蛋白質(zhì)樣品的初級分離

1、2 蛋白質(zhì)樣品的初級分離,混合物分離,破 碎,選 材,離 心 沉 淀 萃 取 吸 附 膜分離,初 級 分 離,（pretreatment）,第一節(jié) 蛋白質(zhì)樣品的選材與破碎,1 制備蛋白質(zhì)的原材料的選擇和處理,微生物：注意生長期 分泌到培養(yǎng)基中代謝產(chǎn)物、胞外酶 菌體含有的生化物質(zhì)如胞內(nèi)酶、核酸 植物： 去殼、脫脂、品種、季節(jié)、生長發(fā)育 動物： 含量豐富的臟器組織為原材料,1.1 天然蛋白質(zhì)的制備材料,對于處理的材料，若不立即進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)冷凍保存。 對易分解的蛋白質(zhì)應(yīng)選用新鮮材料制備。,1.2 重組蛋白質(zhì)的制備材料,重組蛋白可在e.coli、酵母、昆蟲和哺乳動物細(xì)胞等體系中得到高效表達(dá)，其表達(dá)形式

2、一般可分為： （1）細(xì)胞外的分泌表達(dá)； （2）細(xì)胞內(nèi)可溶性表達(dá)； （3）細(xì)胞內(nèi)不溶性表達(dá)（包涵體）,1.3 制備蛋白質(zhì)的原材料的預(yù)處理,為了純化蛋白質(zhì)，采用有效的方法進(jìn)行組織細(xì)胞或培養(yǎng)細(xì)胞的破碎是提取胞內(nèi)蛋白質(zhì)的關(guān)鍵步驟。,1.3.1 細(xì)胞的破碎方法,1.3.1.1機(jī)械破碎法,1.3.1.1機(jī)械破碎法,1高速攪拌珠磨法（fine grinding）：是將細(xì)胞懸浮液與研磨劑（如：玻璃小珠、石英砂或氧化鋁等）一起快速攪拌或研磨，利用玻璃珠間以及玻璃珠與細(xì)胞間的互相剪切、碰撞促進(jìn)細(xì)胞壁破裂而釋放出細(xì)胞內(nèi)含物。,影響珠磨破碎的因素：轉(zhuǎn)盤外緣速率：在一定范圍內(nèi)細(xì)胞破碎的比速率與轉(zhuǎn)盤外緣速率成正比；細(xì)胞濃

3、度：該影響目前還沒有定論；磨珠大小及用量：一定范圍內(nèi)，細(xì)胞破碎速率與磨珠大小成反比，與磨珠用量成正比。溫度：540內(nèi)對破碎物影響較小，但對于熱不穩(wěn)定性產(chǎn)物，應(yīng)采用冷卻裝置控溫。流量：提高流量，則降低細(xì)胞的破碎程度和釋放蛋白的產(chǎn)量。,珠磨法優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作；缺點(diǎn)：破碎中產(chǎn)生大量的熱量會使樣品迅速升溫，需采取冷卻裝置。適用于真菌和藻類細(xì)胞。,1.3.1.1機(jī)械破碎法,2高壓勻漿法（homogenization）：是利用高壓迫使細(xì)胞懸浮液通過針型閥后，因高速撞擊和突然減壓而使細(xì)胞破碎的方法。,操作方式: 可采用單次通過勻漿器或多次循環(huán)通過等方式，也可連續(xù)操作。在工業(yè)規(guī)模的細(xì)胞破碎中，對于酵母等難

4、破碎的及濃度高或處于生長靜止期的細(xì)胞，常采用多次循環(huán)的操作方法。,影響因素： 循環(huán)次數(shù)(n)： rm / ( rm-r) =np 溫度：破碎率隨溫度升高而增加 操作壓力：細(xì)胞破碎速率與操作壓力大小成正比 針型閥與閥座的形狀及二者的距離,優(yōu)點(diǎn)：可多次循環(huán)，操作方便、成本較低。因此，該法已大規(guī)模應(yīng)用于多種微生物細(xì)胞，尤其是酵母和細(xì)菌。,1.3.1.1機(jī)械破碎法,3超聲波破碎法（ultrasonication）：是利用超聲波振蕩器發(fā)射的1525 khz的超聲波探頭來處理細(xì)胞懸浮液而使細(xì)胞破碎的方法。,破碎原理：在超聲波作用下，液體發(fā)生空化作用，空穴的形成、增大和閉合產(chǎn)生極大的沖擊波和剪切力，使細(xì)胞破

