发酵产物的分离提取.pptx

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1、第八章第八章 发酵产物的分离提取发酵产物的分离提取第一节第一节 发酵产物分离的特点与过程设计发酵产物分离的特点与过程设计一、发酵液的一般特性一、发酵液的一般特性（1）发酵产物浓度较低，属于稀水溶液系统。）发酵产物浓度较低，属于稀水溶液系统。（2）成分复杂，含有目的产物、微生物细胞碎片、其他代）成分复杂，含有目的产物、微生物细胞碎片、其他代谢副产物、残留培养基、无机盐等。谢副产物、残留培养基、无机盐等。（3）含有色素、热源物质、毒性物质等有机杂质。）含有色素、热源物质、毒性物质等有机杂质。（4）发酵产物稳定性低，对热、酸、碱、有机溶剂、酶、）发酵产物稳定性低，对热、酸、碱、有机溶剂、酶、机械力等

2、敏感，不适宜条件下易失活或分解。机械力等敏感，不适宜条件下易失活或分解。提取和精制提取和精制提取和精制是为了从发酵液中获得高纯度的、符合质量提取和精制是为了从发酵液中获得高纯度的、符合质量标淮要求的发酵成品。标淮要求的发酵成品。发酵产物存在形式不同，用途各异，产品质量要求不同，发酵产物存在形式不同，用途各异，产品质量要求不同，分离纯化步骤有所不同。分离纯化步骤有所不同。但大多数包括以下四个步骤：发酵液预处理和菌体分离、但大多数包括以下四个步骤：发酵液预处理和菌体分离、提取、精制、成品加工。提取、精制、成品加工。二、常用的分离技术及机制二、常用的分离技术及机制p267发酵产品后处理过程流程图发酵

3、产品后处理过程流程图 三三、发酵产物分离的过程选择、发酵产物分离的过程选择细胞破碎机理图细胞破碎机理图第二节第二节 细胞破碎细胞破碎细胞破碎细胞破碎就是采用物理、化学、酶或机械的方法，在一定就是采用物理、化学、酶或机械的方法，在一定程度上破坏细胞壁和细胞膜，设法使胞内产物最大程度地程度上破坏细胞壁和细胞膜，设法使胞内产物最大程度地释放到液相中。释放到液相中。细胞破碎的阻力细胞破碎的阻力细菌破碎的主要阻力来自于肽聚糖的网状结构，网状细菌破碎的主要阻力来自于肽聚糖的网状结构，网状结构越致密，破碎的难度越结构越致密，破碎的难度越大；大；酵母细胞壁破碎的阻力也主要决定于壁结构交联的紧酵母细胞壁破碎的阻

4、力也主要决定于壁结构交联的紧密程度和它的密程度和它的厚度；厚度；霉菌细胞壁中含有几丁质或纤维素的纤维状霉菌细胞壁中含有几丁质或纤维素的纤维状结构；结构；成熟的植物细胞壁分为初生壁和成熟的植物细胞壁分为初生壁和次生壁。次生壁。破碎方式破碎方式机械法机械法非机械法非机械法液体剪液体剪切作用切作用固体剪固体剪切作用切作用干燥干燥处理处理溶胞溶胞作用作用珠磨法珠磨法压榨压榨高压高压匀浆匀浆超声超声破碎破碎酶溶法酶溶法化学法化学法物理法物理法图图8.2 细胞破碎方法分类细胞破碎方法分类细胞的破影响因素细胞的破影响因素物理破碎时影响因素：物理破碎时影响因素：细胞的大小细胞的大小 形状形状 细胞壁的厚度细胞

5、壁的厚度 聚合物的交联程度聚合物的交联程度酶法和化学法溶解细胞影响因素：酶法和化学法溶解细胞影响因素：组成组成 结构结构高压高压匀浆匀浆法法(High-pressure homogenization)大规模细胞破碎的常用方法大规模细胞破碎的常用方法原理原理：细胞：细胞悬浮液在高压的作用下从阀座与阀之间的环隙悬浮液在高压的作用下从阀座与阀之间的环隙高速喷出，每秒速度高达几百米，高速喷出的浆液又射到高速喷出，每秒速度高达几百米，高速喷出的浆液又射到静止的撞击环上，被迫改变方向从出口管流出。细胞在这静止的撞击环上，被迫改变方向从出口管流出。细胞在这一系列高速运动过程中经历了剪切、碰撞及由高压到常压一

6、系列高速运动过程中经历了剪切、碰撞及由高压到常压的变化，从而造成细胞破碎。的变化，从而造成细胞破碎。高压匀浆器高压匀浆器均质头的结构均质头的结构均质头的结构均质头的结构n大多数均质机上配备双级均质阀，在第一级中，料液大多数均质机上配备双级均质阀，在第一级中，料液压力为压力为,主要使脂肪球破碎，第二级料液压力减为主要使脂肪球破碎，第二级料液压力减为3.43MPa,主要使脂肪球均匀分散。阀和阀座采用耐磨主要使脂肪球均匀分散。阀和阀座采用耐磨合金钢合金钢制造。三制造。三柱塞泵的特点是排液量比较均匀。柱塞泵的特点是排液量比较均匀。传动采用二级变速，利用曲臂镶入一对人字齿轮，实传动采用二级变速，利用曲臂

