死端微滤过程中蛋白质对PVDF膜的污染机理研究_周跃男

死端微滤过程中蛋白质对PVDF膜的污染机理研究周跃男1，王湛1，赵国斌2，赵小川3（1.北京工业大学环境与能源工程学院，北京100124；2.吉林省药品检验所，吉林长春130033；3.天津市武清区新闻中心，天津301700）摘要：微滤技术已广泛应用于食品工业、生物制药和污水处理等行业，但在微滤过程中，蛋白质对膜的污染是导致膜分离效率降低和通量下降的关键所在。本研究通过改变溶液浓度、跨膜压差来研究蛋白质溶液在死端微滤过程中对膜的污染，并对膜污染机理进行了初步探索。实验结果表明，本实验条件下，过滤过程中蛋白质聚集体在膜表面的堆积形成滤饼是造成膜污染的关键因素，通过非线性回归分析，得出最优模型为滤饼过滤模型。关键词：微滤；蛋白质；膜污染；滤饼过滤模型StudyonFoulingMechanismofPVDFMembraneunderDead-endMicrofiltrationofBSAZHOUYue-nan1，WANGZhan1，ZHAOGuo-bin2，ZHAOXiao-chuan3（1.CollegeofEnvironmentalandEnergyEngineering，BeijingUniversityofTechnology，Beijing100124，China；2.JilinInstituteforDrugControl，Changchun130033，Jilin，China；3.TianjinWuqingNewsCenter，Tianjin301700，China）Abstract：Microfiltrationtechnologyiswidelyappliedinthefoodindustry、biopharmaceutical，sewagetreatmentandsoon.However，thekeytodeclineofmembraneseparationefficiencyandmembranefluxismembranefoulingbyprotein.ThestudyonthefoulingofPVDFmembraneunderdead-endmicrofiltrationofBSAbyalteringsolutionconcentrationsandTMPswasconducted，andthemembranefoulingmechanismwasexplored.Theexperimentresultsindicatedthattheaccumulationofproteinaggregatesonthemembranesurfacewasthecriticalfactortomembranefoulingunderourexperimentalconditions.Meantime，theoptimummodelwascakefiltrationmodelbynonlinearregressionanalysis.Keywords：microfiltration；protein；membranefouling；cakefiltrationmodel作者简介：周跃男（1985—），女（汉），博士研究生，从事膜分离研究。食品研究与开发FoodResearchAndDevelopment2015年3月第36卷第6期基础研究DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.06.005微滤技术已广泛应用于食品工业、生物制药和污水处理等行业中[1-2]。在这些领域中，经常涉及的是含蛋白质溶液的微滤[3]。但在微滤过程中，蛋白质对膜的污染是导致膜分离效率降低和通量下降的关键所在。目前，膜污染的机理已得到大量充分的研究，一般认为膜污染是由于蛋白质分子的吸附或蛋白质聚集物的沉积造成的膜孔缩小、膜孔堵塞或者膜表面上滤饼的形成[4]。而在蛋白质过滤过程中，用来描述通量下降与过滤时间的关系的经典模型包括：孔缩小模型、中间孔堵塞模型、完全孔堵塞模型和滤饼过滤模型[5-8]。Bowen[8]研究0.22μm氧化铝微滤膜过滤BSA溶液，发现过滤通量急剧下降，符合中间孔堵塞模型，且搅拌速度对膜的滤速-时间曲线基本没影响。S.T.Kellyetal[9]在研究BSA的微滤过程中发现，蛋白质对膜的污染主要是蛋白质聚集体在膜表面的堆积形成滤饼而造成的。在大量研究工作者研究的基础上，采用牛血清白蛋白（BSA）作为模拟蛋白质，进行了死端微滤过程中蛋白质对0.1μmPVDF平板膜的污染机理研究，探索了跨膜压差、溶液浓度对膜污染的影响，同时用孔缩小模型、中间孔堵塞模型、完全孔堵塞模型和滤饼过滤模型这四种机理模型对实验数据进行拟合，得出在本实验条件下最合理的污染模型，从而得出适合本研19图2不同浓度下下归一化通量随时间的变化