单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,0,18 十一月 2024,1,膜分离技术 工程技术资料3,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,:,