7、镶入一对人字齿轮，实施对称传动，具有结构紧凑，弯矩小，受力均匀，平施对称传动，具有结构紧凑，弯矩小，受力均匀，平稳、低噪声等。稳、低噪声等。三柱塞泵三柱塞泵 往复泵往复泵 压力压力(工业生产中常用工业生产中常用5570MPa的压力的压力)循环操作次数循环操作次数(多次循环多次循环的操作方法的操作方法)温度温度高压匀浆法中影响细胞破碎的因素高压匀浆法中影响细胞破碎的因素:不宜采用高压匀浆法的微生物：不宜采用高压匀浆法的微生物：易造成堵塞的团状或丝状真菌，易造成堵塞的团状或丝状真菌，较小的革兰氏阳性菌，较小的革兰氏阳性菌，含有包含体的基因工程菌（因包含体坚硬，易损伤匀含有包含体的基因工程菌（因包含

8、体坚硬，易损伤匀浆阀）浆阀）适用于：微生物细胞和植物细胞的大规模破碎。适用于：微生物细胞和植物细胞的大规模破碎。进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃小珠、石英砂、进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃小珠、石英砂、氧化铝等研磨剂（直径小于氧化铝等研磨剂（直径小于1mm）一起快速搅拌或研磨，）一起快速搅拌或研磨，研磨剂、研磨剂、珠子与细胞之间的互相剪切、碰撞珠子与细胞之间的互相剪切、碰撞，使细胞破，使细胞破碎，释放出内含物。在珠液分离器的协助下，珠子被滞碎，释放出内含物。在珠液分离器的协助下，珠子被滞留在破碎室内，浆液流出从而实现连续操作。破碎中产留在破碎室内，浆液流出从而实现连续操作。破碎中产生的热

9、量一般采用夹套冷却的方式带走。生的热量一般采用夹套冷却的方式带走。珠珠磨法（磨法（Bead mill）工作工作原理：原理：原理：原理：在搅拌桨的高速搅拌下微球高速运动，微球和微在搅拌桨的高速搅拌下微球高速运动，微球和微球之间以及微球和细胞之间发生冲击和研磨，使悬浮球之间以及微球和细胞之间发生冲击和研磨，使悬浮液中的细胞受到研磨剪切和撞击而破碎。产热由夹套液中的细胞受到研磨剪切和撞击而破碎。产热由夹套带走。带走。球磨机球磨机影响细胞破碎的因素影响细胞破碎的因素b.珠体的装量珠体的装量na.珠体的大小珠体的大小nc.搅拌速度搅拌速度nd.操作温度操作温度ne.被处理细胞的特性被处理细胞的特性 实验

10、室规模，珠径实验室规模，珠径0.2mm，工业规，工业规模珠径大于模珠径大于0.4mm8090适当适当540珠磨法的破碎率一般控制在珠磨法的破碎率一般控制在80以下以下n其原理其原理可能与可能与空穴现象空穴现象引起的冲击波和剪切作用有关。引起的冲击波和剪切作用有关。超声破碎法超声破碎法（Ultra-sonication）n超生波破碎细胞时的频率一般为超生波破碎细胞时的频率一般为1520 kHz，功率，功率为为100250W，可分为，可分为槽式槽式和探头直接插入介质式和探头直接插入介质式两种型式。两种型式。影响超生波破碎的因素影响超生波破碎的因素声强、声强、频率、频率、破碎时间、破碎时间、介质的离

11、子强度、介质的离子强度、pH菌体的浓度和种类。菌体的浓度和种类。n一般杆菌比球菌易破碎，一般杆菌比球菌易破碎，G-细菌比细菌比G+细菌易破碎，对酵母细菌易破碎，对酵母菌的效果较差。超声破碎时细胞浓度一般在菌的效果较差。超声破碎时细胞浓度一般在20左右左右。此法是将浓缩的菌体悬浮液冷却至此法是将浓缩的菌体悬浮液冷却至-25形成冰晶体，利形成冰晶体，利用用500MPa以上的高压冲击，使冷冻细胞从高压阀小孔以上的高压冲击，使冷冻细胞从高压阀小孔挤出，由于冰晶体的磨损，使包埋在冰中的微生物变形挤出，由于冰晶体的磨损，使包埋在冰中的微生物变形而破碎而破碎。该法主要用于实验室，具有使用范围广、破碎。该法主

12、要用于实验室，具有使用范围广、破碎率高、细胞碎片粉碎程度低及活性保留率高等优点。不率高、细胞碎片粉碎程度低及活性保留率高等优点。不适用于对冷冻敏感的物质。适用于对冷冻敏感的物质。X-press法法渗透压渗透压冲击法（冲击法（Osmotic pressure）反复冻融法反复冻融法干燥法干燥法酶溶法酶溶法化学试剂破碎法化学试剂破碎法外加酶法外加酶法自溶法自溶法表面活性物质表面活性物质EDTA螯合剂螯合剂有机溶剂有机溶剂变性剂变性剂2.化学破碎化学破碎（Chemical permeation）（1）酶溶法）酶溶法（Enzymatic Lysis）外加酶法外加酶法常常用用的的溶溶酶酶G+溶菌酶、适量抑

