膜污染是超滤过程中不可避免的现象. 膜污染过程中，溶质与溶质、 溶质与膜材料、 溶质与溶液以及溶液与膜材料之间始终存在着相互作用，这些相互作用又有不同的作用方式，这就注定了膜污染过程十分复杂^[1]. 蛋白质是膜污染的一类主要污染物^{[2, 3, 4, 5]}. 以往许多学者对蛋白质的膜污染机制进行了研究^{[6, 7, 8]}，提出了几种污染模型: 膜孔堵塞、 膜孔窄化、 滤饼层过滤等. 已有的研究表明^{[7, 8]}，膜污染过程是由多种膜污染机制共同作用的结果. 笔者所在课题组在前期的研究中发现，在超滤过滤初期，主要存在膜孔堵塞和膜孔窄化两种作用，并建立了相应的膜结构参数的模型^[9].

以往的研究多针对于单一蛋白质的膜污染，而多种蛋白质体系下不同过滤阶段中污染物对膜的污染机制研究较少. 因此，本文主要针对几种典型蛋白质的超滤过程，研究了不同污染阶段膜特征参数的变化，分析了膜特征参数在超滤过程中的变化规律，并结合膜通量衰减，探讨不同蛋白质体系在超滤过程中的污染机制.

1 材料与方法 1.1 蛋白质溶液

采用3种蛋白质体系: LYS(上海蓝基生物)，等电点10.4，相对分子质量14×10³； BSA(上海蓝基生物)，等电点4.7，相对分子质量67×10³； LYS+BSA二元混合溶液. 配制浓度均为1 g ·L^-1储备液，置于4℃下保存以作备用. 试验时均稀释至20mg ·L^-1，其中LYS+BSA二元混合体系中，LYS/BSA=1(质量比). 所有溶液均现配现用，溶液pH值均调至7. 试验用水为电阻率15.0 MΩ ·cm的去离子水. 1.2 超滤膜

试验所用超滤膜为PES膜，切割相对分子质量为50×10³，记做PES-50，超滤膜使用前均于去离子水中浸泡24 h. 1.3 试验装置和方法

超滤试验装置采用中国科学院上海应用物理研究所生产的SCM杯式超滤系统，超滤杯有效容积为300 mL，过滤面积为33.2 cm². 压力驱动采用氮气，过滤压力为0.1 MPa，操作方式采用死端过滤，渗透通量采用电子天平连续测定. 蛋白质污染过滤周期为2 h. 膜过滤过程中开启磁力搅拌器并以恒定的转速搅拌. 为了对试验数据进行综合评价，各条件下通量采用比通量(J/J0)表示.

接触角采用科诺SL200A(上海梭伦)接触角仪测定. Zeta电位测定采用NanoZS90(英国马尔文)Zeta电位仪. TOC采用TOC-LCPN(日本岛津)TOC仪测定.

膜表面粗糙度、 膜孔径测定采用Multimode 8.0 AFM 及NanoScope V控制器(德国布鲁克). 测量方法参见文献^{[10, 11]}. 采用JSM-6700F型(日本电子株式会社)FESEM对新膜以及污染后膜进行测试表征，所得图片经过专业图像分析软件ImageJ 1.33u进行处理，可得出膜孔分形维数、 孔隙率、 膜孔密度等参数值. 测试方法参见文献^[12]. 电镜测试前用50%、 75%、 100%乙醇逐级脱水，之后真空喷金处理. 膜孔径测量及电镜测试前，先用脱脂棉擦除污染膜表面的污染物后进行.

