发酵产物分离原理与技术课件

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1、第一节第一节 沉淀法沉淀法第二节第二节 吸附法吸附法第三节第三节 离子交换法离子交换法第四节第四节 萃取法萃取法第五节第五节 膜分离技术膜分离技术第十一章第十一章 发酵产物分离原理与技术发酵产物分离原理与技术发酵产物分离原理与技术课件 第一第一节 沉淀法沉淀法 沉淀是物理沉淀是物理环境的境的变化引起溶化引起溶质的溶解度的溶解度降低、生成固体凝聚物的降低、生成固体凝聚物的现象。象。 沉淀措施因沉淀措施因产品性品性质不同而不同。不同而不同。 加酸、碱、加酸、碱、盐、有机溶、有机溶剂、其它物、其它物质。发酵产物分离原理与技术课件根据所加入沉淀剂的不同，沉淀法可分为：根据所加入沉淀剂的不同，沉淀法可分

2、为：盐析盐析等电点等电点有机溶剂有机溶剂考发酵产物分离原理与技术课件一、等一、等电电点沉淀法点沉淀法 利用两性利用两性电电解解质质在在等等电电点的溶解度最低点的溶解度最低和和不同不同电电解解质质有不同等有不同等电电点点的特性，将两性的特性，将两性电电解解质质分离分离的方法。的方法。 通通过过加酸或碱加酸或碱调调pHpI，蛋白蛋白质质分子的分子的净电净电荷荷为为零零，分子聚集在一起。，分子聚集在一起。注意：注意：pH过过低，容易引起目低，容易引起目标标蛋白蛋白质变质变性。性。发酵产物分离原理与技术课件二、二、 盐盐析沉淀法析沉淀法1.盐盐与蛋白与蛋白质质溶解度的关系溶解度的关系：(1)盐盐溶溶：

3、盐盐低低时时，S随随盐盐增加而增加；增加而增加；(2)盐盐析析：盐盐高高时时，S随随盐盐增加而降低；增加而降低；发酵产物分离原理与技术课件溶解度与溶解度与盐浓盐浓度的关系可用下式表示：度的关系可用下式表示： logS=KSI S：蛋白：蛋白质质的溶解度；的溶解度； I：离子：离子强强度；度； ：常数，与蛋白：常数，与蛋白质质种种类类有关，与有关，与盐盐的种的种类类无关；无关； KS ：盐盐析常数，与析常数，与盐盐种种类类有关，与温度和有关，与温度和pH无关；无关；发酵产物分离原理与技术课件2.2.机理机理蛋白胶体稳定的原因是蛋白质颗粒周围水化膜和电蛋白胶体稳定的原因是蛋白质颗粒周围水化膜和电荷

4、的存在。荷的存在。加入盐，中和表面电荷、破坏水化膜。加入盐，中和表面电荷、破坏水化膜。3.3.影响盐析的因素影响盐析的因素(1)(1)盐种类：影响盐种类：影响K KS S，K KS S越大，效果越好越大，效果越好(2)(2)盐析剂用量盐析剂用量(3) (3) 温度和温度和pHpH：影响：影响值而影响值而影响S S。尤其是影响相。尤其是影响相对溶解度对溶解度(4) (4) 杂质杂质发酵产物分离原理与技术课件4. 注意事注意事项项 盐盐 因被提取物种因被提取物种类类不同而不同；不同而不同； 杂质杂质对盐对盐析析有影响有影响； 盐盐析析时时的的pH pI（？）；（？）； 盐盐析析产产品品还还需需进进

5、一步一步纯纯化化（？）；（？）；发酵产物分离原理与技术课件三、有机溶三、有机溶剂剂沉淀法沉淀法利用某些物利用某些物质质在有机溶在有机溶剂剂中的溶解度不同而使其分中的溶解度不同而使其分离的方法。离的方法。1.原理原理：有机溶有机溶剂剂能能降低溶液的介降低溶液的介电电常数常数，使溶，使溶质质分子分子间间因因引力而凝集引力而凝集；或；或破坏水膜破坏水膜(降低水活度降低水活度)而溶解度降而溶解度降低；或低；或破坏蛋白破坏蛋白质质的某种的某种键键，改，改变变其空其空间结间结构而使构而使疏水基疏水基团团暴露而析出。暴露而析出。优优点：溶点：溶剂剂易除；易除；缺点：易使蛋白缺点：易使蛋白质变质变性；性； 发

