基于浓差极化层剥离的新型高效终端膜浓缩过程

利用浓差极化具有快速浓缩和浓差极化层可从膜面剥离的天然特性，针对生物大分子浓缩，本项目提出了一种有别于以往的新型终端膜过程。该过程无需使用特殊设计的浓差极化层汲取器，便可方便、快速、低耗、低剪切地获得浓差极化层内高浓度溶液，从而实现高效浓缩和同时控制膜污染的双重目的。建立了一种可在线分析高浓度蛋白溶液的上述新型膜浓缩试验系统；通过对其中浓差极化层临界剥离条件、迁移动力学和蛋白质活性保持等三点关键科学问题的系统研究，获得调控和优化该新型膜浓缩过程的策略与方法，为该过程进一步推广应用于生物活性大分子浓缩提供必要的理论基础和技术支持。通过本项目的实施，将为深入了解浓差极化和膜污染的动态形成与演变过程提供一种新视角和新方法，同时，也为传统膜浓缩过程的优化与放大提供科学参考。

本项目研究了一种基于浓差极化层剥离特性的新型超滤-汲取浓缩过程，以生物大分子蛋白溶液为模型，探索了浓差极化层剥离、迁移及其中蛋白质活性保持等科学问题，以期获得该新型膜过滤-汲取浓缩过程的调控规律，为高效、低耗、快速浓缩生物大分子提供一种新技术与新方法，同时也为深入了解浓差极化和膜污染机理提供一种新视角。（1）针对连续进料超滤浓缩过程，结合计算与试验结果，发展了一种获悉膜面浓差极化层参数动态变化的方法，获得了膜面浓度、浓差极化层平均浓度、浓差极化层平均厚度等浓差极化层关键参数随时间的变化情况，基本解析了浓差极化层的动态形成过程，为浓差极化层的剥离和迁移建立了理论基础。在众多的过程参数中，膜通量对浓差极化层形成与剥离的影响最为显著，高的膜通量虽然增加了膜面蛋白浓度，但同时增加了主体相蛋白浓度及蛋白扩散速度并大幅压缩了浓差极化层厚度，有可能降低了其从膜面剥离的驱动力，实际上并不利于浓差极化层汲取。（2）分别以BSA、Lys、γ-球蛋白和IgG为模型蛋白，研究了切入汲取时间、汲取速率等关键参数对超滤-汲取浓缩过程影响，获得了该新型膜浓缩过程的基本调控方法。在膜通量12L/m2•h、切入汲取时间180min、汲取流速1.5mL/min的条件下，实现了0.5g/L BSA溶液的100小时无清洗连续超滤-汲取浓缩，汲取液平均浓缩倍数332.4，BSA质量回收率达到97.1%。（3）采用Native-PAGE电泳、SDS-PAGE电泳、圆二色和荧光光谱等方法分析对比了超滤-汲取浓缩液与原料液中上述不同蛋白的结构与活性变化，证实了超滤-汲取新型膜浓缩过程可以有效保持蛋白的结构活性。（4）超滤-汲取浓缩过程运行电耗仅为常规错流超滤浓缩过程的20.9%，但过程效率却提高了6.7倍，证实了该新型膜浓缩过程具有高效、节能、高活性保持等显著特点。基于上述研究结果，我们申请了3项中国发明专利和1项美国发明专利，正在撰写一篇研究论文；其中1项中国发明专利和1项美国专利已获授权。本基金研究结果也是2013年度中国石油和化学工业联合会技术发明奖一等奖和2014年度中国科学院科技促进发展奖科技贡献奖二等奖的主要创新贡献之一，在这两项奖励中本人均排名第二。