（紡織工程專業(yè)論文）樹脂填充纖維吸附劑的研究.pdf

摘要 摘要 為鼴決膜吸附殼u 的污染問題 本文提出了纖維色譜與纖維吸附劑的概念 期 望能夠克服膜色譜和顆粒填充色譜的缺點(diǎn) 本研究采用可控相轉(zhuǎn)化法 制備了多 種類型離子交換樹脂填充纖維吸附劑 并對其性能進(jìn)行了表征 1 以聚醚砜 p e s 為纖維吸附劑的基質(zhì)材料 粉狀l e w a t i t 陽離子交換 樹脂 c n p 8 0 w s 和s p l l 2 w s 用做分離蛋白質(zhì)的功能性微粒 采用外部液體調(diào) 控相分離過程 制備了不同形態(tài)結(jié)構(gòu)的陽離子交換樹脂填充p e s 纖維吸附劑 研究了外部液體 樹脂種類與填充量對纖維吸附劑形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響 研究發(fā)現(xiàn)多 種外部液體 n 乙二醇單乙醚 三縮四乙二醇 丙酮 n 甲基毗咯烷酮 水混 合液等 與紡絲細(xì)流接觸后改變了聚合物溶液的相分離路徑 形成了表皮具有開 i l 結(jié)構(gòu)的樹臘填充p e s 纖維吸附劑 2 研究了樹脂填充p e s 纖維吸附劑對模型蛋白質(zhì)牛血清蛋白 b s a 的 吸附與脫附性能 探討了吸附劑表面形態(tài)結(jié)構(gòu) 填充樹脂神類 樹臘填充量 纖 維直徑 吸附劑狀態(tài)等因素對吸附與脫附性能的影響 分析了蛋白質(zhì)吸附熱力學(xué) 與動力學(xué)過程 并對蛋白質(zhì)傳質(zhì)機(jī)理進(jìn)行了初步探討 研究結(jié)果表明 表皮具有 開孔結(jié)構(gòu)的樹脂填充纖維吸附劑具有較好的吸附與脫附性能 其蛋白質(zhì)吸附容量 為6 8 2 9 3 2 m gb s a g 吸附劑 樹臘填充量5 0 蛋白質(zhì)在樹脂填充纖維吸附劑 中的吸附過程符合朗格繆爾吸附模型 溶質(zhì)在表皮具有開孔結(jié)構(gòu)纖維吸附劑中傳 質(zhì)阻力較低 對于蛋白質(zhì)在樹脂填充纖維吸附劑中的傳質(zhì)過程 本文提出纖維吸 附劑基體內(nèi)的孔擴(kuò)散與樹脂內(nèi)的孔擴(kuò)散是速率控制步驟 3 考察了b s a 溶液p h b s a 濃度 洗脫劑p h 和離子強(qiáng)度 吸附劑預(yù) 處理與后處理 吸附劑再生以及料液流動狀態(tài)等因素對吸附劑吸附與脫附性能的 影響 研究結(jié)果對蛋白質(zhì)的分離具有重要的參考價值 4 為了降低聚合物基質(zhì)材料對蛋白質(zhì)的吸附 以乙烯一乙烯醇共聚物 e v a l 為纖維基質(zhì)材料 制備了表皮具有一定開孔度的樹脂c n p 8 0 w s 填充 e v a l 纖維吸附劑 研究了該纖維吸附劑的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其影響因素 以牛血清蛋 白為模型物 對其吸附與脫附性能進(jìn)行了表征 研究結(jié)果表明 樹脂填充e v a l 纖維吸附劑的吸附容量約為5 4 r a gb s a g 吸附劑 樹脂填充量5 0 與樹脂填充 摘要 p e s 纖維吸附劑相比 雖然樹脂填充e v a l 纖維吸附劑具有較低的吸附容量但其 脫附率較高 5 采用羥基保護(hù)的方法 對聚乙烯醇進(jìn)行部分縮乙醛化改性 再以所得 聚乙烯醇縮乙醛為制膜材料 相轉(zhuǎn)化成膜后 在酸性條件下 一步完成對膜的脫 乙醛和戊二醛交聯(lián)處理過程 制備了改性聚乙烯醇超濾膜 探討了聚乙烯醇縮乙 醛濃度 鑄膜液溫度 凝固浴溫度與鹽含量以及添加劑含量等因素對膜性能的影 響 研究了膜的形態(tài)結(jié)構(gòu) 膜的親水性以及膜耐污染性能 研究結(jié)果表明 此膜 具有較小的接觸角 良好的親水性以及較好的耐污染性能 改性聚乙烯醇親水性 多孔膜不僅有可能用作纖維色譜的基質(zhì)材料 而且對抗污染超濾膜的研究具有重 要價值 關(guān)鍵詞 纖維吸附劑 纖維色譜 膜吸附劑 膜色譜 膜 聚醚砜 乙烯一乙烯 醇共聚物 牛血清蛋白 a b s t r a c t m e m b r a n ec h r o m a t o g r a p h y a sa c o m p e t e n t m e t h o dh a s w i d e l y u s e do n b i o s e p a r a t i o n i n o r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo ff o u l i n gb yi m p u r i t i e s w ep r o p o s e d t h e n e w c o n c e p to f f i b e ra d s o r b e r w h i c h c o u l db eu s e da st h em e d i u mo f c h r o m a t o g r a p h y a n o t h e rn e wc o n c e p ti st h ef i b e rc h r o m a t o g r a p h yw h i c hi sl o a d e dw i t hf i b e ra d s o r b e r i ns o m ec o n f o r m a t i o n s t h em i x e df u n c t i o n a lf i b e rw a sc h o s ea sr e s e a r c hp l a t f o r m t h em e t h o do f c o n t r o l l e dp h a s et r a n s f e rw a su s e dt op r e p a r et h em i x e df u n c t i o n a lf i b e ra d s o r b e ri n t h i sw o r k r e s i nm i x e df i b r o u sa d s o r b e r sa r ean e w t y p eo f i o ne x c h a n g ea d s o r b e r s