6、酵产物分离原理与技术课件2.影响有机溶影响有机溶剂剂沉淀的因素沉淀的因素:溶溶剂剂的种的种类类和数量：和数量：丙丙酮酮乙醇乙醇甲醇甲醇沉淀的温度：沉淀的温度：温度越低沉淀越完全温度越低沉淀越完全。发酵产物分离原理与技术课件第二节第二节 吸附法吸附法在发酵工业的下游加工过程中，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。质和抗生素的提纯精制。发酵产物分离原理与技术课件一、吸附法的原理一、吸附法的原理吸附法是利用吸附剂与杂质、色素物质、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，有毒物质

7、、产品之间分子引力的差异，从而起到分离的作用。从而起到分离的作用。二、吸附的目的二、吸附的目的将产品吸附浓缩于吸附剂上；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。物质吸附于吸附剂上。发酵产物分离原理与技术课件三、吸附法的优缺点三、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；操作简便、安全、设备简单；操作简便、安全、设备简单；生产过程中生产过程中pH变化小，适用于稳定性较差变化小，适用于稳定性较差的生化物质。的生化物质。缺点：缺点：吸附法选择性差、收率不高。吸附法选择性差、收率不高。无机吸附剂性能不

8、稳定，不能连续操作，劳无机吸附剂性能不稳定，不能连续操作，劳动强度大。动强度大。炭粉等吸附剂影响环境卫生。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凝胶类吸附剂、大网格聚合物吸附剂发酵产物分离原理与技术课件四、吸附的类型四、吸附的类型物理吸附物理吸附：吸附剂和吸附物通过分子力：吸附剂和吸附物通过分子力(范德华范德华力力)产生的吸附。产生的吸附。化学吸附化学吸附： 化学吸附是由于吸附剂在吸附物之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，属间的电子转移，通过化学键作用而产生的，属于库仑力于库仑力 范围。范围。离子交换吸附离子交换吸附： 吸附剂表面如为极性分

9、子或离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电荷的离子子所组成则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。而形成双电层。这种吸附又称为极性吸附。发酵产物分离原理与技术课件发酵产物分离原理与技术课件五、吸附剂的基本要求五、吸附剂的基本要求吸附剂要求颗粒密度小，表面积大，但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孔隙也不能太多，否则被吸附物质不易被洗脱。被洗脱。吸附剂的颗粒大小要均匀。吸附剂的颗粒大小要均匀。吸附剂的吸附能力要大，但不能影响洗吸附剂的吸附能力要大，但不能影响洗脱。脱。发酵产物分离原理与技术课件 六、吸附六、吸附

10、剂剂的的类类型型 工工业业用吸附用吸附剂剂主要有三主要有三类类型型:1、疏水或非极性吸附、疏水或非极性吸附剂剂 适合于适合于从极性溶媒从极性溶媒(水水)中吸附溶中吸附溶质质。 代表是代表是活性碳活性碳，有疏水性。在极性液中，吸有疏水性。在极性液中，吸附力：溶附力：溶质质溶媒，有溶媒，有环环无无环环。发酵产物分离原理与技术课件2 2、亲水或极性吸附剂、亲水或极性吸附剂 适用于适用于从非极性或小极性溶媒中吸附溶质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），代表：硅胶，氧化铝，活性土（铝硅酸），有酸性、碱性、中性之分。有酸性、碱性、中性之分。碱性物质碱性物质酸性吸附剂，反

11、之亦然。酸性吸附剂，反之亦然。发酵产物分离原理与技术课件3 3、离子交换树脂吸附剂、离子交换树脂吸附剂 属极性吸附剂属极性吸附剂，与极性吸附剂不同的是，还，与极性吸附剂不同的是，还具具有离子交换的性能有离子交换的性能。注意：注意：根据提炼的性质选择恰当的类型。根据提炼的性质选择恰当的类型。活性炭的选择性差。活性炭的选择性差。发酵产物分离原理与技术课件七、七、 影响吸附过程的因素影响吸附过程的因素1、吸附、吸附剂剂的性的性质质 吸附吸附剂剂的理化性的理化性质对质对吸附的影响很大。吸附吸附的影响很大。吸附剂剂的性的性质质与其原料、合成方法和再生条件有关。与其原料、合成方法和再生条件有关。一般要求一