13、制剂溶菌酶、适量抑制剂G-溶菌酶、溶菌酶、EDTA放线菌放线菌 溶菌酶溶菌酶酵母菌酵母菌 -葡聚糖酶葡聚糖酶霉菌霉菌 几丁质酶、几丁质酶、植物植物 纤维素酶、半纤维素酶纤维素酶、半纤维素酶细胞壁溶解酶是几种酶的复合物细胞壁溶解酶是几种酶的复合物选择性释放产物，条件温和，核酸泄出量少，细胞外选择性释放产物，条件温和，核酸泄出量少，细胞外形完整。形完整。溶酶价格高，溶酶法通用性差（不同菌种需选择不同溶酶价格高，溶酶法通用性差（不同菌种需选择不同的酶），产物抑制的存在。的酶），产物抑制的存在。在溶酶系统中，甘露糖对蛋白酶有抑制作用，葡聚糖在溶酶系统中，甘露糖对蛋白酶有抑制作用，葡聚糖抑制葡聚糖酶。抑

14、制葡聚糖酶。酶溶法的优点：酶溶法的优点：酶溶法的缺点：酶溶法的缺点：某些化学试剂，如有机溶剂、变性剂、表面活性剂、某些化学试剂，如有机溶剂、变性剂、表面活性剂、抗生素、金属螯合剂等，可以改变细胞壁或膜的通抗生素、金属螯合剂等，可以改变细胞壁或膜的通透性（渗透性），从而使胞内物质有选择地渗透出透性（渗透性），从而使胞内物质有选择地渗透出来。来。（2）化学试剂破碎法）化学试剂破碎法（Chemical permeation）该法取决于化学试剂的类型以及细胞壁膜的结构与该法取决于化学试剂的类型以及细胞壁膜的结构与组成。组成。用碱处理细胞，可以溶解除去细胞壁以外的用碱处理细胞，可以溶解除去细胞壁以外的大

15、部分组分。酸处理可以使蛋白质水解成游大部分组分。酸处理可以使蛋白质水解成游离的氨基酸。离的氨基酸。如如Triton X-100是一种非离子型清洁剂，是一种非离子型清洁剂，对疏水性物质对疏水性物质具有很强的亲和力，能结合并溶解磷脂，破坏内膜的磷具有很强的亲和力，能结合并溶解磷脂，破坏内膜的磷脂双分子层，使某些胞内物质释放出来。脂双分子层，使某些胞内物质释放出来。其他的表面活性剂，如其他的表面活性剂，如牛黄胆酸钠、十二烷基磺酸钠、牛黄胆酸钠、十二烷基磺酸钠、吐温吐温等也可使细胞破碎。等也可使细胞破碎。表面活性剂表面活性剂可促使细胞某些组分溶解，其增溶作用有助于细胞的破可促使细胞某些组分溶解，其增溶

16、作用有助于细胞的破碎。碎。处理处理G-细菌，细菌，对细胞外层膜有破坏作用。对细胞外层膜有破坏作用。G-细菌的外层细菌的外层膜结构通常靠二价阳离子膜结构通常靠二价阳离子Ca2+或或Mg2+结合脂多糖和蛋白结合脂多糖和蛋白质来维持，一旦质来维持，一旦EDTA将将Ca2+或或Mg2+螯合，大量的脂多螯合，大量的脂多糖分子将脱落，使细胞壁外层膜出现洞穴。这些区域由糖分子将脱落，使细胞壁外层膜出现洞穴。这些区域由内层膜的磷脂来填补，从而导致内层膜通透性的增强。内层膜的磷脂来填补，从而导致内层膜通透性的增强。EDTA螯合剂螯合剂能溶解细胞壁中的磷脂层，使细胞破坏。能溶解细胞壁中的磷脂层，使细胞破坏。有机溶

17、剂有机溶剂变性剂变性剂盐酸胍盐酸胍（Guanidine hydrochloride）和脲和脲（Urea）是常）是常用的变性剂。用的变性剂。常用的有机溶剂：常用的有机溶剂：丁酯、丁醇、甲苯、二甲苯、氯仿丁酯、丁醇、甲苯、二甲苯、氯仿及高级醇等。及高级醇等。变性剂与水中氢键作用，削弱溶质分子间的疏水作用，从而变性剂与水中氢键作用，削弱溶质分子间的疏水作用，从而使疏水性化合物溶于水溶液。使疏水性化合物溶于水溶液。通用性差；通用性差；时间长，效率低，一般胞内物质释放率不超过时间长，效率低，一般胞内物质释放率不超过50%有些化学试剂有毒有些化学试剂有毒。化学法的优点：化学法的优点：缺点：缺点：对产物释放

18、有一定的选择性，可使一些较小分子量对产物释放有一定的选择性，可使一些较小分子量的溶质如多肽和小分子的酶蛋白透过，而核酸等大分的溶质如多肽和小分子的酶蛋白透过，而核酸等大分子量的物质仍滞留在胞内；子量的物质仍滞留在胞内；细胞外形完整，碎片少，浆液粘度低，易于固液分细胞外形完整，碎片少，浆液粘度低，易于固液分离和进一步提取。离和进一步提取。细胞破碎效果的检查细胞破碎效果的检查 破碎率定义破碎率定义:被破碎的细胞的数量占原始细胞数量的被破碎的细胞的数量占原始细胞数量的百分数，即百分数，即其中其中N0：原细胞数，：原细胞数，N：破碎后残存的正常细胞。：破碎后残存的正常细胞。N0和和N的可通过直接测定法

