静电相互作用对荷电超滤过程中带电小分子清除的影响_王来欢

静电相互作用对荷电超滤过程中带电小分子清除的影响王来欢,邵嘉慧＊,何义亮(上海交通大学环境科学与工程学院,上海200240)摘要:研究了不同荷电量小分子(分子量为1kD左右)通过表面带同种电荷但荷电量不同的超滤膜(截留分子量为10kD)时的行为.实验结果表明,荷电超滤膜对带电小分子的截留作用与超滤膜荷电量、小分子带电量以及溶液离子强度密切相关.低离子强度条件下,荷电超滤膜对高荷电小分子的截留率很高,这主要是静电相互作用的结果.随着离子强度的增加,静电屏蔽作用增强,荷电超滤膜对带电小分子的截留作用也相应减小.结果还表明,表观透过率的实验值与基于滞膜模型的理论计算值有较好的吻合.关键词:静电相互作用;超滤;全过滤;透过率;杂质去除中图分类号:TQ028.8文献标识码:A文章编号:1007-8924(2009)02-0060-05传统超滤是在压力驱动作用下的一种膜分离过程,其孔径大小通常为1～50nm,界于纳滤和微滤之间,除了大规模应用于水处理、环境工程、化工过程等领域外,还广泛应用于生物工程的各下游过程,如蛋白质浓缩、纯化,缓冲溶液的置换和脱盐以及病毒的清除.重组蛋白质、血液成分、天然蛋白产品和工业酶等一些产品中的微小杂质,例如各种缓冲成分、抗生素(用于减少细胞培养时的细菌污染)、氨基酸、表面活性剂和抗泡沫药剂、聚合缩氨酸、有机酸、脂肪酸和低聚糖等,也常用超滤来去除[1].随着超滤技术的发展,国内外很多学者着手研究荷电超滤膜应用于蛋白质的分离和纯化,实验发现,荷电蛋白质和荷电膜之间的静电相互作用对产品截留和整个系统的分离行为都有很大影响.例如,Pujar和Zydney[2]的实验表明,当盐的浓度从150mmol/L减小到1.5mmol/L时,牛血清蛋白在截留分子量为100kD的膜上的透过率减小了近两个数量级.蛋白质截留率的剧增是由于在低离子强度下,带电的牛血清蛋白受到带同种电荷的荷电膜孔的静电排斥力大为增加.通常,利用荷电超滤膜的分离过程比传统的超滤过程提供了更好的产品截留率和膜通量的结合,所以这一过程常被称为“强化超滤”[3],并已引起越来越多的研究兴趣.然而,荷电超滤膜用于蛋白质纯化的同时还可能截留带电小分子杂质,如微小缩氨酸、阴离子或阳离子表面活性剂、含磷脂类和抗生素,从而使这些小分子不易从大分子溶液中去除,因而在推广荷电超滤膜用于蛋白质分离的应用过程中,十分有必要研究荷电超滤膜对带电小分子清除的影响.邵嘉慧和Zydney[4]首次研究了荷电超滤膜对带电小分子截留的影响,实验采用分子量为1000g/mol(即1kD)附近的模型小分子和截留分子量为30kD的膜,即膜孔径远远大于溶质分子,超滤膜对小分子不存在空间位阻作用;研究证实了超滤过程中静电相互作用对带电小分子杂质的清除存在影响,尤其是在低离子强度条件下,静电相互作用对小分子的截留作用影响很大.例如,在离子强度为10mmol/L溶液中,30kD聚醚砜膜对活性兰小分子(MW～0.8kD)的截留就超过了90%.当选用分子量为1kD附近的模型小分子和截收稿日期:2007-10-25;修改稿收到日期:2007-11-26基金项目:教育部留学回国人员科研启动基金资助项目作者简介:王来欢(1983-),女,安徽淮南市人,硕士生,从事膜分离研究.＊通讯联系人〈jhshao@sjtu.edu.cn〉第29卷第2期膜科学与技术Vol.29No.22009年4月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGYApr.2009DOI:10.16159/j.cnki.issn1007-8924.2009.02.012留分子量为10kD的膜,即溶质小分子并不是远远小于膜孔径时,静电相互作用对荷电超滤过程中带电小分子清除的影响行为如何,这将是本研究的目的.1实验部分1.1材料和仪器实验所采用的3种模型小分子分别为活性兰(分子量为774g/mol)、虎红钠盐(1017g/mol)和维他命B12(1355g/mol),其中活性兰和维他命B12购于Sigma化学有限公司,虎红钠盐购于国药集团化学试剂有限公司;所用超滤膜为聚醚砜膜和再生纤维素膜,截留分子量均为10kD,直径25mm,购于Millipore公司;氯化钾及三羟甲基氨基甲烷等试剂以及0.22μm孔径混合纤维素微孔滤膜也均购于国药集团化学试剂有限公司.超滤实验采用Amicon公司的8010型死端过滤器;UV-2100型紫外分光光度计,Unico公司;SH23-2型磁力搅拌器,上海梅颖浦仪器有限公司.1.2实验方法超滤实验在Amicon8010型死端过滤器中进行,流程如图1所示,控制压力范围为0.02～0.1MPa,收集滤液称重并测量其浓度.实验所用膜分别为聚醚砜10kD膜、再生纤维素10kD膜以及改性再生纤维素10kD膜,其中荷负电的改性再生