振动辅助蛋白质超滤过程中的传质特性

《Journal of Membrane Science》：Mass Transfer Characteristics of Vibration Assisted Protein Ultrafiltration

本研究采用实验与理论分析，探讨振动膜过滤系统处理hIgG和BSA的蛋白质超滤性能。发现通量随振动频率增加而提升，并在中等跨膜压力下达到峰值，随后下降。模型有效描述了通量变化规律，揭示了浓度依赖粘度对剪切速率及传质系数的影响，为优化该技术提供了理论依据。

Km Prottoy Shariar Piash|王子桥|Claire MacElroy|Daniel Meng Jing|Andrew L. Zydney

宾夕法尼亚州立大学化学工程系，University Park，PA 16802

摘要

已经开发出多种振动过滤系统，这些系统在蛋白质超滤过程中显著提高了滤液通量，但这些振动系统的详细传质特性尚未得到充分分析。本研究通过实验和理论分析相结合的方法，考察了Sani Membranes公司开发的振动膜过滤装置的性能。使用人血清免疫球蛋白（hIgG）和牛血清白蛋白（BSA）作为模型蛋白，在不同的跨膜压力和振动频率下收集了过滤数据。数据通过渗透压-浓度极化模型进行分析，该模型考虑了浓度依赖性蛋白质粘度对振动运动产生的有效剪切率的影响。模型计算结果与实验数据非常吻合，准确描述了滤液通量随振动频率增加而增加的现象，以及在中等跨膜压力下滤液通量达到最大值的情况。这些结果为理解振动膜过滤系统的传质特性提供了重要见解，突显了该技术在提高滤液通量方面用于蛋白质浓缩的潜在应用。

引言

人们通过控制膜模块内的流体力学（例如，通过诱导Dean涡流或Taylor涡流[1]、使用脉动流[2][3]或应用振动膜系统[4][5][6]）来提高切向流过滤系统的性能。振动膜系统的初步开发可以追溯到20世纪90年代末。Bradley Culkin的专利[7]促使New Logics Research公司将振动剪切增强处理（VSEP）技术商业化；该技术随后被Pall Corporation收购，专门用于生物技术应用。Michel Jaffrin[8]的综述文章以及Zhao等人[9]的最新研究详细描述了这一领域的早期工作。VSEP系统已成功应用于纸浆和造纸废水的超滤[10]、从发酵液中回收蛋白质[11]以及奶酪乳清的浓缩[12]等领域。

Akoum等人[13]首次对振动过滤系统中的流体力学和传质行为进行了数学分析，评估了与膜振荡（扭转）运动相关的时间依赖性剪切率。膜盘边缘的最大剪切率表示为：$$其中F是振动频率，d是振动幅度，$$是进料溶液的运动粘度。使用方程（1）可以很好地描述牛血清白蛋白的超滤数据，其中压力独立的滤液通量与剪切率的关系符合0.426次幂的关系（剪切率范围为1,000至50,000 s^-1）。Jaffrin等人[14]的后续研究发现，在脱脂牛奶的超滤过程中，剪切率的关系符合0.576次幂。Laurio等人[15]开发了一个半经验模型，用于描述咖啡提取物的纳滤过程中滤液通量与剪切率的关系，也遵循类似的幂律关系。Zamani等人[16]随后将该框架扩展到振动中空纤维膜中，以评估局部剪切率。

大多数关于振动膜系统的分析都集中在压力独立（受传质限制）滤液通量与振动频率和振幅的依赖性上。有趣的是，Frappart等人[17]发现在某些条件下，使用自制的旋转盘膜系统对稀释脱脂牛奶进行超滤时，滤液通量在跨膜压力增加时会出现一个弱峰值，尽管没有讨论这种现象的起源。Jiang等人[18]在振动中空纤维膜模块中对微藻进行微滤时观察到更明显的稳态滤液通量峰值，在9 kPa的跨膜压降下，稳态滤液通量比8 kPa或10 kPa时的滤液通量高出50%以上。这种异常现象归因于跨膜压力升高时膜污染程度增加，尽管没有提供详细的数学分析。

本研究的目的是使用人血清免疫球蛋白（hIgG）和牛血清白蛋白（BSA）作为模型蛋白，考察Sani Membranes公司的振动膜过滤系统的超滤行为。在一系列振动条件下，收集了滤液通量作为跨膜压力的函数的数据，并使用渗透压-浓度极化模型进行分析，该模型考虑了振动对蛋白质传质系数的影响，特别是考虑了在膜附近积累的高浓度蛋白质溶液粘度的增加。模型计算结果与实验数据非常吻合，准确描述了滤液通量随振动频率增加而增加的现象，以及跨膜压力增加时滤液通量达到最大值的情况。这些结果为控制振动辅助超滤用于蛋白质浓缩的关键因素提供了重要见解。

部分内容

材料

冻干的人血清免疫球蛋白（hIgG）购自GoldenWest Diagnostics（美国加利福尼亚州Temecula），使用前储存在2–8°C环境中。hIgG溶解在1x磷酸盐缓冲液（PBS）中，该缓冲液是通过用去离子水稀释20x PBS储备液（bioWorld，美国俄亥俄州Dublin）制备的。还使用从Thermo Fisher Scientific（美国马萨诸塞州Waltham）购买的牛血清白蛋白获得了有限的数据，并将其溶解在1x PBS缓冲液中，浓度为10 g/L。

Vibro-Lab 35P的频率和振幅特性

图2显示了N₂压力对Vibro-Lab 35P模块振动频率（上图）和振幅（下图）的影响。N₂压力从0增加到1.4巴时，振动频率增加到19 Hz；在3.4巴的压力下，频率增加到26 Hz。同时，振动振幅也随着N₂压力的增加而从1.4巴时的1.75 mm增加到3.4巴时的3.5 mm。进一步增加N₂压力会导致

结论

本研究首次详细分析了使用Vibro-Lab 35P模块进行振动辅助蛋白质超滤时的传质行为。由于膜的振动运动导致局部剪切率增强，滤液通量随振动频率的增加而增加。更有趣的是，hIgG的滤液通量在中等跨膜压力（TMP）处出现一个明显的峰值，随后在更高TMP下下降。这种异常的过滤行为可以通过渗透压模型很好地预测。

CRediT作者贡献声明

Km Prottoy Shariar Piash：撰写——初稿，研究，数据管理，概念构思。Andrew L. Zydney：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。Daniel Meng Jing：研究，数据管理。Claire MacElroy：研究，数据管理。Ziqiao Wang：研究，数据管理

数据可用性

数据可根据请求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作的支持来自Membrane Applications Science and Technology（MAST）中心，该中心由National Science Foundation的IUCRC项目资助，授予编号为2310832的资助。