超濾膜的選擇及優(yōu)化思路

選擇超濾膜的幾點(diǎn)原則

超濾膜標(biāo)定的分子質(zhì)量并不代表絕對(duì)的截留。為特定的應(yīng)用選擇超濾膜時(shí)，需要遵循一些原則：

1. 所選超濾膜分子質(zhì)量應(yīng)該是要截留的產(chǎn)品分子質(zhì)量的1/3~1/5;
2. 要把兩種組分分開(kāi)，二者的分子質(zhì)量最好相差5倍以上。

對(duì)于高污染原料，超濾膜對(duì)尺寸相近的蛋白質(zhì)截留較高。另外，在高TMP下操作，因?yàn)樵谀さ谋砻娴鞍踪|(zhì)濃度增加，膜的截留效率較低。因此，對(duì)于不同的原料和不同的超濾過(guò)程，膜的截留效率都是不同的。

一般為了選擇出最佳膜包，需要用兩種以上的膜進(jìn)行試驗(yàn)，從而選擇高截留率的膜，滿(mǎn)足對(duì)收率的要求。在濃縮和透析時(shí)，由于不是百分之百的截留，所以產(chǎn)品會(huì)從膜上漏過(guò)，這是一個(gè)逐漸積累的過(guò)程，假如截留效率是恒定的，一批產(chǎn)品經(jīng)過(guò)超濾濃縮和等體積透析后的損失，可以按如下方法計(jì)算。

產(chǎn)品損失(%)=100*(1-e(R-1)(lnVCF+N))

當(dāng)超濾目的是體積濃縮20倍(VCF)、7倍體積透析、產(chǎn)品的漏過(guò)損失不能超過(guò)7%，那么InVCF+N等于10。當(dāng)選擇的超濾膜對(duì)產(chǎn)品的截留率是0.99，則總的漏過(guò)損失為9.5%，就是圖中的A點(diǎn)，表明沒(méi)有達(dá)到收率目標(biāo);如果依然使用這種膜，為了減少收率損失，就不得不減少濃縮倍數(shù)或透析倍數(shù)，比如透析倍數(shù)減少到4.3,此時(shí)InVCF+N等于7.3,產(chǎn)品總的漏過(guò)損失為7%，見(jiàn)圖中的B點(diǎn)，但是，此時(shí)透析的水平大大降低了。要想在不改變工藝條件的同時(shí)，減少產(chǎn)品損失，就要選擇截留率更高的膜，比如截留率為0.999的膜，此時(shí)，lnVCF+N仍然是10,產(chǎn)品的漏過(guò)損失卻降低到1%,見(jiàn)圖中C點(diǎn)。大多數(shù)情況下，在濃縮和透析時(shí)膜的截留率是不同的，這一點(diǎn)非常重要，如果在濃縮和透析過(guò)程中，膜的截留率發(fā)生了變化，產(chǎn)品的漏過(guò)損失就分別由濃縮和透析兩個(gè)不同的截留曲線(xiàn)來(lái)決定，總的漏過(guò)損失，是二者之和。

決定參數(shù)及優(yōu)化思路

一個(gè)切向流過(guò)濾的生產(chǎn)工藝由許多參數(shù)決定，其中關(guān)鍵的工藝參數(shù)有切向流流量、跨膜壓(TMP)、透出液控制、膜面積和透析條件等。這些參數(shù)既相互影響又相互制約，要同時(shí)達(dá)到提高生產(chǎn)效率和節(jié)約成本的目的，就必須首先對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。這些參數(shù)通常需要由經(jīng)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)以及具體工藝的需要和各種限制因素結(jié)合起來(lái)才能確定，因此，切向流過(guò)濾系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，下面將簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)的優(yōu)化思路。

切向流流量?jī)?yōu)化

切向流流量很大程度上取決于所選用的不同膜包和湍流流道的類(lèi)型。在膜包操作和維護(hù)手冊(cè)中，對(duì)每種膜包和不同流道類(lèi)型都提供了推薦的切向流流量?？偟膩?lái)說(shuō)，在TMP不變的情況下，提高切向流流量可以增加切向流對(duì)濾膜表面的“清洗”作用、緩解濃差極化，從而使透過(guò)液的流量提高。但是，過(guò)高的切向流流量也會(huì)使產(chǎn)品所受到的剪切力增加，從而可能導(dǎo)致產(chǎn)品的活性下降。此外，較高的切向流流量還可能需要配置更大的泵和更大直徑的管道，這些都會(huì)導(dǎo)致硬件設(shè)備成本和系統(tǒng)死體積的增加，而后者會(huì)使產(chǎn)品的收率下降。因此，在選擇切向流流量時(shí)，需要綜合平衡通量的增加和可能導(dǎo)致的產(chǎn)品失活、收率下降和硬件成本增加的問(wèn)題。

