超滤膜分离牛血清蛋白的操作条件优化研究

张晓艳，姜 英，王龙飞，王 旭，许海丽

（赤峰学院 化学化工学院，内蒙古 赤峰 024000）

超滤膜分离牛血清蛋白的操作条件优化研究

张晓艳，姜 英，王龙飞，王 旭，许海丽

（赤峰学院 化学化工学院，内蒙古 赤峰 024000）

本文采取超滤膜技术进行分离实验，用紫外分光光度计进行分离结果测量.通过聚砜聚乙烯超滤膜分离牛血清蛋白的研究，以主要影响的因素：牛血清蛋白的浓度、流量，膜前后压力来确定影响分离效果的因素，通过配制一系列不同的牛血清蛋白水溶液浓度和吸光度做出的标准曲线，清浓液浓度对比，以及用正交实验的方法对实验数据进行处理，即可得到膜分离的最佳条件.最后由正交实验得出最佳条件为第六组实验条件：浓液流量为8L/h，清夜流量为2.5L/h，膜前压力为0.200Mpa,膜后有压力为0.176Mpa.由最佳条件可知，若要提高超滤膜分离效率，需减小清液流量并且增大膜前压力.

超滤；膜分离技术；牛血清蛋白；正交实验；最佳条件

1 前言

膜分离技术是一种已经被广泛应用的新型分离技术，它采用的分离介质是对组分拥有有选择透过性的天然高分子薄膜或人工合成的无机膜等凝结相物质，其膜有气态、液态、固态的一相或复合相[1].在生产等工程中为了达到混合物分离的目的，通常可以使膜两侧产生一定的梯度差异进而形成相应的推动力，使原料中的某组分可以有选择性地优先透过分离膜，继而使其依次经过浓缩、提取，纯化等单元操作得到所需产物的一种新型分离过程[2].

牛血清白蛋白(BSA)在生物体内主要有两种作用,一是平衡渗透压，二是维持营养的运转，它不仅是一种重要的载体蛋白，在生物学中，也是一种重要的模式蛋白[3].因其分子量较大，故在分离实验中，分离效果明显，所形成的实验数据能够清晰并且直观的表现出影响分离效果的因素.

正交试验被叫做正交设计，它是以数理统计和概率论和为理论基础，科学地安排多种因素作为实验的研究对象，这是一类实用性比较强的数学方法[4].

2 实验研究

2.1 实验装置

在本次实验中，采用聚砜聚丙烯膜为实验装置，由于本次实验为模拟实验，因此最大工作压力和透过液通量都低于工业现场实际使用情况，实验中，压力不可超过膜组件的承受范围.主要工艺参数如表1.

表1 膜分离装置主要工艺参数

图1 实验装置图

2.2 实验内容及分析

2.2.1 实验步骤

以自来水为原料，利用紫外分光光度计测量料液通过超滤膜后浓液和清液的吸光度进而分析膜的渗透通量随时间的衰减情况，操作压力和清液、浓液浓度对渗透通量的影响.

操作步骤如下：

标准曲线：

用电子天平称量牛血清蛋白（生化试剂），加蒸馏水使其溶于烧杯中，配置出不同浓度的溶液，继而在紫外分光光度计上测得到标准曲线.

2.2.1.1 控制膜前、膜后压力、清液流量不变，调节浓液流量大小

（1）先向料液槽内加入适量自来水，再将适宜牛血清蛋白倒入料液灌中的自来水，打开泵进口阀、超滤进口阀和超滤出口阀，关闭微滤出口阀和微滤进口阀，打开电源、泵、仪表开关.

（2）控制泵的回流阀，控制压力表的压力为某一压力值（不超过0.2MPa），稳定清液流量在某一值，调节浓液流量计，待稳定好后取少许清液和浓液分别为样液1和样液2.

（3）将样液1和样液2分别在紫外分光光度仪内测出相应的浓度.隔一定的时间，多取几组样液进而测量.

（4）记录相关数据.

2.2.1.2 控制膜前、膜后压力、浓液流量不变，调节清液流量大小

（1）先向料液槽内加入适量自来水，再将适宜牛血清蛋白倒入料液灌中的自来水，打开泵进口阀、超滤进口阀和超滤出口阀，关闭微滤出口阀和微滤进口阀，打开电源、泵、仪表开关.

（2）控制泵的回流阀，控制压力表的压力为某一压力值（不超过0.2MPa），稳定浓液流量在某一值，调节清液流量计，待稳定好后取少许清液和浓液分别为样液3和样液4.

