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1、发酵工程第十三章发酵产物发酵工程第十三章发酵产物分离原理与技术分离原理与技术发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院发酵产物分离原理与技术发酵产物分离原理与技术第一节第一节沉淀分离法沉淀分离法第二节第二节吸附和树脂分离法吸附和树脂分离法第三节第三节离子交换法和离子交换膜电渗析分离法离子交换法和离子交换膜电渗析分离法第四节第四节萃取与浸取分离法萃取与浸取分离法第五节第五节膜分离技术膜分离技术发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta
2、at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi
3、 in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g
4、李李先先磊磊化学化工学院盐析原理示意图盐析原理示意图发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院盐析原理盐析原理图图1碳氧血红蛋白的溶解度与硫酸铵离子强度的关系图碳氧血红蛋白的溶解度与硫酸铵离子强度的关系图 蛋白质的溶解度与盐浓度间的关系可用蛋白质的溶解度与盐浓度间的关系可用CohnCohn方方程式表示：程式表示： logS/SlogS/S0 0 = = KsKsI I logS=-KsIlogS=-KsI S S 离子强度为离子强度为I I时的蛋白溶解度
5、时的蛋白溶解度 (g/L);(g/L); S S0 0 纯溶剂（即纯溶剂（即I = 0I = 0）时蛋白的溶解度；）时蛋白的溶解度； Ks Ks 盐析常数，与温度和盐析常数，与温度和pHpH无关；无关； I I 离子强度离子强度 当温度一定时，当温度一定时，S S0 0对于某一溶质是一常数，即对于某一溶质是一常数，即logSlogS0 0 = = 是溶质的特征常数，对于蛋白质而言，其大小是溶质的特征常数，对于蛋白质而言，其大小主要取决于不同蛋白质的性质，它也与溶液的温度主要取决于不同蛋白质的性质，它也与溶液的温度和和pHpH值有关，但与盐的种类无关。值有关，但与盐的种类无关。发发酵酵工工程程
6、F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院盐析法原理盐析法原理盐析法分离蛋白质时，可分两类：盐析法分离蛋白质时，可分两类：1 1）在一定的）在一定的pHpH值和温度下，改变离子强度或盐浓度值和温度下，改变离子强度或盐浓度的沉淀方法的沉淀方法“K K”分级盐析法分级盐析法2 2）在一定离子强度下，改变溶液的）在一定离子强度下，改变溶液的pHpH值及温度的沉值及温度的沉淀方法淀方法“ ”分级盐析法分级盐析法发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at
7、ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院2 2、盐析的主要影响因素、盐析的主要影响因素盐溶盐溶(salting in)(salting in)： 许多蛋白在低盐浓度下发生盐溶现象许多蛋白在低盐浓度下发生盐溶现象（比在纯水中的溶解度大大增加）；（比在纯水中的溶解度大大增加）； 高盐浓度则盐析，离子强度越大，蛋白质的溶解度越低；高盐浓度则盐析，离子强度越大，蛋白质的溶解度越低； 盐析剂种类很多，不同种类的盐对蛋白溶解度的影响是不同的；盐析剂种类很多，不同种类的盐对蛋白溶解度的影响是不同的；离子半径小且电荷高的离子对盐析作用的
8、影响较强，离子半径较离子半径小且电荷高的离子对盐析作用的影响较强，离子半径较大而电荷低的离子影响较弱；不同种类的盐对溶解度的影响，主大而电荷低的离子影响较弱；不同种类的盐对溶解度的影响，主要是对要是对KsKs值的影响，值的影响，KsKs值越大，该盐的盐析效果越好。值越大，该盐的盐析效果越好。1 1）蛋白质浓度）蛋白质浓度 高浓度的蛋白溶液，可减少盐的用量；但共沉现象严重高浓度的蛋白溶液，可减少盐的用量；但共沉现象严重用低浓度蛋白溶液进行盐析，需用较多的盐，共沉作用用低浓度蛋白溶液进行盐析，需用较多的盐，共沉作用较轻较轻2 2）离子强度和种类）离子强度和种类3 3）温度）温度 温度是影响溶质溶解
9、度的重要因素，升高温度可以增加许温度是影响溶质溶解度的重要因素，升高温度可以增加许多无机盐和小分子有机化合物的溶解度；多无机盐和小分子有机化合物的溶解度； 但在高盐浓度中，蛋白质等生物大分子物质的溶解度随温但在高盐浓度中，蛋白质等生物大分子物质的溶解度随温度的升高反而减小度的升高反而减小 这主要是因为蛋白质分子在水化时要吸热，失水时则放热；这主要是因为蛋白质分子在水化时要吸热，失水时则放热；温度升高有利于蛋白质失水沉淀。温度升高有利于蛋白质失水沉淀。4 4）pHpH 值除与蛋白质和温度有关外，还与值除与蛋白质和温度有关外，还与pHpH有关；有关； 盐析盐析pHpH的选择要以不降低产物的活性为原
10、则；的选择要以不降低产物的活性为原则； 由于蛋白质在等电点时最易沉淀，故可选择等电点的由于蛋白质在等电点时最易沉淀，故可选择等电点的pHpH作为盐析作为盐析pHpH发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院几种蛋白质析出时所需硫酸铵的离几种蛋白质析出时所需硫酸铵的离子的强度子的强度发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学
11、化工学院不同盐溶液中碳氧血红蛋白的溶解不同盐溶液中碳氧血红蛋白的溶解度与离子强度的关系度与离子强度的关系 不同盐溶液中碳氧血红蛋白的溶解度与离子强度的关系（不同盐溶液中碳氧血红蛋白的溶解度与离子强度的关系（2525）()NaCl; ()KCl;()NaCl; ()KCl;()MgSO)MgSO4 4;();()（NHNH4 4) )2 2SOSO4 4;()Na;()Na2 2SOSO4 4;()K;()K2 2SOSO4 4;();()柠檬酸三钠柠檬酸三钠发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er
12、ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院温度和温度和pH值的影响值的影响温度对碳氧血红蛋白盐析曲线的影响温度对碳氧血红蛋白盐析曲线的影响pH值对值对的影响的影响发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院三、有机溶剂沉淀法三、有机溶剂沉淀法1.有机溶剂沉淀法的原理有机溶剂沉淀法的原理2.有机溶剂沉淀法的影响因素有机溶剂沉淀法的影响因素3.有机溶剂沉淀法的优缺点有机溶剂沉淀法的优缺点4.有机溶剂沉淀法的注意事项有机溶剂沉淀法的注意事项5.有机溶剂沉淀法
13、举例有机溶剂沉淀法举例发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院1、有机溶剂沉淀法的原理、有机溶剂沉淀法的原理许多有机溶剂如丙酮、乙醇、甲醇等能使溶于水的小分子许多有机溶剂如丙酮、乙醇、甲醇等能使溶于水的小分子生物物质以及核酸、多糖、蛋白质等生物大分子发生沉淀生物物质以及核酸、多糖、蛋白质等生物大分子发生沉淀作用。这种沉淀作用是作用。这种沉淀作用是多种效应的结果多种效应的结果，但，但主要作用主要作用是是降降低水溶液的介电常数低水溶液的介电常数。当有机溶剂
14、浓度增大时，水对蛋白等分子表面上荷电基团当有机溶剂浓度增大时，水对蛋白等分子表面上荷电基团或亲水基团的水化程度降低，或者说溶剂的介电常数降低，或亲水基团的水化程度降低，或者说溶剂的介电常数降低，因而静电吸引力增大，带电溶质互相吸引而聚集。因而静电吸引力增大，带电溶质互相吸引而聚集。对于具有表面水层的生物分子，有机溶剂与水的作用，使对于具有表面水层的生物分子，有机溶剂与水的作用，使这些分子表面水层厚度不断压缩，最后使这些分子脱水而这些分子表面水层厚度不断压缩，最后使这些分子脱水而相互聚集析出。相互聚集析出。不同浓度的有机溶剂可使不同的溶质沉淀，即不同浓度的有机溶剂可使不同的溶质沉淀，即分步沉淀法
15、分步沉淀法，达到分离纯化的目的。达到分离纯化的目的。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院蛋白质分子表面蛋白质分子表面发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院 用于生物物质沉淀的有机溶剂须能与水互溶，但对蛋白无作用；用于生物物质沉淀的有机溶剂须能与水互溶，但对蛋白无作用； 例如：乙醇、甲醇、丙酮、二甲基甲酰胺