t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm a s st r a n s p o r to ft h e s ea d s o r b e r sas t u d yw a s c a r r i e do u tt oi n c r e a s et h es u r f a c ep o r o s i t ya n dt h ep o r ei n t e r c o n n e c t i v i t yo ft h e a d s o r b e r f o rt h i sd i f f e r e n te x t e r n a l l i q u i d sw e r ea p p l i e d i nt h ep h a s ei n v e r s i o n p r o c e s s s u c h a sd i e t h y l e n eg l y c o lm o n o e t h y l e t h e r a c e t o n e t e t r a e t h y l e n eg l y c o l a n d n m p w a t e rm i x t u r e s u s i n gt h es a m ee x t e r n a ll i q u i dt h es u r f a c eo fp o l y e t h e r s u l p h o n e m a t r i xw a sr o u g h e rb yu s eo fw e a kc a t i o n i cr e s i n s c n p 8 0 w s t h a nb yu s eo fs t r o n g c a t i o n i cr e s i n s s p l1 2 w s a p p l y i n go fah i g hr e s i nl o a d i n gr e s u l t e di na h i 曲s u r f a c e p o r o s i t y t h er e s i nm i x e dp e s b a s e df i b r o u sa d s o r b e rw a s d e v e l o p e d t o s t u d y i t s a d s o r p t i o na n dd e s o r p t i o nb e h a v i o rw i t hb s a i nt h i sw o r k t h ef i b r o u sa d s o r b e rw i t h o p e np o r es 1 硼a c e h a dm u c hb e t t e ra d s o r p t i o na n dd e s o r p t i o nb e h a v i o rv e t hh i g h e r d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yo ff i b r o u sa d s o r b e rw i t ho p e np o r e s u r f a c ew a sc o m p a r a b l ew j t l lt h er e s i n ss t a t i ca d s o r p t i o nc a p a c i t y t h eh i g hl o a d i n g o fr e s i ni nf i b r o u sa d s o r b e rh a dh i 曲a d s o r p t i o nc a p a c 時a n dh i 曲d e s o r p t i o n t h e a d s o r p t i o nc a p a c i t yo ft h ea d s o r b e rw i t ht h i nd i a m e t e rw a sh i g b e rt h a nt h i c kf i b r o u s a d s o r b e r t h ea d s o r p t i o ni s o t h e r md e m o n s t r a t e dt h a tt h ea d s o r p t i o nw a sw e l lf i t t i n g t h el a n g m m rm o d e l a sf o rt h em a s s t r a n s p o r tp r o c e s si tc o u l db ei m a g e dt h a tt h ep o r e d i f f u s i o ni nt h ep o r eo ff i b e rm a t r i xa n dt h ep o r eo fr e s i np a r t i c l es h o u l dp o s s i b l yb e t h er a t e d e t e r m i n e dp r o c e s s 摘要 t h ei n f l u e n c eo fo p e r a t i o np a r a m e t e r s o nt h eb e h a v i o ro fa d s o r p t i o na n d d e s o r p t i o no f b s aw i t ht h ew e a ka c i d i ct y p ec a t i o ne x c h a n g er e s i nm i x e dp e s b a s e d f i b r o u sa d s o r b e ri nd i f f e r e n ts t r u c t u r e sw a sa l s oi n v e s t i g a t e di n t h i s w o r k t h e s e f a c t o r sa r e p ha n d f l o ws t a t eo fb s ab u f f e rs o l u t i o n t h ec h o i c eo fe l u e n t s p r e t r e a t m e n ta n dp o s t t r e a t m e n to f f