分离科学第一章沉淀法优秀课件.ppt
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1、分离科学第一章沉淀法1第1页,本讲稿共76页分离科学意义分离科学意义 生产实践中成本构成,工艺过程可能就是分离过程。生产实践中成本构成,工艺过程可能就是分离过程。环保尤其是水资源利用环保尤其是水资源利用 基础医学和临床医学基础医学和临床医学 生物分离的重大前沿意义生物分离的重大前沿意义:多种新的分离技术和分离方法。:多种新的分离技术和分离方法。本课程授课倾向:与生产实践相关,次新的分离技术的方法本课程授课倾向:与生产实践相关,次新的分离技术的方法原理和应用。主要分离对象是原理和应用。主要分离对象是生物样品和天然产物。生物样品和天然产物。2第2页,本讲稿共76页沉淀法沉淀法溶剂萃取法溶剂萃取法树
2、脂法树脂法膜分离技术膜分离技术凝胶萃取法凝胶萃取法双水相萃取法双水相萃取法超临界流体萃取法超临界流体萃取法泡沫分离法泡沫分离法中草药有效成分分离示例中草药有效成分分离示例吕家根吕家根化学楼化学楼1465,14101465,3第3页,本讲稿共76页第一章第一章 沉沉 淀淀 法法为什么会溶解?为什么会溶解?沉沉淀淀法法是是化化学学工工程程中中最最常常用用和和最最简简单单的的提提取取方方法法,它它是是利利用用加加入入试试剂剂或或改改变变条条件件使使产产物物或或干干扰扰物物离离开开溶溶液液,生生成成不不溶溶性性颗颗粒粒而而沉沉降降析析出出。沉沉淀淀和和结结晶晶在在本本质质上上同同属属一一种种过过程程,
3、都都是是新新相相析析出出的的过过程程,主主要要是是物物理理变变化化,当当然然也也存存在在有有化化学学反反应应的的沉沉淀淀或或结结晶晶。沉沉淀淀和和结结晶晶的的区区别别在在于于形形态态的的不不同同,同同类类分分子子或或离离子子以以有有规规则则排排列列形形式式而而析析出出称称结结晶晶,同同类类分分子或离子以无规则的紊乱排列形式而析出称为沉淀。子或离子以无规则的紊乱排列形式而析出称为沉淀。4第4页,本讲稿共76页 沉淀法的优点为设备简单、成本低、原材料沉淀法的优点为设备简单、成本低、原材料易得,便于小批量生产,在产物浓度愈高的溶液易得,便于小批量生产,在产物浓度愈高的溶液中沉淀越有利、收率越高;缺点
4、为过滤困难、产中沉淀越有利、收率越高;缺点为过滤困难、产品质量较低需重新精制。品质量较低需重新精制。本章介绍在化学工程中使用的沉淀法主要包本章介绍在化学工程中使用的沉淀法主要包括盐析法,有机溶剂沉淀法,等电点法以及其它括盐析法,有机溶剂沉淀法,等电点法以及其它沉淀法。沉淀法。5第5页,本讲稿共76页等电点法等电点法 由由于于试试剂剂费费用用低低廉廉,是是一一些些普普通通的的酸酸或或碱碱,以以改改变变pHpH值值使使分分部部沉沉淀淀成成为为一一种种工工业业方方法法,同同样样是是富富有有吸吸引力的。引力的。等等电电点点法法主主要要用用于于一一些些两两性性电电解解质质的的产产物物中中,例例如如抗抗菌
5、菌素素(四四环环素素)、氨氨基基酸酸(谷谷氨氨酸酸)以以及及水水化化程程度度不不大大或或憎憎水水性性的的蛋蛋白白质质例例如如酪酪蛋蛋白白等等,下下面面我们以我们以谷氨酸为例谷氨酸为例来讨论等电点法的具体应用。来讨论等电点法的具体应用。6第6页,本讲稿共76页 谷氨酸的等电点谷氨酸的等电点 谷氨酸分子中合有两个酸性的羧基和一个碱谷氨酸分子中合有两个酸性的羧基和一个碱性的氨基,是一种两性电解质,它在不同性的氨基,是一种两性电解质,它在不同pHpH的溶的溶液中可以至阳离子、两性离子和阴离子等四种不液中可以至阳离子、两性离子和阴离子等四种不同的离子状态而存在,分别以同的离子状态而存在,分别以GAGA、