19、、目的产物测定法和测定导的可通过直接测定法、目的产物测定法和测定导电率得到。电率得到。第三节第三节 沉淀与离心沉淀与离心一、沉淀一、沉淀 氨基酸提取：氨基酸提取：等电点法；等电点法；盐酸盐法；盐酸盐法；金属盐法；金属盐法；溶剂抽提法等。溶剂抽提法等。蛋白质提取：蛋白质提取：二、离心二、离心（一）离心沉降原理（一）离心沉降原理（二）离心沉降设备（二）离心沉降设备1、管式离心机、管式离心机2.碟片式离心机碟片式离心机碟式离心机分离原理碟式离心机分离原理3.沉降式螺旋卸料离心机沉降式螺旋卸料离心机主要主要部件部件 1、转鼓：圆筒部分为沉降区，用于固液分离；圆锥、转鼓：圆筒部分为沉降区，用于固液分离；

20、圆锥部分为干燥区，固相进一步脱水部分为干燥区，固相进一步脱水转鼓形状：圆筒形：有利于液相澄清转鼓形状：圆筒形：有利于液相澄清 圆锥形：有利于固相脱水圆锥形：有利于固相脱水 圆筒圆筒+圆锥形：有两者的优点，应用最广圆锥形：有两者的优点，应用最广2、螺旋、螺旋螺旋推进器与转鼓的转差率：螺旋推进器与转鼓的转差率：1：100 转差率越小，物料在转鼓内停留的时间越长，排渣慢，滤渣较干转差率越小，物料在转鼓内停留的时间越长，排渣慢，滤渣较干转差率越大，物料在转鼓内停留的时间越短，排渣块，滤渣较湿转差率越大，物料在转鼓内停留的时间越短，排渣块，滤渣较湿转差率为零，不排料转差率为零，不排料3、差速器、差速器I

21、ntroduction to GEA Westfalia Separator（三）离心过滤（三）离心过滤三足离心机三足离心机刮刀卸料离心机刮刀卸料离心机（四）离心机的选择与使用（四）离心机的选择与使用一、过滤一、过滤（一）过滤原理（一）过滤原理（二）过滤介质（二）过滤介质织物介质：织物介质：粒状介质：粒状介质：多孔介质等多孔介质等第四节第四节 过滤与膜分离过滤与膜分离硅藻土硅藻土硅藻土是一种硅质岩石，是一种生物成因的硅质沉积硅藻土是一种硅质岩石，是一种生物成因的硅质沉积岩，它主要由古代硅藻的遗骸所组成。其化学成分以岩，它主要由古代硅藻的遗骸所组成。其化学成分以SiO2为主，可用为主，可用SiO

22、2nH2O表示。表示。化学性能稳定；化学性能稳定；形状不规则，孔隙多；形状不规则，孔隙多；无毒且不可压缩无毒且不可压缩用法：用法：深层过滤介质；深层过滤介质；预涂层；预涂层；助滤剂助滤剂（三）过滤设备（三）过滤设备1.常压过滤机常压过滤机2.加压过滤机加压过滤机板框过滤机板框过滤机叶片式过滤机叶片式过滤机真空过滤机真空过滤机真空过滤机真空过滤机转筒真空过滤机转筒真空过滤机真空过滤机真空过滤机l分配头分配头转动盘与固定盘紧密配合，构成一个特殊的旋转阀，称为分配转动盘与固定盘紧密配合，构成一个特殊的旋转阀，称为分配头，如下图所示。头，如下图所示。固定盘分成若干个弧形空隙，分别与减压管、洗液贮槽及压

23、缩固定盘分成若干个弧形空隙，分别与减压管、洗液贮槽及压缩空气管路相通。空气管路相通。（1）转动盘）转动盘 （2）固定盘）固定盘转筒真空过滤机的分配头转筒真空过滤机的分配头 工作原理工作原理当转鼓旋转时，借分配当转鼓旋转时，借分配头的作用，扇形格内分头的作用，扇形格内分别获得真空和加压，如别获得真空和加压，如此便可控制过滤、洗涤此便可控制过滤、洗涤等操作循序进行。等操作循序进行。转鼓表面分转鼓表面分6个区，如右个区，如右图。图。二、膜分离技术二、膜分离技术 常见的膜分离过程有渗透、透析、电渗析、反渗透、微常见的膜分离过程有渗透、透析、电渗析、反渗透、微过滤、超滤、气体透过等。过滤、超滤、气体透过

24、等。膜膜进料进料浓缩液浓缩液稀释液稀释液浓缩液浓缩液渗透渗透膜膜进料进料纯化液纯化液杂质杂质渗析液渗析液进料进料透析透析一、膜分离方法一、膜分离方法膜膜盐水盐水进料进料浓缩液浓缩液水水反渗透反渗透膜膜进料进料水水微过滤微过滤膜膜进料进料浓缩液浓缩液水水超滤超滤膜膜进料进料贫气贫气富气富气气体透过气体透过按动力本质分按动力本质分v以静压力差为推动力的过程以静压力差为推动力的过程微滤（微滤（microfiltration,MF)超滤（超滤（ultrafiltration,UF）反渗透（反渗透（reverse osmosis,RO)纳滤（纳滤（nanofiltration,NF)v以蒸汽分压为推动力