5、碎。,影響參數(shù)：振幅：振幅直接與聲能有關(guān)，影響蛋白質(zhì)釋放的比速率（正相關(guān)）；細(xì)胞懸浮液的黏度：黏度影響能耗并會抑制空穴現(xiàn)象；珠粒的大小：細(xì)小珠粒利于空穴的形成，并產(chǎn)生輔助“研磨”效應(yīng)，從而提高破碎速率。其它：如：探頭的形狀和材料，細(xì)胞懸浮液的流速、體積等。,1.3.1.1機(jī)械破碎法,4振蕩珠擊破碎法 (skaking bead)：將等體積的小量組織樣品與高密度的zircobeads放入可密封的2ml螺旋蓋微量管中,再加入緩沖液與穩(wěn)定成份到1.5ml的體積, 用6500rpm振蕩機(jī)高速上下振動8秒,休息8秒,再振動8秒即可.,機(jī)械法破碎細(xì)胞的缺陷,需要高能量，并且產(chǎn)生高溫和高剪切力，因此易使不穩(wěn)

6、定產(chǎn)品變性失活； 破碎目標(biāo)不具專一性（被破碎的有機(jī)體或釋放產(chǎn)物是非專一的）、易形成碎片顆粒，這為后續(xù)分離純化工作帶來難度。,1.3.2.2非機(jī)械破碎法,1.3.1.2非機(jī)械破碎法,1）化學(xué)破碎法：采用化學(xué)法處理可以溶解細(xì)胞或抽提胞內(nèi)組分。這種用某些化學(xué)試劑溶解細(xì)胞壁或抽提細(xì)胞內(nèi)某些組分的方法就稱為化學(xué)破碎法 。,作用機(jī)理：表面活性劑、變性劑等化學(xué)試劑可以改變細(xì)胞壁或膜的通透性從而使內(nèi)含物有選擇地滲透出來。,常用化學(xué)試劑：酸、堿、表面活性劑、變性劑、金屬螯合劑、和某些有機(jī)溶劑（如苯、甲苯）等。,常用化學(xué)破碎法：滲透壓沖擊法、增溶法和脂溶法等。,化學(xué)破碎法的特點(diǎn),存在的問題：時間長，效率低；化學(xué)試

7、劑毒性較強(qiáng)，同時對產(chǎn)物也有毒害作用，進(jìn)一步分離時需要用透析等方法除去這些試劑；通用性差：某種試劑只能作用于某些特定類型的微生物細(xì)胞。,優(yōu)點(diǎn)：多用于破碎細(xì)菌，且作用比較溫和；提取核酸時，常用此法破碎細(xì)胞。,1.3.2.2非機(jī)械破碎法,2）生物破碎法（酶溶法）：是利用生物酶消化溶解細(xì)胞壁和膜，從而導(dǎo)致細(xì)胞壁膨脹、破裂，釋放出內(nèi)含物的方法。,常用的溶酶：溶菌酶、-1,3-葡聚糖酶、-1,6-葡聚糖酶、蛋白酶、甘露糖酶、糖苷酶、肽鏈內(nèi)切酶、纖維素酶、蝸牛酶和酯酶等。,自溶：將新鮮的生物材料存放于一定的ph 和適當(dāng)?shù)臏囟认?，?xì)胞結(jié)構(gòu)在自身所具有的各種水解酶的作用下發(fā)生溶解，使細(xì)胞內(nèi)含物釋放出來，此法稱為