i b r o u sa d s o r b e r a n dr e g e n e r a t i o no fa d s o r b e r s e t c i no r d e rt or e d u c en o n s p e c i f i ca d s o r p t i o nc a u s e db yh y d r o p h o b i ca t t r a c t i o n a n o t h e r h y d r o p h i l i cp o l y m e r e v a lw a sc h o s ea st h ef i b e rs u b s t r a t et of o r mm a t r i xo f f i b e r i n c o r p o r a t e dw i t hr e s i np o w d e ri n f i b e rm a t r i x t h er e s i nc n p 8 0 w sm i x e d e v a lf i b e ra d s o r b e rw i ms o m ee x t e n to f o p e np o r eo ni t s s u r f a c ew a sp r e p a r e db y t h em e t h o do fc o n t r o l l e d p h a s et r a n s f e r t h em o r p h o l o g i c a l s t r u c t u r e so ff i b e r a d s o r b e r sa n ds o m ef a c t o r si n f l u e n c e dw e r e i n v e s t i g a t e d t h eb e h a v i o ro fa d s o r p t i o n a n dd e s o r p t i o nw i t hm o d e l p r o t e i nb s a w a sa l s os t u d i e d t h er e s u l t ss h o w nt h a tt h e d e s o r p t i o no f r e s i nc n p 8 0 w s m i x e de v a lf i b e ra d s o r b e rw a sm u c hb e t t e r i nt h i sw o r kt h eh y d r o p h i l i cp o l y m e ru s e da st h ef i b e ra d s o r b e rs u b s t r a t ew a s d e v e l o p e di no r d e rt ow e a k t h eb i n d i n go fs u b s t r a t ew i t hp r o t e i n p o l y v i n y la l c o h 0 1 w a sp a r t l ym o d i f i e db ya c e t a l d e h y d ei no r d e rt op r o t e c tt h e o h g r o u po nt h ec h a i n o fp v a t h em o d i f i e dp v aw i t ha l d e h y d ew a se a s yt o g e tp o r o u su fm e m b r a n e t h r o u g hp h a s et r a n s f e rm e t h o d t h em o d i f i e dp v am e m b r a n ew a st r e a t e dw i t h g l u t a r a i d e h y d ei na c i d i cc o n d i t i o n t h ea i mo f t h i ss t e pw a st or e m o v ea l d e h y d ea n d c r o s s l i n kp v a m e m b r a n e w h i c hw a sc a r r i e do u ta t s a i t l et i m ei ns i n g l e s t e p t h e r e s u l tw a st og e tt h eh y d r o p h i l i cm e m b r a n ew i t hg o o dm e c h a n i c a ls t r e n g t h i tc o u l d b e p r e d i c t e d t h a tt h i sm o d i f i e dp v ah y d r o p h i l i c p o r o u sm e m b r a n e w o u l db e h o p e f u l l yu s e d a ss u b s 訂a t ei nf i b e ra n d o rm e m b r a n e c h r o m a t o g r a p h y k e yw o r d s m e m b r a n e c h r o m a t o g r a p h y m e m b r a n ec h r o m a t o g r a p h y m e m b r a n e a d s o r b e r f i b e ra d s o r b e r f i b e rc h r o m a t o g r a p h y r e s i nm i x e dm e m b r a n e r e s i nm i x e d f i b e r p e s e v a l b s a 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所里交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究 成果 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過 的研究成果 