2 结果与讨论 2.1 蛋白质超滤过程膜通量变化

PES-50超滤膜不同蛋白质体系过滤过程通量衰减情况如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 PES-50超滤膜过滤过程通量衰减情况 Fig. 1 Flux decline curve during ultrafiltration of PES-50

由图 1可看出，3种蛋白质体系超滤过程通量衰减呈现明显的3个阶段: 初期(大约在0~5 min)衰减迅速、 中期(大约在5~60 min)衰减缓慢、 后期(大约在60~120 min)稳定. 这样的通量衰减趋势，也多见于其它研究^{[13, 14]}. BSA、 LYS、 LYS+BSA污染膜在初期的通量衰减幅度分别为30%、 55%、 50%； 中期分别为17%、 25%、 20%； 后期分别为3%、 6%、 6%. 整个超滤过程中，不同蛋白质体系中，LYS通量衰减幅度最大，LYS+BSA次之，BSA最小. 膜初期通量衰减剧烈，且含有LYS组分的溶液膜通量衰减幅度远大于单一BSA，主要由于在溶液pH为7条件下，BSA带负电而LYS带正电. 在pH为7时，测得BSA溶液Zeta电位为-7.5 mV，LYS为+2.1 mV，PES超滤膜在此pH下带负电，超滤膜同BSA之间表现为静电斥力，而同LYS之间表现为静电引力. 因此，LYS更容易吸附于膜表面和孔内，而且较难脱附. 而中、 后期污染速率逐渐减小，直至通量稳定，则可能是由于滤饼层的形成. 同时可以发现LYS除初期膜污染速率远大于BSA外，中、 后期也都大于BSA，这可能是在污染的中后期LYS分子之间形成了较大的聚集体，而这些聚集体很大程度上影响着滤饼层的过滤. 此外，可以发现整个超滤过程中，LYS+BSA二元混合溶液中的通量衰减都很接近于单一LYS，说明混合溶液的膜污染机制可能由LYS决定. 这可以解释为在LYS+BSA溶液中，LYS与膜之间的作用力表现为静电引力，在污染初期LYS可以优先吸附于膜表面. Wang等^[15]在研究超滤、 纳滤、 反渗透膜污染过程中蛋白质分子之间作用力时发现，在超滤系统中，LYS+BSA二元混合体系通量衰减趋势同单一LYS溶液相同，而与单一BSA体系的趋势不同，从而指出LYS+BSA体系中LYS的堵孔作用在整个体系的污染过程中起主导地位. 2.2 蛋白质超滤过程膜特征参数变化

2.2.1 接触角变化

接触角能够反映材料表面的亲疏水性，试验测定了新膜以及不同污染阶段膜静态接触角的变化. 图 2所示为不同污染阶段膜接触角的变化.

图 2

Fig. 2

图 2 蛋白质超滤过程接触角变化 Fig. 2 Change of contact angle during ultrafiltration of protein

由图 2可以看出，整个过滤过程中PES-50超滤膜表面接触角逐渐增加，表明表面疏水性不断增加，过滤时间越长疏水性越显著，说明蛋白质在膜表面的吸附、 沉积是一个逐渐积累的过程. 同时，可以发现超滤膜接触角变化主要发生在前5 min内，经BSA、 LYS、 LYS+BSA污染5 min后的膜接触角分别增加了9°、 6°和10°，而超滤膜前5min内通量衰减也最剧烈. 由此可见，蛋白质同新膜的初期吸附对膜污染影响显著. BSA污染膜表面疏水性强于LYS的污染膜，是由于BSA疏水性强于LYS； 而LYS+BSA污染膜后期疏水性较强，可以归结为LYS+BSA体系中，两种带相反电荷的蛋白质的脱稳聚集. Xiao等^[16]通过研究微滤过程中的污染物吸附行为指出，蛋白质的污染主要是疏水吸附作用引起的. 2.2.2 膜表面粗糙度变化

采用AFM对膜表面形貌进行扫描，可以得出膜表面形貌图及膜表面相关特征参数，本研究用平均粗糙度(Ra)对膜面粗糙度进行表征.

蛋白质超滤过程不同阶段膜表面粗糙度变化情况如见图 3,4,5,6所示.

