氨基酸和低聚肽是广泛应用于食品添加剂、化妆品配方和制药生产的高价值生物活性化合物[1], [2], [3], [4]。特别是精氨酸、赖氨酸和组氨酸，这些高等电点氨基酸(HIPAs)在人体内执行重要的生理功能。这三种HIPAs通常通过微生物发酵生产[5]。例如，精氨酸由谷氨酸生物合成，赖氨酸来源于天冬氨酸，组氨酸需要谷氨酰胺作为合成前体[6], [7], [8]。在工业微生物发酵生产氨基酸过程中，发酵液天然含有共存异构氨基酸、无机盐副产物和残留蛋白质杂质，这大大提高了下游加工中分离和纯化目标生物分子的技术难度[9]。
传统分离技术，包括溶剂萃取、真空蒸馏和制备色谱，存在能源消耗过大、加工周期长和设备运行成本高等严重缺陷，限制了其大规模工业应用[10], [11], [12]。相比之下，压力驱动膜分离技术具有低能耗输入、温和操作条件和零有机溶剂残留的特点，符合绿色和强化生物制造的核心需求，因此在生物分子纯化领域引起了广泛的研究关注[13], [14]。
正电荷纳滤膜(PCNFMs)依靠协同的Donnan排斥和尺寸筛分效应来区分具有不同电荷状态的氨基酸和二价金属阳离子[15], [16], [17], [18], [19]，作为氨基酸发酵液脱盐和分级的关键分离介质[20], [21], [22]。几乎所有商用PCNFMs都是通过界面聚合(IP)制造聚酰胺选择性层[20]。然而，未水解的酰氯基团会在聚酰胺表面产生固有的带负电荷的羧基位点，大大降低表面阳离子密度，并限制分子尺寸相似和等电点(pI)接近的氨基酸混合物的分辨率[14], [23]。此外，IP衍生膜表现出狭窄的孔径可调窗口和严重的水通量-选择性权衡效应，无法同时实现高水通量和优异的氨基酸分离选择性。
超支化聚合物是链缠结极低的三维球形大分子[17], [24], [25]。当沉积到多孔基底上时，其球形流体力学体积可防止深入渗透至基底孔隙中，从而很好地保持基底结构完整性；同时，固有的纳米尺度分子内空腔在交联后能形成丰富的自由体积传输通道[17], [26]。大多数现有研究将超支化大分子单聚物作为水性添加剂引入IP体系，以适度调节聚酰胺层的电荷和孔结构，但它们无法完全消除源自水解羧基的固有负电荷缺陷[26], [27], [28], [29]。通过颗粒间共价交联，直接利用预合成的超支化NPs作为专属成膜构筑基元来制备全阳离子选择性层的研究在很大程度上仍未被探索。
基于我们课题组建立的活性纳米颗粒堆积方法学[23], [30], [31]，与之前通过IP将超支化NPs分散到聚酰胺基质中以构建部分渗透纳通道的报道不同[17]，本研究直接将混合的QHPVBC和QHPAMAM NPs沉积到PES-UF支撑体上，并引发NPs间交联，形成完整的正电荷选择性层。QHPVBC上的残余苄基氯基团和QHPAMAM上的末端伯胺在热处理过程中发生共价键合，构建源自NPs内空隙和NPs间交联间隙的连续分级水传输通道（图1）。对制备的QHPVBC-QHPAMAM PCNFM进行了全面表征和分离评价，系统验证了其在分离混合氨基酸发酵模拟物中的性能，并提出了一种两级循环过滤系统用于目标HIPAs的连续富集。进行了包括长期跨流操作、酸/碱耐腐蚀性和抗生物污染测试在内的多项稳定性评估，以验证其在生物发酵下游纯化中的工业应用潜力。
