超濾膜分離牛血清蛋白的操作條件優(yōu)化研究

張曉艷，姜 英，王龍飛，王 旭，許海麗

（赤峰學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

超濾膜分離牛血清蛋白的操作條件優(yōu)化研究

張曉艷，姜 英，王龍飛，王 旭，許海麗

（赤峰學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

本文采取超濾膜技術(shù)進(jìn)行分離實(shí)驗(yàn)，用紫外分光光度計(jì)進(jìn)行分離結(jié)果測(cè)量.通過聚砜聚乙烯超濾膜分離牛血清蛋白的研究，以主要影響的因素：牛血清蛋白的濃度、流量，膜前后壓力來確定影響分離效果的因素，通過配制一系列不同的牛血清蛋白水溶液濃度和吸光度做出的標(biāo)準(zhǔn)曲線，清濃液濃度對(duì)比，以及用正交實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可得到膜分離的最佳條件.最后由正交實(shí)驗(yàn)得出最佳條件為第六組實(shí)驗(yàn)條件：濃液流量為8L/h，清夜流量為2.5L/h，膜前壓力為0.200Mpa,膜后有壓力為0.176Mpa.由最佳條件可知，若要提高超濾膜分離效率，需減小清液流量并且增大膜前壓力.

超濾；膜分離技術(shù)；牛血清蛋白；正交實(shí)驗(yàn)；最佳條件

1 前言

膜分離技術(shù)是一種已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的新型分離技術(shù)，它采用的分離介質(zhì)是對(duì)組分擁有有選擇透過性的天然高分子薄膜或人工合成的無機(jī)膜等凝結(jié)相物質(zhì)，其膜有氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的一相或復(fù)合相[1].在生產(chǎn)等工程中為了達(dá)到混合物分離的目的，通常可以使膜兩側(cè)產(chǎn)生一定的梯度差異進(jìn)而形成相應(yīng)的推動(dòng)力，使原料中的某組分可以有選擇性地優(yōu)先透過分離膜，繼而使其依次經(jīng)過濃縮、提取，純化等單元操作得到所需產(chǎn)物的一種新型分離過程[2].

牛血清白蛋白(BSA)在生物體內(nèi)主要有兩種作用,一是平衡滲透壓，二是維持營(yíng)養(yǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，它不僅是一種重要的載體蛋白，在生物學(xué)中，也是一種重要的模式蛋白[3].因其分子量較大，故在分離實(shí)驗(yàn)中，分離效果明顯，所形成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠清晰并且直觀的表現(xiàn)出影響分離效果的因素.

正交試驗(yàn)被叫做正交設(shè)計(jì)，它是以數(shù)理統(tǒng)計(jì)和概率論和為理論基礎(chǔ)，科學(xué)地安排多種因素作為實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象，這是一類實(shí)用性比較強(qiáng)的數(shù)學(xué)方法[4].

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

在本次實(shí)驗(yàn)中，采用聚砜聚丙烯膜為實(shí)驗(yàn)裝置，由于本次實(shí)驗(yàn)為模擬實(shí)驗(yàn)，因此最大工作壓力和透過液通量都低于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況，實(shí)驗(yàn)中，壓力不可超過膜組件的承受范圍.主要工藝參數(shù)如表1.

表1 膜分離裝置主要工藝參數(shù)

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及分析

2.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

以自來水為原料，利用紫外分光光度計(jì)測(cè)量料液通過超濾膜后濃液和清液的吸光度進(jìn)而分析膜的滲透通量隨時(shí)間的衰減情況，操作壓力和清液、濃液濃度對(duì)滲透通量的影響.

操作步驟如下：

標(biāo)準(zhǔn)曲線：

用電子天平稱量牛血清蛋白（生化試劑），加蒸餾水使其溶于燒杯中，配置出不同濃度的溶液，繼而在紫外分光光度計(jì)上測(cè)得到標(biāo)準(zhǔn)曲線.

2.2.1.1 控制膜前、膜后壓力、清液流量不變，調(diào)節(jié)濃液流量大小

（1）先向料液槽內(nèi)加入適量自來水，再將適宜牛血清蛋白倒入料液灌中的自來水，打開泵進(jìn)口閥、超濾進(jìn)口閥和超濾出口閥，關(guān)閉微濾出口閥和微濾進(jìn)口閥，打開電源、泵、儀表開關(guān).

（2）控制泵的回流閥，控制壓力表的壓力為某一壓力值（不超過0.2MPa），穩(wěn)定清液流量在某一值，調(diào)節(jié)濃液流量計(jì)，待穩(wěn)定好后取少許清液和濃液分別為樣液1和樣液2.

（3）將樣液1和樣液2分別在紫外分光光度儀內(nèi)測(cè)出相應(yīng)的濃度.隔一定的時(shí)間，多取幾組樣液進(jìn)而測(cè)量.

（4）記錄相關(guān)數(shù)據(jù).

2.2.1.2 控制膜前、膜后壓力、濃液流量不變，調(diào)節(jié)清液流量大小

（1）先向料液槽內(nèi)加入適量自來水，再將適宜牛血清蛋白倒入料液灌中的自來水，打開泵進(jìn)口閥、超濾進(jìn)口閥和超濾出口閥，關(guān)閉微濾出口閥和微濾進(jìn)口閥，打開電源、泵、儀表開關(guān).

（2）控制泵的回流閥，控制壓力表的壓力為某一壓力值（不超過0.2MPa），穩(wěn)定濃液流量在某一值，調(diào)節(jié)清液流量計(jì)，待穩(wěn)定好后取少許清液和濃液分別為樣液3和樣液4.