图 3

Fig. 3

图 3 PES-50新膜AFM图 Fig. 3 AFM images of virgin PES-50

图 4

Fig. 4

图 4 BSA不同过滤时间后PES-50AFM图 Fig. 4 AFM images of PES-50 after different filtration time with BSA (a)、 (b)、 (c)分别表示BSA过滤5、 60、 120 min后的PES-50AFM图

图 5

Fig. 5

图 5 LYS不同过滤时间后PES-50AFM图 Fig. 5 AFM images of PES-50 after different filtration time with LYS (a)、 (b)、 (c)分别表示LYS过滤5、 60、 120 min后的PES-50AFM图

图 6

Fig. 6

图 6 LYS+BSA不同过滤时间后PES-50AFM图 Fig. 6 AFM images of PES-50 after different filtration time with LYS+BSA (a)、 (b)、 (c)分别表示LYS+BSA过滤5、 60、 120 min后的PES-50kAFM图

图 3,4,5,6可知，新膜表面较平整，而污染膜的表面变得不光滑. 与BSA体系不同，LYS、 LYS+BSA污染膜表面可以发现有明显的聚集体； 同时发现，污染前期(5 min内)并没有明显的聚集体形成，而污染中后期则开始变多. 在膜污染的中后期阶段，LYS、 LYS+BSA污染膜的通量衰减幅度均大于BSA，表明聚集体的形成能够影响膜后期的污染速率. Giiell等^[17]在蛋白质微滤过程中发现: 虽然BSA有巯基、 同时有17个二硫键，而LYS没有巯基，只有4个二硫键，但LYS总阻力却大于BSA. 可以归结为LYS分子之间形成的聚集体大于BSA.

蛋白质超滤过程膜表面粗糙度变化见图 7.

图 7

Fig. 7

图 7 蛋白质超滤过程中PES-50表面粗糙度变化情况 Fig. 7 Surface roughness change of PES-50 during ultrafiltration of protein

由图 7可知，膜面粗糙度随膜污染过程呈现递增趋势. 在膜污染初期，膜面粗糙度变化最大，这与膜表面接触角影响趋势一致. 同时可以发现经3种蛋白质污染后膜粗糙度大小顺序为: LYS+BSA＞LYS＞BSA. 可以归结为LYS+BSA、 LYS体系过滤过程中产生的聚集体使污染膜的粗糙度大于BSA的污染膜，而LYS+BSA体系中，两种带相反电荷的蛋白质更容易导致溶液脱稳，形成数量较多的聚集体. 2.2.3 膜平均孔径变化

试验对超滤过程中不同阶段的膜孔径进行了测量，其结果如图 8所示.

图 8

Fig. 8

图 8 PES-50平均孔径变化情况 Fig. 8 Change of mean pore size of PES-50

由图 8可知，经3种蛋白质体系污染后的膜孔径呈现不断减小的趋势，表明在污染的各不同阶段存在着不同程度的膜孔窄化现象. 其中，BSA的污染膜孔径变化最大发生在中期(60 min)，其平均孔径减少了9.5 nm； 而LYS、 LYS+BSA污染膜孔径变化最大均发生在初期(5 min)，平均孔径减少了12.6 nm、 10.1 nm. 表明对于BSA、 LYS、 LYS+BSA这3种蛋白质体系的膜污染，膜孔窄化最严重分别发生在污染中期、 污染前期、 污染前期. 在膜污染的初期阶段，LYS、 LYS+BSA污染膜的膜孔窄化强于BSA，可以解释为LYS(相对分子质量为14×10³)相对于BSA(相对分子质量为67×10³)更小，而膜孔较大(PES-50新膜平均孔径为41.6 nm)，因而LYS更容易进入膜孔内发生窄化，同时LYS与膜的静电引力作用对于初期严重的膜孔窄化也有很大贡献. 同样的现象也有类似报道，Diao等^[18]研究发现随着孔径的增加，LYS、 BSA的孔内吸附量不断增加，并且存在一个临界孔径，超过这个孔径吸附量将大幅增加，同时发现同孔径材料的LYS吸附量远大于BSA. 污染中期，LYS的污染膜孔径变化不大，可能是由于前期的膜孔窄化以及这个阶段聚集体的形成，使LYS发生了较前一阶段严重的膜孔堵塞，而且这样的膜孔堵塞发生在膜孔中小孔部分，同时LYS分子继续对大孔窄化，因此其平均孔径总体变化不明显. 在污染后期，膜孔径则变化较少，则是由于后期滤饼层逐渐形成，从而阻止蛋白质颗粒进入膜孔内发生窄化. 康锴等^[19]用动态Monte Carlo模拟蛋白质微滤过程中发现，当膜孔径/污染物颗粒=10时，污染初期膜孔阻力大于滤饼层阻力，而污染后期，膜孔阻力小于滤饼层阻力，表明蛋白质聚集体不断在膜表面聚集，直至滤饼层成为主导因素. 2.2.4 膜孔分形维数、 膜孔密度、 孔隙率变化