16、、二甲基亚砜、氯仿、例如：乙醇、甲醇、丙酮、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、氯仿、乙醚等；乙醚等； 乙醇是核酸、糖类、氨基酸和核苷酸等物质最常用的沉淀剂；乙醇是核酸、糖类、氨基酸和核苷酸等物质最常用的沉淀剂； 在沉淀过程中，乙醇与水混合时放出大量的稀释热，使溶液的在沉淀过程中，乙醇与水混合时放出大量的稀释热，使溶液的温度显著升高，这对热稳定性较差的产物影响较大（少量多次、温度显著升高，这对热稳定性较差的产物影响较大（少量多次、搅拌）搅拌）1 1）有机溶剂的种类）有机溶剂的种类2 2）温度）温度多数生物物质在有机溶剂与水的混合液中的溶解度是随温度多数生物物质在有机溶剂与水的混合液中的溶解度是随温度的降
17、低而降低的，因此降低温度可增加收率；低温沉淀还能的降低而降低的，因此降低温度可增加收率；低温沉淀还能更好地保护生物物质的活性更好地保护生物物质的活性3 3）pHpH 在结构稳定范围内，选择溶解度最低时的在结构稳定范围内，选择溶解度最低时的pHpH，有助于，有助于提高沉淀效果；在接近等电点处，引起沉淀所需有机溶提高沉淀效果；在接近等电点处，引起沉淀所需有机溶剂的量最小；剂的量最小； 合适的合适的pHpH还可大大提高分离的分辨能力还可大大提高分离的分辨能力4 4）样品浓度和分子质量）样品浓度和分子质量 低浓度样品需要使用有机溶剂的量较大，但共沉作用小，低浓度样品需要使用有机溶剂的量较大，但共沉作用
18、小，有利于提高分离的效果；但低浓度样品损失较大，回收率低；有利于提高分离的效果；但低浓度样品损失较大，回收率低； 高浓度样品使用有机溶剂的量较小，减少了变性的危险；高浓度样品使用有机溶剂的量较小，减少了变性的危险；但共沉作用大，分离效果较差。但共沉作用大，分离效果较差。 蛋白质分子质量越大，产生沉淀所需加入的有机溶剂量越蛋白质分子质量越大，产生沉淀所需加入的有机溶剂量越少。少。5 5）金属离子和离子强度）金属离子和离子强度 Mn Mn 2+2+、Fe Fe 2+2+、Co Co 2+2+、Cu Cu 2+2+、Zn Zn 2+2+ 等离子能与蛋白质的等离子能与蛋白质的羧基、氨基和含有氮杂环的化
19、合物结合；羧基、氨基和含有氮杂环的化合物结合； Ca Ca 2+2+、Ba Ba 2+2+、Mg Mg 2+2+、Pb Pb 2+2+能与羧基结合；能与羧基结合； Ag Ag + +、Hg Hg 2+2+、Pb Pb 2+2+ 能与巯基结合形成复合物；能与巯基结合形成复合物；某些有机化合物能与生物大分子形成难溶复合物某些有机化合物能与生物大分子形成难溶复合物. .这类复合物在水或有机溶剂中的溶解度都大大降低，而不影这类复合物在水或有机溶剂中的溶解度都大大降低，而不影响蛋白质的生物活性，同时还能降低有机溶剂的用量。响蛋白质的生物活性，同时还能降低有机溶剂的用量。2、有机溶剂沉淀法的影响因素、有机
20、溶剂沉淀法的影响因素发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院3、有机溶剂沉淀法的优缺点、有机溶剂沉淀法的优缺点优点：优点： 分辨能力较高，一种溶质只在一个比较窄的有机溶分辨能力较高，一种溶质只在一个比较窄的有机溶剂范围内沉淀；沉淀无需脱盐；有机溶剂密度低，与沉淀剂范围内沉淀；沉淀无需脱盐；有机溶剂密度低，与沉淀物密度差大，易进行固液分离；有机溶剂易挥发，不会在物密度差大，易进行固液分离；有机溶剂易挥发，不会在成品中残留。成品中残留。缺点：缺点： 易引起
21、蛋白变性；易燃、易爆易引起蛋白变性；易燃、易爆发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院4、有机溶剂沉淀法的注意事项、有机溶剂沉淀法的注意事项（1）降低温度，能增加收率和减少蛋白质的变性。）降低温度，能增加收率和减少蛋白质的变性。（2）所选择的溶剂必须能和水互溶，而和蛋白质不起作用。）所选择的溶剂必须能和水互溶，而和蛋白质不起作用。（3）蛋白质的分子量越大，产生沉淀所需加入的有机溶剂量越少。）蛋白质的分子量越大，产生沉淀所需加入的有机溶剂量越少。（4）一
22、种蛋白质的溶解度通常会由于另一蛋白质的存在而降低。）一种蛋白质的溶解度通常会由于另一蛋白质的存在而降低。（5）沉淀的蛋白质如不能再溶解，就可能已经变性。）沉淀的蛋白质如不能再溶解，就可能已经变性。（6）对很多酶，丙酮加量在）对很多酶，丙酮加量在20%50%之间，就能产生沉淀。之间，就能产生沉淀。（7）接近等电点时，引起沉淀所需加入有机溶剂的量较少。）接近等电点时，引起沉淀所需加入有机溶剂的量较少。（8）当溶剂量达到）当溶剂量达到50%时，则通常只有分子量小于时，则通常只有分子量小于15000的蛋白质仍留的蛋白质仍留在溶液中。在溶液中。（9）少量中性盐的存在能产生盐溶作用，增加蛋白质在有机溶剂水
23、溶液）少量中性盐的存在能产生盐溶作用，增加蛋白质在有机溶剂水溶液的溶解度。的溶解度。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院5、有机溶剂沉淀法举例、有机溶剂沉淀法举例发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院四、非离子型聚合物沉淀法四、非离子型聚合物沉淀法 聚乙二醇聚乙二醇(PEG)(PEG)、葡聚糖右旋糖酐硫酸
24、钠等、葡聚糖右旋糖酐硫酸钠等 沉淀效能高；操作条件温和，不易引起生物大分子变性；沉淀效能高；操作条件温和，不易引起生物大分子变性；沉淀后易除去；无毒、不可燃；广泛用于核酸、蛋白等的沉淀后易除去；无毒、不可燃；广泛用于核酸、蛋白等的分离纯化。分离纯化。 机制：机制：可能降低生物大分子水化度，与大分子发生共沉作可能降低生物大分子水化度，与大分子发生共沉作用；与生物大分子形成复合物；或通过空间位置排斥，使用；与生物大分子形成复合物；或通过空间位置排斥，使液体中的微粒被迫聚集而沉淀。液体中的微粒被迫聚集而沉淀。 常用常用PEG6000-20000PEG6000-20000； PEGPEG的沉淀效果除与
25、沉淀剂的浓度有关外，还受离子强度、的沉淀效果除与沉淀剂的浓度有关外，还受离子强度、pHpH和温度的影响和温度的影响发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院五、聚电解质沉淀法五、聚电解质沉淀法离子型的多糖化合物：离子型的多糖化合物： 酸性多糖用的较多，如羧甲基纤维素、海藻酸盐、酸性多糖用的较多，如羧甲基纤维素、海藻酸盐、果胶酸盐、卡拉胶等果胶酸盐、卡拉胶等 阴离子聚合物：如聚丙烯酸阴离子聚合物：如聚丙烯酸 阳离子聚合物：如聚乙烯亚胺等阳离子聚合物：如聚乙
26、烯亚胺等 可沉淀蛋白，作用方式类似于絮凝剂，兼有一定可沉淀蛋白，作用方式类似于絮凝剂，兼有一定的盐析和水化作用的盐析和水化作用发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院发酵产物分离原理与技术发酵产物分离原理与技术第一节第一节沉淀分离法沉淀分离法第二节第二节吸附和树脂分离法吸附和树脂分离法第三节第三节离子交换法和离子交换膜电渗析分离法离子交换法和离子交换膜电渗析分离法第四节第四节萃取与浸取分离法萃取与浸取分离法第五节第五节膜分离技术膜分离技术发发酵酵工工程
27、程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院第二节第二节吸附和树脂分离法吸附和树脂分离法吸附：吸附：是溶质从液相或气相转移到固相的现象。是溶质从液相或气相转移到固相的现象。吸附剂吸附剂：吸附操作使用的固体，一般为多孔微：吸附操作使用的固体，一般为多孔微粒，具有很大的比表面积，这类物质就是吸附粒，具有很大的比表面积，这类物质就是吸附剂。剂。1吸附法的优缺点吸附法的优缺点2吸附原理和吸附剂种类吸附原理和吸附剂种类3活性炭和离子交换树脂吸附脱色活性炭和离子交换树脂吸附脱色4树
28、脂法原理和树脂分类树脂法原理和树脂分类发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院一、吸附法的优缺点一、吸附法的优缺点优点优点：可不用或少用有机溶剂；可不用或少用有机溶剂；操作简单、安全、设备简单；操作简单、安全、设备简单；生产过程中生产过程中pH变化小，适用于稳定性差的生化变化小，适用于稳定性差的生化物质。物质。l缺点缺点：选择性差、收率不太高、特别是无机吸附剂性选择性差、收率不太高、特别是无机吸附剂性能不稳定，不能连续操作，劳动强度大，有些不能不稳定，
29、不能连续操作，劳动强度大，有些不环保。环保。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院二、吸附原理和吸附剂种类二、吸附原理和吸附剂种类1.吸附的原理吸附的原理2.吸附剂的种类吸附剂的种类发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院1、吸附的原理、吸附的原理固体表面的分子或原子与液体表面分子一样，处固体表面的分子或原子