6、GAGA、GAGA-、GAGA2-2-表示。存在有如下平衡关系。表示。存在有如下平衡关系。由实验测得三个极性基团的表观电离常数及由实验测得三个极性基团的表观电离常数及pKpK值:值:7第7页,本讲稿共76页8第8页,本讲稿共76页不同不同pH时谷氨酸的电离平衡时谷氨酸的电离平衡9第9页,本讲稿共76页从从谷谷氨氨酸酸的的各各级级电电离离常常数数,用用电电子子计计算算机机可可以以方方便便求求得得在在不同不同pHpH值下各种离子的分配情况。值下各种离子的分配情况。计算公式的导出,令浓度单位为计算公式的导出,令浓度单位为mmoL/mLmmoL/mL整理后得:整理后得:若溶液中谷氨酸的总量为若溶液中谷
7、氨酸的总量为1mmo11mmo1,即:,即:10第10页,本讲稿共76页合并得:合并得:令:令:则:则:11第11页,本讲稿共76页设设H H+浓度为浓度为x x则则A A、B B、C C、D D都是都是x x的函数,就可用电的函数,就可用电子计算机进行演算,其结果描绘成下图。子计算机进行演算,其结果描绘成下图。12第12页,本讲稿共76页从从计计算算机机得得到到的的数数据据或或上上图图,就就能能得得到到任任一一pHpH值值下下离离子子的的分分配配情情况况,例例如如当当pHpH值值3.223.22时时,GAGA:GAGA:GAGA-:GAGA2-2-7.8617.861:84.2484.24,
8、7.8617.861:0.2789100.278910-5-5。若若pHpH达达到到7 7左左右右时时,随随着着-羧羧基基的的电电离离,谷谷氨氨酸酸主主要要以以阴阴离离子子GAGA-存存在在,占占溶溶液液离离子子总总数数的的99.61%99.61%,pHpH值值再再继继续续升升高高,随随着着-谷谷氨氨酸酸电电离离,并并与与溶溶液液中中的的OHOH-中中和和,使使谷谷氨氨酸酸以以另另一一种种阴阴离离子子GAGA2-2-存存在在,在在pHpH值值1313时时,阴阴离离子子GAGA2-2-占占溶溶液液中中离离子子总总数数的的99.9599.95。从从上上可可见见,谷谷氨氨酸酸根根据据溶溶液液pHpH
9、值值的的不不同同,可可以以成成为为带带正正电电荷荷的的阳阳离离子子,也也可可以以成成为为带带负负电电荷荷的的阴阴离离子子。当当介介质质达达到到一一定定的的pHpH值值(3.22)(3.22)时,谷氨酸呈电中性,此时就称为谷氨酸的等电点。时,谷氨酸呈电中性,此时就称为谷氨酸的等电点。13第13页,本讲稿共76页 在等电点时,谷氨酸分子中氨基和羧基相互在等电点时,谷氨酸分子中氨基和羧基相互中和的结果,生成一种内盐形式的分子,它可以中和的结果,生成一种内盐形式的分子,它可以看成为羧基电离产生的看成为羧基电离产生的H H+与氨基结合成两性离子与氨基结合成两性离子(或或偶极离子偶极离子),因此谷氨酸的等
10、电点也就是呈电中性时溶,因此谷氨酸的等电点也就是呈电中性时溶液的液的pHpH值习惯上以值习惯上以pIpI表示。可利用其总电离平衡常数表示。可利用其总电离平衡常数值求得。值求得。14第14页,本讲稿共76页因为在等电点时,溶液中总静电荷为零,所以因为在等电点时,溶液中总静电荷为零,所以GAGA-GAGA+,则上式可简化为,则上式可简化为 因因15第15页,本讲稿共76页谷谷氨氨酸酸在在等等电电点点时时,绝绝大大部部分分以以偶偶极极离离子子(GA(GA+)状状态态存存在在,分分子子内内部部正正负负电电荷荷相相等等,并并且且有有等等量量的的带带不不同同电电荷荷的的阳阳离离子子(GA(GA+)和和阴阴