跨膜壓優(yōu)化

在恒定流量的切向流過(guò)濾工藝中，通量與TMP之間的關(guān)系可以分為兩個(gè)階段(圖2.96)。最初時(shí)，影響通量的僅僅是濾膜的阻力，所以當(dāng)TMP增加時(shí)，通量會(huì)呈線(xiàn)性增加，稱(chēng)為壓力相關(guān)區(qū);隨著TMP的不斷增加，濾膜逐漸被濃差極化，部分增加的TMP被濃差極化層的阻力所抵消，因此通量的增加逐漸變緩;直至最后，濾膜被完全濃差極化，所增加的TMP被濃差極化層的阻力完全抵消，此時(shí)，通量不再升高，稱(chēng)為壓力不相關(guān)區(qū)。

當(dāng)選擇的TMP處于壓力不相關(guān)區(qū)時(shí)，通量可以達(dá)到最大化，所需的濾膜面積也可達(dá)到最小，但此時(shí)已經(jīng)在濾膜表面形成了濃差極化層，此處的溶質(zhì)濃度可能已經(jīng)到達(dá)了其可溶解的極限，可能因此導(dǎo)致產(chǎn)品收率的下降。此外，濃差極化的后期可能導(dǎo)致堵塞，會(huì)引起通量不可逆轉(zhuǎn)的下降。

圖2.96通量與TMP的關(guān)系

因此，優(yōu)化的TMP值應(yīng)該取在曲線(xiàn)的拐點(diǎn)處，此時(shí)，濾膜還未被完全濃差極化，通量值也相對(duì)較高。

透出液控制

在許多孔徑較小的切向流超濾應(yīng)用中，僅對(duì)流量和回流壓力進(jìn)行控制，而不對(duì)透出液進(jìn)行流量控制，這是一種最為簡(jiǎn)單的控制方式，通常用于產(chǎn)品存在于回流液中的操作。然而，在某些應(yīng)用中，透出液控制會(huì)比簡(jiǎn)單控制流量和回流壓力更有效。例如在孔徑比較開(kāi)放的切向流微濾應(yīng)用中，有時(shí)僅在很小的TMP下，透過(guò)液就可以達(dá)到很高的流量，僅有非常小部分的液體作為回流液。此時(shí)，雖然獲得了高通量，但這種操作與常規(guī)過(guò)濾方式相當(dāng)接近，失去了切向流操作方式的優(yōu)勢(shì)。在這種情況下，經(jīng)常會(huì)形成嚴(yán)重的濃差極化現(xiàn)象，此時(shí)，必須對(duì)透過(guò)端通量進(jìn)行控制，從而減小TMP和透過(guò)液的流速，避免產(chǎn)生嚴(yán)重的濃差極化。

透出液控制需要在透過(guò)端安裝泵或閥門(mén)(圖2.97)，該系統(tǒng)除了減小透出液流量從而保證產(chǎn)生足夠的切向流量外，還可以在不改變回流壓力的情況下增加透過(guò)端的壓力，從而減小TMP。

膜面積的確定

在確定了通量和處理體積之后，還需要確定濾膜的面積。由于通量是透過(guò)液流量除以膜面積和工藝時(shí)間，因此，在流量和通量一定的情況下，膜面積和工藝時(shí)間會(huì)相互影響。延長(zhǎng)工藝時(shí)間可以減小膜面積，降低成本和減少系統(tǒng)的死體積。但是，工藝時(shí)間的延長(zhǎng)增加了產(chǎn)品失活和發(fā)生微生物污染的風(fēng)險(xiǎn)。

膜面積=過(guò)濾體積/通量×處理時(shí)間

在上述公式中，通量可能會(huì)在工藝過(guò)程中發(fā)生變化(特別是在濃縮操作中)，所以需要計(jì)算一個(gè)平均的通量值。在工藝放大計(jì)算膜面積時(shí)，通常會(huì)設(shè)置一個(gè)安全系數(shù)，這是為了盡量減小批次間的差異對(duì)切向流過(guò)濾工藝產(chǎn)生的影響。在一般情況下，這個(gè)安全系數(shù)至少需增加20%的膜面積。當(dāng)然，也可以結(jié)合實(shí)際工藝的情況增加或減小這個(gè)安全系數(shù)。

