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1、第一节 沉淀法第二节 吸附法第三节 离子交换法第四节 萃取法第五节 膜分离技术,第十一章 发酵产物分离原理与技术,第一节 沉淀法 沉淀是物理环境的变化引起溶质的溶解度降低、生成固体凝聚物的现象。 沉淀措施因产品性质不同而不同。 加酸、碱、盐、有机溶剂、其它物质。,根据所加入沉淀剂的不同，沉淀法可分为：,盐析,等电点,有机溶剂,考,一、等电点沉淀法 利用两性电解质在等电点的溶解度最低和不同电解质有不同等电点的特性，将两性电解质分离的方法。 通过加酸或碱调pHpI，蛋白质分子的净电荷为零，分子聚集在一起。注意：pH过低，容易引起目标蛋白质变性。,二、 盐析沉淀法1.盐与蛋白质溶解度的关系：(1)盐
2、溶：盐低时，S随盐增加而增加；(2)盐析：盐高时，S随盐增加而降低；,溶解度与盐浓度的关系可用下式表示： logS=KSI S：蛋白质的溶解度； I：离子强度； ：常数，与蛋白质种类有关，与盐的种类无关； KS ：盐析常数，与盐种类有关，与温度和pH无关；,2.机理蛋白胶体稳定的原因是蛋白质颗粒周围水化膜和电荷的存在。加入盐，中和表面电荷、破坏水化膜。3.影响盐析的因素(1)盐种类：影响KS，KS越大，效果越好(2)盐析剂用量(3) 温度和pH：影响值而影响S。尤其是影响相对溶解度(4) 杂质,4. 注意事项 盐 因被提取物种类不同而不同； 杂质对盐析有影响； 盐析时的pH pI（？）； 盐析
3、产品还需进一步纯化（？）；,三、有机溶剂沉淀法利用某些物质在有机溶剂中的溶解度不同而使其分离的方法。1.原理：有机溶剂能降低溶液的介电常数，使溶质分子间因引力而凝集；或破坏水膜(降低水活度)而溶解度降低；或破坏蛋白质的某种键，改变其空间结构而使疏水基团暴露而析出。优点：溶剂易除；缺点：易使蛋白质变性；,2.影响有机溶剂沉淀的因素:溶剂的种类和数量：丙酮乙醇甲醇沉淀的温度：温度越低沉淀越完全。,第二节 吸附法,在发酵工业的下游加工过程中，吸附法应用于发酵产品的除杂、脱色、有毒物质和抗生素的提纯精制。,一、吸附法的原理,吸附法是利用吸附剂与杂质、色素物质、有毒物质、产品之间分子引力的差异，从而起到
4、分离的作用。,二、吸附的目的,将产品吸附浓缩于吸附剂上；将杂质、色素等需要从发酵液中去除的物质吸附于吸附剂上。,三、吸附法的优缺点,优点：可不用或少用有机溶剂；操作简便、安全、设备简单；生产过程中pH变化小，适用于稳定性较差的生化物质。缺点：吸附法选择性差、收率不高。无机吸附剂性能不稳定，不能连续操作，劳动强度大。炭粉等吸附剂影响环境卫生。凝胶类吸附剂、大网格聚合物吸附剂,四、吸附的类型,物理吸附：吸附剂和吸附物通过分子力(范德华力)产生的吸附。化学吸附： 化学吸附是由于吸附剂在吸附物之间的电子转移，通过化学键作用而产生的，属于库仑力 范围。离子交换吸附： 吸附剂表面如为极性分子或离子所组成则
5、它会吸引溶液中带相反电荷的离子而形成双电层。这种吸附又称为极性吸附。,五、吸附剂的基本要求,吸附剂要求颗粒密度小，表面积大，但孔隙也不能太多，否则被吸附物质不易被洗脱。吸附剂的颗粒大小要均匀。吸附剂的吸附能力要大，但不能影响洗脱。,六、吸附剂的类型 工业用吸附剂主要有三类型:1、疏水或非极性吸附剂 适合于从极性溶媒(水)中吸附溶质。 代表是活性碳，有疏水性。在极性液中，吸附力：溶质溶媒，有环无环。,2、亲水或极性吸附剂 适用于从非极性或小极性溶媒中吸附溶质。 代表：硅胶，氧化铝，活性土（铝硅酸），有酸性、碱性、中性之分。碱性物质酸性吸附剂，反之亦然。,3、离子交换树脂吸附剂 属极性吸附剂，与极
