critical flux,),范围，准确测定膜阻,与,FPLC,联用，多参数在线监测，自动化程度高,超滤法分离人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG),Operating conditions:working solution 40 g/l HSA+40g/l HIgG in deionised water at pH 4.7;pulse volume 500l;carrier phase 1.5 mM and 0.4 mM NaCl solutions at pH 4.7 for 100 and 300 kDa membrane,respectively;stirring speed 2100 rpm.,Previous,1!,Previous,30 50!,参数扫描超滤技术可快速，有效地优化操作条件，促进蛋白质高效膜分离,pH 对人白蛋白(HSA)和免疫球蛋白(HIgG)分离的影响,Operating conditions:working solution 40 g/L HSA+40g/L HIgG in deionised water at pH 4.7;pulse volume 500L;carrier phase 1.5 mM NaCl solution at specified pH;permeate flux 7.36810,-6,m/s;stirring speed 2100 rpm.,Reverse selectivity,阴离子交换层析,技术去除,DNA,等,细胞培养,微滤或离,心过滤分,离细胞等,蛋白,A,亲和,层析技术提,取单克隆抗,体,(Campath),阳离子交换层,析技术提纯单,克隆抗体,SEC,去除,二聚体,DV50,膜过滤,器去除病毒等,罐装,FCS,单克隆抗体,(Campath-1H),的生产,简介,Campath-1H,是牛津大学医用抗体中心研制的人源化,IgG,型单克隆抗体，始于,1982,年，,2002,年投放市场。主要用于治疗肿瘤，自身免疫性疾病及器官移植免疫排斥反应等,。,流程示意图,单克隆抗体,(Campath-1H),单体与二聚体的分离,(I),Rapid assessment of membrane suitability using parameter scanning UF,pH or salt scanning UF for single protein solution of alemtuzumab monomer with different membranes.,Sample injected:500,L of 4.0 g/L alemtuzumab(Campath-1H);Permeate flux:7.368,10,-6,m/s;Stirring speed:1800 rpm,.,For pH scans,Buffer A:15 mM NaH2PO4,pH 4.6;Buffer B:15 mM NaH,2,PO,4,-NaOH,pH 10.7;,For salt scans,Buffer A:15 mM NaH,2,PO,4,-Na,2,HPO,4,pH 8.5;Buffer B:400 mM NaH,2,PO,4,-Na,2,HPO,4,pH 8.5.,单克隆抗体,(Campath-1H),单体与二聚体的分离,(II),Comparison of actual and predicted yields and purities of the monomer,Two-stage DF process N=8 Yield 96.37%Purity 96.40%(Selectivity=10),Current SEC Yield 85%Purity 92%(used for clinic trial),问题与对策,问题与对策,挑 战,对 策,膜本身孔径分布宽,研制开发新型膜,浓差极化,强化系统水力学控制,膜污染（如吸附）,提高膜的亲水性,强化系统水力学控制,形成凝胶层,低通量下操作,强化系统水力学控制,蛋白质,-,蛋白质,/,蛋白质,-,膜之间相互作用,调节溶液的,pH,和离子强度,膜进行预处理,浓差极化层浓度分布示意图,膜 污 染,新型膜的研制,Relative number of platelets adhered on PS and PS/MPC membranes,Ishihara et al.,Biomaterials,1999,20:15531559,Ye et al.,Biomaterials,2003,24:4143-4152,Proteins adsorbed on CA I(hatched bar)and CA/PMB30 III(black bar)and polysulfone(white bar)membranes.,可降解抗污染膜的研制,亲水性,聚合物,可降解,聚合物,+,可降解抗污染分离膜,相转化法,PCL,可降解，但速度较慢;生物相容性好,PEG,亲水性,生物相容性好,PCLE,嵌段共聚,PCL,凝固浴,（H,2,O）,PEG,支撑体,聚合物溶液,膜过程,强化传质,对 策,气体吹扫(,Gas,Sparging,),插入物,(,Inserts),反向冲洗,(,Back-flushing and backpulsing),低透过通量下操作,(,e.g.,Critical flux),外加力场(电,磁场及超声波),气液两相流强化,HSA-IgG,分离,Li&Cui JMS,1997,IgG,HSA,TMP=0.3 bar,Fl=0.5 L/min,Fg=30 mL/min,40 mM phosphate,buffer pH 8.0,Tubular Membrane,PVDF 100 kD(1/2”id),料液：,4.5 g/L HSA,+1.0 g/L IgG,HSA 68kD pI=4.7,HIgG 150 kD,pI=7-8,Initial protein concentration in the stirred cell:0.53g/L alemtuzumab(25%dimers+75%monomer)in 15 mM sodium phosphate buffer at pH 8.5;Diafiltration buffer:15 mM sodium phosphate buffer at pH 8.5;Stirring speed:330 10 rpm.,低通量(Critical Flux)运行,小 结,1.,研制无缺陷,(Perfect),抗污染膜及智能型分离膜,;,2.,设计，开发新型抗污染膜组件,;,3.,提高膜过程的可预测性,如从理论上预测给定体系的临界通,量,分离效率等,;,4.,开展膜技术分离实际生物大分子混合体系的研究工作,促进,高通量高选择性生物大分子膜分离技术研究与应用,;,5.,深化反应,膜分离耦合技术研究，推进工业应用进程；,6.,拓展膜生物分离技术应用新领域,如膜生物传感器,微型膜,取样器,组织培养等。,膜技术在理论及应用领域均得到了极大发展,膜污染和浓差极化仍是制约其大规模工业应用的技术瓶颈。为充分发挥膜技术的优势和潜力,有必要继续加强以下几方面的研究,:,谢 谢,恳 请 指 正!,