12、般要求吸附容量大、吸附速度快和机械吸附容量大、吸附速度快和机械强强度度好好。吸附吸附剂剂的吸附容量除其它外界条件外，主要与比表的吸附容量除其它外界条件外，主要与比表面面积积有关。比表面大，空隙度高，吸附容量就越大。有关。比表面大，空隙度高，吸附容量就越大。吸附速度主要与吸附速度主要与颗颗粒度和孔径分布有关，粒度和孔径分布有关，颗颗粒度越粒度越小，吸附速度就越快，但小，吸附速度就越快，但压压力力损损失要增大。孔径适失要增大。孔径适当，有利于吸附物向空隙中当，有利于吸附物向空隙中扩扩散。散。吸附吸附剂剂的机械的机械强强度度则则影响其使用寿命。影响其使用寿命。发酵产物分离原理与技术课件2、吸附物的性

13、、吸附物的性质质 有下列一些有下列一些规则规则可用来可用来预测预测吸附的相吸附的相对对量。量。能使表面能使表面张张力降低的物力降低的物质质，易，易为为表面吸附；表面吸附；溶溶质质从从较较易溶解的溶易溶解的溶剂剂中吸附中吸附时时，吸附量，吸附量较较少。少。极性吸附极性吸附剂剂易吸附极性物易吸附极性物质质，非极性吸附，非极性吸附剂剂易吸易吸附非极性物附非极性物质质。对对于同系列物于同系列物质质，吸附量的，吸附量的变变化是有化是有规则规则的。如的。如按极性减小的次序排列，次序越在后面的物按极性减小的次序排列，次序越在后面的物质质，极性越低，因而越易极性越低，因而越易为为非极性吸附非极性吸附剂剂所吸附

14、而越所吸附而越难为难为极性吸附极性吸附剂剂所吸附。所吸附。发酵产物分离原理与技术课件3、 溶液溶液pH值值的影响的影响 pH值值影响某些化合物的离解度。影响某些化合物的离解度。4、温度的影响、温度的影响 吸附吸附热热越大，越大，则则温度温度对对吸附的影响越大。吸附的影响越大。5、其它、其它组组分的影响分的影响 当从含有两种以上当从含有两种以上组组分的溶液中吸附分的溶液中吸附时时，根据溶根据溶质质的性的性质质可以互相促可以互相促进进，干，干扰扰或或互不干互不干扰扰。一般。一般说说来，来，对对混合物的吸附混合物的吸附较纯较纯物物质质的吸附的吸附为为差。差。发酵产物分离原理与技术课件第三节第三节 离

15、子交换法离子交换法离子交换作用：是指一离子交换作用：是指一个溶液中的某一种离子个溶液中的某一种离子与一个固体中的另一种与一个固体中的另一种具有相同电荷的离子互具有相同电荷的离子互相调换位置，即溶液中相调换位置，即溶液中的离子跑到固体上去，的离子跑到固体上去，把固体上的离子替换下把固体上的离子替换下来。这里溶液称流动相，来。这里溶液称流动相，而固体称固定相。而固体称固定相。用于蛋白质、氨基酸、用于蛋白质、氨基酸、核酸、酶、抗生素的分核酸、酶、抗生素的分离。离。发酵产物分离原理与技术课件一、基本原理一、基本原理离子交换剂通常是一种不溶性高分子化合物，它的分子中含有离子交换剂通常是一种不溶性高分子化

16、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。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。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，用洗脱液如果有两种以上的成分被

17、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。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离子交换过程有两个阶段吸附和解吸附吸附和解吸附。吸附在离子交换剂。吸附在离子交换剂上的物质可以通过改变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。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

18、数目不同，即亲和力大小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，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。逐个洗脱下来，达到分离纯化的目的。发酵产物分离原理与技术课件二、离子交二、离子交换换的的类类型型按按组组分：分：(有机、无机有机、无机)离子交离子交换剂换剂。按性能：按性能：(阳、阴、两性、吸附型、阳、阴、两性、吸附型、选择选择型、型、氧化氧化还还原型原型)离子交离子交换剂换剂。（1）阳离子交阳离子交换剂换剂强强酸型酸型: (-R-SO3H)中性中性:弱酸性弱酸性:发酵产物分离