8、自溶法。自溶是一種特殊的酶溶方式。,例如：酵母在4550下保溫20h左右，即可發(fā)生自溶。但該法使用時要特別小心操作，因?yàn)樗饷覆粌H可以使細(xì)胞壁和膜破壞，同時也有可能會把某些要提取的有效成分分解。另外，自溶的時間較長，不易控制，故在制備生物活性時很少用之。,1.3.1.2非機(jī)械破碎法,3）物理法：主要通過各種物理因素使組織細(xì)胞破碎的方法。,常用的物理法：反復(fù)凍融法、急熱驟冷法和干燥法等。,小結(jié),眾多細(xì)胞破碎方法中，高壓均漿和珠磨兩種機(jī)械破碎方法，處理量大，速度非?？欤壳霸诠I(yè)生長上應(yīng)用最廣泛。但在機(jī)械法破碎過程中，容易產(chǎn)生大量的熱量，使料液溫度升高，而易造成生化物質(zhì)的破壞，特別是在超聲波處理時

9、。因此，超聲波振蕩法主要適用于實(shí)驗(yàn)室或小規(guī)模的細(xì)胞破碎。 非機(jī)械法一般僅適用于小規(guī)模應(yīng)用。滲透壓沖擊和凍結(jié)融解法都屬于較溫和的方法，但破碎作用較弱，它們常與酶解法結(jié)合起來使用，提高破碎效果。干燥法屬于較激烈的一種破碎方法，容易引起蛋白質(zhì)或其它組分變性。,各種組織適用的細(xì)胞破碎方法,細(xì)胞對破碎方法的敏感性,細(xì)胞 聲波 機(jī)械 滲透壓 凍融 動植物 + + + + 革蘭氏陰性菌 + + + + 革蘭氏陽性芽孢菌 + + + + 酵母 + + + + 革蘭氏陽性球菌 + - + + 菌絲 - + - + 孢子 - - - -,1.3.1.3選擇破碎方法的依據(jù),細(xì)胞的處理量 細(xì)胞的密度和細(xì)胞壁的強(qiáng)度 目

10、標(biāo)產(chǎn)物對破碎條件的敏感性以及產(chǎn)物在細(xì)胞中的位置 破碎程度 產(chǎn)物的穩(wěn)定性 提取分離的難易,1.直接測定破碎前后的細(xì)胞數(shù)： 破碎前，用顯微鏡或電子微粒計數(shù)器直接計數(shù)； 破碎后，用染色法區(qū)分破碎細(xì)胞與完整細(xì)胞。 2.測定導(dǎo)電率： 利用破碎前后導(dǎo)電率的變化測定破碎程度。 3.測定釋放的蛋白質(zhì)量或酶活力： 測定破碎液中胞內(nèi)蛋白質(zhì)或目的酶的釋放量，估算破碎率。,1.3.1.4 細(xì)胞破碎確認(rèn),細(xì)胞破碎率的評價,破碎率：被破碎細(xì)胞的數(shù)量占原始細(xì)胞數(shù)量的百分比數(shù)，即： y(%)=(n0-n) / n0100 。注： n0 原始細(xì)胞數(shù)量；n經(jīng)t時間操作后保留下來的未損害完整細(xì)胞數(shù)量。,細(xì)胞破碎率的計算方法,n0和

11、n主要通過直接計數(shù)法和間接計數(shù)法兩種方法獲得。,第二節(jié) 目標(biāo)蛋白質(zhì)的離心分離,離心分離技術(shù)是借助于離心機(jī)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，根據(jù)物質(zhì)顆粒的沉降系數(shù)、質(zhì)量、密度及浮力等因子的不同，而使物質(zhì)分離的技術(shù)。,2.1 離心技術(shù)的原理,將處于懸浮狀態(tài)的細(xì)胞、細(xì)胞器、病毒和生物大分子等稱為“顆?！薄Ｃ總€顆粒都有一定大小、形狀、密度和質(zhì)量。當(dāng)離心機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時這些顆粒在介質(zhì)中發(fā)生沉降或漂浮，它的沉降速度與作用在顆粒上的力的大小和力的方向有關(guān)。,離心力： fc = m ac m r 2 m r （2 n/60）2 n為離心機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) （r/min ）； fc通常以相對離心力rcf（relative cent

