第6章 膜亲和过滤
大学功能高分子材料经典课件——高聚物膜
高聚物膜
（纳米）
10000
各种膜的分离特性
微滤
悬浮颗粒
超滤 纳滤 反渗透
大分子有机物
糖类等小分子有机物，二价盐 或多价盐 单价盐
水
膜的分类
按孔径大小：微滤膜、超滤膜、反渗透膜、纳滤膜 按膜结构：对称性膜、不对称膜、复合膜 按材料分：合成有机聚合物膜、无机材料膜
膜材料的特性
基本要求： – 耐压：膜孔小，要保持高通量就必须施加较高
（美国，明尼苏达）
纳滤的应用
行业 制药工业
食品工业
处理对象
母液中有效成分的回收 抗菌素的分离纯化 维生素的分离纯化
氨基酸的脱盐与纯化 乳清脱盐与浓缩 苛性碱回收
染料工业 活性染料的脱盐与回收
行业 化工行业
纯水制备 废水处理
处理对象 酸碱纯化、回收 电镀液中铜的回收
超高纯水 水的脱盐 地下水的净化 印染厂废水脱色 造纸厂废水净化
粒子
体粒子
溶质分子按大小 压力差（0.1-1MPa M＝500～
筛分并精制
）
30万
水的分离与溶质 膜对水的选择透过 低分子、无
的浓缩
性及压力差（0.02 机离子
～0.1MPa）
反渗透
0.1 1.0
超滤
10
氢 无机离子 高分子 离 低分子 胶体 子 有机物 病毒
微滤
100
1000
细菌 悬浊物 微细油珠
超滤膜：用于分子量为500至100万之间的分级。
膜材料有醋酸纤维素，聚酰亚胺，聚丙烯腈，聚醋 酸乙烯，丙烯酸盐与氯乙烯 共聚物等。
反渗透膜：醋酸纤维素膜、芳香族聚酰胺、聚苯并味 唑、磺化聚苯撑氧、聚酰胺羧酸、聚乙烯亚胺、聚甲 苯二异氰酸脂、氰乙基化聚乙烯亚胺。
膜的亲和过滤
两个分支： 两个分支：
①亲和膜分离技术，制备带有亲和配基的分 亲和膜分离技术，制备带有亲和配基的分 离膜，直接进行产物分离； 离膜，直接进行产物分离； ②亲和—错流膜过滤，将水溶性或非水溶性 亲和—错流膜过滤， 高分子亲和载体与产物进行特异反应 亲和载体与产物进行特异反应， 高分子亲和载体与产物进行特异反应，然 后用膜进行错流过滤。 后用膜进行错流过滤。
第七章 膜亲和过滤法
本章的主要内容： 本章的主要内容： 亲和膜分离技术 亲和— 亲和—错流膜过滤
概述
随着生物工程和生命科学的迅速发展， 随着生物工程和生命科学的迅速发展，对生 物大分子分离纯化的要求越来越苛刻。 物大分子分离纯化的要求越来越苛刻。为获 高纯度、高质量、低成本的生物产品 的生物产品， 得高纯度、高质量、低成本的生物产品，突 破传统的分离方法， 破传统的分离方法，寻找一种既经济又有效 的新型分离途径已成为迫切需要。 的新型分离途径已成为迫切需要。 膜亲和过滤法是一项新兴的技术，兼有膜分 膜亲和过滤法是一项新兴的技术，兼有膜分 是一项新兴的技术 亲和色谱的优点 的优点， 离和亲和色谱的优点，可有效地进行生物产 品的分离和纯化。 品的分离和纯化。
亲和膜按形状可分为板式、圆盘式、 亲和膜按形状可分为板式、圆盘式、中空 板式 纤维式。 纤维式。 其中前两种统称为平板亲和膜。平板亲和 其中前两种统称为平板亲和膜。 膜可将膜片一层层叠加起来， 膜可将膜片一层层叠加起来，组成膜堆或 膜柱， 优点是自上而下比较均一 是自上而下比较均一， 膜柱，其优点是自上而下比较均一，结构 简单，成本低，缺点是单位体积内所占的 简单，成本低，缺点是单位体积内所占的 膜面积小，放大时操作压降较大。 膜面积小，放大时操作压降较大。