30、与液体表面分子一样，处于特殊的状态，具有不饱和的剩余力，即存在着于特殊的状态，具有不饱和的剩余力，即存在着表面力，所以他们能够吸附外界物质，使这些外表面力，所以他们能够吸附外界物质，使这些外界物质在吸附剂表面附近形成多分子层或单分子界物质在吸附剂表面附近形成多分子层或单分子层，从而降低表面能，使自身达到稳定状态。层，从而降低表面能，使自身达到稳定状态。吸附作用是一组分子引力的总称：吸附作用是一组分子引力的总称：定向力、诱导定向力、诱导力和色散力力和色散力。一般多孔性固体才能作为吸附剂使用。一般多孔性固体才能作为吸附剂使用。吸附的分类吸附的分类影响吸附的因素影响吸附的因素发发酵酵工工程程 F F
31、e er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院吸附的分类吸附的分类a.物理吸附物理吸附吸附剂和吸附物通过分子力吸附剂和吸附物通过分子力(范德华力范德华力)产生的吸附。产生的吸附。b.化学吸附化学吸附化学吸附是由于吸附剂与吸附物之间的电子转移，发生化学吸附是由于吸附剂与吸附物之间的电子转移，发生化学反应而产生的，属于库仑力范围。化学反应而产生的，属于库仑力范围。c.交换吸附交换吸附吸附剂表面如为极性分子或离子所组成则它会吸引溶液吸附剂表面如为极性分子或离子所组成则它会吸引溶液中带相反
32、电荷的离子而形成双电层。这种吸附又称为极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。性吸附。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院影响吸附的因素影响吸附的因素a.吸附剂的性质吸附剂的性质：吸附剂的理化性质对吸附的影响：吸附剂的理化性质对吸附的影响很大；很大；b.吸附物的性质吸附物的性质；c.溶液的溶液的pH值值：影响化合物的解离程度；：影响化合物的解离程度；d.吸附过程的温度吸附过程的温度：吸附热越大，温度影响越大；：吸附热越大，温度影响
33、越大；e.其他组分的影响其他组分的影响：含有两种或以上的组分的溶液，：含有两种或以上的组分的溶液，其他组分会影响吸附效果。其他组分会影响吸附效果。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院2、吸附剂的种类、吸附剂的种类吸附剂的要求吸附剂的要求疏水性或非极性吸附剂疏水性或非极性吸附剂亲水性或极性吸附剂亲水性或极性吸附剂各种离子交换树脂吸附剂各种离子交换树脂吸附剂发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E
34、En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院、吸附剂的要求吸附剂的要求l吸附剂不能溶于操作的溶液中；吸附剂不能溶于操作的溶液中；l吸附剂本身是一种多细孔粉末状物质，颗粒密度吸附剂本身是一种多细孔粉末状物质，颗粒密度小，表面积大，但孔隙也不要太多，否则溶质不小，表面积大，但孔隙也不要太多，否则溶质不容易被解吸；容易被解吸；l吸附剂必须颗粒大小均匀；吸附剂必须颗粒大小均匀；l吸附能力大，容易被洗脱。吸附能力大，容易被洗脱。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee e
35、r ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院、疏水性或非极性吸附剂疏水性或非极性吸附剂适用于适用于极性溶媒极性溶媒内吸附物质，典型的吸附剂是活内吸附物质，典型的吸附剂是活性炭。性炭。活性炭：容易从水溶液中吸附溶质，吸附芳香族活性炭：容易从水溶液中吸附溶质，吸附芳香族化合物能力大。化合物能力大。活性炭种类：有酸性、碱性或中性。活性炭种类：有酸性、碱性或中性。活性炭活性炭吸附选择性差吸附选择性差，不能进行精炼。，不能进行精炼。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先
36、磊磊化学化工学院活性炭种类活性炭种类活性炭种类活性炭种类颗粒大小颗粒大小表面积表面积吸附力吸附力吸附量吸附量洗脱洗脱粉末活性炭粉末活性炭小小大大大大大大难难颗粒活性炭颗粒活性炭较小较小较大较大较小较小较小较小难难锦纶活性炭锦纶活性炭大大小小小小小小易易发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院粉末活性炭粉末活性炭锦纶活性炭锦纶活性炭发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne
37、 ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院亲水性或极性吸附剂亲水性或极性吸附剂适用于非极性或极性较小的溶媒，如硅胶、氧化适用于非极性或极性较小的溶媒，如硅胶、氧化铝、活性土。铝、活性土。氧化铝为常用的亲水吸附剂，属于无机离子交换氧化铝为常用的亲水吸附剂，属于无机离子交换剂，常用于色层分离；具有离子交换剂的性质。剂，常用于色层分离；具有离子交换剂的性质。氧化铝选择性较差。氧化铝选择性较差。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院、各种离
38、子交换树脂吸附剂各种离子交换树脂吸附剂各种有机离子交换树脂也是属于极性吸附剂，因各种有机离子交换树脂也是属于极性吸附剂，因为是两性化合物，可以进行离子交换，所以也叫为是两性化合物，可以进行离子交换，所以也叫离子交换树脂。离子交换树脂。常用于发酵产品脱色和分离杂质。常用于发酵产品脱色和分离杂质。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院三、活性炭和离子交换树脂吸附脱色三、活性炭和离子交换树脂吸附脱色1.活性炭吸附脱色活性炭吸附脱色2.离子交换树脂脱色离子交
39、换树脂脱色发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院1、活性炭吸附脱色、活性炭吸附脱色发酵工业生产中常用活性炭对发酵产品进行吸附发酵工业生产中常用活性炭对发酵产品进行吸附脱色，例如：味精溶液脱色。脱色，例如：味精溶液脱色。味精溶液脱色：活性炭味精溶液脱色：活性炭pH为为5.0左右。强化加入左右。强化加入硫化钠溶液。硫化钠溶液。波美度：（波美度：（B）是表示溶液浓度的一种方法。把）是表示溶液浓度的一种方法。把波美比重计浸入所测溶液中，得到的度数叫波美波美比
40、重计浸入所测溶液中，得到的度数叫波美度。不同溶液的波美度的测定方法是相似的，都度。不同溶液的波美度的测定方法是相似的，都是用测定比重的方法，根据测得的比重，查表换是用测定比重的方法，根据测得的比重，查表换算浓度。算浓度。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院2、离子交换树脂脱色、离子交换树脂脱色原理：靠树脂的多孔隙表面对色素进行吸附作用，树脂原理：靠树脂的多孔隙表面对色素进行吸附作用，树脂的基团与色素的某些基团形成共价键，也有交换作用。的基团与色素的
41、某些基团形成共价键，也有交换作用。n 脱色常用的离子交换树脂：大孔脱色常用的离子交换树脂：大孔717717# #强碱性季胺型树脂及强碱性季胺型树脂及多孔弱碱专多孔弱碱专390390# #苯乙烯伯胺型弱碱性阴离子交换树脂。苯乙烯伯胺型弱碱性阴离子交换树脂。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院味精离子交换树脂脱色工艺味精离子交换树脂脱色工艺预处理及转型：预处理及转型：4%氢氧化钠溶液去杂质，洗至氢氧化钠溶液去杂质，洗至pH8，4%盐酸转型，无离子水洗至
42、流出溶液盐酸转型，无离子水洗至流出溶液pH7左右，用左右，用5%氯化氯化钠溶液洗至进出液钠溶液洗至进出液pH相同；相同；上柱脱色及水洗：中和液上柱脱色及水洗：中和液23B低流速上柱，上柱完毕后低流速上柱，上柱完毕后用热水洗至流出液用热水洗至流出液0B以下。以下。再生：用再生：用10%氯化钠氯化钠+10%氢氧化钠混合液再生，水洗至氢氧化钠混合液再生，水洗至pH8，无离子水洗至进出液氯离子含量相同，调，无离子水洗至进出液氯离子含量相同，调pH6.4，再用再用5%氯化钠洗至进出液氯化钠洗至进出液pH相同；相同；上液量：上液量：717型为树脂体积的型为树脂体积的60倍，倍，390型为树脂体积型为树脂体
43、积10倍以上。倍以上。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院四、树脂法原理和树脂分类四、树脂法原理和树脂分类1.树脂法原理树脂法原理2.树脂分类树脂分类3.吸附树脂分离维生素吸附树脂分离维生素发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院1、树脂法原理、树脂法原理高分子吸附剂是一种利用离子交换树脂，采用不高分子吸附