也不包含為獲得丞攫王些太堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過 的材料 與我 同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說 明并表示了謝意 學(xué)位論文作者簽名 多甏乃耖 簽字日期 圳c 年二月汐日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解丞疊王 業(yè)盔堂有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 特 授權(quán)丞洼 些太堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 并采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存 匯編以供查閱和借閱 同意學(xué)校向國家 有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明 學(xué)位論文作者簽名 簽字日期 胛年a 月擴(kuò)目 導(dǎo)師簽名 乏乜歧 簽字日期 矽丫年沙月孑目 第一章序言 第一章序言 1 1 論文的選題依據(jù) 膜色譜 m e m b r a l l ec h r o m a t o g r a p h y 是近期發(fā)展起來的新型生物分離技術(shù) 它是膜分離技術(shù)和色譜技術(shù)二者之間有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物 膜色譜介質(zhì)是通過選擇制 各合適的膜 將對生物大分子有特異性和選擇性的基團(tuán)連接到膜的表面及孔壁中 去制備而成 膜色譜組件是由一張或多張功能性膜片構(gòu)成的 其功能相當(dāng)于短而粗的色譜 柱 按照功能分類 膜色譜可分為親和膜色譜 離子交換膜色譜 固定化金屬螯 合膜色譜 疏水膜色譜 多級膜色譜等 2 1 其中離子交換膜色譜是膜色譜中的 一個大類 按照荷電基團(tuán)的不同可分為磺酸類 s 季銨鹽類 e 二乙基胺 乙基 d e a e 及磺丙基 s p 等 至今已報道多種類型膜色譜組件 34 1 例如 平板式 中空纖維 螺旋卷式及折疊式等 其中一些已得到應(yīng)用 由于以多孔膜作為基質(zhì)材料 使膜色譜具有很多的潛在優(yōu)勢口 例如 料液 流速加快 停留時間縮短 壓力降適宜 蛋白質(zhì)的吸附分離所需的時間只是普通 填充柱十分之一 膜吸附劑具有較高的蛋白質(zhì)吸附容量 蛋白質(zhì)可快速地被濃縮 至1 0 倍甚至更多 其回收率可達(dá)到8 5 0 一1 0 0 膜色譜作為一種有競爭力的分離方法在生物制品的分離純化中應(yīng)用明顯增 加 它主要用于蛋白質(zhì)及單克隆抗體等生物大分子的分離純化以及熱原等污染物 的去除 有人稱該方法是蛋白質(zhì)下游處理的完整性技術(shù) 6 1 然而 應(yīng)用膜色譜技 術(shù)需要對料液進(jìn)行預(yù)處理 須除去料液中的不溶性顆粒與類脂等物質(zhì) 否則這些 物質(zhì)將堵塞膜 造成膜吸附荊的性能下降 鑒于上述原因 本文提出了纖維吸附劑與纖維色譜的概念 期望纖維色譜能 夠克服膜色譜與顆粒填充色譜的缺點(diǎn) 對于纖維吸附劑的研究 本文研究思路為 以雜化纖維為研究平臺 選用對 蛋白質(zhì)吸附較弱的高分子作為基質(zhì)材料 粉末型大孔離子交換吸附樹脂作為功能 微粒 采用可控相分離的方法 研究制各具有離子交換功能的樹脂填充纖維吸附 劑 以牛血清蛋白為模型物 對其進(jìn)行吸附與脫附性能的研究 以確認(rèn)纖維吸附 第一章序言 劑作為色譜介質(zhì)的可行性與有效性 以期用于生物制品的分離純化 1 2 論文結(jié)構(gòu)與內(nèi)容 論文的第二章對膜色譜的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述 簡述了膜吸附劑的分類 特 點(diǎn) 制備方法及其應(yīng)用 第三章提出了纖維色譜與纖維吸附劑的概念 采用可控相分離方法 量身定 制各種形態(tài)結(jié)構(gòu)的樹脂填充纖維吸附劑 該章工作采用不同種類的陽離子交換樹 脂為功能顆粒 聚醚砜 p e s 為纖維基質(zhì)材料 制備了表皮具有開孔結(jié)構(gòu)的樹 脂填充p e s 纖維吸附劑 研究了該類吸附劑的形態(tài)結(jié)構(gòu)以及影響纖維吸附劑形 態(tài)結(jié)構(gòu)的因素 并且以牛血清蛋白為模型物 對其進(jìn)行吸附與脫附性能的初步研 究 以便確認(rèn)纖維吸附劑作為色譜介質(zhì)是可行與有效的 第四章重點(diǎn)研究了不同形態(tài)結(jié)構(gòu)的樹脂填充p e s 纖維吸附劑與模型蛋白質(zhì)的 吸附與脫附行為 探討了纖維吸附劑形態(tài)結(jié)構(gòu) 樹脂種類與填充量 纖維尺寸等 因素對吸附劑的吸附與脫附性能的影響 得到了纖維吸附劑的等溫吸附曲線 并 與朗格繆爾吸附模型進(jìn)行了比較 另外 研究并估算了蛋白質(zhì)在纖維吸附劑中的 有效擴(kuò)散系數(shù) 提出了蛋白質(zhì)在樹脂填充纖維吸附劑中的傳質(zhì)機(jī)理 第五章對影響吸附劑吸附與脫附性能的操作因素進(jìn)行了探討 研究了b s a 溶液p h 洗脫劑p h 與離子強(qiáng)度 吸附劑的預(yù)處理與后處理 b s a 溶液流動狀 態(tài)以及吸附劑的再生等因素對蛋白質(zhì)的吸附與脫附性能的影響 為了提高纖維吸附荊的脫附率 降低聚合物基質(zhì)材料對蛋自質(zhì)的吸附 第六 章選擇乙烯 乙烯醇共聚物 e 札 為纖維基質(zhì)材料 制備了表皮具有一定開孔 度的樹脂c n p s 0 w s 填充e v a l 纖維吸附劑 研究了該類吸附劑的形態(tài)結(jié)構(gòu) 影 響其形態(tài)結(jié)構(gòu)的因素以及對牛血清蛋白的吸附與脫附性能 在該章還對制各的多 種類型吸附劑進(jìn)行了比較 并提出了進(jìn)一步研究改進(jìn)的方向 第七章對基質(zhì)材料的選擇進(jìn)行了研究 采用羥基保護(hù)的方法 對聚乙烯醇部 分縮乙醛化改性 