11、离离子子(GA(GA-),因因此此,溶溶液液的的总总静静电电荷荷等等于于零零。谷谷氨氨酸酸分分子子之之间间由由于于相相互互碰碰撞撞并并通通过过静静电电引引力力的的作作用用结结合合成成较较大大的的聚聚合合体体而而沉沉淀淀。所所以以在在等等电电点点时时表表现现有有最最低低溶溶解解度度性性质质见见表表。工工业业生生产产中中等等电电点点法法提提取取谷氨酸,就是利用这一特性。谷氨酸,就是利用这一特性。16第16页,本讲稿共76页A:谷氨酸结晶:谷氨酸结晶L-L-谷谷氨氨酸酸结结晶晶属属于于斜斜方方晶晶系系离离子子晶晶体体,具具有有多多晶晶型型性性质质,在在不不同同的的条条件件下下,可可以以得得到到。型型
12、谷谷氨氨酸酸结结晶晶和和型型谷谷氨氨酸酸结结晶晶。由由x x射射线线衍衍射仪测得空间三方向晶轴如下:射仪测得空间三方向晶轴如下:17第17页,本讲稿共76页由由表表可可知知-型型结结晶晶晶晶轴轴长长短短接接近近,因因此此,晶晶体体粗粗壮壮,呈呈颗颗粒粒状状;而而-型型结结晶晶,其其晶晶轴轴长长短短悬悬殊殊,b b方方向向轴轴特特别别长长,呈呈针针状或鳞片状。状或鳞片状。-型型结结晶晶是是大大型型结结晶晶,在在纯纯谷谷氨氨酸酸溶溶液液个个为为斜斜方方六六面面晶晶体体(观观察察等等电电析析出出的的晶晶体体为为四四面面晶晶体体)。纯纯度度高高、颗颗粒粒大大、质质量量重重、易易沉沉降降、与与母母液液分
13、分离离容容易易,是是一一种种理理想想的的结结晶晶,而而-型型结结晶晶晶晶粒粒细细、纯纯度度低低、质质量量轻轻、难难沉沉降降、不不易易沉沉淀淀析析出出,因因此此在在生生产产中中要要控控制制结结晶晶条条件件,以以析析出出-型型结结晶晶,如如出出现现-型型结晶则沉淀物细、结晶不易沉降、分离困难、收率大减。结晶则沉淀物细、结晶不易沉降、分离困难、收率大减。18第18页,本讲稿共76页B B:影响晶型的条件:影响晶型的条件 1 1发发酵酵液液中中谷谷氨氨酸酸浓浓度度对对晶晶型型的的影影响响。由由下下表表所所列列数数字字表表明明,在在室室温温自自然然冷冷却却条条件件下下随随着着谷谷氨氨酸酸含含量量的的升升
14、高高,-型谷氨酸结晶增多,水分增多,纯度降低,分离因难型谷氨酸结晶增多,水分增多,纯度降低,分离因难。19第19页,本讲稿共76页 A A:谷氮酸的含量:谷氮酸的含量 发发酵酵液液中中谷谷氨氨酸酸含含量量在在4 4以以上上时时,等等电电结结晶晶操操作作容容易易,收收率率可可达达6060左左右右,谷谷氨氨酸酸含含量量太太低低,如如1.5-3.5%1.5-3.5%常常温温下下溶溶液液的的过过饱饱和和率率小小,结结晶晶的的生成速度慢、收率低,因此,对产生成速度慢、收率低,因此,对产酸酸较较低低的的发发酵酵液液为为了了提提高高收收率率,中中和和时时采采取取多多加加高高流流分分(离离子子交交换换柱柱洗洗
15、脱脱下下的的高高流流液液,加加酸酸调调至至1.51.5用用于于等等电电中中和和),以以增增加加谷谷氨氨酸酸含含量量;同同时时在在晶晶核核形形成成前前投投入入晶晶种种,以以促促进进结结晶晶的的形形成成。此此外外,也也可可在在去去菌菌体体后后7070下下进进行行真真空空浓浓缩缩,然然后后再再等等电电点点提提取取,也也可可采采用用离离子子交交换换柱柱直接吸附分离,再等电结晶。直接吸附分离,再等电结晶。20第20页,本讲稿共76页由由表表可可知知,析析出出结结晶晶的的温温度度超超过过3030时时,-型型晶晶体体增增加加。因因此此,必必须须把把发发酵酵液液温温度度降降到到3030以以下下,以以避避免免形
