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应用膜技术来浓缩和分离蛋白质已经广泛应用于生物技术产业中,而蛋白质的分离效率偏低以及浓差极化和膜污染造成的通量下降是制约其在工业上广泛应用的技术瓶颈之一。采用外加电场与错流膜过程相结合的方法由于其可有效的消除浓差极化和膜污染进而显著的提高膜通量、不中断循环过程、不增加剪切力以及不引进其它的物质等优点,得到了国内外研究人员的广泛关注,但目前还存在着机理研究不够,分离和浓缩的效率比较低,电化学反应的限制作用等诸多问题。本文重点从提高电场强化蛋白质超滤过程的效率,提高蛋白质分离效率,以及该过程在真实体系的应用研究等几个方面进行了研究。
论文首先采用牛血清白蛋白(BSA)作为模型蛋白质,考察了电场强化超滤过程的基本参数对单组分蛋白质超滤过程的影响。实验结果表明,外加方向合适的直流电场,可有效的抑制蛋白质超滤过程中的浓差极化和膜污染,进而提高超滤的渗透通量。在考虑电渗作用的条件下对临界电场强度的定义和计算过程进行了修正和推导,并与实验得到的临界电场强度值进行了对比,误差在20％以内。实验中还考察了超滤过程的基本参数对临界电场强度的影响,结果表明,随着跨膜压力和蛋白质浓度的提高,需要更高的临界场强,而错流速度则对临界场强影响不大。
论文提出了一种电场强化的快速蛋白质超滤过程,即采用截留分子量高于蛋白质的超滤膜以实现高通量,利用电场实现高截留率。实验中,用50 kDa和100 kDa的聚砜超滤膜进行了BSA超滤对比试验,并考察了膜截留分子量、电场强度、进料浓度等参数对渗透通量和截留率的影响。结果表明,该方法可以同时提高蛋白质超滤过程的通量和截留率,进而大幅度提高浓缩效率。
提出了一种新的电超滤-电渗析的耦合过程,即在电场强化超滤过程的基础上,在电极的阳极引入阴离子交换膜作为隔离保护膜,而在电极的阴极引入阳离子交换膜。论文考察了离子交换膜的排布方式,电流强度等操作参数对耦合过程的影响。结果表明,电超滤和电渗析耦合过程在蛋白质溶液超滤浓缩过程中,可以有效提高渗透通量,进而减少浓缩时间,同时蛋白质溶液的电导率也随着浓缩过程逐渐降低,从而同时实现溶液的脱盐作用。
考察了pH值和离子强度对双元蛋白质体系(牛血清白蛋白和溶菌酶)在30 kDa超滤膜上的过膜性能的影响,并用动态光散射技术对蛋白质的聚集作用进行了表征。在pH为8,离子强度10 mM的条件下,考察了电场对双元蛋白质体系的分离效率的影响。实验结果表明,外加电场可以使两种蛋白质分别产生远离膜面和朝向膜面的运动,从而提高二者的分离效率。考察了超滤膜截留分子量对电场条件下蛋白质分离效果的影响,结果表明,在电场条件下,采用截留分子量高的超滤膜(50 kDa,100 kDa)可以获得更高的分离因子和渗透通量,从而在不增加能耗的基础上实现更高的分离效率。
论文首次将电场强化膜技术应用于纤维素酶超滤过程,在10 kDa的聚醚砜超滤膜上分别考察了电场对粗酶粉配制的纤维素酶溶液、商品微晶纤维素酶解后的溶液,以及秸秆酶解后溶液的超滤过程的影响。实验结果表明,在三种情况下,电场均可以有效提高渗透通量,但是三种情况下的通量提高机理是不一样的。同时在纤维素酶超滤的过程中,不同的纤维素酶溶液对超滤膜的污染性能和超滤膜的带电性质有不同的影响。