25、的过程以蒸汽分压为推动力的过程膜蒸馏（膜蒸馏（membrane distillation,MD)渗透蒸发（渗透蒸发（pervaporation,PV）v以浓度差为推动力的过程以浓度差为推动力的过程渗析（渗析（dialysis,D)v以电位差为推动力的过程以电位差为推动力的过程电渗析（电渗析（electrodialysis,ED)膜分离技术的类型膜分离技术的类型膜分离法与物质大小的关系。膜分离法与物质大小的关系。膜的分类膜的分类 工业应用膜应具有的条件：工业应用膜应具有的条件：1.较大的透过性；较大的透过性；2.较高的选择性；较高的选择性；3.机械强度好、耐热、化学性能稳定；机械强度好、耐热、化

26、学性能稳定；4.不被细菌污染不被细菌污染膜材料膜材料pH范围范围使用的上限温度使用的上限温度适用膜类型适用膜类型醋酸纤维醋酸纤维384045反渗透膜反渗透膜聚丙烯聚丙烯2104550超滤膜超滤膜聚烯烃聚烯烃1134550超滤膜超滤膜聚聚 砜砜11380超滤膜超滤膜聚醚砜聚醚砜11390超滤膜超滤膜几种常用膜的适用范围几种常用膜的适用范围几种常用膜几种常用膜二、膜材料二、膜材料膜材料的种类膜材料的种类无机材料无机材料种种类类：陶陶瓷瓷、微微孔孔玻玻璃璃、不不锈锈钢钢和和碳碳素素等等。目目前前实实用用化化有有孔孔径径0.1um微微滤滤膜膜和和截截留留10kD的的超超滤滤膜膜，其其中中以以陶陶瓷瓷材

27、材料料的的微微滤滤膜膜最最常常用用。多多孔孔陶陶瓷瓷膜膜主主要要利利用用氧氧化化铝铝、硅硅胶胶、氧氧化化锆锆和和钛钛等等陶陶瓷瓷微微粒粒烧烧结结而而成，膜厚方向上不对称成，膜厚方向上不对称复合材料复合材料种种类类：如如将将含含水水金金属属氧氧化化物物（氧氧化化锆锆）等等胶胶体体微微粒粒或或聚聚丙丙烯烯酸酸等等沉沉淀淀在陶瓷管的多空介质表面形成膜，其中沉淀层起筛分作用。在陶瓷管的多空介质表面形成膜，其中沉淀层起筛分作用。按按膜膜的的结结构构可可分分为为对对称称和和非非对对称称膜膜两两大大类类，其其中中非非对对称膜还可细分为称膜还可细分为多孔膜、叠合膜多孔膜、叠合膜以及以及复合膜复合膜等。等。膜结

28、构特征膜结构特征均质膜均质膜非对称性膜非对称性膜微孔对称性膜微孔对称性膜铝膜铝膜纳米管膜纳米管膜聚酰胺转相膜聚酰胺转相膜四、膜分离设备四、膜分离设备 （一）板式膜过滤器（一）板式膜过滤器适用范围适用范围:A、UF、MF，B、适适合合于于处处理理高高黏黏度度及及悬悬浮液较高的料液。浮液较高的料液。（二）管式膜过滤器（二）管式膜过滤器应应用用：A、毛毛细细管管式式：UF、MF、PV，B、中中空空纤纤维维式式(能能耐耐高高压压)：RO，DS(大大规规模模透透析析，人人工工肾肾)，C、适适合合于于处处理理低固体含量的料液。低固体含量的料液。（三）（三）中空纤维式膜分离器中空纤维式膜分离器（四）螺旋卷式

29、膜分离器（四）螺旋卷式膜分离器膜组件件所用的膜为平面膜。两层长方形的膜，中间膜组件件所用的膜为平面膜。两层长方形的膜，中间夹一层支撑物，沿边黏合成长袋，膜袋口与一根多孔夹一层支撑物，沿边黏合成长袋，膜袋口与一根多孔中心集水管密封接合，在膜袋外部的原水侧再垫一层中心集水管密封接合，在膜袋外部的原水侧再垫一层网状型间隔材料。一根多孔中心集水管外壁上可黏接网状型间隔材料。一根多孔中心集水管外壁上可黏接多个膜袋。黏在中心管上的膜袋连同膜外的网状间隔多个膜袋。黏在中心管上的膜袋连同膜外的网状间隔材料一起绕中心管卷绕膜卷。材料一起绕中心管卷绕膜卷。将若干膜卷装入圆筒形耐压容器就成为如将若干膜卷装入圆筒形耐

30、压容器就成为如图所图所示的螺示的螺旋卷式膜组件。旋卷式膜组件。螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件卷式膜组件的特点卷式膜组件的特点优点：单位体积膜面积大，结构紧凑。优点：单位体积膜面积大，结构紧凑。缺点：膜面流速一般为缺点：膜面流速一般为0.1m/s左右，浓度差极化不易左右，浓度差极化不易控制；由于流道狭，易堵塞，不易清洗。控制；由于流道狭，易堵塞，不易清洗。型式型式优点优点缺点缺点管式管式易清洗、无死角，适宜于处理含固易清洗、无死角，适宜于处理含固体较多的料液，单根管子可以调换体较多的料液，单根管子可以调换保留体积大，单位体积保留体积大，单位体积中所含过滤面积较小，中所含过滤面积较小，压力较大压力较