44、剂是一种利用离子交换树脂，采用不同方法去掉其上的功能基团，保留多孔骨架，依同方法去掉其上的功能基团，保留多孔骨架，依据树脂骨架和溶液分子间的分子吸附（据树脂骨架和溶液分子间的分子吸附（并不发生并不发生离子交换离子交换）原理而设计的一类吸附剂，也叫吸附）原理而设计的一类吸附剂，也叫吸附树脂。树脂。吸附树脂本身以范德华力从很低浓度的溶液中吸吸附树脂本身以范德华力从很低浓度的溶液中吸附有机物，而构成它的一个重要方面是各种不同附有机物，而构成它的一个重要方面是各种不同的表面物质。的表面物质。吸附树脂的吸附能力不但与吸附剂的化学结构和吸附树脂的吸附能力不但与吸附剂的化学结构和物理性能有关，而且与溶质和溶
45、液的性质有关。物理性能有关，而且与溶质和溶液的性质有关。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院2、树脂分类、树脂分类按链节分子结构：非极性、中等极性和极性；按链节分子结构：非极性、中等极性和极性；吸附树脂命名不规范；吸附树脂命名不规范；吸附树脂属于热固性聚合物，加热不熔，吸附树脂属于热固性聚合物，加热不熔，150内内均可使用，不溶于溶剂和酸碱。均可使用，不溶于溶剂和酸碱。结构特点：比表面积、孔径都很大，可以人为调结构特点：比表面积、孔径都很大，可以人
46、为调节。节。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院吸附树脂分离维生素吸附树脂分离维生素维生素维生素B12是抗生素生产的副产品，一般用羧酸型是抗生素生产的副产品，一般用羧酸型离子交换树脂回收维生素离子交换树脂回收维生素B12。实际上证明用大网。实际上证明用大网格聚合物吸附剂提取效果更好。格聚合物吸附剂提取效果更好。大孔吸附树脂（大网格吸附树脂）目前应用广泛，大孔吸附树脂（大网格吸附树脂）目前应用广泛，不仅用于维生素不仅用于维生素B12的吸附分离，而且很
47、多药物提的吸附分离，而且很多药物提取也经常使用，如中草药的提取分离等。取也经常使用，如中草药的提取分离等。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院发酵产物分离原理与技术发酵产物分离原理与技术第一节第一节沉淀分离法沉淀分离法第二节第二节吸附和树脂分离法吸附和树脂分离法第三节第三节离子交换法和离子交换膜电渗析分离法离子交换法和离子交换膜电渗析分离法第四节第四节萃取与浸取分离法萃取与浸取分离法第五节第五节膜分离技术膜分离技术发发酵酵工工程程 F Fe er
48、rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院第三节第三节离子交换法和离子交换离子交换法和离子交换膜电渗析分离法膜电渗析分离法1离子交换法原理和离子交换树脂的结构与分类离子交换法原理和离子交换树脂的结构与分类2离子交换法提取卡那霉素离子交换法提取卡那霉素3离子交换膜电渗析法的基本原理和流程离子交换膜电渗析法的基本原理和流程发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊
49、化学化工学院一、离子交换法原理和离子交换树一、离子交换法原理和离子交换树脂的结构与分类脂的结构与分类1.离子交换法的基本原理离子交换法的基本原理2.离子交换树脂的结构与分类离子交换树脂的结构与分类3.离子交换树脂的主要性能离子交换树脂的主要性能发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院1、离子交换法的基本原理、离子交换法的基本原理离子交换法的基本原理：离子交换法的基本原理：一定条件下离子交换反应的方向和限度，这就是一定条件下离子交换反应的方向和限度，这就
50、是离子交换平衡离子交换平衡的问题，即的问题，即离子交换热力学离子交换热力学；离子交换反应的历程和达到平衡的时间，这就是离子交换反应的历程和达到平衡的时间，这就是离子交换速率离子交换速率的问题，即的问题，即离子交换动力学离子交换动力学。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院离子交换平衡离子交换平衡离子交换反应是可逆反应，溶液和树脂中的离子离子交换反应是可逆反应，溶液和树脂中的离子之间浓度差推动他们之间的交换，浓度差越大，之间浓度差推动他们之间的交换，浓
51、度差越大，交换速率就越快，达到一定程度则形成离子交换交换速率就越快，达到一定程度则形成离子交换平衡状态。这时树脂和溶液中同时具有两种离子。平衡状态。这时树脂和溶液中同时具有两种离子。如用如用化学反应化学反应解释，则可以用基本的质量作用定解释，则可以用基本的质量作用定律描述离子在树脂相和溶液相之间的分配。律描述离子在树脂相和溶液相之间的分配。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院离子交换速率离子交换速率离子交换反应在动态下进行，因此，离子交换的离子交换
52、反应在动态下进行，因此，离子交换的效果除受效果除受离子浓度和选择系数离子浓度和选择系数的影响外，还要受的影响外，还要受离子从溶液中进入树脂表面和在树脂内部的扩散离子从溶液中进入树脂表面和在树脂内部的扩散过程过程的影响，这个影响因素就是的影响，这个影响因素就是离子交换速率的离子交换速率的影响影响。举例：举例：以以Na型树脂与溶液中型树脂与溶液中Ca2+进行交换为例，即表示进行交换为例，即表示单位时间内，溶液中的单位时间内，溶液中的Ca2+浓度减少或浓度减少或Na+浓度浓度增加量。增加量。组成因素为组成因素为：Ca2+离子从溶液通过树脂表面的液膜或边界层，达到树脂离子从溶液通过树脂表面的液膜或边界
53、层，达到树脂表面；表面；Ca2+离子从树脂表面向孔道中迁移，并达到有效交换位置离子从树脂表面向孔道中迁移，并达到有效交换位置；在交换点；在交换点上两种离子进行交换反应；上两种离子进行交换反应；钠离子从树脂内部迁移到树脂表面钠离子从树脂内部迁移到树脂表面；钠离子穿过树；钠离子穿过树脂表面的液膜进入水溶液中。脂表面的液膜进入水溶液中。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院离子交换速率离子交换速率在上述过程中，液膜扩散和粒内扩散速率控制着离子交在上述过程中
54、，液膜扩散和粒内扩散速率控制着离子交换速率。而这两个速率也受到多种因素影响，如：换速率。而这两个速率也受到多种因素影响，如：a.溶液流速：膜扩散随过柱流速的增加而增加，粒内扩散溶液流速：膜扩散随过柱流速的增加而增加，粒内扩散则不受其影响；则不受其影响；b.树脂颗粒：离子的液膜扩散速率与树脂颗粒大小成反比，树脂颗粒：离子的液膜扩散速率与树脂颗粒大小成反比，而粒内速率则与粒径倒数的高次方成正比；而粒内速率则与粒径倒数的高次方成正比；c.溶液浓度：溶液中离子浓度较低，则对液膜速率影响较溶液浓度：溶液中离子浓度较低，则对液膜速率影响较大，对粒内速率影响较小，反之则液膜速率影响小而粒大，对粒内速率影响较
55、小，反之则液膜速率影响小而粒内速率影响大。内速率影响大。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院离子交换速率离子交换速率发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院2 2、离子交换树脂的分类、离子交换树脂的分类 其活性基团一般是磺酸基其活性基团一般是磺酸基(-SO(-SO3 3H);H); 由于是强酸性基团，电离程
56、度不受外界由于是强酸性基团，电离程度不受外界pHpH的影响，在的影响，在pH1-14pH1-14范围内均能起交换作用，一般没有使用范围内均能起交换作用，一般没有使用pHpH的限制。的限制。 以与以与NaClNaCl的交换为例：的交换为例： R-SOR-SO3 3H + NaCl H + NaCl R-SO R-SO3 3Na + HClNa + HCl 其再生是用其再生是用NaOHNaOH处理并水洗至处理并水洗至pH8-9pH8-9。再用。再用HClHCl处理并用处理并用水洗至水洗至pH5pH5、强酸性阳离子交换树脂、强酸性阳离子交换树脂、弱酸性阳离子树脂、弱酸性阳离子树脂 以羧基以羧基(-C
57、OOH )(-COOH )、酚羟基、酚羟基(-OH)(-OH)等为活性基团；等为活性基团； 其交换性能与溶液的其交换性能与溶液的pHpH有很大关系，因为这种树脂的电离度有很大关系，因为这种树脂的电离度很小。很小。例如：羧基树脂交换例如：羧基树脂交换pH7pH7，酚羟基树脂交换，酚羟基树脂交换pH9pH9。在酸性溶。在酸性溶液中，这类树脂几乎不发生交换反应，其交换能力随溶液液中，这类树脂几乎不发生交换反应，其交换能力随溶液pHpH增增高而增高。高而增高。 典型交换反应：典型交换反应：R-COOH + NaOH R-COOH + NaOH RCOONa + H RCOONa + H2 2O O 反
58、应生成的盐反应生成的盐RCOONaRCOONa很容易水解并使溶液呈碱性，故钠型树很容易水解并使溶液呈碱性，故钠型树脂不可能水洗到中性，一般只能水洗到脂不可能水洗到中性，一般只能水洗到pH8-9pH8-9。、强碱性阴离子交换树脂、强碱性阴离子交换树脂 有两种：有两种： 强碱强碱型型 含有三甲胺基含有三甲胺基 强碱强碱型型 含有二甲基含有二甲基- - - -羟基羟基- -乙基胺乙基胺 型比型比型的碱性强，但再生困难；型的碱性强，但再生困难；型的稳定性则较差；型的稳定性则较差； 强碱性阴离子交换树脂与强酸性阳离子交换树脂一样，没强碱性阴离子交换树脂与强酸性阳离子交换树脂一样，没有使用有使用pHpH的