6、性吸附剂不同的是，还具有离子交换的性能。,注意：根据提炼的性质选择恰当的类型。活性炭的选择性差。,七、 影响吸附过程的因素,1、吸附剂的性质 吸附剂的理化性质对吸附的影响很大。吸附剂的性质与其原料、合成方法和再生条件有关。一般要求吸附容量大、吸附速度快和机械强度好。吸附剂的吸附容量除其它外界条件外，主要与比表面积有关。比表面大，空隙度高，吸附容量就越大。吸附速度主要与颗粒度和孔径分布有关，颗粒度越小，吸附速度就越快，但压力损失要增大。孔径适当，有利于吸附物向空隙中扩散。吸附剂的机械强度则影响其使用寿命。,2、吸附物的性质 有下列一些规则可用来预测吸附的相对量。能使表面张力降低的物质，易为表面吸
7、附；溶质从较易溶解的溶剂中吸附时，吸附量较少。极性吸附剂易吸附极性物质，非极性吸附剂易吸附非极性物质。对于同系列物质，吸附量的变化是有规则的。如按极性减小的次序排列，次序越在后面的物质，极性越低，因而越易为非极性吸附剂所吸附而越难为极性吸附剂所吸附。,3、 溶液pH值的影响 pH值影响某些化合物的离解度。4、温度的影响 吸附热越大，则温度对吸附的影响越大。5、其它组分的影响 当从含有两种以上组分的溶液中吸附时，根据溶质的性质可以互相促进，干扰或互不干扰。一般说来，对混合物的吸附较纯物质的吸附为差。,第三节 离子交换法,离子交换作用：是指一个溶液中的某一种离子与一个固体中的另一种具有相同电荷的离
8、子互相调换位置，即溶液中的离子跑到固体上去，把固体上的离子替换下来。这里溶液称流动相，而固体称固定相。用于蛋白质、氨基酸、核酸、酶、抗生素的分离。,一、基本原理,离子交换剂通常是一种不溶性高分子化合物，它的分子中含有可解离的基团，这些基因在水溶液中能与溶液中的其它阳离子或阴离子起交换作用。交换反应都是平衡反应，但在层析柱上进行时，由于连续添加新的交换溶液，平衡不断按正方向进行，所以可以把离子交换剂上的原子离子全部洗脱下来，同时溶液中的离子全部被交换并吸附在树脂上。如果有两种以上的成分被交换吸着在离子交换剂上，用洗脱液洗脱时，其被洗脱的能力则决定于各自洗脱反应的平衡常数。离子交换过程有两个阶段吸
9、附和解吸附。吸附在离子交换剂上的物质可以通过改变pH使吸附的物质失去电荷而达到解离但更多的是通过增加离子强度，使加入的离子与被吸附物质竞争离子交换剂上的电荷位置，使被吸附物质与离子交换剂解开。不同物质与离子交换剂之间形成电键数目不同，即亲和力大小有差异 ，因此只要选择适当的洗脱条件便可将混合物中的组分逐个洗脱下来，达到分离纯化的目的。,二、离子交换的类型按组分：(有机、无机)离子交换剂。按性能：(阳、阴、两性、吸附型、选择型、氧化还原型)离子交换剂。（1）阳离子交换剂强酸型: (-R-SO3H)中性:弱酸性:,（2）阴离子交换剂都含有氨基强：季胺盐-N+(CH3)3;弱：叔-N(CH3)2,、
10、仲(-NHCH3)、伯(-NH2)。（3）两性离子交换剂交换剂本体上同时带有酸性和碱性基团。,三、离子交换树脂的理化性能1、 对离子交换树脂的一般要求：（1）容量大。（活性基团/重量）。 多含活性基团；基团能完全电离。（2）良好的可逆性。（3）适宜的机械强度。（4）化学稳定性。,2、离子交换树脂的处理、再生、转型、保存（1）处理： 树脂浸泡酸处理碱处理液水洗（2）再生： 使用过的树脂恢复到原状况的方法（往往只作简单转型处理）。（3）转型： 使树脂上带上使用时希望的离子。,如：Na型：用氢氧化钠；H型：用盐酸处理；NH4+型：用氨水处理；（4）保存：中性盐保存阴离子交换树脂，Cl型较OH稳定。阳
11、离子交换树脂。Na型稳定。,3、交换树脂的理化特性（1）颗粒度： 颗粒小，交换速度快，压力损失较大。（2）含水量： 一般40-60%。,（3）比重：干真密度：干燥状态下树脂材料本身的比重。干真密度树脂的干燥质量/减去树脂内空隙的真体积湿真密度：充分膨胀后树脂颗粒本身的比重。湿真密度树脂湿重/树脂颗粒所占体积视密度：指树脂充分吸水膨胀后的堆积密度。视密度树脂湿重/树脂层的体积（4）膨胀性：因可交换离子不同而不同。,（5）耐磨损强度：树脂在使用过程中会产生磨损。（6）耐热性：有一定的耐热性能，温度过高或过低，对强度和容量都会有影响。 一般：阳离子比阴离子树脂的耐热性高，其中盐型比游离型的耐热性高。