19、原理与技术课件三、离子交三、离子交换树换树脂的理化性能脂的理化性能1、 对对离子交离子交换树换树脂的脂的一般要求一般要求：（1）容量大容量大。（活性基。（活性基团团/重量）。重量）。 多含活性基多含活性基团团；基；基团团能完全能完全电电离。离。（2）良好的可逆性良好的可逆性。（3）适宜的机械适宜的机械强强度度。（4）化学化学稳稳定性定性。发酵产物分离原理与技术课件2、离子交、离子交换树换树脂的脂的处处理、再生、理、再生、转转型、保存型、保存（1）处处理理： 树树脂浸泡脂浸泡酸酸处处理理碱碱处处理液理液水洗水洗（2）再生再生： 使用使用过过的的树树脂恢复到原状况的方法（往往只脂恢复到原状况的方法

20、（往往只作作简单转简单转型型处处理）。理）。（3）转转型型： 使使树树脂上脂上带带上使用上使用时时希望的离子。希望的离子。 发酵产物分离原理与技术课件如：如：Na型：用型：用氢氢氧化氧化钠钠；H型：用型：用盐盐酸酸处处理；理；NH4+型：用氨水型：用氨水处处理；理；（4）保存保存：中性中性盐盐保存保存阴离子交阴离子交换树换树脂，脂，Cl型型较较OH稳稳定。定。阳离子交阳离子交换树换树脂。脂。Na型型稳稳定。定。 发酵产物分离原理与技术课件3、交、交换树换树脂的脂的理化特性理化特性（1）颗颗粒度粒度： 颗颗粒小，交粒小，交换换速度快，速度快，压压力力损损失失较较大。大。（2）含水量含水量： 一般

21、一般40-60%。发酵产物分离原理与技术课件（3）比重比重：干真密度干真密度：干燥状：干燥状态态下下树树脂材料本身的比重。脂材料本身的比重。干真密度干真密度树树脂的干燥脂的干燥质质量量/减去减去树树脂内空隙的真体脂内空隙的真体积积湿真密度湿真密度：充分膨：充分膨胀胀后后树树脂脂颗颗粒本身的比重。粒本身的比重。湿真密度湿真密度树树脂湿重脂湿重/树树脂脂颗颗粒所占体粒所占体积积视视密度密度：指：指树树脂充分吸水膨脂充分吸水膨胀胀后的堆后的堆积积密度。密度。视视密度密度树树脂湿重脂湿重/树树脂脂层层的体的体积积（4）膨膨胀胀性性：因可交：因可交换换离子不同而不同。离子不同而不同。发酵产物分离原理与技

22、术课件（5）耐磨耐磨损损强强度度：树树脂在使用脂在使用过过程中会程中会产产生生磨磨损损。（6）耐耐热热性性：有一定的耐：有一定的耐热热性能，温度性能，温度过过高高或或过过低，低，对对强强度和容量都会有影响。度和容量都会有影响。 一般：阳离子比阴离子一般：阳离子比阴离子树树脂的耐脂的耐热热性高，其性高，其中中盐盐型比游离型的耐型比游离型的耐热热性高。性高。发酵产物分离原理与技术课件（7）交交换换容量容量：指：指树树脂交脂交换换能力的大小，是衡量能力的大小，是衡量树树脂性能的重要指脂性能的重要指标标。 两种表示方法：两种表示方法：理理论论(全全)交交换换量量：树树脂的特性决定。脂的特性决定。工作工

23、作(操作操作)交交换换量量：受操作条件、柱：受操作条件、柱长长度、粒度、离子度、粒度、离子性性质质、浓浓度、流速、交度、流速、交换换基基团团等因素的影响。等因素的影响。 一般一般:弱酸（碱）弱酸（碱） 强强酸（碱）酸（碱）树树脂脂 交交联联度越小，交度越小，交换换容量越大容量越大发酵产物分离原理与技术课件四、影响离子交四、影响离子交换换速度的主要因素速度的主要因素（1）树树脂脂颗颗粒的大小粒的大小 颗颗粒越小，粒越小，单单位体位体积树积树脂的表面脂的表面积积愈大，愈大，有利于离子有利于离子间间的接触，交的接触，交换换速度愈快。速度愈快。（2）树树脂的交脂的交联联度度 在一定条件下，降低在一定条