在传统的研究中，膜分离和亲和分离是两个平行 在传统的研究中， 发展的研究方向， 发展的研究方向，在生物分子的分离和纯化方面 各具特色，但也存在着一些不可克服的技术缺陷。 各具特色，但也存在着一些不可克服的技术缺陷。 膜分离过程设备简单，易于放大，成本低， 膜分离过程设备简单，易于放大，成本低，分离 速度快，可连续操作； 速度快，可连续操作；而亲和分离的选择性和特 异性较强。 异性较强。由膜与亲和分离相结合的亲和膜分离 技术，可发挥两者的特色，具有处理量大、选择 技术，可发挥两者的特色，具有处理量大、 性强、 性强、易于放大等显著优点。
膜亲和过滤法
第七章膜亲和过滤法亲和分离技术被认为是解决生物工程下游产品回收和纯化的高效方法。
亲和分配、亲和沉淀、亲和色谱等技术正在迅速发展，其中亲和色谱已成为色谱领域中的一个重要分支，它的选择性和特异性极强，是其他技术无法比拟的，但填充亲和色谱柱技术在发展中遇到某些固有限制，如流速低、填充颗粒的压缩、扩散传递慢，故造成柱效率不高并且不易大规模应用7.1 亲和膜分离技术●亲和膜分离首要的是研制出一种有效地用于生物大分子纯化分离的“亲和膜”（Affinity Membrane，简称AM）。
●制备亲和膜的关键是要选择合适的膜材料，并对膜进行表面化学改性●有人称：“膜表面改性技术领导膜进入90年代”；“未来的十年将是产生新的更为先进的第三、第四代膜的时代”。
7.1.1 基本过程和操作方式亲和膜的分离操作方式①亲和超滤过程②微孔亲和膜过滤过程亲和膜组件的形式有板式、圆盘式、中空纤维式等7.1.2 基本理论●由于亲和膜分离过程非常复杂，故到目前为止真正基于物理-化学-生物特异性相互作用的理论关系式还未建立，最初基于配基-蛋白质相互作用的吸附—解离平衡过程所提出的亲和模型有一定的局限性●有人用对流、扩散和Langmuir吸附理论对亲和膜分离过程作了数学分析，推导了蛋白质和配基之间形成的络合物浓度与蛋白质浓度和配基浓度之间的关系式7.1.3 基质材料●亲和膜分离技术要得到发展并获得应用的必要前提之一，是要制备出能对生物活性物质如蛋白质、酶等能有效地进行固载化的基质膜材料。
●在亲和分离中使用的基质材料有纤维素及其衍生物，聚酰胺（PA）及其衍生物，聚丙烯酰胺及其衍生物，羟乙基甲基丙烯酸酯，感动羟甲基酰胺、聚砜等●可通过活化或改性等手段与蛋白相结合或固载上酶组成亲和膜●聚乙烯醇、聚丙烯酸环氧烷等也有可能成为亲和膜材料，甚至某些无机材料，如大孔硅胶，氧化铝等，也能制成亲和膜或作为添加剂7.2 亲和膜分离技术的应用IgG的亲和膜分离过程举例①起始膜材料的选择动物细胞的尺寸大于10μm蛋白质的尺寸一般都小于0.01μm故选用0.65μm的微孔膜来载留细胞而透过蛋白质②膜的表面处理聚砜类的微孔膜表面改性使之亲水化羟基转化为活泼基团(表氯醇法活化羟基)③接配基反应方法有溴化氰活化法、高碘酸氧化法和表氯醇法7.3 亲和-膜过滤●亲和膜过滤又称亲和过滤（Affinity Filtration）或亲和超滤（Affinity Cross-Flow Filration简称ACFF），是1981年由Hedda等人首先提出并得到迅速发展的一中新型大规模分离纯化技术。
生物工程下游技术作业及答案
生物工程下游技术作业及答案第三章1 凝聚:是指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。
2 絮凝：是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成絮凝团的过程。