12、rifugal force）表示，即離心力f的大小相當(dāng)于地球引力（重力常數(shù)g）的多少倍。一般用g（或數(shù)字g）表示。,2.1.1 相對離心力,rcf = m r （2 n/60）2 /mg= 1.12 10-5 n2 r 此公式描述了相對離心力與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系 旋轉(zhuǎn)半徑用r平均代替 r平均=1/2（r大+r?。ヽm,通 常： 低速離心以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)表示，如：4000r/min。 高速離心（超速），常以相對離心力（rcf）表 示，如：65000g。 兩者可換算或查測算圖。,計算近似rcf的列線圖,2.1.2 沉降系數(shù):（sedimentation constant） 指單位離心力下顆粒的沉降速度（

13、sedimentation velocity）,用s表示。 由于許多生物大分子的s值很小，所以定義10 13 s 為一個沉降單位，1s = 11013 s。 常用s表示某些生物大分子、亞細(xì)胞及亞細(xì)胞器的大小，如16srna，蛋白質(zhì)的沉降系數(shù)一般在1 200之間。,2.1.3 離心條件的確定,離心力 離心時間（與顆粒的沉降時間有關(guān)） 溫度和ph值（防止欲分離物質(zhì)的凝集、變性和失活）,n：轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，r/min,2.2 離心機(jī)的種類 按離心機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，分為： 常速（低速） 高速 超速,離心機(jī)的種類,實(shí)驗(yàn)室離心機(jī),溫度類型：常溫及冷凍 超速離心機(jī)均為冷凍型。 使用冷凍離心機(jī)時提前降溫，預(yù)冷離心

14、頭。 使用超速離心機(jī)時先抽真空。,離心的形式,角式及外擺式：外擺式一般為低速， 角式由低速到超速均有。,角式離心機(jī)和離心頭（轉(zhuǎn)子）,角式離心頭要配套，低溫使用要預(yù)冷，操作注意穩(wěn)、蓋、旋緊。,離心機(jī)的大小：落地式及臺式,小臺式離心機(jī),離心管,材質(zhì)：玻璃，塑料 強(qiáng)度：和離心速度相配 大?。汉娃D(zhuǎn)子配套 高速超速管要加蓋,離心機(jī)操作,平衡、定溫、定速、定時。,2.3 離心分離技術(shù)的種類,差速離心法是指通過不斷增加相對離心力，使沉降速度不同的顆粒，在不同離心速度及不同離心時間下分批離心方法。差速離心法一般用于分離沉降系數(shù)相差較大的顆粒。主要用于分離細(xì)胞器和病毒。,差速離心法(differential c

15、entrifugation),密度梯度離心法,亦稱平衡密度梯度離心法。密度梯度離心法包括速度區(qū)帶和等密度離心二種方法。后者又可分為預(yù)制梯度等密度及自形成梯度等密度兩種方法。,速度區(qū)帶離心法,在離心前離心管內(nèi)預(yù)先裝入密度梯度介質(zhì)(如蔗糖、甘油、kbr、cscl等)，待分離的樣品鋪在梯度液的頂部或梯度層中間，同梯度液一起離心。由于離心力的作用，顆粒離開原樣品層，按不同沉降速度向管底沉降，離心一定時間后，沉降的顆粒逐漸分開，最后形成一系列界面清楚的不連續(xù)區(qū)帶。沉降系數(shù)越大，往下沉降越快，所呈的區(qū)帶也越低。沉降系數(shù)較小的顆粒，則在較上部分依次出現(xiàn)。,蔗糖密度梯度離心,等密度離心法,某些密度梯度介質(zhì)經(jīng)過

16、離心后會自身形成梯度，如細(xì)胞分離液percoll。待分離樣品可和梯度介質(zhì)先均勻混合，梯度介質(zhì)由于離心力的作用逐漸形成管底部濃而管頂稀的密度梯度，與此同時原來分布均勻的顆粒也發(fā)生重新分布。當(dāng)管底介質(zhì)的密度大于顆粒的密度時，顆粒上?。划?dāng)管頂介質(zhì)的密度小于顆粒的密度時，則顆粒沉降；最后顆粒進(jìn)入到一個它本身的密度位置，顆粒不再移動，形成穩(wěn)定的區(qū)帶。,2.4 超速離心,超速離心法(ultracentrifugation)既可以用來分離純化蛋白質(zhì)，也可以用作測定蛋白質(zhì)的分子量。 超速：50000-120000rpm,大容量冷凍離心機(jī),2.5 應(yīng)用 根據(jù)不同離心目的，分為 制備性離心： 分離純化和制備 分析