31、大中空纤维中空纤维式式保留体积小，单位体积中所含过滤保留体积小，单位体积中所含过滤面积大，可以逆洗，操作压力较低面积大，可以逆洗，操作压力较低（小于（小于0.25MPa）动力消耗较低）动力消耗较低料液需要预处理，单根料液需要预处理，单根纤维损坏时，需调换整纤维损坏时，需调换整个模件个模件螺旋卷绕螺旋卷绕式式单位体积中所含有过滤面积大，换单位体积中所含有过滤面积大，换新膜容易新膜容易料液需要预处理，压力料液需要预处理，压力降大，易污染，清洗困降大，易污染，清洗困难难平板式平板式保留体积小，能量消耗介于管式和保留体积小，能量消耗介于管式和螺旋卷绕式之间螺旋卷绕式之间死体积大死体积大 各种膜装置性能

32、的比较各种膜装置性能的比较6 膜膜分分离离装装置置六六 膜技术的应用膜技术的应用1)细胞培养基的除菌；细胞培养基的除菌；2)发发酵酵液液或或培培养养液液中中细细胞胞的的收收集集和和除去；除去；3)细胞破碎后碎片的除去；细胞破碎后碎片的除去；4)标标产产物物部部分分纯纯化化后后的的浓浓缩缩或或滤滤除除小分子溶质；小分子溶质；5)最终产品的浓缩和洗滤除盐；最终产品的浓缩和洗滤除盐；6)蛋白质的回收、浓缩和纯化蛋白质的回收、浓缩和纯化7)制制备备用用于于调调制制生生物物产产品品和和清清洗洗产产品容器的无热源水；品容器的无热源水；8)膜生物反应器。膜生物反应器。膜的污染和清洗膜的污染和清洗膜清洗膜清洗

33、A、试试剂剂：水水、盐盐溶溶液液、稀稀酸酸、稀稀碱碱、表表面活性剂、络合剂、氧化剂和酶溶液等。面活性剂、络合剂、氧化剂和酶溶液等。B、原原则则：去去污污能能力力好好，对对膜膜无无损损害害，成成本最低。本最低。C、方方法法：反反向向清清洗洗，试试剂剂置置换换，化化学学降降解消化。解消化。E、预预防防：膜膜的的预预处处理理(用用乙乙醇醇浸浸泡泡聚聚砜砜膜膜)，料料液液预预处处理理(调调pH，预预过过滤滤)，开开发发抗抗污染膜，临界压力操作等。污染膜，临界压力操作等。超临界萃取超临界萃取(Supercritical Fluid Extraction)超临界萃取是超临界萃取是70年代兴起的一门新兴的分

34、离技术。年代兴起的一门新兴的分离技术。大约大约100年前，年前，Hannay和和Hogarth发现了处在超临界状发现了处在超临界状态下的态下的CO2无论对液体或固体都有显著的溶解能力。无论对液体或固体都有显著的溶解能力。20世纪世纪50年代美国科学家率先从理论上提出了将超年代美国科学家率先从理论上提出了将超临界流体用于萃取分离的可能性，并于临界流体用于萃取分离的可能性，并于70年代，用超临年代，用超临界界CO2(SCCO2)萃取乙醇获得成功萃取乙醇获得成功第五节第五节 萃取与色谱分离萃取与色谱分离1.超临界流体的性质超临界流体的性质 超临界流体超临界流体(Supercritical Fluid

35、)是指温度是指温度、压力、压力高于高于临界温度临界温度Tc和临界压力和临界压力pc的流体。的流体。超临界流体兼有液体和气体的双重特性超临界流体兼有液体和气体的双重特性：粘度粘度接近接近气体，扩散系数为一般液体的气体，扩散系数为一般液体的10倍倍，因此，因此传质速率快；传质速率快；密度接近液体，因此有很密度接近液体，因此有很强的强的溶解能力，并可通过调节溶解能力，并可通过调节压力、温度或压力、温度或加入其它加入其它助剂改变助剂改变溶解度。溶解度。CO2气体、液体和超临界流体的物理性质气体、液体和超临界流体的物理性质 气体气体 液体液体 临界体临界体 超临界体超临界体 (常温常压常温常压)(常温常

36、压常温常压)(pc=7.38MPa (p=4pc,T=Tc)Tc=31.10C)密度密度 0.610-3 0.6 1.6 0.2 0.5 0.4 0.9kg.m3 210-3粘度粘度 110-4 0.210-2 110-4 310-4 Pa.s 310-4 310-2 310-4 910-4 扩散系数扩散系数 0.110-4 0.110-9 0.710-7 0.210-7 m2.s 0.410-4 210-4 SCCO2的其它优点：的其它优点：来源广，价格低廉；来源广，价格低廉；不燃烧、不助燃、操作安全；不燃烧、不助燃、操作安全；无毒、易挥发、操作后残留物少；无毒、易挥发、操作后残留物少；对设

37、备无腐蚀；对设备无腐蚀；临界温度低临界温度低超临界流体的溶解性特点：超临界流体的溶解性特点：远远高于一般液体远远高于一般液体 随温度升高、压力降低而减小随温度升高、压力降低而减小 随温度、压力变化极其敏感随温度、压力变化极其敏感2.超临界萃取超临界萃取(1)基本原理：基本原理：将超临界流体与萃取物（液体或固体）充分接触，将超临界流体与萃取物（液体或固体）充分接触，使被萃取物充分溶解在超临界流体中，然后改变温度或使被萃取物充分溶解在超临界流体中，然后改变温度或压力（即改变超临界流体的密度），使被萃取物析出。压力（即改变超临界流体的密度），使被萃取物析出。三、超临界萃取三、超临界萃取定义：定义：利