（3）將樣液3和樣液4分別在紫外分光光度儀內(nèi)測(cè)出相應(yīng)的濃度.隔一定的時(shí)間，多取幾組樣液進(jìn)而測(cè)量.

（4）記錄相關(guān)數(shù)據(jù).

2.2.1.3 控制清液流量、濃液流量不變，調(diào)節(jié)膜前、膜后壓力

（1）先向料液槽內(nèi)加入適量自來水，再將適宜牛血清蛋白倒入料液灌中的自來水，打開泵進(jìn)口閥、超濾進(jìn)口閥和超濾出口閥，關(guān)閉微濾出口閥和微濾進(jìn)口閥，打開電源、泵、儀表開關(guān).

（2）控制泵的回流閥，穩(wěn)定濃液流量和清液流量分別在某一值，調(diào)節(jié)壓力表的壓力值（不超過0.2MPa），待穩(wěn)定好后取少許清液和濃液分別為樣液5和樣液6.

（3）將樣液5和樣液6分別在紫外分光光度儀內(nèi)測(cè)出相應(yīng)的濃度.隔一定的時(shí)間，多取幾組樣液進(jìn)而測(cè)量.

（4）記錄相關(guān)數(shù)據(jù)

2.2.1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)儀器并清洗實(shí)驗(yàn)儀器，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

2.2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

將樣液用紫外分光光度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，采用蒸餾水為基準(zhǔn)，分光光度計(jì)波長(zhǎng)設(shè)為280nm，光度模式為單波長(zhǎng)法，得到紫外光譜，得到校正曲線如下：

圖2 牛血清蛋白標(biāo)準(zhǔn)曲線

通過標(biāo)準(zhǔn)曲線可以的到濃度與吸光度的關(guān)系，y=-0.13613+0.68985x，R^2=0.99972.可以得出各種不同濃度下溶液的吸光度或者已知吸光度得到不同吸光度的溶液的濃度.

影響分離的因素有牛血清蛋白的濃度、流量，膜前后壓力，分別控制每一個(gè)變量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷出個(gè)影響因素之間的影響，綜合起來就可以得到分離牛血清蛋白的最優(yōu)條件.

圖3 清濃液對(duì)比折線圖

由此清濃液對(duì)比折線圖可以看出，設(shè)定的清液濃度和濃液濃度變化范圍不大，濃液濃度在0.8g/L左右，清液濃度在0.4g/L左右，但清液濃度和濃液濃度之間差別較大，更加清楚的反應(yīng)出實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

以自來水為原料，考察當(dāng)料液通過超濾膜后，膜的滲透通量隨時(shí)間的增加而衰減的情況，并考察膜表面流速和操作壓力對(duì)滲透通量的影響.操作步驟如下：

用去離子水清洗超濾組件，加熱到60℃后清洗超濾組件2～3次.在原料液儲(chǔ)槽中加入一定量的自來水后，打開低壓料液泵回流閥和低壓料液泵出口閥，打開超濾料液進(jìn)口閥、超濾清液出口閥和濃液出口閥，則整個(gè)超濾單元回路已暢通.將泵啟動(dòng)，等到泵運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，通過控制和調(diào)整泵出口閥門和超濾餾液出口閥門，來達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需要的流量和壓力，待穩(wěn)定后，測(cè)量一定實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的滲透液體積，每十分鐘一次，做好記錄.調(diào)節(jié)膜后的壓力為0.03 MPa，待穩(wěn)定后，測(cè)量滲透液的體積,，做好記錄.然后依次增加膜后的壓力分別為0.04MPa，0.06MPa，0.08MPa，分別測(cè)量滲透液的體積，做好記錄.利用用去離子水清洗超濾組件，方法同上.加入保護(hù)液甲醛溶液于超濾膜組件中，然后密閉系統(tǒng)，避免保護(hù)液的損失，到此，實(shí)驗(yàn)結(jié)束.

表2 正交試驗(yàn)分析

由表2可以得出，B組即清液流量的大小和C組膜前壓力值對(duì)超濾膜分離牛血清蛋白的效果影響比較大,A組濃液流量的大小和D組膜后壓力值對(duì)分離效果影響最小.并且影響因素由主到次為，清液流量，膜前壓力，膜后壓力，濃液流量，最優(yōu)組合條件為第一組實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件.

3 結(jié)論

在本次試驗(yàn)中，對(duì)超濾膜的性能有一定的要求，其中有一個(gè)重要的參數(shù)為截留率(R)，截留率是指溶液經(jīng)過超濾處理后，被膜截留的溶質(zhì)質(zhì)量占溶液中該溶質(zhì)總量的百分率.截留率可以直觀的表現(xiàn)出超濾膜的性能是否合格，在本次實(shí)驗(yàn)所采用的超濾膜經(jīng)過測(cè)試截流率為0.9992，達(dá)到實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn).

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，清液流量和膜前壓力對(duì)超濾膜分離的效果影響最為顯著，因此，若要得到最為理想的分離效果，需減小清液流量同時(shí)增大膜前壓力.

〔1〕張?jiān)骑w，田蒙奎，許奎.我國(guó)膜分離技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代化工學(xué)報(bào)，2017，37（4）.

〔2〕王華,劉艷飛,彭東明,王福東,魯曼霞.膜分離技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用展望[J].應(yīng)用化工，2013(3).

〔3〕呂華，單曉輝.碳量子點(diǎn)的制備及與牛血清蛋白的相互作用[J].新型碳材料，2013（28）：308-310.

〔4〕秦穎.正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法在造紙?jiān)囼?yàn)中的應(yīng)用[J].黑龍江造紙,2006（1）：42-45.

Q592

A

1673-260X（2017）08-0005-03

2017-03-12

赤峰學(xué)院學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（1602164）