17、性離心： 測分子量、沉降系數(shù)、密度、純度,第三節(jié) 蛋白質(zhì)的沉淀分級,概念 溶液中溶質(zhì)由液相變成固相析出的過程。 本質(zhì) 通過改變條件使膠粒發(fā)生聚結(jié)，降低其在 液相中的溶解度，增加了固相中的分配率。 作用 分離、澄清、濃縮、保存,3.1 沉淀技術(shù),3.2 沉淀的分類,沉淀的分類,晶形沉淀,凝乳狀沉淀,膠狀沉淀,baso4 mgnh4po4,實(shí)例,顆粒半徑,agcl,fe2o3.nh2o,al2o3.nh2o,0.1 1 m,0.02 m,主要成因,沉淀時的條件,沉淀自身性質(zhì),沉淀外觀,crystalline precipitate,amorphous precipitate,不定型,g.g. ch

18、en et al. powder technology 139 (2004),180-185.,溶劑性質(zhì)對沉淀的影響,baso4沉淀的tem(透射電子顯微鏡）成像,純水中沉淀,20%乙醇中沉淀,超細(xì)硫酸鋇(200nm)具有優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)、流體性質(zhì)，在燃料、醫(yī)藥業(yè)廣泛應(yīng)用。,3.3 沉淀的形成過程,構(gòu)晶離子,晶核,沉淀微粒,無定形,晶形,無定形沉淀過程示意,晶形沉淀過程示意,沉淀的形成是一個復(fù)雜的過程，由于納米材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這一領(lǐng)域的研究很活躍。,文獻(xiàn)選讀,文獻(xiàn)選讀,無定形沉淀形成示意,晶形沉淀過程示意,成核作用,成核作用,均相成核,異相成核,均相成核是在過飽和狀態(tài)時，構(gòu)晶離子由于靜電作用

19、締合形成,異相成核是以固相微粒起著晶核的作用,相對的,絕對的,q 瞬時濃度,s 晶核的溶解度,異相成核,異相成核均相成核,臨界點(diǎn),臨界點(diǎn),baso4 1000,agcl 5.5,von weimarn 公式,3.4 沉淀微粒大小的影響因素,沉淀微粒大小,成核速度,晶核長大速度,晶核長大速度,成核速度,小的沉淀微粒,大的沉淀微粒,溫度、攪拌等沉淀條件,濃度,3.5 沉淀的純度,影響沉淀純度的因素,共沉淀 coprecipitation,后沉淀 postprecipitation,吸附 adsorption,包藏 occlusion,混晶 mixed crystal,表面吸附,表面吸附作用力,靜電

20、力,例,擴(kuò)散層,吸附層：構(gòu)晶離子,擴(kuò)散層：抗衡離子,吸附原則,溶解度小,電價高,濃度大,溶解度(mol/l)：25c,表面吸附影響因素,沉淀表面積,溫度,雜質(zhì)濃度,例：以氨水沉淀fe(oh)3時，ca2+ 、mg2+ 、 zn2+ 、 ni2+ 4種雜質(zhì)離子的吸附量的變化示意如圖,作用力靜電力，符合吸附規(guī)則,包藏 occlusion,硫酸鋇的共沉淀（30c),化學(xué)平衡過程,混晶或固溶體,baso4-pbso4,同型混晶,半徑相近，晶體結(jié)構(gòu)相同,agcl-agbr,異型混晶,晶體結(jié)構(gòu)不同,mnso45h2o-feso4 7h2o,后沉淀,后沉淀現(xiàn)象是指一種本來難以析出沉淀的物質(zhì)，或是形成穩(wěn)定的過

21、飽和溶液而不能單獨(dú)沉淀的物質(zhì)，在另一種組分沉淀之后被“誘導(dǎo)”而隨后也沉淀下來的 現(xiàn)象，而且它們沉淀的量隨放置的時間延長而加多。,例，在0.01 mol/l zn2+的0.15 mol/l hcl，通h2s, zns形成過飽和溶液，若加入cu2+,共沉淀與后沉淀對分析結(jié)果的影響的處理,表面吸附,包藏,混晶,后沉淀,洗滌，改善沉淀條件,重結(jié)晶,預(yù)先分離,立即過濾，不陳化,3.6 沉淀條件的選擇,晶形沉淀,稀,熱,慢,攪,陳,相對過飽和度小，減少均相成核；,減少雜質(zhì)吸附量,增大溶解度，減少相對過飽和度，減少均相成核；,增大擴(kuò)散速度，有利于沉淀長大；,減少吸附,減少均相成核；,有利于沉淀長大,減少包藏