59、限制；的限制； 典型交换反应：典型交换反应： RN(CHRN(CH3 3) )3 3Cl + NaOH Cl + NaOH RN(CH RN(CH3 3) )3 3OH + NaClOH + NaCl、弱碱性阴离子交换树脂、弱碱性阴离子交换树脂 活性基团有伯胺基活性基团有伯胺基-NH-NH2 2、仲胺基、仲胺基NHNH、叔胺基、叔胺基NHNH和吡啶和吡啶基等；基等； 与弱酸性阳离子树脂情况类似，交换能力随与弱酸性阳离子树脂情况类似，交换能力随pHpH的变化而变的变化而变化，化， pHpH越低，交换能力越大；越低，交换能力越大； 典型交换反应：典型交换反应：RNHRNH3 3OH + HCl O
60、H + HCl RNH RNH3 3Cl + HCl + H2 2O O 生成的盐生成的盐RNHRNH3 3ClCl很容易水解；这类树脂与很容易水解；这类树脂与OHOH的结合能力的结合能力较强，容易再生成羟型，耗碱量也少。较强，容易再生成羟型，耗碱量也少。另有一些特殊的树脂，如鳌合树脂、两性树脂、氧另有一些特殊的树脂，如鳌合树脂、两性树脂、氧化还原树脂；大孔树脂化还原树脂；大孔树脂发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院3、离子交换树脂的主要性能、离子
61、交换树脂的主要性能颗粒与形状颗粒与形状 交联度交联度 膨胀度膨胀度 稳定性稳定性 交换容量交换容量树脂的颗粒大小，对树脂交换能力，树脂层树脂的颗粒大小，对树脂交换能力，树脂层中溶液流动分步均匀程度，溶液通过树脂层压力中溶液流动分步均匀程度，溶液通过树脂层压力以及交换和反洗时树脂的流失等都有很大影响。以及交换和反洗时树脂的流失等都有很大影响。 合成树脂时单体中交联剂（二乙烯苯）含量百分数叫合成树脂时单体中交联剂（二乙烯苯）含量百分数叫交联度交联度。 通常通常8%-12%8%-12%； 一般交联度越大，树脂越坚固，机械强度越好，在水中不易膨胀；一般交联度越大，树脂越坚固，机械强度越好，在水中不易膨
62、胀；交联度越低，树脂越柔软，越容易膨胀，越能很好地吸附较大的离交联度越低，树脂越柔软，越容易膨胀，越能很好地吸附较大的离子，达到交换平衡的速度越大；但机械强度差，吸附的选择性小；子，达到交换平衡的速度越大；但机械强度差，吸附的选择性小； 树脂不溶于水，但亲水性强，具有亲水胶体性质，一般吸水膨树脂不溶于水，但亲水性强，具有亲水胶体性质，一般吸水膨胀，脱水收缩；胀，脱水收缩； 测定方法：将测定方法：将10-15ml10-15ml风干树脂放入量筒，加入欲实验的溶剂风干树脂放入量筒，加入欲实验的溶剂（多为水），然后不时摇动，（多为水），然后不时摇动，24h24h后，测定树脂的体积。前后体积后，测定树脂
63、的体积。前后体积之比称为之比称为膨胀系数膨胀系数； 膨胀系数与交联度有一定关系，交联度大的树脂膨胀系数小；膨胀系数与交联度有一定关系，交联度大的树脂膨胀系数小；选用耐温、耐磨、选用耐温、耐磨、耐酸碱和不易破碎的交耐酸碱和不易破碎的交换树脂可以保证循环使换树脂可以保证循环使用的次数。用的次数。 指一定量树脂中可交换基团的毫克当量数，是表征树脂性指一定量树脂中可交换基团的毫克当量数，是表征树脂性能的重要指标。能的重要指标。 若将树脂装柱进行操作，流出液中产物离子达到某一浓度若将树脂装柱进行操作，流出液中产物离子达到某一浓度时，操作即应停止，树脂进行再生后再使用。这一浓度称为时，操作即应停止，树脂进
64、行再生后再使用。这一浓度称为漏出点。漏出点。 在漏出点时树脂所吸附的量叫做工作交换容量。在漏出点时树脂所吸附的量叫做工作交换容量。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院二、离子交换法提取卡那霉素二、离子交换法提取卡那霉素提取原则和策略提取原则和策略卡那霉素性质卡那霉素性质树脂类型树脂类型溶液溶液pH操作方式操作方式动态串联方式动态串联方式发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi
65、in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院卡那霉素提取的原则和策略卡那霉素提取的原则和策略提取原则：提取原则： 采用对卡那霉素亲和力强的树脂，进行富集采用对卡那霉素亲和力强的树脂，进行富集提取策略：提取策略： 卡那霉素理化性质：结构、卡那霉素理化性质：结构、 pKapKa值、价态值、价态 树脂筛选：强酸型、弱酸型树脂筛选：强酸型、弱酸型 条件选择：溶液条件选择：溶液pHpH值、卡那霉素浓度、值、卡那霉素浓度、操作方式操作方式发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri
66、in ng g 李李先先磊磊化学化工学院图图1 1 卡卡A: RA: R1 1=OH R=OH R2 2= NH= NH2 2 C C1818H H3636N N4 4O O11 11 M MW W=484.499 =484.499 D D=+146=+146 卡卡B: RB: R1 1= NH= NH2 2 R R2 2=NH=NH2 2 C C1818H H3737N N5 5O O1010 M MW W =483.54 =483.54 D D =+130 =+130 卡卡C: RC: R1 1= NH= NH2 2 R R2 2=OH C=OH C1818H H3636N N4 4O O
67、1111 M MW W =484.499 =484.499 D D =+126 =+126卡那霉素结构式卡那霉素结构式卡那霉素性质卡那霉素性质发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院强酸型阳树脂（如强酸型阳树脂（如732）;弱酸型阳树脂（如弱酸型阳树脂（如DK110、D186、HZ-I）树脂类型树脂类型发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in n
68、g g 李李先先磊磊化学化工学院溶液的溶液的pH值值合适的合适的pH值必须达到下列条件：值必须达到下列条件： 使卡那霉素能解离使卡那霉素能解离使使732或或DK110能离子化能离子化卡那霉素能维持在稳定的范围内卡那霉素能维持在稳定的范围内发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院卡那解离问题卡那解离问题当当PH7.0时时在在PH5.0时时当当PH9.0时时发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En
69、 ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院卡那霉素离解常数（卡那霉素离解常数（ pKapKa值）值）发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院卡那霉素离解曲线卡那霉素离解曲线发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院树脂解离问题树脂解离问题-SO3H型型732树脂树脂pK1
70、-COOH型型DK110pK46发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院卡那稳定性问题卡那稳定性问题卡那稳定存在的卡那稳定存在的pH=68。732树脂离子交换时溶液树脂离子交换时溶液pH=5.56.0；DK110树脂离子交换时，溶液树脂离子交换时，溶液pH=6.87.2。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院
71、原液浓度原液浓度卡那是多元有机生物碱卡那是多元有机生物碱离子交换理论分析离子交换理论分析发酵水平发酵水平发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院操作操作方式方式国内国内沿用沿用732732静态吸附，静态吸附，3%NH3%NH4 4OHOH动态洗脱法；动态洗脱法；国外国外采用采用DK110DK110动态吸附，动态吸附，2%NH2%NH4 4OHOH动态解吸法动态解吸法发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on
72、n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院动态串联方式动态串联方式 发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院三、离子交换膜电渗析法的基本原三、离子交换膜电渗析法的基本原理和流程理和流程基本原理：该方法是膜分离技术的一种，是在直基本原理：该方法是膜分离技术的一种，是在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用离子交流电场作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择渗透性，把电解质从溶液中分离出来，换膜的
