用于生物分离的新型膜过程

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1、用于生物分离的新型膜过程1，*1112万印华焦小光马光辉苏志国崔占峰1（中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京800010，中国2牛津大学工程系，牛津OX13PJ,英国）摘要：膜分离技术由于其通量高，条件温和，无相变，操作简单，放大容易，节能并可实现连续化生产以及易与其它过程相集成等突出优点特别适合生物制造与加工，展现出广泛的应用前景。本文介绍了近年来开发的几种用于生物分离的新型膜过程，主要包括利用浓差极化高效浓缩大分子物质的新型膜浓缩过程，以及近年来开发的脉冲进样技术（Pulsedsampleinjec

2、tiontechnique）、参数连续变化超滤技术(Parameterscanningultrafiltration)、载体相超滤技术（Carrierphaseultrafiltration）以及综合这几种新技术提出的一种蛋白质超滤分离快速优化新方法。关键词：浓缩；超滤；蛋白质；分离随着现代生物技术的发展，通过基因工程生产蛋白质药物在治疗人类面临的重大疾病如癌症等方面展示出巨大的潜力。为满足生物技术产品工业化生产的需要，开发高通量、低成本、高效的分离纯化方法已引起人们的高度关注。膜技术由于具有通量高，操作条件温和，易于

3、放大等特点，特别适合生物活性大分子的加工和分离。在生物技术领域，超滤技术目前[1]已广泛应用于生物大分子的浓缩，并在分子量相近的蛋白质的高选择性分离中展现出诱人[2,3]的前景。本文针对生物大分子膜浓缩及蛋白质超滤分离中存在的问题和不足，概要介绍了近年来开发的几种用于生物分离的新型膜过程，主要包括利用浓差极化高效浓缩大分子物[4]质的新型膜浓缩过程，近年来开发的脉冲进样技术（Pulsedsampleinjectiontechnique）、[5]参数连续变化超滤技术(Parameterscanningultrafiltr

4、ation)、载体相超滤技术（Carrierphase[6]ultrafiltration,CPUF）以及综合这几种新技术提出的一种蛋白质超滤分离快速优化新方法。1利用浓差极化高效浓缩大分子物质的新型膜浓缩过程膜浓缩在生物加工中已得到广泛应用。然而，与常规膜分离过程类似，浓差极化和膜污染是一普遍存在的现象。目前广泛采用的错流操作及高速搅拌来控制浓差极化和膜污染的方法一方面大大增加了过程能耗，另一方面还会影响产品质量，特别是一些对剪切较为敏感的生物产品的活性。众所周知，由于浓差极化，溶质在膜表面的浓度可达其主体相浓度的几

5、百倍，甚至超过其在溶剂中的溶解度在膜表面析出。相对稳定的浓差极化层可以在一分钟或数__________________________________________国家自然科学基金资助项目(20576134).作者简介：万印华（1966－），男，研究员，主要从事膜技术及应用研究.*通讯作者.Email:yhwan@home.ipe.ac.cn分钟内形成。因此，浓差极化实际上是一高效浓缩过程。利用浓差极化的上述特点，我们开发了利用浓差极化高效浓缩大分子物质的新型膜过程，主要是通过操作条件的调控，调节浓差极化层厚度和浓差

6、极化层内溶质的浓度及其分布，然后通过紧靠在膜表面的浓缩液汲取器将浓差极化层的浓溶液导出，从而在获得高浓度的目标溶液的同时，及时将潜在的污染物排出，实现浓缩过程的连续操作。对0.5g/L的BSA溶液的初步浓缩实验表明，在适当条件下，可取的浓缩70倍以上的效果，且浓缩过程可长期连续进行，膜污染可有效控制。与常规膜浓缩方法（如终端过滤、错流过滤）相比，利用膜过程中浓差极化进行生物活性大分子浓缩的新思路，新方法，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，具有高效浓缩和同时有效减缓膜污染的双重功效，可实现连续或半连续

7、操作，是膜浓缩技术在原理和实施方式上的变革，生物产品的质量，特别时活性回收率可显著提高。2蛋白质超滤分离快速优化新方法蛋白质的高选择性超滤分离目前已成为国际研究热点，为克服常规蛋白质超滤分离过程优化中存在的实验工作量大、蛋白质消耗多、费时、费用高以及操作过程中分离选择性不稳[4][5][6]定等缺点，相继开发了脉冲进样技术和参数连续变化超滤技术以及载体相超滤技术。下面分别对这几种技术做一简要介绍。[4]2．1脉冲进样技术该方法的主要特征是小型膜分离搅拌槽与高效液相色谱系统联用，以膜组件替代常规色谱柱。蛋白质溶液通过色谱

8、的进样口注射进入膜分离搅拌槽中，通过UV在线检测确定透过液中蛋白质的浓度。根据蛋白质浓度随时间的关系曲线，通过适当的数学处理可以计算(1)注射的蛋白质总量；(2)时间t时膜件中残留的蛋白质的量，从而计算出蛋白质的表观透过率。由於省去了样品储槽和采用很细的管线，实验所需样品量大大减少，其用量主要取决于搅拌槽的大小。为尽量减小浓差极化