透析優(yōu)化

如果工藝中涉及到透析步驟，首先需要選擇透析的方式。最常見(jiàn)的透析方式有批次透析和等體積透析兩種。批次透析是指將透析緩沖液以一定體積加入樣品罐中，然后濃縮至某一體積時(shí)再次加入透析緩沖液，不斷重復(fù)，直至達(dá)到透析要求為止。等體積透析是指在透析過(guò)程中，保持透出液流出和透析緩沖液加入的流速一致，在等體積透析過(guò)程中，回流液體積保持恒定。需要明確的是，批次透析的方式在緩沖液置換時(shí)，效率不如等體積透析高。此外，不斷變化的料液濃度會(huì)使優(yōu)化過(guò)程難以進(jìn)行。因此，等體積透析是更為常用的優(yōu)化透析方式，在緩沖液置換的過(guò)程中，等體積透析效果要明顯優(yōu)于批次透析(圖2.98)。

選擇了透析方式之后，還需要確定在什么濃度進(jìn)行透析。在濃縮工藝中，由于濃度的增加，通量通常會(huì)逐漸減小。低濃度下進(jìn)行透析可以獲得較高的通量，但透析體積會(huì)比較大，此時(shí)在工藝時(shí)間一定的情況下，會(huì)需要較大的膜面積和較多的緩沖液;在過(guò)高的濃度下進(jìn)行透析時(shí)，可以節(jié)省緩沖液的用量，但由于通量太低，在工藝時(shí)間一定的情況下，所需要的膜面積仍會(huì)較大。因此，需要在一個(gè)合適的濃度下進(jìn)行透析，從而使膜面積或者工藝時(shí)間得到最優(yōu)化。

一種常見(jiàn)方式是用通量降為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的大分子濃度值(稱(chēng)為凝膠點(diǎn)，Cgcl)除以自然對(duì)數(shù)的底數(shù)e(e=2.718),所得到的濃度值作為優(yōu)化的透析點(diǎn)。這種計(jì)算方法僅適用于通量衰減和濃縮倍數(shù)的對(duì)數(shù)值呈標(biāo)準(zhǔn)的線(xiàn)性關(guān)系時(shí)進(jìn)行找到優(yōu)化透析點(diǎn)的近似值。

在標(biāo)準(zhǔn)的壓力控制的切向流過(guò)濾工藝中，也可以采用另外一種更為準(zhǔn)確和普遍適用的方法來(lái)得到優(yōu)化的透析點(diǎn)。方法是選取濃縮過(guò)程中不同濃度的點(diǎn)，以?xún)?yōu)化參數(shù)對(duì)產(chǎn)品濃度作圖(圖2.100)，其中優(yōu)化參數(shù)=C×Jf;C為產(chǎn)品濃度;Jf為膜通量。

圖2.100優(yōu)化透析點(diǎn)的確定方法(二)

取曲線(xiàn)中優(yōu)化參數(shù)值最高點(diǎn)的濃度為優(yōu)化透析點(diǎn)的濃度，在該濃度進(jìn)行透析，工藝時(shí)間一定時(shí)所需膜面積最小。在某些情況下，相同濃度的溶質(zhì)在不同緩沖液中的通量值可能會(huì)有較大差異。此時(shí)，可在兩種緩沖液條件下分別作圖，為安全起見(jiàn)，選擇兩個(gè)優(yōu)化透析點(diǎn)中濃度較低的一點(diǎn)作為優(yōu)化透析點(diǎn)，而實(shí)際的優(yōu)化點(diǎn)往往位于兩者之間，因?yàn)橥肝鍪且粋€(gè)緩沖液成分逐步變化的過(guò)程。

優(yōu)化透析點(diǎn)只是獲得最小膜面積的理論點(diǎn)。在實(shí)際工藝中，需要根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整。比如，在優(yōu)化透析點(diǎn)時(shí)，回流液的體積已經(jīng)小于最小循環(huán)體積或者此時(shí)產(chǎn)品已失活，就需要降低透析點(diǎn)的濃度。以較多的緩沖液用量和較大的膜面積使工藝得以順利進(jìn)行。

切向流過(guò)濾工藝的優(yōu)化是工藝選擇和放大的第一步，也是最為重要的一步。選擇合適的切向流過(guò)濾系統(tǒng)并進(jìn)行合理的參數(shù)優(yōu)化可以使工藝更為經(jīng)濟(jì)和有效。