73、选择渗透性，把电解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的淡化、浓缩、精制或纯化的目的。从而实现溶液的淡化、浓缩、精制或纯化的目的。基本流程：技术关键是采用离子交换膜，是具有基本流程：技术关键是采用离子交换膜，是具有离子交换基团的网状立体结构的高分子膜，离子离子交换基团的网状立体结构的高分子膜，离子可以选择性通过膜。选择好膜之后，通入直流电，可以选择性通过膜。选择好膜之后，通入直流电，使溶液中带电离子沿一定方向迁移穿过膜，达到使溶液中带电离子沿一定方向迁移穿过膜，达到效果。效果。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in n
74、e ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院发酵产物分离原理与技术发酵产物分离原理与技术第一节第一节沉淀分离法沉淀分离法第二节第二节吸附和树脂分离法吸附和树脂分离法第三节第三节离子交换法和离子交换膜电渗析分离法离子交换法和离子交换膜电渗析分离法第四节第四节萃取与浸取分离法萃取与浸取分离法第五节第五节膜分离技术膜分离技术发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院第四节第四节萃取与浸取分离法萃取与浸取分离法1溶剂萃取法溶剂萃取法2浸取浸取3
75、超临界流体超临界流体萃取技术萃取技术4双水相萃取双水相萃取技术技术5反胶团萃取反胶团萃取技术技术发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院一、溶剂萃取法一、溶剂萃取法利用溶质组分在两个互不混溶的液相中竞争性利用溶质组分在两个互不混溶的液相中竞争性溶解和发你配性质上的差异来进行分离操作。溶解和发你配性质上的差异来进行分离操作。1.溶剂萃取法的优点溶剂萃取法的优点2.溶剂萃取过程的理论基础溶剂萃取过程的理论基础3.工业萃取方式和理论收得率工业萃取方式和理论收
76、得率4.乳化和去乳化乳化和去乳化发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院1、溶剂萃取法的优点、溶剂萃取法的优点萃取过程具有选择性；萃取过程具有选择性；能与其他需要的纯化步骤相配合；能与其他需要的纯化步骤相配合；通过转移到具有不同物理或化学特性的第二相中，通过转移到具有不同物理或化学特性的第二相中，减少由于降解引起的产品损失；减少由于降解引起的产品损失；可从潜伏的降解过程中分离产物；可从潜伏的降解过程中分离产物；适用于各种不同的规模；适用于各种不同的规模
77、；传质速度快，生产周期短，便于连续操作，容易传质速度快，生产周期短，便于连续操作，容易实现计算机控制。实现计算机控制。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院二、溶剂萃取过程的理论基础二、溶剂萃取过程的理论基础溶剂萃取的目标是将目标物质从第一个液相中依靠更强溶剂萃取的目标是将目标物质从第一个液相中依靠更强大的溶解力抽提到第二个液相中。大的溶解力抽提到第二个液相中。物质的溶解和相似相溶原理物质的溶解和相似相溶原理溶剂的互溶性规律溶剂的互溶性规律溶剂的极性
78、溶剂的极性分配定律和分离因数分配定律和分离因数水相条件的影响水相条件的影响 溶剂萃取法溶剂萃取法是以分配定律为基础的，即利用各种物质在是以分配定律为基础的，即利用各种物质在不同溶剂中具有不同的溶解度的原理，达到将不同物质分离不同溶剂中具有不同的溶解度的原理，达到将不同物质分离纯化的目的。纯化的目的。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院物质的溶解和相似相溶原理物质的溶解和相似相溶原理溶质溶解的的过滤目前用相似相溶原理解释，即溶质溶解的的过滤目前用相似
79、相溶原理解释，即分子间结构的相似和能量的相似导致溶解。分子间结构的相似和能量的相似导致溶解。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院溶剂的互溶性规律溶剂的互溶性规律按照形成氢键能力，将溶剂分为四种类型：按照形成氢键能力，将溶剂分为四种类型：a.N型溶剂，不能形成氢键；型溶剂，不能形成氢键；b.A型溶剂，只有电子受体的溶剂；型溶剂，只有电子受体的溶剂；c.B型溶剂，只有电子供体的溶剂；型溶剂，只有电子供体的溶剂；d.AB型溶剂，同时具备电子受体和供体；型
80、溶剂，同时具备电子受体和供体；发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院溶剂的极性溶剂的极性发酵工业上对分子间作用能相似考虑很多，即考发酵工业上对分子间作用能相似考虑很多，即考虑较多的是分子极性。虑较多的是分子极性。溶剂选择时，应根据目标产物的介电常数，寻找溶剂选择时，应根据目标产物的介电常数，寻找极性相接近的溶剂作为萃取溶剂。极性相接近的溶剂作为萃取溶剂。良好溶剂的要求良好溶剂的要求发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at
81、ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院良好溶剂的要求良好溶剂的要求有很大的萃取容量；有很大的萃取容量；有良好的选择性；有良好的选择性；与被萃取的液相互溶度要小，利于两相分离；与被萃取的液相互溶度要小，利于两相分离；溶剂的回收和再生容易；溶剂的回收和再生容易；化学稳定性好，不易分解；化学稳定性好，不易分解；经济性能好，价廉易得；经济性能好，价廉易得；安全性好，沸点高，对人体无毒害作用。安全性好，沸点高，对人体无毒害作用。常用溶剂：酯类、醇类和酮类。常用溶剂：酯类、醇类和酮类。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me
82、en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院分配定律和分离因数分配定律和分离因数料液（料液（F）、溶质、萃取剂）、溶质、萃取剂（S）、萃取液（）、萃取液（L）和萃）和萃取余液（取余液（R）。）。分配定律分配定律：在一定温度和压：在一定温度和压力下，溶质分布在两个互不力下，溶质分布在两个互不相溶的溶剂里，达到平衡后，相溶的溶剂里，达到平衡后，它在良乡的浓度比为一个常它在良乡的浓度比为一个常数数K，通常叫分配常数。，通常叫分配常数。分配常数的大小反映出溶质分配常数的大小反映出溶质在不同溶剂中溶解度的差异在
83、不同溶剂中溶解度的差异以及在此系统中的选择性。以及在此系统中的选择性。分离因素（分离系数）：分离因素（分离系数）：若在同若在同一体系中有两种溶质一体系中有两种溶质A A和和B B，它们，它们在相同条件下的分配常数分别为在相同条件下的分配常数分别为K KA A、K KB B，则分离系数，则分离系数 的定义为：的定义为： = = K KA A/K/KB B = (C = (CLALA/C/CRARA)/(C)/(CLBLB/C/CRBRB) )发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng
84、g 李李先先磊磊化学化工学院水相条件的影响水相条件的影响由于产物所在的发酵液或水相中往往还存在与产由于产物所在的发酵液或水相中往往还存在与产物性质相近的杂志，未完全利用的底物、无机盐、物性质相近的杂志，未完全利用的底物、无机盐、供微生物生长代谢的其他营养成分等，必须考虑供微生物生长代谢的其他营养成分等，必须考虑这些因素对萃取的影响。这些因素对萃取的影响。pH值值温度温度盐析盐析带溶剂：能和产物形成复合物，使产物更容易进带溶剂：能和产物形成复合物，使产物更容易进入有机溶剂中，该复合物在一定条件下能容易分入有机溶剂中，该复合物在一定条件下能容易分解。解。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me
85、 en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院3、工业萃取方式和理论收得率、工业萃取方式和理论收得率工业萃取的过程包括：混合、分离和溶剂回收。工业萃取的过程包括：混合、分离和溶剂回收。萃取方式：萃取方式：单级萃取单级萃取 使用一个混合器和一个分离器的萃取操作。使用一个混合器和一个分离器的萃取操作。F F和和S S在混合器内混合萃取，达到平衡后的溶液送到分离器在混合器内混合萃取，达到平衡后的溶液送到分离器内，得到内，得到L L和和R R，L L送至回收器，送至回收器，R R为废液。为废液。 多级错流萃取