38、用超过临界温度、临界压力状态下的气体具有的利用超过临界温度、临界压力状态下的气体具有的特异溶解能力，选择性地溶解混合液体或固体中的溶质，特异溶解能力，选择性地溶解混合液体或固体中的溶质，分离液体或固体混合物的单元操作。分离液体或固体混合物的单元操作。（1）超临界萃取基本原理）超临界萃取基本原理C点：体系的界面消失，成点：体系的界面消失，成为均相体系，称为为均相体系，称为临界点临界点对应的温度对应的温度临界温度临界温度对应的压力对应的压力临界压力临界压力超临界状态下体系的特点：既非气体，亦非液体，却既超临界状态下体系的特点：既非气体，亦非液体，却既具有近似气体的粘度和渗透能力，又具有接近液体的密

39、具有近似气体的粘度和渗透能力，又具有接近液体的密度和溶解能力。度和溶解能力。常用的超临界萃取溶剂常用的超临界萃取溶剂 CO20-60201000530201040 纯纯CO2温度、压力和密度关系温度、压力和密度关系B=120011001000900800200100700600500400300超临界超临界流体流体温度温度/压力压力/MPa二氧化碳乙醇水体系相平衡图二氧化碳乙醇水体系相平衡图 CO2H2OC2H5OHT=308.15Kp=10.1MPa 等温变压工艺等温变压工艺(2)工艺流程：工艺流程：由萃取和分离两步组成由萃取和分离两步组成萃取塔萃取塔(T,p1)分离器分离器(T,p2)等压

40、变温工艺等压变温工艺萃取塔萃取塔(T1,p)换热器换热器分离器分离器(T2,p)升温升温节流阀节流阀减压减压（2）超临界萃取的原则流程）超临界萃取的原则流程流程主要分为两部分：流程主要分为两部分：在超临界状态下，溶剂气体与原料接触进行萃取获得萃取相；在超临界状态下，溶剂气体与原料接触进行萃取获得萃取相；将萃取相进行分离，脱除溶质，再生溶剂。将萃取相进行分离，脱除溶质，再生溶剂。改变压力或温度的超临界萃取流程改变压力或温度的超临界萃取流程加热加热器器原料原料萃取相萃取相溶剂溶剂萃萃取取产产物物萃萃余余相相萃萃取取器器分分离离器器减减压压阀阀压缩机压缩机原料原料萃取相萃取相溶剂溶剂萃萃取取产产物物

41、萃萃余余相相萃萃取取器器分分离离器器阀门阀门泵泵冷却冷却器器 改变压力和温度的超临界萃取流程改变压力和温度的超临界萃取流程超临界萃取的特点：超临界萃取的特点：萃取剂的溶解能力易于通过调节温度和压力控制。萃取剂的溶解能力易于通过调节温度和压力控制。可在低温下操作，不破坏提取物中的活性组分。可在低温下操作，不破坏提取物中的活性组分。可较快地达到平衡，萃取速率快，生产周期短可较快地达到平衡，萃取速率快，生产周期短 溶剂回收简单方便，不存在残留物溶剂回收简单方便，不存在残留物 萃取剂可循环使用，不产生三废，不污染环境萃取剂可循环使用，不产生三废，不污染环境（3）超临界流体萃取的应用）超临界流体萃取的应

42、用化学工业：废水中微量有机物的去除、共沸物的分离等；化学工业：废水中微量有机物的去除、共沸物的分离等；医药工业：药品有效成分的萃取、脂肪质的分离精制等；医药工业：药品有效成分的萃取、脂肪质的分离精制等；食品工业：植物油的萃取、咖啡和茶的脱咖啡因等。食品工业：植物油的萃取、咖啡和茶的脱咖啡因等。应用实例：应用实例：从啤酒花中提取有效成分从啤酒花中提取有效成分(绿草酮绿草酮-酸、蛇麻酮酸、蛇麻酮-酸酸)德国、美国德国、美国80年代工业化，回收率达年代工业化，回收率达97%。从咖啡豆中分离咖啡因从咖啡豆中分离咖啡因 T=70-900C,p=16-20MPa,SCCO2中溶解的中溶解的咖啡因咖啡因用用

43、水吸收除去。咖啡因含量可由水吸收除去。咖啡因含量可由3%降至降至0.02%。从甘草中提取甘草素从甘草中提取甘草素 T=40oC,p=35 MPa,采用采用SCCO2 C2H5OH H2O体系作萃取剂体系作萃取剂 第六节第六节 粒子交换与吸附粒子交换与吸附一、离子交换剂的组成结构及其的特性一、离子交换剂的组成结构及其的特性 二、离子交换剂的选择性二、离子交换剂的选择性 三、离子交换柱层析原理示意图三、离子交换柱层析原理示意图 一、离子交换剂的组成结构及其特性一、离子交换剂的组成结构及其特性 基质基质基质基质 电荷基团电荷基团电荷基团电荷基团 反离子反离子反离子反离子商品名商品名商品名商品名纤维素