24、件下，降低树树脂交脂交联联度，能提高度，能提高交交换换速度。速度。发酵产物分离原理与技术课件（3）溶液中离子的溶液中离子的浓浓度度当溶液中离子的当溶液中离子的浓浓度在一定范度在一定范围围内增加内增加时时，能加快，能加快交交换换速度，相反亦然。速度，相反亦然。（4）温度温度提高温度能使固相或液相的提高温度能使固相或液相的扩扩散系数增大，交散系数增大，交换换速速度增加。度增加。（5）离子大小离子大小交交换换小离子的速度小离子的速度较较快，交快，交换换大离子的速度大离子的速度较较慢。慢。发酵产物分离原理与技术课件（6）离子价离子价 吸附速度：离子价小的离子吸附速度：离子价小的离子 离子价大的离子离子

25、价大的离子（7）酸碱的酸碱的强强弱弱交交换换速度：速度：强强酸酸(碱碱)性性树树脂脂 弱酸弱酸(碱碱)性性树树脂脂 与活性基与活性基团团的解离程度有关。的解离程度有关。（8）树树脂脂层层装填的松装填的松紧紧度度 装填疏松有利装填疏松有利扩扩散，交散，交换换速度相速度相应应也有所提高。也有所提高。发酵产物分离原理与技术课件五、离子交五、离子交换换操作方式操作方式1、分批法分批法： 交交换换在一容器中在一容器中进进行。行。2、固定床法固定床法：也称柱：也称柱过滤过滤法法 交交换换在在动态动态下下进进行。行。发酵产物分离原理与技术课件为为什么什么分批法不如固定床法好分批法不如固定床法好呢？呢？用分批

26、法，因用分批法，因为为交交换换受到平衡的限制，受到平衡的限制，树树脂脂的的饱饱和度不高。而固定床法，和度不高。而固定床法，树树脂的脂的饱饱和度和度高（当然同高（当然同样样存在平衡限制的情况），因存在平衡限制的情况），因为为液体在流液体在流动动的的过过程中，平衡状程中，平衡状态态因新的溶液因新的溶液的流入而逐的流入而逐渐渐被打破，使离子交被打破，使离子交换换速度加快。速度加快。发酵产物分离原理与技术课件第四第四节节 萃取法萃取法溶溶剂剂萃取法是萃取法是20世世纪纪40年代年代兴兴起的一起的一项项化工分离技化工分离技术术，它是，它是用一种溶用一种溶剂剂将将产产物物自另一种溶自另一种溶剂剂(如水如水

27、)中提取出来，达到中提取出来，达到浓浓缩缩和提和提纯纯的目的的目的。溶溶剂剂萃取法比化学沉淀法分离程度高，萃取法比化学沉淀法分离程度高，比离子交比离子交换换法法选择选择性好，性好，传质传质快，比蒸快，比蒸馏馏法能耗低且生法能耗低且生产产能力大，周期短，便能力大，周期短，便于于连续连续操作、容易操作、容易实现实现自自动动化等。化等。发酵产物分离原理与技术课件新型的萃取技术新型的萃取技术超临界萃取超临界萃取反胶团萃取反胶团萃取双水相萃取双水相萃取液膜萃取液膜萃取发酵产物分离原理与技术课件一、萃取的原理一、萃取的原理利用物质在两种成相的溶剂中溶解度的利用物质在两种成相的溶剂中溶解度的不同，使所需的目

28、的物质从一种溶剂中不同，使所需的目的物质从一种溶剂中转移到另一种溶剂中，从而达到分离纯转移到另一种溶剂中，从而达到分离纯化的目的。化的目的。溶剂萃取法是以溶剂萃取法是以分配定律分配定律为基础的。为基础的。在萃取中，被提取的溶液称为料液，其在萃取中，被提取的溶液称为料液，其中欲提取的物质称为溶质中欲提取的物质称为溶质。发酵产物分离原理与技术课件分配定律：在恒温恒分配定律：在恒温恒压压的条件下，一种的条件下，一种物物质质在两种成相的溶在两种成相的溶剂剂（A与与B，或上相，或上相与下相）的分配与下相）的分配浓浓度之比是一常数，度之比是一常数，该该常数称常数称为为分配系数分配系数K。发酵产物分离原理与

29、技术课件（一）超临界流体萃取（一）超临界流体萃取1、原、原 理理临临界温度界温度(Tc) ：当气体的温：当气体的温度高于某一数度高于某一数值时值时，任何，任何压压缩缩都不能使它都不能使它变为变为液体。液体。 临临界界压压力力（Pc）：在）：在临临界温界温度下，气体能被液化的最低度下，气体能被液化的最低压压力。力。 超超临临界状界状态态：当物：当物质质所所处处的的温度高于温度高于临临界温度、界温度、压压力大力大于于临临界界压压力力时时 发酵产物分离原理与技术课件超超临临界流体：在界流体：在临临界点界点(指在指在临临界温度界温度Tc和和临临界界压压力力Pc状状态态)附近，可以附近，可以观观察到一些