3 为有利于发酵液过滤可采用哪些方法来改变发酵液过滤特性？其简要机理如何？答：可通过以下几个方式：（1）降低液体粘度(加水稀释法和加热法)；（2）调节pH；（3）凝聚与絮凝；（4）加入助滤剂；（5）加入反应剂。
4 杂蛋白是发酵液中主要杂质，常用的除去方法有哪些？答：沉淀法；变性法；吸附法。
第四章1 细胞破碎：是指选用物理、化学、酶或机械的方法来破坏细胞壁或细胞膜。
2 细胞破碎有哪些方法？简述他们的基本原理。
答：固体剪切法；液体剪切法；超声波法；其他方法。
3 高压匀浆法与球磨法比较？答：1、高压匀浆法操作参数少，易于确定，适于大规模操作，而球磨法操作参数多，一般凭经验估计，在大规模操作中，夹套冷却控温难度较大。
2、球磨机连续操作时兼具破碎和冷却双重功能，减少了产物失活的可能性，而高压匀浆机需配备换热器进行级间冷却。
3、球磨法破碎在适当条件下一次操作即可达到较高的破损率，而高压匀浆法往往需循环2-4次才行。
4、球磨机适合于各种微生物细胞的破碎，而高压匀浆机不适合丝状真菌及含有包含体的基因工程菌。
第六章1浓差极化：是指当溶剂透过膜，而溶质留在膜上，因而使膜面浓度增大，并高于主体中浓度的现象。
2 膜的污染：随着操作时间的增加，膜透过流速的迅速下降，溶质的截留率也明显下降，这一现象被称为膜的污染。
3 简要说明各种膜（超滤膜、微孔过滤膜和纳米过滤膜）的特点及用途？答：超滤膜：能截留相对分子质量500以上的高分子的膜，应用于大分子产品，主要是酶及蛋白类产品。
微孔过滤膜：主要用于分离流体中尺寸为0.1-10µm的微生物和微粒子，以达到净化、分离和浓缩的目的。
主要用于无菌液体的生产，反渗透及超过滤的前处理。
《生化分离工程》思考题及答案
《生化分离工程》思量题及答案第一章绪论1、何为生化分离技术？其主要研究那些内容？生化分离技术是指从动植物组织培养液和微生物发酵液中分离、纯化生物产品的过程中所采用的方法和手段的总称。
2、生化分离的普通步骤包括哪些环节及技术？普通说来，生化分离过程主要包括 4 个方面：①原料液的预处理和固液分离，常用加热、调 PH、凝结和絮凝等方法；②初步纯化(提取)，常用沉淀、吸附、萃取、超滤等单元操作；③高度纯化(精制)，常选用色谱分离技术；④成品加工，有浓缩、结晶和干燥等技术。
3、生化分离工程有那些特点，及其重要性？特点： 1、目的产物在初始物料(发酵液)中的含量低； 2、培养液是多组分的混合物，除少量产物外，还有大量的细胞及碎片、其他代谢物(几百上千种)、培养基成份、无机盐等； 3、生化产物的稳定性低，易变质、易失活、易变性，对温度、pH 值、重金属离子、有机溶剂、剪切力、表面张力等非常敏感； 4、对最终产品的质量要求高重要性：生物技术产品普通存在于一个复杂的多相体系中。
惟有经过分离和纯化等下游加工过程，才干制得符合使用要求的产品。
因此产品的分离纯化是生物技术工业化的必需手段。
在生物产品的开发研究中，分离过程的费用占全部研究费用的 50％以上；在产品的成本构成中，分离与纯化部份占总成本的 40~80％；精细、药用产品的比例更高达 70~90％。
显然开辟新的分离和纯化工艺是提高经济效益或者减少投资的重要途径。
5、为何生物技术领域中往往浮现“丰产不丰收”的现象？第二章预处理、过滤和细胞破碎1、发酵液预处理的目的是什么？主要有那几种方法？目的：改变发酵液的物理性质，加快悬浮液中固形物沉降的速率；出去大部份可溶性杂质，并尽可能使产物转入便于以后处理的相中(多数是液相)，以便于固液分离及后提取工序的顺利进行。
：①加热法。