86、多级错流萃取 由几个萃取器串联组成，料液经第一级萃取后分离成由几个萃取器串联组成，料液经第一级萃取后分离成两个相；萃余相流入下一个萃取器，再加入新鲜萃取剂继两个相；萃余相流入下一个萃取器，再加入新鲜萃取剂继续萃取；萃取相则分别由各级排出，混合在一起，再进入续萃取；萃取相则分别由各级排出，混合在一起，再进入回收器回收溶剂，回收得到的溶剂仍作萃取剂循环使用。回收器回收溶剂，回收得到的溶剂仍作萃取剂循环使用。 多级逆流萃取多级逆流萃取 多级逆流萃取包括若干萃取级，在第一级中加入料液，并多级逆流萃取包括若干萃取级，在第一级中加入料液，并逐渐向下一级移动，而在最后一级中加入萃取剂，并逐渐向逐渐向下一级移
87、动，而在最后一级中加入萃取剂，并逐渐向前一级移动。前一级移动。 料液移动的方向和萃取剂移动的方向相反，故得名。料液移动的方向和萃取剂移动的方向相反，故得名。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院4、乳化和去乳化、乳化和去乳化乳化乳化：是一种液体（分散相）分散在另一种不相：是一种液体（分散相）分散在另一种不相混溶的液体（连续相）中的现象。混溶的液体（连续相）中的现象。乳化现象会造成有机溶剂相和水相分层困难，出乳化现象会造成有机溶剂相和水相分层困难，出现
88、两种夹带现象：现两种夹带现象：一是一是发酵液提取废液中夹带有机溶剂微粒，导发酵液提取废液中夹带有机溶剂微粒，导致产品损失；致产品损失；二是二是有机溶剂相中夹带发酵液微粒，会将杂质有机溶剂相中夹带发酵液微粒，会将杂质带入产品中。带入产品中。乳化形成两种乳浊液：水包油型和油包水型。乳化形成两种乳浊液：水包油型和油包水型。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院乳液的示意图乳液的示意图发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti
89、 io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院1 1）离心分离法）离心分离法2 2）提高温度）提高温度提高温度可使黏度下降，使乳浊液稳定性降低提高温度可使黏度下降，使乳浊液稳定性降低3 3）稀释法）稀释法4 4）电解质破乳法）电解质破乳法5 5）吸附法）吸附法6 6）顶替法）顶替法7 7）转型法）转型法去乳化方法去乳化方法发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院加入表面活性更强但不能形成保
90、护膜的物质，加入表面活性更强但不能形成保护膜的物质，将原来的乳化剂从界面上顶替出来。将原来的乳化剂从界面上顶替出来。常用顶替剂有戊醇，其表面活性很强，但碳链常用顶替剂有戊醇，其表面活性很强，但碳链很短，不能形成保护膜很短，不能形成保护膜提高温度可使黏度下降，使乳浊液稳定性降低提高温度可使黏度下降，使乳浊液稳定性降低发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院离子型乳化剂所形成的乳浊液的稳定性，是因离子型乳化剂所形成的乳浊液的稳定性，是因其分散相带有电荷；其
91、分散相带有电荷；加入电解质，可中和其电性，促使聚沉；加入电解质，可中和其电性，促使聚沉；常用常用NaCl、NaOH、HCl、Al3+等等CaCOCaCO3 3可被水浸润，但不能被有机溶剂润湿；将乳浊液通过可被水浸润，但不能被有机溶剂润湿；将乳浊液通过CaCOCaCO3 3层时，乳浊液中的水分则被吸附。层时，乳浊液中的水分则被吸附。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院如果在如果在O/W型乳浊液中加入亲脂性的乳化剂，型乳浊液中加入亲脂性的乳化剂，则乳浊
92、液有从则乳浊液有从O/W转变为转变为W/O型的趋向；但因在型的趋向；但因在转变过程中，其他条件还不允许形成转变过程中，其他条件还不允许形成W/O型乳浊型乳浊液，而使乳浊液遭到破坏。液，而使乳浊液遭到破坏。去乳化剂去乳化剂发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院二、浸二、浸取取用某种溶剂把有用物质从固体原料中提取到溶液用某种溶剂把有用物质从固体原料中提取到溶液中的过程称为中的过程称为浸取浸取，也叫做，也叫做浸出浸出。1.固体浸取原理及流程固体浸取原理及流
93、程2.浸取速率浸取速率3.浸取过程的应用与设备浸取过程的应用与设备发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院1、固体浸取原理及流程、固体浸取原理及流程载体的物理性质对于决定是否要进行预处理是非载体的物理性质对于决定是否要进行预处理是非常重要的。常重要的。浸取的流程示意图浸取的流程示意图双螺旋输送浸取器双螺旋输送浸取器发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er r
94、i in ng g 李李先先磊磊化学化工学院中药材水提醇法中药材水提醇法发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院2、浸取速率、浸取速率溶剂从固体颗粒中浸取可溶性物质过程包括以下溶剂从固体颗粒中浸取可溶性物质过程包括以下步骤：步骤：溶剂从溶剂珠体传递到固体颗粒的表面；溶剂从溶剂珠体传递到固体颗粒的表面；溶剂扩散渗入固体内部和内部微孔孔隙内；溶剂扩散渗入固体内部和内部微孔孔隙内；溶质溶解进入溶剂；溶质溶解进入溶剂；通过固体微孔孔隙通道中的溶液扩散至固体表面
95、通过固体微孔孔隙通道中的溶液扩散至固体表面并进一步进入溶剂主体；并进一步进入溶剂主体；l以上步骤都会影响浸取速率，所以受影响的因素以上步骤都会影响浸取速率，所以受影响的因素包括分子扩散中的诸多因素。包括分子扩散中的诸多因素。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院3、浸取过程的应用与设备、浸取过程的应用与设备发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri i
96、n ng g 李李先先磊磊化学化工学院三、超临界流体萃取技术三、超临界流体萃取技术超临界流体萃取技术超临界流体萃取技术SFE是一种新型的萃取分离技术。是一种新型的萃取分离技术。超临界流体超临界流体(SCF)(SCF)是指在临界温度（是指在临界温度（TcTc）和临界压力）和临界压力(Pv)(Pv)以上的流体。高于临界温度和临界压力而接近临界点的以上的流体。高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临界状态。密度接近于液体，黏度和扩散系状态称为超临界状态。密度接近于液体，黏度和扩散系数则接近于气体，具有良好的溶解性和传递性，此特性数则接近于气体，具有良好的溶解性和传递性，此特性在临界点附近受压
97、力和温度影响更显著。在临界点附近受压力和温度影响更显著。1.1.超临界流体萃取的基本原理超临界流体萃取的基本原理2.2.超临界流体萃取的技术优势超临界流体萃取的技术优势3.3.超临界萃取装置与流程图超临界萃取装置与流程图4.4.超临界萃取实例超临界萃取实例发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院1、超临界流体萃取的基本原理、超临界流体萃取的基本原理临界温度临界温度(Tc)：当气体的温度高于某一数值时，任何压缩：当气体的温度高于某一数值时，任何压缩都不能
98、使它变为液体。都不能使它变为液体。临界压力（临界压力（Pc）：在临界温度下，气体能被液化的最低压）：在临界温度下，气体能被液化的最低压力。力。超临界状态：当物质所处的温度高于临界温度、压力大于超临界状态：当物质所处的温度高于临界温度、压力大于临界压力时临界压力时一般来讲，超临界流体的密度越大，其溶解度就越大，反一般来讲，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随压力P(PPc时时)升高而增大，而在恒压下，其溶解度随升高而增大，而在恒压下，其溶解度随温度（温度（TTc时）增高而下降，这一特性
99、有利于从物质中时）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。解平衡，提高萃取效率。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院部分超临界流体的临界性质数据部分超临界流体的临界性质数据发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta
100、at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院2 2、超临界流体萃取的技术优势、超临界流体萃取的技术优势传质速度快传质速度快选择性高选择性高适合提取热敏性物质适合提取热敏性物质节能显著节能显著“绿色绿色”溶剂溶剂在微量成分的脱除方面有很大优势在微量成分的脱除方面有很大优势发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at