30、有意察到一些有意义义的的现现象：象：压压力和温度的微小力和温度的微小变变化都会引起气体密度化都会引起气体密度的很大的很大变变化。随着向超化。随着向超临临界气体加界气体加压压，气体密，气体密度增大达到液度增大达到液态态性性质质，这这种状种状态态的流体称的流体称为为超超临临界流体。其性界流体。其性质质介于气体和液体之介于气体和液体之间间。物理性物理性质质气体（常温、气体（常温、常常压压）超超临临界流体界流体液体液体(常温、常常温、常压压)Tc，PcTc，4Pc密度（密度（g/cm3）粘度（粘度（10 -5Pa.s）扩扩散系数（散系数（10 -4 m-2 /s）0.006-0.0021-30.1-0

31、.40.2-0.51-30.7 10-30.4-0.93-90.2 10-30.6-1.620-300(0.2-2) 10-5气体、液体与超临界流体特性比较气体、液体与超临界流体特性比较发酵产物分离原理与技术课件超超临临界萃取界萃取：使用超使用超临临界流体作界流体作为为溶溶剂剂的萃取方法，的萃取方法，就称就称为为超超临临界萃取界萃取。超。超临临界流体的密度界流体的密度为为气体的数气体的数百倍，而其流百倍，而其流动动性和粘度仍接近于气体，性和粘度仍接近于气体，扩扩散系数散系数大大约为约为气体的气体的1，而，而较较液体的液体的扩扩散系数大数百倍。散系数大数百倍。因此，物因此，物质质移移动动成分配成

32、分配时时，均比其在液体溶，均比其在液体溶剂剂中要中要快。将温度或快。将温度或压压力适宜力适宜变变化化时时，可使其溶解度在，可使其溶解度在I001000倍的范倍的范围围内内变变化。化。一股来一股来讲讲，超，超临临界流体的密度越大，其溶解度就越界流体的密度越大，其溶解度就越大，反之亦然。大，反之亦然。也就是也就是说说，超，超临临界流体中物界流体中物质质的溶的溶解度在恒温下随解度在恒温下随压压力力P(PPc时时)升高而增大，而在升高而增大，而在恒恒压压下，其溶解度随温度（下，其溶解度随温度（TTc时时）增高而下降，）增高而下降，这这一特性有利于从物一特性有利于从物质质中萃取某些易溶解的成分，中萃取某

33、些易溶解的成分，而超而超临临界流体的高流界流体的高流动动性和性和扩扩散能力，散能力，则则有助于所有助于所溶解的各成分之溶解的各成分之间间的分离，并能加速溶解平衡，提的分离，并能加速溶解平衡，提高萃取效率。高萃取效率。 发酵产物分离原理与技术课件二氧化碳的特点二氧化碳的特点 二氧化碳在常温二氧化碳在常温(31.1)时时可以达到超可以达到超临临界状界状态态，可以可以实现实现低温生低温生产产工工艺艺；临临界界压压力力为为7386.6kPa(72.9atm)，易于达到，易于达到； 因因为为没有加入空气中的氧，没有加入空气中的氧，不会因氧化而使制品不会因氧化而使制品变质变质；二氧化碳是二氧化碳是惰性气体

34、惰性气体，没有引燃性、爆炸性和比，没有引燃性、爆炸性和比学反学反应应性；性；二氧化碳二氧化碳无毒，无色、无味，不会无毒，无色、无味，不会污污染制品染制品，也，也没有任何排放的没有任何排放的问题问题。超超临临界二氧化碳的高界二氧化碳的高扩扩散性、低粘性，使其具有散性、低粘性，使其具有传质传质快和萃取速度高的快和萃取速度高的优优点点；能能选择选择性地萃取特定成分性地萃取特定成分；资资源充足，价格低廉，能从萃取物中源充足，价格低廉，能从萃取物中挥发挥发掉掉。 发酵产物分离原理与技术课件2，超，超临临界流体萃取的特点界流体萃取的特点 发酵产物分离原理与技术课件二、反胶团萃取二、反胶团萃取反相胶反相胶团

