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·788· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 36 卷

性相反时，溶质由于静电作用吸附在膜表面造成严 Liu [37] 等研究发现，高亲水性的两性离子聚酰亚胺
重的膜污染 [27] 。值得注意的是，当发酵液的 pH 处 （PI）膜，在超滤过程中展现出更少的蛋白质吸附、
于溶质的等电点（IEPs）时，溶质净电荷为零，溶 更高的防污性和水通量，如图 3 中 b、c 所示。
质间缺乏静电排斥作用，使得溶液黏度增大，溶质
大量聚集在膜表面 [28-31] 。综上所述，pH 通过影响发
酵液溶质间和溶质与超滤膜间的静电作用来影响超
滤膜的污染程度和膜通量变化。

a—低浓度；b—高浓度
图 2 不同蛋白溶质浓度下超滤膜表面膜污染示意图 [24]
Fig. 2 Surface membrane contamination of ultrafiltration
membrane at different protein solute concentrations [24]

2.1.3 离子强度
传统研究认为，离子强度主要通过改变溶质的
静电作用和范德华力（DLVO 理论）、蛋白质的溶解
度（盐入和盐析作用）以及亲疏水效应来改变溶质
的聚集和分散，最终对超滤过程中膜表面的污染程
度和膜通量产生影响 [27,30,32-34] 。
然而，经典的 DLVO 理论无法解释在一定浓度
下随阳离子含量增加，膜的有机物污垢显著减轻的
现象。Rui 等 [35] 提出了水合力的概念，积聚在带负
电荷溶质和膜附近的阳离子有助于在膜和溶质表面
形成结构化水层，水层的重叠使溶质之间和溶质与 a—亲水表面的防污机理亲水聚合物和两性离子聚合物；b—两性
膜之间出现水合排斥力，从而减少了溶质之间的聚 离子膜（绿色）和参考 PI 膜（白色）上的蛋白质吸附量；c—在
超滤期间两性离子和参考 PI 膜的膜通量的变化
集和溶质在膜上的吸附，降低了膜污染。此外，Lee [27]
图 3 亲水性表面的防污机理和性能表征 [37-38]
等研究多壁碳纳米（MWCNT）复合超滤膜和商业 Fig. 3 Antifouling mechanism and performance characte
聚醚砜超滤膜（PES-UF）的结垢行为时发现，离子 rization of hydrophilic surfaces [37-38]
强度的改变会对膜的 Zeta 电位产生影响，进而改变
膜与溶质之间的静电作用。因此，在生物酶的超滤 此外，膜污染程度还与膜表面粗糙度有关，研
过程中应综合考虑离子强度对发酵液和超滤膜的影 究发现溶质易积聚在粗糙膜表面的“谷底”，膜污染程
响，选择合适的离子强度。 度随粗糙度增加而增大 [39-41] 。因此，改性膜表面亲水
2.2 超滤膜 性的提高(接触角越小和表面吉布斯自由能越大越
2.2.1 超滤膜表面性质 亲水)和粗糙度的降低，有利于减小膜污染程度 [39] ，
在生物酶分离时，超滤膜表面亲疏水性、膜表面 如图 4 所示。在研究膜表面电性与膜结垢的关系时，
粗糙度以及膜表面电性在膜结垢中起主要作用。膜的 Bayramoğlu [42] 等发现与膜表面电性相反的蛋白质由
分离体系一般为水相体系，亲水性的膜表面因氢键 于静电吸引，其在膜表面的吸附性更强，膜结垢更
（亲水材料）或静电作用（两性离子材料）吸附水分 严重。
子，并形成一层“水膜”，如图 3a 所示。此时的膜表 综上所述，膜的亲水性越高和粗糙度越低，膜的
面处于有序结构，疏水溶质接近或吸附在膜表面之前 污染度就越小；对于膜表面电性，只要选择与生物酶
必须打破这种有序结构，即使溶质吸附在膜表面也很 发酵液的电性相同或不带电的超滤膜，就能有效解决
容易被冲走，所以亲水性膜的污染相对较小 [36] 。如 因膜与溶质的静电作用造成的膜污染问题 [43-44] 。