再以所得聚乙烯醇縮乙醛為制膜材料 相轉(zhuǎn)化成膜后 在酸性 條件下 一步完成對膜的脫乙醛和戊二醛交聯(lián)處理過程 制備了改性聚乙烯醇超 濾膜 探討了聚乙烯醇縮乙醛濃度 鑄膜液溫度 凝固浴溫度和鹽含量以及添加 2 第 章序言 劑含量等因素對膜性能的影響 研究了膜的形態(tài)結(jié)構(gòu) 膜的親水性以及膜耐污染 性能 1 3 論文的創(chuàng)新點(diǎn) 1 為了克服膜色譜及顆粒填充色譜的缺點(diǎn) 提出了纖維吸附劑和纖維色譜的 概念 2 制備了離子交換樹脂與聚合物基質(zhì)材料雜化而成的多種纖維吸附劑 如樹 脂c n p 8 0 w s 填充p e s 纖維吸附劑 樹脂s p l l 2 w s 填充p e s 纖維吸附劑 樹脂 c n p 8 0 w s 填充e v a l 纖維吸附劑等 這些纖維吸附劑均具有較高的蛋白質(zhì)吸附 容量 為纖維吸附劑的研究開發(fā)提供了一條可行之路 3 利用外部液體調(diào)控相分離過程 能夠量身定制纖維的表面形態(tài)結(jié)構(gòu) 從而 制備了表面具有開孔結(jié)構(gòu)的纖維吸附劑 具有這種結(jié)構(gòu)的纖維吸附劑可以降低溶 質(zhì)的傳質(zhì)阻力 使吸附劑的吸附速率得到提高 4 選擇羥基保護(hù)的方法降低聚乙烯醇的親水性 使之容易制各成超濾膜 然 后采用一步水解交聯(lián)法邊水解邊對膜進(jìn)行交聯(lián) 使膜的親水性恢復(fù) 制備了親水 性超濾膜 為制備非特異性吸附低的纖維吸附劑提供了一條新途徑 5 分析了蛋白質(zhì)在樹脂填充纖維吸附劑中傳質(zhì)機(jī)理 提出了傳質(zhì)阻力方程 并指出吸附劑基體內(nèi)的孔擴(kuò)散與樹脂內(nèi)的孔擴(kuò)散是吸附過程中傳質(zhì)速率的控制 步驟 這對纖維吸附劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義 1 4 參考文獻(xiàn) 1 1 商振華 周良模膜親合色譜的現(xiàn)狀 發(fā)展和應(yīng)用 化學(xué)進(jìn)展 1 9 9 5 7 1 4 7 5 8 2 r a j ag h o s h p r o t e i ns e p a r a t i o nu s i n gm e m b r a n ec h r o m a t o g r a p h y o p p o r t u n i t i e s a n d c h a l l e n g e sj c h r o m a t o g r a p h ya 9 5 2 2 0 0 2 13 2 7 3 d k e i t hr o p e r e d w i n n l i g h f f o o t s e p a r a t i o no f b i o m o l e c u l e su s i n ga d s o r p t i v e m e m b r a n e s j c h r o m a t o g r a p h ya 7 0 2 1 9 9 5 3 2 6 4 c m h e f i n ec h a r c o s s e t p u r i f i c a t i o no fp r o t e i n sb ym e m b r a n ec h r o m a t o g r a p h y j c h e m t e c h n 0 1 b i o t e c h n 0 1 7 1 1 9 9 8 9 5 11 0 5 e 1 i a sk l e i n a f f m i t ym e m b r a n e s a1 0 一y e a rr e v i e wj m e m b r a n es e i e n c e1 7 9 第一章序言 2 0 0 0 1 2 7 6 j t h o m m e sa n dm r k u l a m e m b r a n ec h r o m a t o g r a p h y a n i n t e g r a t i v e c o n c e p t i nt h ed o w n s t r e a m p r o c e s s i n go f p r o t e i n sb i o t e c h n o lp r o g 1 1 1 9 9 5 3 5 7 3 6 7 4 第二章膜色譜技術(shù)進(jìn)展 第二章膜色譜技術(shù)進(jìn)展 近年來 生命科學(xué)和生物工程得到了迅速發(fā)展 分離過程占蛋白 酶 多肽 及疫苗等生物制品成本的3 0 一6 0 分離過程的成效已成為生物技術(shù)發(fā)展的一 個重要方面 一般來講 生物制品下游產(chǎn)品的純化需經(jīng)過碎片分離 初步純化與 精制等過程 精制方法包括填充床液相色譜技術(shù) 電泳技術(shù) 超臨界萃取及膜分 離技術(shù)等 以顆粒為介質(zhì)形式的填充床液相色譜技術(shù)是解決生物工程下游產(chǎn)品回 收和純化的高效方法之一 但色譜有其固有缺陷 如流速低 色譜填充料壓實(shí)結(jié) 塊 溶質(zhì)擴(kuò)散傳質(zhì)慢 柱效率低以及難以放大等 由于膜分離技術(shù)具備低溫操作 ?；钚院?設(shè)備較為簡單 處理量大 操作 方便 易于實(shí)現(xiàn)自動化等特點(diǎn) 作為生物大分子純化分離的有力工具已得到迅速 發(fā)展 尤其適用于工業(yè)規(guī)模對目標(biāo)產(chǎn)品的純化分離 然而 膜分離技術(shù)是利用膜 的孑l 徑大小對目標(biāo)物進(jìn)行分離 分離產(chǎn)物的純度相對較低 例如 采用超濾技術(shù) 分離生物大分子時 一般相對分子質(zhì)量要相差十倍以上才能有效分離 而對于那 些相對分子質(zhì)量僅相差幾倍的體系則分離效果較差 自2 0 世紀(jì)8 0 年代中期就有人試圖將膜分離和色譜這兩種技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起 來 發(fā)揮各自的長處 即選擇制備合適的膜 將對生物大分子有特異性和選擇性 的基團(tuán)連接到膜的表面及孔壁中去 