升高温度可有效降低液体粘度，从而提高过滤速率，常用于粘度随温度变化较大的流体。
控制适当温度和受热时间，能使蛋白质凝结形成较大颗粒，进一步改善发酵液的过滤特性。
第6章气固、液固传质分离过程
II型 和 IV型 等温线
nad
II
B p/p0
IV
B p/p0
多层吸附 (从点 B开始) 对无孔材料比较适用
在低压下类似于 II 型 在高压下发生孔内冷凝
第6章气固、液固传质分离过程
nad
III型 和 V型 等温线
nad
III p/p0
V p/p0
吸附质之间具有强相互 作用, 比如当水分子吸附 到疏水性活性炭上时
(2) Langmuir-Freundlich方程的扩展式
Langmuir方程扩展式和Langmuir-Freundlich方程 的扩展式缺乏热力学一致性，故理论依据不充分， 只具有半经验性质，但应用起来比较简便。
第6章气固、液固传质分离过程
吸附过程的传质
一、 吸附机理
吸附质在吸附剂的多孔表面上的吸附过程分四步：
第六章 气固、液固传质分离过程
主要内容及要求：
1.学习并掌握吸附的基本原理、吸附平衡、吸 附动力学、吸附过程及设备。
2.结晶过程的热力学和动力学基础，吸附、结 晶设备及流程。
3.了解膜分离的基本原理、过程分类、膜和膜 组件的类型以及膜分离技术的应用。
第6章气固、液固传质分离过程
6.1 吸附分离过程 6.1.1 吸附过程基础 6.1.2 吸附分离过程与技术
（3）物理吸附的吸附质分子可通过降低压力的方法 解吸，而化学吸附的吸附质分子的解吸要困难得多， 往往是不可逆的；
（4）物理吸附可以是单分子层吸附也可以是多分子 层吸附，而化学吸附通常只是单分子层吸附，某些情 况下，化学吸附单分子层上还可能发生物理吸附；
（5）物理吸附瞬时发生，而化学吸附一般需要达到 一定的活化能后才发生。
吸附平衡关系通常用等温下吸附剂上吸 附质的含量与流体相中吸附质的浓度或分压 间的关系表示（吸附等温线）。
[理学]膜的亲和过滤
![[理学]膜的亲和过滤](https://img.taocdn.com/s3/m/10af3a6e8bd63186bdebbc10.png)
➢ 在传统的研究中，膜分离和亲和分离是两个平行 发展的研究方向，在生物分子的分离和纯化方面 各具特色，但也存在着一些不可克服的技术缺陷。 膜分离过程设备简单，易于放大，成本低，分离 速度快，可连续操作；而亲和分离的选择性和特 异性较强。由膜与亲和分离相结合的亲和膜分离 技术，可发挥两者的特色，具有处理量大、选择 性强、易于放大等显著优点。
亲和- 膜过滤技术既充分利用了载体上的配基对目标 组分的专一的可逆的亲和吸附作用和超滤膜分离易于
实现大规模生产的优点，又克服了超滤膜分离技术
对分子质量相近的大分子无法实现分离的缺点，在生 物工程下游产品纯化过程中具有广阔的应用前景。
亲和—膜过滤过程及其关键问题
亲和载体：亲和载体的结构包括一个由对生物 分子无特异吸附性的物质组成的内核以及内核 表面上连接的某些特定基团，这些基团必须对 所提取的蛋白质有一定的特异吸附性。
7.1.5 亲和膜分离技术的应用
将水解后的尼龙66微孔膜用二溴丙烷活化，接上 己二胺作间隔臂，再用戊二醛法固载上组氨酸， 制得的亲和膜可成功地去除氨基酸注射液、牛血 清蛋白、溶菌酶等医药制剂中的内毒素，去除率 在90％以上；
采用酰化一胺化和氯甲基化一胺化等途径对聚砜 膜进行改性，在芳环上引入末端氨基，制得的亲 和超滤膜已被用于胰蛋白酶的固载化和对其抑制 剂的亲和分离。