44、纤维素纤维素纤维素 OCHOCH2 2COOCOO-NaNa+CM-CM-纤维素纤维素纤维素纤维素纤维素纤维素纤维素纤维素-O-O-（CHCH2 2）2 2-N N+HH（C C2 2HH5 5）2 2 ClCl-DEAE-DEAE-纤维素纤维素纤维素纤维素聚苯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯SOSO3 3-NaNa+732732阳离子树脂阳离子树脂阳离子树脂阳离子树脂 聚苯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯N N+（CHCH2 2）4 4 ClCl-717717阴离子树脂阴离子树脂阴离子树脂阴离子树脂聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂的制备聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂的制备离子交换树脂的形状结构示意图离子交

45、换树脂的形状结构示意图二、离子交换剂的选择性二、离子交换剂的选择性1、平衡常数、平衡常数 2、选择性与离子的电荷及、选择性与离子的电荷及 水合离子半径的关系水合离子半径的关系 3、离子浓度对选择性的影响、离子浓度对选择性的影响4、两性物质的选择性、两性物质的选择性 1、平衡常数、平衡常数 值值反反映映离离子子交交换换剂剂对对不不同同离离子子的的结结合合力力或或选选择择性性，称称为为选选择择系系数数，此此外外平平衡衡的的移移动动遵遵循循质质量作用定律量作用定律 若若KBA值值1，即，即RBRA，若若KBA值值1，即，即RBRA,若若KBA值值1，即，即RBRA，RA+B+RB+A+2、选择性与离

46、子的电荷、选择性与离子的电荷及水合及水合离子半径的关系离子半径的关系 离子交换剂与各种水合离子的结合力是与离子的电荷量离子交换剂与各种水合离子的结合力是与离子的电荷量成正比，而与水合离子半径的平方成反比。成正比，而与水合离子半径的平方成反比。一价离子：一价离子：Li+Na+K+Rb+Cs+二价离子：二价离子：Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+一价阴离子：一价阴离子：F-Cl-Br-I-不同价阳离子：不同价阳离子：Na+Ca2+Al3+Ti4+磺酸基树脂和季胺基磺酸基树脂和季胺基树脂对树脂对各种离子的各种离子的相对选择系数相对选择系数 阳离子树脂阳离子树脂阳离子树脂阳离子树脂 阴离子树脂阴离子树脂

47、阴离子树脂阴离子树脂反离子反离子反离子反离子相对选择系数相对选择系数相对选择系数相对选择系数反离子反离子反离子反离子相对选择系数相对选择系数相对选择系数相对选择系数HH+NaNa+NHNH4 4+KK+MnMn2+2+MgMg2+2+FeFe2+2+1.01.01.51.51.951.952.52.52.352.352.52.52.552.55OHOH-柠檬酸柠檬酸柠檬酸柠檬酸乙酸乙酸乙酸乙酸 ClCl-HCOHCO-HPOHPO-苯苯苯苯1.01.02202203.23.2 22226.06.05.55.5 500500 离子交换柱离子交换柱层析原理示意图层析原理示意图离子交换剂离子交换剂分

48、类分类1疏水性疏水性2亲水性亲水性(1)阳离子交换剂阳离子交换剂(2)阴离子交换剂阴离子交换剂（1）纤维素离子交换剂）纤维素离子交换剂（2）交联葡聚糖离子交换剂）交联葡聚糖离子交换剂（3）琼脂糖离子交换剂）琼脂糖离子交换剂1疏水性离子交换剂疏水性离子交换剂 R-SO-3H+Na+=R-SO3Na+H+R-PO（OH）2+Na+=R-POOHONa+H+R-N+（CH3）3 OH-+Cl-=R-N+（CH3）3 Cl-+OH-R-N+（CH3）2 OH-+H2O=R-N+（CH3）2 HOH-R-N+（CH3）2 HOH-+Cl-=R-N+（CH3）2 HCl+OH-阴阴离离子子交交换换剂剂 阳

49、阳离离子子交交换换剂剂2亲水性离子交换剂亲水性离子交换剂 磷酸纤维素磷酸纤维素 CM-纤维素纤维素 DEAE-纤维素纤维素 CM-交联葡聚糖交联葡聚糖 DEAE-交联葡聚糖交联葡聚糖CM-Sepharose CL-6B 离子交换剂离子交换剂性质性质 颜色与形状颜色与形状 交联度交联度 吸水量或膨胀度吸水量或膨胀度 交换容量交换容量稳定性稳定性 比重比重 交换容量交换容量交换容量交换容量:是指离子交换剂与溶液中离子或离子化合物进行交换的能力。是指离子交换剂与溶液中离子或离子化合物进行交换的能力。(mgg或或mmolg、mgml或或mmolml)交换容量的交换容量的测定：测定：强酸型与强碱型测定其

50、解离盐的能力；强酸型与强碱型测定其解离盐的能力；弱酸型与弱碱型测定其中和酸碱的能力。弱酸型与弱碱型测定其中和酸碱的能力。影响交换容量的影响交换容量的因素因素：筛孔、离子强度、筛孔、离子强度、pH值值。强酸型阳离子交换强酸型阳离子交换介质交换容量介质交换容量的测定法的测定法 取一定量的离子交换介质，去离子水溶胀，漂洗干净用取一定量的离子交换介质，去离子水溶胀，漂洗干净用1molL的的NaOH处理，去离子水洗至中性，处理，去离子水洗至中性，1molL的的HCl处理，去离子水洗至中性。然后用处理，去离子水洗至中性。然后用1molL的的NaCl洗洗脱，收集洗脱液，再通过已标定的脱，收集洗脱液，再通过已