從而制備一種新型的色譜介質(zhì)即膜色譜介 質(zhì) 也有人稱之為吸附膜 a d s o r p t i v em e m b r a n e 1 5 這種分離技術(shù)稱為膜色譜 m e m b r a n e c h r o m a t o g r a p h y 或稱為膜吸附劑 m e m b r a n ea d s o r b e r i 5 2 1 膜色譜的工作原理和特點(diǎn) 1 5 1 膜色譜采用具有一定孔徑的膜作為介質(zhì) 連接配基 利用膜配基與蛋白質(zhì)等 目標(biāo)分子之間的相互作用進(jìn)行分離純化 當(dāng)料液以一定流速流過膜時 目標(biāo)分子 與膜介質(zhì)表面或膜孔內(nèi)基團(tuán)特異性結(jié)合 而雜質(zhì)則透過膜孔流出 待處理結(jié)束后 再通過洗脫液將目標(biāo)分子洗脫下來 其純化倍數(shù)可達(dá)數(shù)百乃至上千倍 可見其分 離選擇性很高 膜色譜中的每一片膜都相當(dāng)于一個短而粗的吸附床層 膜厚相當(dāng) 于床層高度 當(dāng)床層體積一定時 這種結(jié)構(gòu)有利于在相同壓降下獲得更高的流速 第二章膜色譜技術(shù)進(jìn)展 從麗提高了分離速度和處理量 與液相色譜技術(shù)相比 由于在膜多孔基質(zhì)上配基與液流之間擴(kuò)散路徑極短 傳質(zhì)極快 膜色譜的分離時間顯著縮短 分離效率提高 由于膜的空隙率大 孔 表面積很大 所以膜的厚度很薄就能滿足分離要求 并且壓力降較低 由于膜的 元件都是標(biāo)準(zhǔn)的 膜色譜易于放大 便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)分離和自動操作 與普通的膜技術(shù)相比 用膜色譜分離時 由于它不單是利用膜孔的大小 更 主要的是利用吸附膜的特異性和選擇性 所以不受溶質(zhì)分子量大小的限制 原則 上講 只要選擇合適的膜 采用有效的活化手段 鍵合上能與溶質(zhì)產(chǎn)生親和相互 作用的配位基 它就可以從復(fù)雜體系 尤其是細(xì)胞培養(yǎng)液和發(fā)酵液中分離和制取 出任何一種目標(biāo)物 可見 膜色譜分離是生物大分子分離純化的有力工具 然而 在使用時也會發(fā)生 些問題 如 料液中的不溶性顆粒與類脂等物質(zhì)對膜的堵塞 與污染 從而造成膜吸附劑的功能下降 因此 應(yīng)用膜色譜技術(shù)須對料液進(jìn)行適 當(dāng)?shù)念A(yù)處理 2 2 膜色譜介質(zhì)材料及其組件 吸附膜介質(zhì)的選擇是影響膜色譜分離效果的重要因素之一 理想的膜介質(zhì)具 有以下的性質(zhì) 有大量適當(dāng)大小的孔及較窄的孔徑分布 以便偶聯(lián)盡可能多的配 基 并為配基與目標(biāo)蛋白的相互作用提供場所 對雜蛋白的吸附應(yīng)盡可能小 以 提高產(chǎn)品純度 膜介質(zhì)上應(yīng)具有羥基 環(huán)氧基等可活化的基團(tuán) 以便與配基進(jìn)行 偶合 具有一定的物理與化學(xué)穩(wěn)定性 能承受液流穿過膜孔時產(chǎn)生的剪切力 可 進(jìn)行反復(fù)的吸附 洗脫 再生 滅菌過程 所選膜材料還應(yīng)易于成膜 且來源廣 泛 成本較低 目前 常用作膜色譜介質(zhì)的材料可分為天然高分子材料與合成 高分子材料等 天然高分子材料如纖維素 殼聚糖等 與配基的結(jié)合較為方便 且具有較好 的化學(xué)穩(wěn)定性 改性纖維素膜作為親和膜色譜的基質(zhì) 其孔隙率較高 孔徑較大 1 2 t am 但結(jié)構(gòu)均一性較差 為加強(qiáng)機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性 可在偶聯(lián)配基前 先用環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)1 6 o 甲殼素 殼聚糖及其衍生物形成的多孑l 膜 可采用有 機(jī)硅 過渡金屬 酶對其進(jìn)行改性 改性后可制成特殊功能膜介質(zhì) 第二章膜色譜技術(shù)進(jìn)展 合成高分子材料如聚砜 聚酰胺等 具有優(yōu)良的成膜性能及良好的機(jī)械和熱 穩(wěn)定性 活化處理后其性質(zhì)變化不大 非常適合作為膜介質(zhì) 聚砜膜活化后可偶 聯(lián)三嗪染料或金屬離子等配基 聚酰胺微孔膜孔徑分布較窄且機(jī)械穩(wěn)定性較好 但存在非特異性吸附 而且配基偶聯(lián)密度較低 對聚酰胺膜進(jìn)行酸水解后 可增 加膜上反應(yīng)性基團(tuán)數(shù)目 并使其具有一定的親水性 經(jīng)活化后膜表面含多羥基物 質(zhì) 可減少非特異性吸附 聚乙烯膜接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯也是一種良好 的膜介質(zhì)e 4 3 聚醚砜 聚乙烯氧化物 羥乙基纖維素 p e s p e o h e c 復(fù)合膜是以p e s 和 p e o 的共混膜為基膜 在膜的表面共價連接h e c 以增加親水性基團(tuán)并便于配 基的偶聯(lián) p e s p e o h e c 膜對蛋白質(zhì)非特異性吸附很小 8 t e n n i k o v a 等 9 1 在甲 基丙烯酸縮水甘油酯一乙烯基二甲基丙烯酸酯 g m a e d m a 共聚膜上進(jìn)行低聚 物g m a 的接枝改性 可提高原來膜的機(jī)械強(qiáng)度且減少了膜的非特異性吸附 膜色譜組件是膜色譜的心臟部分 原則上講 在超濾和微孔過濾中所使用的 各種形式的膜分離組件都可用作膜色譜組件 但由于親和膜的制備涉及到膜的活 化 化學(xué)改性 間隔臂和配位基的共價結(jié)合 樣品與配基的偶聯(lián)及目標(biāo)物的洗脫 解離等過程 因此 要求它們既要耐酸 堿 各種鹽及有機(jī)溶劑 又要耐高溫消 毒和低溫操作 目前 在膜色譜中已使用的有平板式 折疊式 卷式 中空纖維 式等膜組件p 如圖1 所示 對于膜色譜組件的設(shè)計加工制作 除要求死體積小 流動性好 能耐壓 密封 盡量避免產(chǎn)生渦流及紊流外 