22、；,晶形完整化,控制相對過飽和度小，沉淀陳化,無定形沉淀,減少水合，使其聚集緊密，便于過濾；減少雜質(zhì)吸附,熱,大量電解質(zhì),立即過濾,減少水合，減少吸附，防止膠溶,濃,減少水合。沉淀完后，稀釋攪拌，減少雜質(zhì)吸附,快，攪,減少水合,利于凝聚、沉降,3.7 沉淀方法分類,鹽析 有機(jī)溶劑沉淀 等電點(diǎn)沉淀 非離子聚合物沉淀 其他沉淀技術(shù),生成鹽復(fù)合物 選擇性變性 親和沉淀,3.7.1 鹽析,3.7.1.1 原理 “鹽溶” 低濃度中性鹽離子對蛋白質(zhì)分子表面極性基團(tuán)及水活度的影響，增加蛋白質(zhì)與溶劑相互作用力，使其溶解度增大。 “鹽析” 中性鹽濃度增加至一定值時，水分子定向排列，活度大大減少，蛋白質(zhì)表面電荷被

23、中和，水膜被破壞，從而聚集沉淀。,影響鹽析的因素,鹽離子種類和濃度 生物分子種類和濃度 ph值 溫度,3.7.1.2 公式和討論,純蛋白質(zhì)有鹽析經(jīng)驗(yàn)公式： log s = ksi s 蛋白質(zhì)溶解度（g/l）； i=0時log s，它取決于鹽和pr的性質(zhì)，溫度，ph； ks 鹽析常數(shù)，決定于加入鹽性質(zhì)及pr性質(zhì)； i 鹽濃度（mol/l）,原始濃度p,p小，鹽析所需i高；p大，鹽析所需i低 對混合pr的鹽析，p大，會發(fā)生嚴(yán)重共沉作用，一般控制濃度為2.53%。,混合pr的鹽析,合適鹽析范圍的選擇 不同pr鹽析峰有重疊，須權(quán)衡純度回收率。 改變原始濃度 一種蛋白質(zhì)的不同濃度的沉淀曲線會變化 二次鹽

24、析 在原鹽濃度下二次鹽析，可除去易溶雜質(zhì)，但不能除去難溶雜質(zhì)。,3.7.1.3 鹽析操作要點(diǎn),可使用的中性鹽有：(nh4)2so4、na2so4、mgso4 nacl 、naac 、 na3po4 、檸檬酸鈉等 以(nh4)2so4 、na2so4最廣泛，前者最受歡迎,鹽的種類及選擇：,鹽析范圍的確定,可采用鹽濃度對蛋白質(zhì)沉淀量的鹽析曲線測得。（從回收率和純度考慮）,確定鹽析范圍舉例,取小樣分段鹽析，從回收率和純度考慮來確定范圍,鹽的加入方式,固體 緩慢加，防泡沫，要平衡 液體（飽和鹽溶液） 要求鹽析范圍小于50%飽和度 鹽析反應(yīng)完全需要一定時間，一般硫酸銨全部加完后，應(yīng)放置30min以上才可

25、進(jìn)行固-液分離。,透析鹽析 將pr溶液盛于透析袋中，放入一定濃度的鹽溶液中，由于滲透壓的作用，袋中鹽濃度連續(xù)性變化，使pr沉淀。 反抽提法（back-extraction） 將包括要分離的pr在內(nèi)的多種pr一起沉淀出來，然后選擇適當(dāng)?shù)倪f減濃度的硫酸銨來抽提沉淀物。,3.7.1.4 鹽析操作的其他方法,3.7.1. 5 沉淀的再溶解,將沉淀溶于下一步所需的緩沖液（12倍）,3.7.1. 6 脫 鹽,透析,超濾 根據(jù)所加操作壓所用膜平均孔徑的不同，可分為微孔過濾、超濾和反滲透。 凝膠過濾層析 此法脫鹽時間短，效果好。,3.7.2 有機(jī)溶劑沉淀,3.7.2.1 基本原理 使溶液的介電常數(shù)大大降低，從

