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第 5 期 张 剑，等: 超滤技术在生物酶分离中的研究进展 ·787·

超滤性能的措施做详尽的描述和总结，人们对生物 和堵塞造成的污染问题 [15] 。机理模型能够在一定程
酶超滤技术缺乏足够的了解。本文对生物酶超滤技 度上解释超滤过程的机理，但模型通常较为复杂，
术的原理和超滤过程的数学建模，以及影响生物酶 参数和假设众多，导致模型参数估计困难和应用范
超滤的物理化学因素和改进措施做了系统的综述， 围受限，达不到人们对模型拟合精度的要求。因此，
针对目前生物酶超滤技术存在的问题提出建议并对 人们提出了拟合精度更高的经验模型，在经验模型
其未来发展趋势进行展望。 中，多元回归模型建立了多个自变量和截留效果的
定量关系，从而为超滤工艺的调控提供基础；人工
1 超滤技术
神经网络模型为黑箱模型，其通过一定量的实测输
1.1 超滤技术的原理 入和输出数据来训练和测试，就可准确预测过程通
超滤技术是以超滤膜为核心部件，膜两侧压力 量 [21] 。经验模型虽然有较优的拟合能力，却无法从
差为推动力的膜分离过程，机理如图 1 所示。 理论上解释超滤性能的变化规律 [11] 。
超滤过程机理复杂，涉及不同阶段、多种膜污
染形式的交错和叠加以及多种理化因素的影响，导
致单一的超滤数学模型往往无法满足人们对模型拟
合精度的要求。除了对现有模型的改进优化和新模型
的开发之外 [22] ，还可把多种模型组合成混合模型 [23] ，
从多因素、多理论、多阶段去讨论超滤过程，最终
得到最优的拟合效果。

[9]
图 1 超滤机理图
Fig. 1 Ultrafiltration mechanism [9] 2 影响生物酶超滤性能的因素

超滤膜的孔径在 1~20 nm [10] ，但超滤膜的截留 生物酶超滤技术主要从膜污染程度、膜通量、
截留率、酶活力损失等方面来表征超滤性能的高低。
率主要取决于溶质的尺寸和形状，在实际应用中不
影响生物酶超滤性能的因素主要从以下三方面来考
以膜孔径表征超滤膜，而以截留分子量（MWCO）
虑：一是发酵液的性质（如发酵液溶质的粒径、浓
来表征。超滤技术的分离原理为筛分原理，仅限于
度等）；二是对发酵液进行分离的膜设备（如分离膜
溶质相对分子质量差异超过 10 倍的分离系统。超滤
和膜组件）；三是生物酶超滤过程的分离条件（如分
膜能有效捕获或去除相对分子质量在 500~500000
离过程的参数和分离工艺）。
Da 的物质，被截留下来的物质形成浓缩液，从而实
2.1 发酵液的性质
现对溶液的分离、浓缩和净化。
2.1.1 发酵液中的溶质
1.2 超滤过程数学建模
发酵液溶质包括生物酶和各种杂质，发酵液中
在超滤过程中，数学模型能够定量描述各影响
溶质的浓度、酶的稳定性以及杂质均会对超滤性能
因素和超滤性能之间的关系，有助于从理论上优化
产生影响。研究发现，当超滤液溶质浓度较高时，
操作条件，提高超滤性能。超滤过程的数学模型主
蛋白溶质之间更易聚集形成胶团，由于胶团粒径过
要分为机理模型和经验模型，前者以超滤过程机理 大无法透过超滤膜孔而附着在膜表面，导致膜污染
的不同理论解释为基础建立传质方程，后者则在大 加剧，如图 2 所示 [24] 。此外，在超滤过程中，由于
量数据统计和分析的基础上建立物质截留效果与影 理化条件的改变，一些环境敏感性高的生物酶大量
响因素之间的关系 [11] 。超滤过程的机理模型有基于 死亡，降低了浓缩液中的酶活力 [25] 。而且，由于生
浓差极化现象 [12] 、阻碍传输理论 [13-14] 、膜孔堵塞效 物酶的来源特性，发酵液中过多的杂质对酶的颜
应 [15-16] 的模型，也有不同阻力对膜通量下降贡献大 色、气味和酶纯度产生严重的影响 [26] 。综上所述，
小的阻力串联模型 [17-18] 。经验模型主要有多元回归 发酵液中溶质浓度决定了超滤过程的膜通量和膜
模型 [19] 和人工神经网络模型 [20] 。 污染程度，而酶的稳定性和杂质的含量决定了酶制
在机理模型中，基于浓差极化的模型主要考虑 剂的品质。
浓差极化层内的对流迁移和反向扩散过程，以及凝 2.1.2 发酵液的 pH
胶层和边界层对溶质的阻碍，模拟了超滤膜对溶质 发酵液的 pH 会对超滤膜和发酵液溶质的带电
的截留过程 [11] 。而基于阻碍传输理论和膜孔堵塞效 量和电性产生影响。研究发现，发酵液的 pH 会改
应的机理模型则研究了膜表面和内部对溶质的阻碍 变溶质和超滤膜的带电量和电性，当溶质和膜的电