35、团是表面活性是表面活性剂剂分子溶于非极性溶分子溶于非极性溶剂剂中中自自发发形成的聚集体形成的聚集体 ,其其中表面活性中表面活性剂剂的极性的极性头头朝内而非极性朝内而非极性头头朝外与朝外与有机溶有机溶剂剂接触。胶接触。胶团团内内可溶解少量水而形成微可溶解少量水而形成微型水池。反胶型水池。反胶团团溶液是溶液是宏宏观观上透明均一的上透明均一的热热力力学学稳稳定体系。定体系。 发酵产物分离原理与技术课件1、反胶、反胶团团的萃取原理的萃取原理 蛋白蛋白质进质进入反胶入反胶团团溶液是一溶液是一协协同同过过程。程。在有机溶在有机溶剂剂相和水相两宏相和水相两宏观观相界面相界面间间的的表面活性表面活性剂层剂层同

36、同邻邻近的蛋白近的蛋白质质分子分子发发生生静静电电吸引而吸引而变变形，接着两界面形成含有形，接着两界面形成含有蛋白蛋白质质的反胶的反胶团团，然后，然后扩扩散到有机相中散到有机相中 ,从而从而实现实现了蛋白了蛋白质质的萃取。改的萃取。改变变水相条水相条件件 (如如pH值值、离子种、离子种类类或离子或离子强强度度 )，又，又可使蛋白可使蛋白质质从有机相中返回到水相中，从有机相中返回到水相中，实现实现反萃取反萃取过过程。程。 发酵产物分离原理与技术课件2、反相胶、反相胶团团萃取的萃取的优优点点 成本低成本低选择选择性高性高操作方便操作方便放大容易放大容易萃取萃取剂剂 (反胶反胶团团相相 )可循可循环

37、环利用利用蛋白蛋白质质不易不易变变性等性等优优点。点。 发酵产物分离原理与技术课件三、双水相萃取三、双水相萃取双水相系双水相系统统是指某些高聚物之是指某些高聚物之间间或高聚或高聚物与无机物与无机盐盐之之间间在水中以适当的在水中以适当的浓浓度溶度溶解会形成互不相溶的两水相或多水相系解会形成互不相溶的两水相或多水相系统统。通。通过过溶溶质质在相在相间间的分配系数的差异的分配系数的差异而而进进行萃取的方法即行萃取的方法即为为双水相萃取。双水相萃取。发酵产物分离原理与技术课件双水相技双水相技术术最早出最早出现现于于1955年。年。近几年来近几年来 ,双水相技双水相技术术在在动动力学研究、双力学研究、双

38、水相水相亲亲和分离、多和分离、多级级逆流逆流层层析、反析、反应应分分离耦合等方面都取得了离耦合等方面都取得了显显著的成著的成绩绩。到目前到目前为为止，止，双水相技双水相技术术几乎在所有的几乎在所有的生物物生物物质质的分离的分离纯纯化中得到化中得到应应用用 :如氨基如氨基酸、多酸、多肽肽、核酸、核酸、细细胞器、胞器、细细胞膜、各胞膜、各类细类细胞、病毒等，特胞、病毒等，特别别是成功地是成功地应应用在用在蛋白蛋白质质的大的大规规模分离中。模分离中。发酵产物分离原理与技术课件典型的双水相系统典型的双水相系统发酵产物分离原理与技术课件双水相萃取的双水相萃取的优优点点易于放大易于放大双水相系双水相系统统

39、之之间间的的传质过传质过程和平衡程和平衡过过程快程快速速 ,因此能耗因此能耗较较小小 , 可以可以实现实现快速分离。快速分离。易于易于进进行行连续连续化操作。化操作。相分离相分离过过程温和程温和 ，生化分子如，生化分子如酶酶不易受到不易受到破坏。破坏。选择选择性高、收率高。性高、收率高。操作条件温和。操作条件温和。发酵产物分离原理与技术课件第五第五节节 膜分离膜分离过过程程1748年法国学者年法国学者Abbe Nollet首次提出了膜分离首次提出了膜分离现现象，象，经过经过近二个世近二个世纪纪的摸索、研究，的摸索、研究，20世世纪纪50年代膜分离技年代膜分离技术术才逐才逐渐发渐发展成展成为为一