②孙彦等研究了脂质体的制备，并利用对氨基苯甲 脒修饰的脂质体有效地纯化了胰蛋白酶。
亲和膜过滤纯化伴刀豆蛋白A的实验装置
热杀死酵母 细胞作为载体
截断相对分子量 106
随着生物医药工业的发展,生物医药的分离纯 化成为一个研究热点,亲和-超滤膜分离技术 在手性药物、抗生素等的分离与纯化方面得 到了一定程度的应用。
例如：以D-丙氨酰-丙胺酸为配基连接到水溶 性的聚合物葡聚糖上,将其作为亲和载体来分 离糖肽抗生素-万古霉素。
膜亲和过滤标准文档ppt
亲和载体的制备
1.先于载体粒子上嫁接间隔臂后， 再共价结合亲和配基；
2.间隔臂与亲和配基共价结合后， 与载体粒子相连。
3.3分离过程
（1）亲和载体与蛋白质→复合体 这一技术是生物化学、化学工程和生物工程等多门学科的前沿交叉点，它将亲和层析和膜过滤特别是超滤技术有机地结合起来，兼有
3.1 原理
3 亲和－膜过滤
亲和-膜过滤又称亲和过滤或亲和错流过滤 (Affinity Cross-Flow Filtration),是一种新型大 规模分离纯化技术。这一技术是生物化学、化学工程和 生物工程等多门学科的前沿交叉点，它将亲和层析和膜 过滤特别是超滤技术有机地结合起来，兼有亲和层析和 膜过滤的优点，从而成为目前研究的热点。
2 亲和膜分离技术
2.1 原理
亲和膜分离是利用亲和配基 修饰的微滤膜为亲和吸附介 质亲和纯化目标蛋白质，是 亲和层析的变型，又叫膜亲 和层析。
2.2 特点
传质阻力小、压力小、配基 利用率高、流速快
亲和膜分离原理
2.3 亲和膜分离过程
（1） 分离膜的改性－一个间隔臂(Spacer), ≥3C （2 ）亲和膜制备－一个适合的亲和配基(Ligand) （3 ）亲和络合 －配基和配位物(Ligate)为一体的复 合物(Complex) （4 ）洗脱－改变条件，如洗脱液的组成、pH值、离 子强度、温度等，使复合物产生解离,并将解离物收 集起来，进一步处理。 （5 ）亲和膜再生－将解离后的亲和膜进行洗涤、再 生、平衡，以备下次分离操作时再用。
第章膜亲和过滤
1.生物亲和作用
1.1亲和作用的本质
具有亲和作用的分子对具有“钥匙”和“锁孔”的关 系，在结构互补的部位通过静电作用、氢键、疏水相 互作用、配位键、弱共价键相互结合。
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2.5 亲和膜分离技术的应用
一些亲和膜的特征和应用
举例：IgG的亲和膜分离
1.起始膜材料的选择：细胞的尺寸大于10μm，蛋白质小于 0.01μm－选择中空纤维微滤膜 2.膜表面的预处理：聚砜类微孔膜表面改性亲水化（－OH） 3.接配基反应－表氯醇法活化羟基，将配基L－NH2偶联在膜上 4.膜分离 a.细胞培养液IgG单抗液（pH8.0）引入膜中错流过滤 b. PBS 淋洗杂质 c.洗脱－pH3.5 PBS d.膜再生－p离是利用亲和配基 修饰的微滤膜为亲和吸附介 质亲和纯化目标蛋白质，是 亲和层析的变型，又叫膜亲 和层析。
2.2 特点 传质阻力小、压力小、配基 利用率高、流速快
亲和膜分离原理
2.3 亲和膜分离过程
（1） 分离膜的改性－一个间隔臂(Spacer), ≥3C （2 ）亲和膜制备－一个适合的亲和配基(Ligand) （3 ）亲和络合 －配基和配位物(Ligate)为一体的复 合物(Complex) （4 ）洗脱－改变条件，如洗脱液的组成、pH值、离 子强度、温度等，使复合物产生解离,并将解离物收 集起来，进一步处理。 （5 ）亲和膜再生－将解离后的亲和膜进行洗涤、再 生、平衡，以备下次分离操作时再用。