還要考慮樣品在吸附膜 上的分配 傳遞速度要快 均勻 不產(chǎn)生泄漏 組裝 拆卸 清洗方便等因素 因此 除膜色譜組件殼體本身要精心設(shè)計制作外 還要對分配器 密封圈等作仔 細(xì)的制作和選擇 據(jù)報道 美國m i l l i p o r e 公司研制了一種小型蝶式膜色譜組件 在膜中夾有 很細(xì)的硅膠微粒 粒徑1 2 微米 它們與膜壓在一起形成帶有類似三明治夾心 的復(fù)合膜 m e m s e p 該組件的體積有1 4 m l 和1 8 m l 兩種規(guī)格 可承受約0 7 m p a 壓力 在對硅膠進(jìn)行活化并共價結(jié)合上a 蛋白后可用于免疫球蛋白i g g 的分離 這種膜色譜組件現(xiàn)已有商品出售 第二章膜色譜技術(shù)進(jìn)展 折疊式 平板式 卷式 中空纖維式 圖1 膜色譜組件類型 2 3 親和膜的制各 平板膜堆 一般在選定膜材料以后 常采用以下兩種路線制備膜色譜介質(zhì) 1 膜材料一成膜一活化一配基偶聯(lián) 該路線主要是利用現(xiàn)有商品膜 通過對 其進(jìn)行偶聯(lián)改性來獲得所需膜色譜柱 2 膜材料一活化一配基偶聯(lián)一成膜 該路線是從最簡單的膜材料入手 先制 備功能化的膜材料 再使之成膜 配基通常是指能夠與目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行可逆的和特異性結(jié)合的分子或基團(tuán) 按其 來源可分為天然配基 如凝集素 肝素 核苷酸 蛋白a 蛋白g 等 和人工 合成配基 活性染料 過渡金屬離子 人工合成肽段 烷基等 兩類 天然配基 的性能優(yōu)于人工合成配基 但其制取和提純較困難 價格昂貴且使用條件苛刻 第二章膜色譜技術(shù)進(jìn)展 故實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合分離目標(biāo)慎重考慮 按作用對象 配基又可分為特異性配基 和通用性配基 特異性配基能夠與目標(biāo)分子高度特異性結(jié)合 基本上是一一對應(yīng) 的關(guān)系 如單克隆抗體 抗原間的結(jié)合 這類配基較為昂貴且不易保存 通用性 配基則能對具有特定基團(tuán)的某一類分子進(jìn)行特異性吸附 如凝集素 糖蛋白間的 結(jié)合 這類配基的缺點(diǎn)是純化倍數(shù)不如特異性配基 配基在與載體偶聯(lián)后 才能形成具有分離作用的親和介質(zhì) 偶聯(lián)方法有兩種 一種是先將普通載體的表面活化 再將配基偶聯(lián)上去 另一種方法則是先將配基 偶聯(lián)到載體原料上 再利用偶聯(lián)后的原料制備親和載體 一般來說 前一種方法 先活化再偶聯(lián) 配基用量較少 利用率較高 應(yīng)用較廣 關(guān)于配基偶聯(lián)方法的 報道很多1 7 j 較常用的有溴化氰法 環(huán)氧乙烷法 三嗪法 羰基二瞇唑活化法 高碘酸鹽氧化法 硼氫化鈉還原法 磺酰氯法 碳二亞胺法 混合酸酐法和氟甲 基吡啶鹽法等 其中 前四種方法目前應(yīng)用最為普遍和有效 對于金屬離子螯 合膜色譜則還需在配體上螫合金屬離子e 1 0 3 在分離中金屬離子起橋梁作用 一 側(cè)與載體膜相連 另一側(cè)與生物分子配位結(jié)合 在螯合金屬離子時 金屬離子的 配位點(diǎn)既要保證能與螯臺劑形成穩(wěn)定的化合物 又要保證有剩余的位點(diǎn)留給生物 配體 這種方法制得的配體穩(wěn)定 對蛋白質(zhì)的吸附量大 吸附 脫附條件溫和 成本低 但需注意金屬離子的泄漏問題 配基可以直接固定在載體上 但由于采用這種方法偶聯(lián)的配基與目標(biāo)分子的 結(jié)合存在著一定的空間位阻 所以偶聯(lián)后配基與目標(biāo)分子的結(jié)合常數(shù)一般要降低 數(shù)倍至數(shù)十倍 這種變化對結(jié)合力較弱的親和體系有非常大的影響 為消除這種 現(xiàn)象 可在配基與載體之間引入間隔臂 以增加配基與載體之間的距離 減少空 間位阻的影響a 通常 配基與載體之間應(yīng)插入4 6 個亞甲基橋 如果配基本身是 直鏈大分子 或親和分離的目標(biāo)物質(zhì)為生物小分子 則可以不使用間隔臂 2 4 溶質(zhì)的傳質(zhì)過程 目前 關(guān)于膜色譜的傳質(zhì)機(jī)理與數(shù)學(xué)模型的研究報道逐漸增多 5 1 模型中考 慮的因素主要有對流 擴(kuò)散 吸附 脫附等 另外 孔隙率 膜厚 軸向擴(kuò)散 配基密度等因素也需考慮 第二章膜色譜技術(shù)進(jìn)展 2 4 1 顆粒填充色譜 如圖2 a 所示 顆粒填充色譜的傳質(zhì)過程是由三個步驟決定的 即顆粒 表面的膜擴(kuò)散 f i l md i f f u s i o n 顆?？紫秲?nèi)的孔擴(kuò)散 p o r ed i f f u s i o n 以及溶質(zhì) 與孔內(nèi)表面配基或其他作用點(diǎn)的結(jié)合動力學(xué) t h eb i n g i n gk i n e t i c s 一般來講 顆粒內(nèi)的孔擴(kuò)散是速率控制步驟 這主要是大分子傳遞較慢及空間位阻作用的結(jié) 果 懇 a 顆粒填充色譜 b 膜色譜 1 膜擴(kuò)散 2 一孔擴(kuò)散 3 一結(jié)合動力學(xué) 圖2 傳質(zhì)過程示意圖 1 1 2 4 2 膜色譜 如圖2 b 所示 以膜為基礎(chǔ)的傳質(zhì)過程可分成三個步驟 透過膜孔的對 流過程 c o n v e c t i o n 膜孔內(nèi)的膜擴(kuò)散 f i l m d i f f u s i o n 以及溶質(zhì)與孔內(nèi)表面配基或 其他作用點(diǎn)的結(jié)合動力學(xué) t h eb i n g i n gk i n e t i c s 但在對流過程中存在局部對流 彌散的現(xiàn)象 其中緣于膜結(jié)構(gòu)的因素有孔的不規(guī)則性 彎曲性以及孔徑的分布等 對流彌散是造成膜色譜分離效率較低的主要原因 與顆粒填充色譜相比 主要差別在于溶質(zhì)與基體的作用不是發(fā)生在顆粒的死 