（3）将样液3和样液4分别在紫外分光光度仪内测出相应的浓度.隔一定的时间，多取几组样液进而测量.

（4）记录相关数据.

2.2.1.3 控制清液流量、浓液流量不变，调节膜前、膜后压力

（1）先向料液槽内加入适量自来水，再将适宜牛血清蛋白倒入料液灌中的自来水，打开泵进口阀、超滤进口阀和超滤出口阀，关闭微滤出口阀和微滤进口阀，打开电源、泵、仪表开关.

（2）控制泵的回流阀，稳定浓液流量和清液流量分别在某一值，调节压力表的压力值（不超过0.2MPa），待稳定好后取少许清液和浓液分别为样液5和样液6.

（3）将样液5和样液6分别在紫外分光光度仪内测出相应的浓度.隔一定的时间，多取几组样液进而测量.

（4）记录相关数据

2.2.1.4 实验结束，关闭实验仪器并清洗实验仪器，整理实验数据.

2.2.2 实验内容

将样液用紫外分光光度计进行检测，采用蒸馏水为基准，分光光度计波长设为280nm，光度模式为单波长法，得到紫外光谱，得到校正曲线如下：

图2 牛血清蛋白标准曲线

通过标准曲线可以的到浓度与吸光度的关系，y=-0.13613+0.68985x，R^2=0.99972.可以得出各种不同浓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浓度.

影响分离的因素有牛血清蛋白的浓度、流量，膜前后压力，分别控制每一个变量，根据实验数据判断出个影响因素之间的影响，综合起来就可以得到分离牛血清蛋白的最优条件.

图3 清浓液对比折线图

由此清浓液对比折线图可以看出，设定的清液浓度和浓液浓度变化范围不大，浓液浓度在0.8g/L左右，清液浓度在0.4g/L左右，但清液浓度和浓液浓度之间差别较大，更加清楚的反应出实验结果.

以自来水为原料，考察当料液通过超滤膜后，膜的渗透通量随时间的增加而衰减的情况，并考察膜表面流速和操作压力对渗透通量的影响.操作步骤如下：

用去离子水清洗超滤组件，加热到60℃后清洗超滤组件2～3次.在原料液储槽中加入一定量的自来水后，打开低压料液泵回流阀和低压料液泵出口阀，打开超滤料液进口阀、超滤清液出口阀和浓液出口阀，则整个超滤单元回路已畅通.将泵启动，等到泵运转稳定后，通过控制和调整泵出口阀门和超滤馏液出口阀门，来达到实验所需要的流量和压力，待稳定后，测量一定实验时间内的渗透液体积，每十分钟一次，做好记录.调节膜后的压力为0.03 MPa，待稳定后，测量渗透液的体积,，做好记录.然后依次增加膜后的压力分别为0.04MPa，0.06MPa，0.08MPa，分别测量渗透液的体积，做好记录.利用用去离子水清洗超滤组件，方法同上.加入保护液甲醛溶液于超滤膜组件中，然后密闭系统，避免保护液的损失，到此，实验结束.

表2 正交试验分析

由表2可以得出，B组即清液流量的大小和C组膜前压力值对超滤膜分离牛血清蛋白的效果影响比较大,A组浓液流量的大小和D组膜后压力值对分离效果影响最小.并且影响因素由主到次为，清液流量，膜前压力，膜后压力，浓液流量，最优组合条件为第一组实验的实验条件.

3 结论

在本次试验中，对超滤膜的性能有一定的要求，其中有一个重要的参数为截留率(R)，截留率是指溶液经过超滤处理后，被膜截留的溶质质量占溶液中该溶质总量的百分率.截留率可以直观的表现出超滤膜的性能是否合格，在本次实验所采用的超滤膜经过测试截流率为0.9992，达到实验的标准.

由实验结果得出，清液流量和膜前压力对超滤膜分离的效果影响最为显著，因此，若要得到最为理想的分离效果，需减小清液流量同时增大膜前压力.

〔1〕张云飞，田蒙奎，许奎.我国膜分离技术发展的现状[J].现代化工学报，2017，37（4）.

〔2〕王华,刘艳飞,彭东明,王福东,鲁曼霞.膜分离技术的研究进展及应用展望[J].应用化工，2013(3).

〔3〕吕华，单晓辉.碳量子点的制备及与牛血清蛋白的相互作用[J].新型碳材料，2013（28）：308-310.

〔4〕秦颖.正交实验设计法在造纸试验中的应用[J].黑龙江造纸,2006（1）：42-45.

Q592

A

1673-260X（2017）08-0005-03

2017-03-12

赤峰学院学生创新项目（1602164）