1
2
3
4
5
2.4 亲和膜对膜材料的要求
（1 ）膜表面要有足够多并可利用的化学基团(一般为-OH，NH2，－SH或－COOH基)，使其能进行活化，接上合适的间隔 臂和配基。 （2 ）要有足够数量可利用的化学基团则必需有足够高的表面积， 要便于让生物大分子自由地出入膜，必需有足够大的孔径。 （3 ）孔分布应窄而均匀，以获得高的通透量和分离效能。 （4） 为了实现快速分离，常要加压操作，因此要求膜有一定 的机械强度，能承受一定的压力，长期使用不变形。 （5 ）亲和膜要耐酸、耐碱、耐高浓度的缓冲液和有机溶剂。 常见的有：葡聚糖、琼脂糖、纤维素、聚丙烯酰胺、聚羟乙基 甲基丙烯酸酯、多孔玻璃和硅胶等
3.2.2亲和载体的制备
1.先于载体粒子上嫁接间隔臂后， 再共价结合亲和配基； 2.间隔臂与亲和配基共价结合后， 与载体粒子相连。
3.3分离过程
（1）亲和载体与蛋白质→复合体
（2）膜分离－蛋白质复合体被截留，杂蛋白随液 体透过膜 （3）复合体中蛋白质释放－改变缓冲溶液 （4）膜分离－亲和载体被截留，目标蛋白透过膜 （5）亲和载体的再生
3.2 亲和载体
内核 生物分子无特异吸附性 对所提取的蛋白质有 一定的特异吸附性
3.2.1亲和 载体结构
特定基团
载体的内核的类型 1.水溶性的大相对分子质量聚合物：载体与分离 对象的结合更为有效并更为迅速，表面基团在与 蛋白结合时，消除了空间障碍，大大提高了过程 速率。 2.非水溶性的粒子：粒子具有尽量大的表面积， 也就是说要求粒子的直径尽可能小。
1.3 膜分离技术具有高效快捷、操作方便、易于自动化 等特点，适合工业大规模生产，但单独使用膜分离， 难以达到较好的分离效果。 1.4 膜亲和过滤技术 就是将膜分离技术与亲和分离有机结合，发挥各 自长处的重要分离手段，它包括两项技术： ①亲和膜分离技术，制备带有亲和配基的分离膜，直 接进行产物分离; ②亲和－错流膜过滤，将水溶性或非水溶性高分子亲 和载体与产物进行特异反应，然后用膜进行错流过滤。
亲和－错流过滤流程总图
3.3 亲和-膜过滤的应用
• 亲和-膜过滤纯化伴刀豆蛋白A的实验装置
分子量102k,截断1000k
4-6章复习题
• • • • • 1.简述各种膜分离方法的原理及应用 2.超滤膜的截留率与回收率、浓缩倍数的关系 3.膜组件种类及特点 4.亲和膜分离技术与亲和膜过滤的区别 5.纳滤的原理及特点
3 亲和－膜过滤
3.1 原理 亲和-膜过滤又称亲和过滤或亲和错流过滤 (Affinity Cross-Flow Filtration),是一种新型大 规模分离纯化技术。这一技术是生物化学、化学工程和 生物工程等多门学科的前沿交叉点，它将亲和层析和膜 过滤特别是超滤技术有机地结合起来，兼有亲和层析和 膜过滤的优点，从而成为目前研究的热点。
6 膜亲和过滤法
亲和膜分离技术
亲和膜过滤
1.生物亲和作用
1.1亲和作用的本质
具有亲和作用的分子对具有“钥匙”和“锁孔”的关 系，在结构互补的部位通过静电作用、氢键、疏水相 互作用、配位键、弱共价键相互结合。
1.2亲和分离技术 被认为是解决生物工程下游产品回收和纯化的高效方 法。主要有亲和分配、亲和沉淀、亲和色谱等技术正 在迅速发展，其中亲和色谱已成为色谱领域中的一个 重要分支，它的选择性和特异性极强，是其他技术无 法比拟的。 亲和色谱的不足：流速低、扩散传递慢，不易大规模 应用。