12、,（7）交换容量：指树脂交换能力的大小，是衡量树脂性能的重要指标。 两种表示方法：理论(全)交换量：树脂的特性决定。工作(操作)交换量：受操作条件、柱长度、粒度、离子性质、浓度、流速、交换基团等因素的影响。 一般:弱酸（碱） 强酸（碱）树脂 交联度越小，交换容量越大,四、影响离子交换速度的主要因素（1）树脂颗粒的大小 颗粒越小，单位体积树脂的表面积愈大，有利于离子间的接触，交换速度愈快。（2）树脂的交联度 在一定条件下，降低树脂交联度，能提高交换速度。,（3）溶液中离子的浓度当溶液中离子的浓度在一定范围内增加时，能加快交换速度，相反亦然。（4）温度提高温度能使固相或液相的扩散系数增大，交换速度
13、增加。（5）离子大小交换小离子的速度较快，交换大离子的速度较慢。,（6）离子价 吸附速度：离子价小的离子 离子价大的离子（7）酸碱的强弱交换速度：强酸(碱)性树脂 弱酸(碱)性树脂 与活性基团的解离程度有关。（8）树脂层装填的松紧度 装填疏松有利扩散，交换速度相应也有所提高。,五、离子交换操作方式1、分批法： 交换在一容器中进行。2、固定床法：也称柱过滤法 交换在动态下进行。,为什么分批法不如固定床法好呢？用分批法，因为交换受到平衡的限制，树脂的饱和度不高。而固定床法，树脂的饱和度高（当然同样存在平衡限制的情况），因为液体在流动的过程中，平衡状态因新的溶液的流入而逐渐被打破，使离子交换速度加快
14、。,第四节 萃取法,溶剂萃取法是20世纪40年代兴起的一项化工分离技术，它是用一种溶剂将产物自另一种溶剂(如水)中提取出来，达到浓缩和提纯的目的。溶剂萃取法比化学沉淀法分离程度高，比离子交换法选择性好，传质快，比蒸馏法能耗低且生产能力大，周期短，便于连续操作、容易实现自动化等。,新型的萃取技术超临界萃取反胶团萃取双水相萃取液膜萃取,一、萃取的原理,利用物质在两种成相的溶剂中溶解度的不同，使所需的目的物质从一种溶剂中转移到另一种溶剂中，从而达到分离纯化的目的。溶剂萃取法是以分配定律为基础的。在萃取中，被提取的溶液称为料液，其中欲提取的物质称为溶质。,分配定律：在恒温恒压的条件下，一种物质在两种成
15、相的溶剂（A与B，或上相与下相）的分配浓度之比是一常数，该常数称为分配系数K。,（一）超临界流体萃取,1、原 理临界温度(Tc) ：当气体的温度高于某一数值时，任何压缩都不能使它变为液体。 临界压力（Pc）：在临界温度下，气体能被液化的最低压力。 超临界状态：当物质所处的温度高于临界温度、压力大于临界压力时,超临界流体：在临界点(指在临界温度Tc和临界压力Pc状态)附近，可以观察到一些有意义的现象：压力和温度的微小变化都会引起气体密度的很大变化。随着向超临界气体加压，气体密度增大达到液态性质，这种状态的流体称为超临界流体。其性质介于气体和液体之间。,气体、液体与超临界流体特性比较,超临界萃取：
16、使用超临界流体作为溶剂的萃取方法，就称为超临界萃取。超临界流体的密度为气体的数百倍，而其流动性和粘度仍接近于气体，扩散系数大约为气体的1，而较液体的扩散系数大数百倍。因此，物质移动成分配时，均比其在液体溶剂中要快。将温度或压力适宜变化时，可使其溶解度在I001000倍的范围内变化。一股来讲，超临界流体的密度越大，其溶解度就越大，反之亦然。也就是说，超临界流体中物质的溶解度在恒温下随压力P(PPc时)升高而增大，而在恒压下，其溶解度随温度（TTc时）增高而下降，这一特性有利于从物质中萃取某些易溶解的成分，而超临界流体的高流动性和扩散能力，则有助于所溶解的各成分之间的分离，并能加速溶解平衡，提高萃取效率。,