40、一门门新新兴兴高高技技术边缘术边缘学科。学科。 1963年第一个膜渗析器的年第一个膜渗析器的诞诞生开生开创创了膜分离技了膜分离技术术的新的新纪纪元，二、三十年来得到了迅猛的元，二、三十年来得到了迅猛的发发展，展，在各个工在各个工业领业领域及科研中得到大域及科研中得到大规规模模应应用，出用，出现现了各种有价了各种有价值值的微的微滤滤、超、超滤滤、纳纳米米滤滤和反渗和反渗透等分离膜透等分离膜 。发酵产物分离原理与技术课件膜分离技膜分离技术术的的优优点点适用范适用范围围广；广； 膜分离膜分离过过程程为为物理物理过过程，不需加入化学程，不需加入化学药剂药剂； 膜分离技膜分离技术术分离装置分离装置简单简

41、单，占地面，占地面积积小，小，系系统统集成容易集成容易 ；膜分离膜分离过过程系程系统简单统简单、操作容易，且易、操作容易，且易控制，便于控制，便于维维修，有利于生修，有利于生产产自自动动化的化的推广与普及。推广与普及。发酵产物分离原理与技术课件一、膜分离方法的分一、膜分离方法的分类类透析透析超滤超滤反渗透反渗透微滤微滤电渗析电渗析液膜技术液膜技术气体渗透气体渗透渗透蒸发渗透蒸发发酵产物分离原理与技术课件发酵产物分离原理与技术课件二、膜分离法的原理二、膜分离法的原理透析透析 盐浓盐浓度差异度差异 生物大分子溶液的脱生物大分子溶液的脱盐盐超超滤滤、微、微滤滤 孔径：超孔径：超滤滤 微微滤滤 对对象

42、：超象：超滤滤for分子，微分子，微滤滤for菌体菌体发酵产物分离原理与技术课件反渗透反渗透 外加外加压压力大于力大于浓浓度度产产生的生的压压力差，用于小分子的力差，用于小分子的浓缩浓缩发酵产物分离原理与技术课件电电渗析渗析脱脱盐盐，分离小分子，分离小分子电电解解质质液膜技术液膜技术 液液萃取液液萃取 + + 膜技术膜技术 液体固定成膜液体固定成膜 根据：物质在液膜内溶解度不同根据：物质在液膜内溶解度不同气体渗透气体渗透 气体渗透速率差异气体渗透速率差异 利用气体膜分离不同气体利用气体膜分离不同气体发酵产物分离原理与技术课件二、表征膜性能的参数二、表征膜性能的参数孔的性孔的性质质(包括孔径、孔

43、分布和孔隙度包括孔径、孔分布和孔隙度)水通量水通量截留率和截断分子量截留率和截断分子量抗抗压压能力能力pH适用范适用范围围对热对热和溶和溶剂剂的的稳稳定性。定性。发酵产物分离原理与技术课件三、膜的三、膜的污污染染污污染：膜在使用中，尽管操作条件保持染：膜在使用中，尽管操作条件保持不不变变，但通量仍逐，但通量仍逐渐渐降低的降低的现现象象原因：膜与料液中某一溶原因：膜与料液中某一溶质质的相互作用，的相互作用，或吸附在膜上的溶或吸附在膜上的溶质质和其它溶和其它溶质质的相互的相互作用而引起的。作用而引起的。 发酵产物分离原理与技术课件减减轻轻膜膜污污染的方法染的方法 预处预处理理 改改变变膜的表面性膜

44、的表面性质质 膜的清洗方法膜的清洗方法 机械方法机械方法：加海：加海绵绵球，增大流速，逆洗球，增大流速，逆洗(对对中空中空纤维纤维超超滤滤器器)，脉冲流，脉冲流动动，超声波等。，超声波等。 化学方法化学方法起溶解作用的物起溶解作用的物质质 酸、碱、酸、碱、酶酶(蛋白蛋白酶酶)，螯合，螯合剂剂，表面活性，表面活性剂剂起切断离子起切断离子结结合作用的方法合作用的方法 改改变变离子离子强强度、度、pH、电电位位起氧化作用的物起氧化作用的物质质 过过氧化氧化氢氢、次、次氯氯酸酸盐盐起渗透作用的物起渗透作用的物质质 磷酸磷酸盐盐、聚磷酸、聚磷酸盐盐发酵产物分离原理与技术课件四、膜分离四、膜分离设备设备平板式膜器平板式膜器管式膜器管式膜器螺旋卷式膜器螺旋卷式膜器中空中空纤维纤维膜器膜器发酵产物分离原理与技术课件