用场发射电镜对新膜及污染膜(擦除表面污染物后)进行表征. 通过软件分析得到了膜孔分形维数、 膜孔密度、 孔隙率等结构参数，部分FESEM图如图 9所示.

图 9

Fig. 9

图 9 PES-50污染前后FESEM图 Fig. 9 FESEM images of PES-50 before and after fouling (a)PES-50新膜； (b)、 (c)、 (d)依次为经LYS污染5、 60、 120 min后PES-50的表面

由图 9可知，PES-50新膜表面较为光滑，具有较为规则的圆形孔，这样的规则膜孔易发生表面堵孔^[1]. 而污染后的膜表面，膜孔明显减少.

新膜及不同污染阶段膜结构参数变化情况如表 1所示.

由表 1可知，新膜膜孔分形维数较小，属于规则的圆形孔^[20]，这与电镜测定结果相符. 整个超滤过程，膜孔分形维数不断增大，表明膜孔逐渐呈现不规则化^{[21, 22]}. LYS及LYS+BSA的污染膜在污染前期和中期分形维数变化最大，污染中期LYS的污染

表 1(Table 1)

表 1 PES-50超滤膜结构参数变化 Table 1 Change of structure parameter of PES-50 蛋白质 不同阶段 分形维数 孔隙率/% 膜孔密度×1014个·m-2 新膜 1.26 3.4 3.88 5 min 1.27 2.06 2.95 BSA 60 min 1.36 1.37 2.35 120 min 1.3 1.27 2.3 5 min 1.36 1.74 3.5 LYS 60 min 1.46 1.26 3.04 120 min 1.44 0.82 2.97 5 min 1.38 1.69 3.22 LYS+BSA 60 min 1.47 1.12 2.85 120 min 1.45 1 2.48

表 1 PES-50超滤膜结构参数变化 Table 1 Change of structure parameter of PES-50

膜分形维数变化很大，表明这一阶段确实发生了严重的膜孔窄化. 而BSA的污染膜分形维数中期变化最大，3种蛋白质体系膜污染后期分形维数变化不大，都与相应平均孔径的变化趋势一致. 3种蛋白质体系的污染膜随过滤进行膜孔密度、 孔隙率不断减小，其中BSA的污染膜初期膜孔密度显著减少，污染后期膜孔密度基本趋于稳定. LYS膜污染中期膜孔密度从3.5×10¹⁴个 ·m^-2减少至3.04×10¹⁴个 ·m^-2，这一阶段膜孔密度减少最多，可能是由于膜污染初期的膜孔窄化，使这一阶段LYS分子能发生膜孔堵塞.