16、成形成-型晶体。型晶体。2 2结晶析出温度对晶型的影响。结晶析出温度对晶型的影响。21第21页,本讲稿共76页vB B:温度的影响:温度的影响v 谷氨酸的溶解度随温度的降低而变小,结晶析出温度对晶谷氨酸的溶解度随温度的降低而变小,结晶析出温度对晶体型式有很大影响。粒状的体型式有很大影响。粒状的型晶体,结晶温度必须降低到型晶体,结晶温度必须降低到3030以下,以避免形成以下,以避免形成型晶体。型晶体。v在等电中和过程中,温度缓慢下降,结晶颗粒粗大。降温过快。在等电中和过程中,温度缓慢下降,结晶颗粒粗大。降温过快。结晶颗粒细小,最后温度越低越好,可以使谷氨酸充分析出。低结晶颗粒细小,最后温度越低越
17、好,可以使谷氨酸充分析出。低温等电点法,终温控制在温等电点法,终温控制在3-53-5,收率可提高到,收率可提高到8080左右。左右。v由于结晶过程是放热反应,温度较难控制,原则上必须避免由于结晶过程是放热反应,温度较难控制,原则上必须避免温度回升,温度的逆转会引起温度回升,温度的逆转会引起 晶型向晶型向晶型的转变,导晶型的转变,导致收率下降,生产上以控制酸的流加速度来确保温度的缓致收率下降,生产上以控制酸的流加速度来确保温度的缓慢下降。慢下降。22第22页,本讲稿共76页C C:加酸速度的影响:加酸速度的影响加加酸酸的的目目的的在在于于使使pHpH降降低低到到谷谷氨氨酸酸的的等等电电点点。加加
18、酸酸速速度度的的快快慢慢对对晶晶体体的的大大小小影影响响较较大大。缓缓慢慢加加酸酸使使谷谷氨氨酸酸的的溶溶解解度度逐逐渐渐下下降降,晶晶核核的的形形成成不不会会太太多多大大快快,育育晶晶后后颗颗粒粒大大易易沉沉降降分分离离,加加酸酸速速度度过过快快,容容易易形形成成局局部部过过饱饱和和,晶晶核核形形成成太太快快太太多多,结结晶晶颗颗粒粒小小,不不易易沉沉降降分分离离,影影响响收收率率。操操作作上上一一般般采采用用前前期期加加酸酸稍稍快快,中中期期(晶晶核核形形成成前前)加加酸酸要要缓缓,后期加酸要慢的原则,直至后期加酸要慢的原则,直至pHpH降低至等电点为止。降低至等电点为止。谷谷氨氨酸酸的的
19、溶溶解解度度在在等等电电点点偏偏酸酸时时增增加加较较慢慢,偏偏碱碱时时增增加加较较快快,pHpH值值以以控控制制在在3.0-3.23.0-3.2为为最最好好,如如低低于于3.03.0提提取取收收率率也也会会降低。降低。23第23页,本讲稿共76页工工厂厂生生产产一一般般用用盐盐酸酸中中和和,如如用用硫硫酸酸易易形形成成型型结结晶晶同同时时对对发发酵酵液液中中的的CaCa2+2+要要进进行行预预处处理理,以以防防止止硫硫酸酸钙钙沉沉淀淀降降低低谷谷氨氨酸酸纯纯度度,等等电电点点-离离子子交交换换法法采采用用高高流流分分调调pHpH,流流加加速速度度一一定定要要慢慢,防防止止局局部部过饱和。过饱和
20、。D D:晶种:晶种 适时投放品种,有利于产品收率的提高。投放晶种的条件要准确,适时投放品种,有利于产品收率的提高。投放晶种的条件要准确,应控制在溶液的介稳区,生产上是根据含量和应控制在溶液的介稳区,生产上是根据含量和PHPH值来决定投种时间,值来决定投种时间,一般谷氨酸含量为一般谷氨酸含量为5 5左右时,在左右时,在pH4.0-4.5pH4.0-4.5投品种;含量为投品种;含量为3.53.5-4.04.0时,在时,在pH3.5-4.0pH3.5-4.0投放品种,投种量为发酵液的投放品种,投种量为发酵液的0.20.2-0.3-0.3。晶种要求纯度高、粒度均匀,投放晶种的目的是控制晶核数量,使晶