101、ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院3 3、超临界萃取装置与流程图、超临界萃取装置与流程图超临界萃取的方式超临界萃取的方式发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院3 3、超临界萃取装置与流程图、超临界萃取装置与流程图2（a）541322（b）54163几种典型的间歇式萃取系统（a）单级分离）单级分离 （b）两级分离）两级分离 （c）精馏）精馏+分离分离1.萃取釜萃取釜 2.减
102、压阀减压阀 3.分离釜分离釜 4.换热器换热器 5.压缩机压缩机 6.分离釜分离釜 7.精馏柱精馏柱 227（c）5413发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院TTTTTTTTTT原料（液体）萃取物外回流填料塔残渣物CO2液相物料连续逆流萃取系统液相物料连续逆流萃取系统发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院
103、4 4、超临界萃取实例、超临界萃取实例超临界超临界CO2萃取柑橘香精油的设备流程示意图萃取柑橘香精油的设备流程示意图1.CO2储罐 2.高压泵 3.萃取釜 4，5，6.阀门 7，8，9.分离釜 10.回流阀发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院四、双水相萃取技术四、双水相萃取技术双水相萃取技术也叫做水溶液双相分配技术。双水相萃取技术也叫做水溶液双相分配技术。始于始于2020世纪世纪6060年代，从年代，从19561956年瑞典伦德大学年瑞典伦德大学A
104、lbertssonAlbertsson发发现双水相体系。现双水相体系。19791979年德国年德国GBFGBF的的KulaKula等人将双水相萃等人将双水相萃取分离技术应用于生物产品分离。国内自取分离技术应用于生物产品分离。国内自2020世纪世纪8080年年代起也开展了双水相萃取技术研究。代起也开展了双水相萃取技术研究。1.1.双水相萃取技术的原理和特点双水相萃取技术的原理和特点2.2.双水相的形成和类型双水相的形成和类型3.3.影响双水相萃取的因素影响双水相萃取的因素4.4.双水相系统的应用举例双水相系统的应用举例发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti i
105、o on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院1、双水相萃取技术的原理和特点、双水相萃取技术的原理和特点原理原理：目的物在不相溶的聚合物或无机盐溶液形：目的物在不相溶的聚合物或无机盐溶液形成的两相中分配系数不同，从而进行分离。成的两相中分配系数不同，从而进行分离。理论理论基础基础是表面自由能和表面电荷的影响。是表面自由能和表面电荷的影响。特点特点：优点是能够保留产物活性、可进行连续操：优点是能够保留产物活性、可进行连续操作或分批操作、设备要求简单、萃取容易、操作作或分批操作、设备要求简单、萃取容易、操作稳定、极易放大、适合大规模应用。
106、缺点是成本稳定、极易放大、适合大规模应用。缺点是成本较高、纯化倍数较低、适合于粗分离。较高、纯化倍数较低、适合于粗分离。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院2 2、双水相的形成和类型、双水相的形成和类型形成原因形成原因：由于高聚物之间的不相溶性，即高聚物分子的空间：由于高聚物之间的不相溶性，即高聚物分子的空间阻碍作用，相互无法渗透，不能形成均一相，从而具有分离倾阻碍作用，相互无法渗透，不能形成均一相，从而具有分离倾向，在一定条件下即可分为二相。一般
107、认为只要两聚合物水溶向，在一定条件下即可分为二相。一般认为只要两聚合物水溶液的憎水程度有差异，混合时就可发生相分离，且憎水程度相液的憎水程度有差异，混合时就可发生相分离，且憎水程度相差越大，相分离的倾向也就大。差越大，相分离的倾向也就大。离子型高聚物和非离子型高聚物都可以形成双水相系统。离子型高聚物和非离子型高聚物都可以形成双水相系统。常见的双水相系统：常见的双水相系统：高聚物高聚物/高聚物体系：高聚物体系：聚乙二醇聚乙二醇(简称简称PEG)/葡聚糖葡聚糖(简称简称Dextran)高聚物高聚物/无机盐体系：无机盐体系：硫酸盐体系。常见的高聚物硫酸盐体系。常见的高聚物/无机盐体系无机盐体系为为:
108、PEG/硫酸盐或磷酸盐体系。硫酸盐或磷酸盐体系。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院3 3、影响双水相萃取的因素、影响双水相萃取的因素聚合物及其分子量的影响：不同聚合物的水相系统显示聚合物及其分子量的影响：不同聚合物的水相系统显示出不同的疏水性；出不同的疏水性；pH值的影响：改变两相的电位差；值的影响：改变两相的电位差；离子环境对蛋白质在两相体系分配的影响：在双水相聚离子环境对蛋白质在两相体系分配的影响：在双水相聚合物系统中，加入电解质时，其阴阳离
109、子在两相间会有合物系统中，加入电解质时，其阴阳离子在两相间会有不同的分配。不同的分配。温度的影响：分配系数对温度变化不是很敏感，只有处温度的影响：分配系数对温度变化不是很敏感，只有处于临界点附近，才具有明显作用；于临界点附近，才具有明显作用；发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院4 4、双水相系统的应用举例、双水相系统的应用举例例：分离和提纯各种蛋白质例：分离和提纯各种蛋白质(酶）酶）用用PEG/-(NH4)2SO4双水相体系双水相体系,经一次萃取从
110、经一次萃取从-淀淀粉酶发酵液中分离提取粉酶发酵液中分离提取-淀粉酶和蛋白酶淀粉酶和蛋白酶,萃取最适萃取最适宜条件为宜条件为PEG1000(15%)-(NH4)2SO4(20%),pH=8,-淀粉酶收率为淀粉酶收率为90%,分配系数为分配系数为19.6,蛋白酶蛋白酶的分离系数高达的分离系数高达15.1。比活率为原发酵液的。比活率为原发酵液的1.5倍倍,蛋白酶在水相中的收率高于蛋白酶在水相中的收率高于60%。发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院1 1、
111、定义、定义 反胶束或称逆胶束反胶束或称逆胶束(Reversed micelle) (Reversed micelle) 是指当有机溶剂中加入表面活性是指当有机溶剂中加入表面活性剂并令其浓度超过某临界值时，表面活性剂便会在有机溶剂中形成一种剂并令其浓度超过某临界值时，表面活性剂便会在有机溶剂中形成一种稳定的大小为毫微米级的聚集体。稳定的大小为毫微米级的聚集体。在反胶束中，表面活性剂的非极性基团在外与非极性的有机溶剂接触，在反胶束中，表面活性剂的非极性基团在外与非极性的有机溶剂接触，而极性基团则排列在内形成一个极性核。此极性核具有溶解极性物质的而极性基团则排列在内形成一个极性核。此极性核具有溶解极
112、性物质的能力，极性核溶解水后，就形成了能力，极性核溶解水后，就形成了“水池水池” 。五、反胶团（胶束）萃取五、反胶团（胶束）萃取发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En n
113、g gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院2、影响反胶团萃取的因素影响反胶团萃取的因素（1）溶液的）溶液的pHpH影响蛋白质的电荷数量和电荷性质影响蛋白质的电荷数量和电荷性质（2）溶液的离子强度）溶液的离子强度影响微胶团的静电状态影响微胶团的静电状态凡是对蛋白质所含电荷有影响的因素，如凡是对蛋白质所含电荷有影响的因素，如pH，以及对反胶束的静电，以及对反胶束的静电状态有影响的因素，均能改变蛋白质的增溶作用。状态有影响的因素，均能改变蛋白质的增溶作用。（3）表面活性剂的浓度和种类）表面活性剂的浓度和种类（4）其他（）其他（有机溶剂、助表面活性剂、温度）有机溶
114、剂、助表面活性剂、温度）发发酵酵工工程程 F Fe er rm me en nt ta at ti io on n E En ng gi in ne ee er ri in ng g 李李先先磊磊化学化工学院3、应用举例、应用举例纯化和分离蛋白质纯化和分离蛋白质如对于溶菌酶和肌红蛋白的混合溶如对于溶菌酶和肌红蛋白的混合溶液液(两种蛋白质相对分子量相近两种蛋白质相对分子量相近,等电点分别为等电点分别为11.1和和6.8）,用二烷基磷酸盐用二烷基磷酸盐/异辛烷反胶束溶液萃取异辛烷反胶束溶液萃取,并用缓冲液将混并用缓冲液将混合液的合液的pH值调至值调至9.0,则溶菌酶完全进入有机相中则溶菌酶完全进入有机相中,而肌红而肌红蛋白则留在水相蛋白则留在水相.