端孔內(nèi) 而是在膜的通孔內(nèi) 發(fā)生在死端孔內(nèi)的傳質(zhì)是通過擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的 而在 彳 l 第二章膜色譜技術(shù)進(jìn)展 通孔內(nèi)的傳質(zhì)是通過對流來實(shí)現(xiàn)的 由于消除了孔內(nèi)擴(kuò)散 使用膜吸附劑減少了 溶質(zhì)進(jìn)入基體內(nèi)的傳質(zhì)阻力 只剩下膜孔內(nèi)膜擴(kuò)散作為唯一的傳遞阻力 通常 由于膜擴(kuò)散比孔擴(kuò)散快幾個數(shù)量級 所以在膜吸附劑中的傳質(zhì)阻力顯著地減少 根據(jù)膜吸附劑的傳質(zhì)機(jī)理 溶質(zhì)的傳遞可分為對流部分與擴(kuò)散部分 對流部 分是在泵壓下使液體通過膜介質(zhì)產(chǎn)生的 而擴(kuò)散部分則為溶質(zhì)傳遞到基體的膜擴(kuò) 散以及在基體內(nèi)的孔擴(kuò)散過程 溶質(zhì)與基質(zhì)的作用通常由配基與溶質(zhì)的結(jié)合動力 學(xué)來描述 將以上的考慮應(yīng)用于膜吸附劑傳質(zhì)模型研究 須假設(shè)膜孔為規(guī)則的圓柱體形 狀 并且在圓柱孔內(nèi) 溶質(zhì)濃度均勻地自由分布 不存在本體與吸附面之間的傳 質(zhì)阻力 k u l am r 掣 提出了一個連續(xù)性方程 用于表達(dá)溶質(zhì)在膜吸附劑的傳 質(zhì)過程 警十 魯十紐r o t 一玩磐m i 十 i 十一口s 蠆 式中等代表對流項(xiàng) 見 窘代表擴(kuò)散傳遞項(xiàng) 魯代表配基與溶質(zhì)之間的吸 附相互作用項(xiàng) 對于膜色譜傳質(zhì)過程 孔擴(kuò)散可以省略 擴(kuò)散項(xiàng)可以用軸向彌散項(xiàng)來代替 另外 還需在方程中增加溶質(zhì)對除配基外的基體吸附項(xiàng) 總之 膜吸附劑傳質(zhì)機(jī) 理的研究需要在模型研究和實(shí)驗(yàn)印證兩個方面進(jìn)一步探索 2 5 膜色譜分類及其進(jìn)展 根據(jù)配基與目標(biāo)分子的相互作用方式 膜色譜可分為四類 親和膜色譜 離子交換膜色譜 疏水作用膜色譜 多級膜色譜 膜色譜可應(yīng)用于以下幾個方面 1 蛋白質(zhì) 病毒 基因等生物活性物質(zhì)的分離純化 如白細(xì)胞介素一2 干 擾素 胰蛋白酶 溶菌酶 甲酸脫氫酶 t 球蛋白 糖蛋白 血清白蛋白 免疫球蛋白 羧肽酶 核糖核酸 單克隆抗體 2 中藥有效成份的提純 3 含生物活性物質(zhì)的除雜 澄清過濾 第二章膜色譜技術(shù)進(jìn)展 4 血液凈化 5 無病毒 無熱原水的制備 6 超純水的制備 2 5 1 親和膜色譜 a f f i m 哆m e m b r a n ec h r o m a t o g r a p h y a m c 親和膜色譜的分離原理與親和色譜基本相同 主要是基于待分離物質(zhì)和鍵 合在膜上的親和配位基之間的生物特異性相互作用 人們形象地將此相互作用比 喻為鎖和鑰匙之間的對應(yīng)關(guān)系 如圖3 所示 當(dāng)樣品溶液順著膜表面流過 能與 膜的配基產(chǎn)生親和作用的分子被截留 滯留在膜上 然后再通過洗脫液將目標(biāo)物 從膜上解離出來 從而達(dá)到與其他物質(zhì)分離的目標(biāo) 這種分離方式的優(yōu)點(diǎn)是膜具 有雙重分離功能 不僅目標(biāo)生物大分子可以和其他分子獲得分離 而且同時可去 除部分溶劑 達(dá)到濃縮目的 l 料液 國 盛耋 毋 一 國 配位基 圖3 親和膜分離原理 蛋白質(zhì)親和分離中常用的作用體系有抗原一單克隆抗體 激素 受體蛋白 核 酸 核酸結(jié)合蛋白 酶一底物 產(chǎn)物 抑制劑 輔酶 免疫球蛋白 蛋白a 蛋白 g 蛋白質(zhì) 肝素 活性染料 過渡金屬離子 肽段等 美國p a l l 公司對聚酰胺微孔濾膜 孔徑o 2 微米 進(jìn)行化學(xué)改性 在膜上鍵 合了含氨基的活性染料配基 并制備了單克隆或多克隆兔抗鼠i g g 免疫球蛋白 i i m i l l i p o r e 公司己研制成功含蛋白a 的中空纖維膜分離器 可用作單克隆抗 體的純化 j m i l l i p o r e 公司研究表明 在一個膜體積為3 5 毫升的分離器上 將 第二章膜色譜技術(shù)進(jìn)展 細(xì)胞培養(yǎng)上清液在低流速下負(fù)荷 1 5 分鐘可獲得8 0 毫克提純的單克隆抗體 比 同樣體積的瓊脂親合色譜柱生產(chǎn)能力要高1 0 0 倍以上 a m e r a c e 公司研制了一種 聚乙烯醇和硅膠共混的親和膜 在直徑為4 7 毫米的碟式膜上可結(jié)合2 0 毫克的牛 血清蛋白i l l 陳歡林等 0 1 采用低溫氧或氨等離子體法改性聚丙烯中空纖維微孔膜 使膜 表面產(chǎn)生了 o h c o o h 和c o 等極性基團(tuán) 制備了f e n i c u z n 等金屬離子螯 合親和膜 用于溶菌酶的分離 發(fā)現(xiàn)螯合膜對溶菌酶有較高的吸附量 其中制成 的c u 2 螯合膜對溶菌酶的平衡吸附量為8 1 t g e m 2 p l a t o n o v a 等n 2 1 以特制的肽段為配基 經(jīng)環(huán)氧基團(tuán)活化 將配基的氨基端偶 聯(lián)在g m a e d m a 基質(zhì)膜上 獲得了免疫親和膜介質(zhì) 由于采用與抗原結(jié)合位 點(diǎn)結(jié)構(gòu)相同的肽段代替了傳統(tǒng)的蛋白配基 抗原 成本大為降低 可以有效地 從血清中鑒定和分離免疫球蛋白抗體 所用十五肽和十六肽配基的飽和吸附量可 達(dá)o 4 2 m g m l 和1 5 m g m l z e n g 等 3 以大孔甲殼素膜作為膜基質(zhì) 分離小麥細(xì)菌凝集素 其機(jī)械性能 和通透性較好 而且由于膜表面有大量的n 一乙?；?d 氨基葡萄糖殘基 無需 進(jìn)一步修飾即可用于蛋白質(zhì)純化 最終產(chǎn)品的純度 9 9 和產(chǎn)量 5 0 m g 1 0 0