21、晶种要求纯度高、粒度均匀,投放晶种的目的是控制晶核数量,使晶体颗粒大,容易分离,提高收率。体颗粒大,容易分离,提高收率。24第24页,本讲稿共76页E E:育晶养晶:育晶养晶在在pH4.5-5.0pH4.5-5.0左左右右,一一般般就就出出现现晶晶核核,应应停停止止加加酸酸,搅搅拌拌育育晶晶2 2小小时时晶晶不不断断溶溶解解、在在大大结结晶晶颗颗粒粒上上聚聚集集沉沉积积的的过过程程,可可以以使使产产品颗粒粗大。品颗粒粗大。F F:搅拌的影响:搅拌的影响 在不搅拌的情况下自然起晶,晶体的大小不均匀。采用缓慢冷在不搅拌的情况下自然起晶,晶体的大小不均匀。采用缓慢冷却,适当搅拌。可使温度和却,适当搅
22、拌。可使温度和pHpH均匀,有利于晶体长大,减少颗均匀,有利于晶体长大,减少颗垃的互相粘连使晶体均匀一致,避免晶接的形成。但搅拌太垃的互相粘连使晶体均匀一致,避免晶接的形成。但搅拌太快,翻动激烈,会引起晶体的磨损,结果晶体细小;太馒,温快,翻动激烈,会引起晶体的磨损,结果晶体细小;太馒,温度和度和pHpH值不均匀,局部晶核过多,晶体也会细小,搅拌转速与值不均匀,局部晶核过多,晶体也会细小,搅拌转速与设备直径和搅拌桨叶大小有关,一般以设备直径和搅拌桨叶大小有关,一般以2020一一3030转分为宜。生转分为宜。生产上采用桨式搅拌器,二挡交叉安装。产上采用桨式搅拌器,二挡交叉安装。25第25页,本讲
23、稿共76页G G:残糖的影响:残糖的影响 发发酵酵液液残残糖糖高高,易易产产生生型型品品体体,因因此此残残糖糖含含量量越越低低越越好好,有有利利于于提提高高等等电电点点结结晶晶的的收收率率。如如残残糖糖太太高高可可适适当当增增加加高高流流分分提提高高溶溶液液中中谷谷氨酸含量,以扩大谷氨酸与残糖之比值,有利于氨酸含量,以扩大谷氨酸与残糖之比值,有利于晶体的形成。晶体的形成。H H:菌体的影响:菌体的影响粪粪产产碱碱杆杆菌菌发发酵酵液液中中残残存存的的菌菌体体的的大大小小及及数数量量,因因菌菌种种不不同同而而异异。AS1.542AS1.542菌菌发发酵酵后后,菌菌体体大大,数数量量少少,质质量量轻
24、轻,易易于于分分离离;而而AslAsl229229菌菌体体数数量量多多而而且且重重,难难分分离离,故故采采用用等等电电点点提提取取谷谷氨氨酸酸时时,宜宜用用AS1.542AS1.542菌。菌。26第26页,本讲稿共76页I I:染菌的影响:染菌的影响 对对于于染染菌菌和和噬噬菌菌体体感感染染都都会会降降低低纯纯度度和和收收率率,使使操操作作围围难难,所所以以要要防防重重于于治治,严严格格操操作作、酵酵液液及及时时处处理理,保保证证新新鲜鲜不不腐腐败。败。此此外外,发发酵酵液液中中有有L-L-天天冬冬氨氨酸酸、苯苯丙丙氨氨酸酸等等氨氨基基酸酸存存在在时时,能能促促进进型型晶晶体体的的生生成成,钙
25、钙盐盐、镁镁盐盐等等杂杂质质对对谷谷氨氨酸酸结结晶晶也也有有影影响响,CaCa2 2含含量量达达到到0.340.34克克100100毫毫升升时时就就会会影影响响谷谷氨氨酸酸的的结晶析出。结晶析出。27第27页,本讲稿共76页v为什么会有溶解度?为什么会有溶解度?v盐析法又称中性盐沉淀法,在溶液中加入中性盐能盐析法又称中性盐沉淀法,在溶液中加入中性盐能破坏蛋白质或酶的胶体性质,消除微粒上的电荷,破坏蛋白质或酶的胶体性质,消除微粒上的电荷,促使蛋白质或酶沉淀,此法一般应用于蛋白质分离促使蛋白质或酶沉淀,此法一般应用于蛋白质分离和酶制剂工业的发酵液提取。和酶制剂工业的发酵液提取。v盐析原理盐析原理v
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