结合膜平均孔径、 膜孔分形维数、 膜孔密度的变化能够说明: 整个膜污染过程膜孔径、 孔隙率、 膜孔密度均出现下降，表明膜的污染过程中伴随着多种污染类型的同时进行. 其中BSA的膜污染初期主要以膜孔堵塞为主要污染机制，而污染中期则是膜孔窄化为主. LYS的污染膜初期发生了严重的膜孔窄化，由于初期的窄化，在污染中期一部分LYS分子能够发生膜孔堵塞(主要在小孔部分)，而同时一部分LYS继续发生膜孔窄化，所以这一阶段膜结构参数表现为: 膜平均孔径变化不大，分形维数减小较多，膜孔密度下降较多. Wang等^[23]研究了多种膜的污染行为，他们指出初期通量衰减可以用一种或者多种堵塞模型(完全膜孔堵塞、 膜孔窄化)来解释，而后期通量衰减则与滤饼层过滤机制相符. 因此，LYS的膜污染初期以膜孔窄化为主，而中期由膜孔堵塞和膜孔窄化共同控制. LYS+BSA的污染膜接触角、 粗糙度、 平均孔径、 分形维数、 膜孔密度等特征参数变化趋势都与单一LYS体系的污染膜相同，说明整个超滤过程LYS+BSA二元混合溶液中的LYS对膜污染的产生起主导作用. Palacio等^[24]在研究几种不同蛋白质体系的膜污染中发现带相反电荷的LYS+BSA混合溶液的污染更为复杂，其中膜孔堵塞以及滤饼层形成皆由LYS决定. 而所有膜特征参数在污染后期均趋于稳定，表明3种蛋白质的污染后期均主要以滤饼层过滤为主. 2.2.5 PES-50对蛋白质截留率变化

蛋白质超滤过程截留率变化见图 10.

图 10

Fig. 10

图 10 蛋白质超滤过程PES-50截留率变化情况 Fig. 10 Rejection change of PES-50 during ultrafiltration of protein

图 10表明超滤过程膜对BSA的截留率不断提高，初期的提高是由于膜孔窄化作用，后期的提高可以归结为滤饼层的形成； LYS+BSA体系以及单一LYS体系初期截留率不高，可以归结为LYS分子较小易透过膜孔，而5~60 min内，这两种体系膜截留率变化不大，是由于过滤5 min后体系两种污染膜平均孔径分别为31.5 nm、 29 nm，相对于LYS、 BSA分子来说依然较大，因此不能将其截留. 虽然这一时期聚集体已经开始形成，但由于LYS、 LYS+BSA体系这一阶段发生了较严重的膜孔堵塞(堵小孔)，而导致溶质分子更容易通过膜孔中的大孔部分透过，从而不利于截留率的提高. Polyakov等^[25]指出发生膜孔堵塞时通常使膜截留率下降，而发生膜孔窄化时则有利于截留率的提高. 而后期截留率的提高可以归结为聚集体的不断增大以及滤饼层的形成、 压实.

3 结论

(1)3种蛋白质体系中，LYS对PES-50超滤膜造成的膜污染最严重，LYS+BSA次之、 BSA最小. 蛋白质同膜的初期吸附使初期污染最为严重. 不同蛋白质同膜之间的静电作用影响膜初期污染的严重程度.

(2)3种蛋白质体系污染膜的接触角、 粗糙度在初期污染中变化最大； BSA体系中平均孔径变化最大发生在膜污染中期，而LYS及LYS+BSA体系发生在膜污染前期； BSA体系中膜孔密度、 孔隙率减少最多发生在膜污染初期，而LYS体系发生在膜污染中期. 3种蛋白质体系膜污染后期膜特征参数均趋于稳定.

(3)在超滤过程中，不同蛋白质在不同阶段的膜污染机制不同，LYS对PES-50的初期膜污染以膜孔窄化为主，中期污染由膜孔堵塞和膜孔窄化共同控制； BSA初期污染以膜孔堵塞为主，中期污染以膜孔窄化为主. 在LYS+BSA体系中，由于膜污染初期LYS与膜之间的静电引力以及后期LYS分子之间形成的聚集体，使整个污染过程中LYS+BSA体系中的LYS对膜污染的产生起主导作用. LYS、 BSA后期膜污染均由滤饼层过滤决定. LYS、 LYS+BSA在污染中后期形成的聚集体对滤饼层的形成具有很大贡献.