26、而增加帶電粒子自身之間的作用力，易聚集沉淀；介電常數(shù)與靜電引力的關(guān)系，可用庫侖公式表示: 爭奪酶、蛋白質(zhì)等物質(zhì)表面的水分子，破壞水化層，使分子易碰聚產(chǎn)生沉淀。,幾種溶劑的介電常數(shù),3.7.2.2 特 點(diǎn),優(yōu)點(diǎn) 分辨能力比鹽析高,即一種生物分子或其他溶質(zhì)只在一個比較窄的有機(jī)溶劑濃度范圍內(nèi)沉析；沉析不用脫鹽，過濾比較容易。 缺點(diǎn) 是某些具有生物活性的大分子容易引起變性失活，操作需在低溫下進(jìn)行。,3.7.2.3 沉淀條件,溫度 生物大分子在有機(jī)溶劑中對溫度敏感，易變性，且有機(jī)溶劑與水混合時產(chǎn)生放熱反應(yīng)； 有機(jī)溶劑必須預(yù)先冷至較低溫度，一般在0以下，操作時要在冰鹽浴中進(jìn)行，加入有機(jī)溶劑必須緩慢，并不斷

27、攪拌以免局部濃度過濃； 溫度越低，得到的生物活性物質(zhì)越多，而且可以減少有機(jī)溶劑的揮發(fā)； 溫差分級沉淀；,ph 盡可能選擇樣品溶解度最低的ph，通常是選在等電點(diǎn)附近，以提高該沉析的分辨能力 要選擇在樣品穩(wěn)定的ph范圍內(nèi)，少數(shù)生物分子在等電點(diǎn)附近不穩(wěn)定，影響其活性 盡量避免目的物與雜質(zhì)帶相反電荷而加劇共沉現(xiàn)象的發(fā)生,樣品濃度 樣品濃度低時增加有機(jī)溶劑投入量和損耗，降低了溶質(zhì)回收率，易產(chǎn)生稀釋變性，但共沉的作用小，有利于提高分離效果 對于高濃度的生物樣品，節(jié)省了有機(jī)溶劑，減少了變性的危險，但共沉作用大，分離效果下降 蛋白質(zhì)0.53，黏多糖12,離子強(qiáng)度 在有機(jī)溶劑和水的混合液中，當(dāng)離子強(qiáng)度很小，物質(zhì)

28、不能沉析時，補(bǔ)加少量電解質(zhì)即可解決 離子強(qiáng)度達(dá)一定程度時(0.10.2 mol/l以上) ，會增加蛋白質(zhì)或酶在有機(jī)溶劑中的溶解度，需大量的有機(jī)溶劑來沉析，并可能使部分鹽在加入有機(jī)溶劑后析出 一般離子強(qiáng)度在0.05 mol/l或稍低為好，既能使沉析迅速形成，又能對蛋白質(zhì)或酶起一定的保護(hù)作用，防止變性,多價陽離子的影響 某些金屬離子具有助沉作用，蛋白質(zhì)與zn2+、ca2+等形成復(fù)合物，使蛋白質(zhì)在水和有機(jī)溶液中的溶解度大大降低而不影響生物活性，有利于沉析形成，并降低有機(jī)溶劑的耗量 0.0050.02 mol/l的zn2+可使有機(jī)溶劑用量減少l/3至1/2 使用時要避免會與這些金屬離子形成難溶鹽的陰離

29、子(如磷酸根)的存在。,3.7.2.4 沉淀條件,有機(jī)溶劑的選擇 常用乙醇、丙酮、甲醇 溶劑用量 v= v0（s2s1）/（100s2） 分級沉淀,3.7.3 等電點(diǎn)沉淀,調(diào)節(jié)兩性生化物質(zhì)溶液的ph值，以達(dá)到某一生化物質(zhì)的等電點(diǎn)，使其從溶液中沉淀析出而實(shí)現(xiàn)分離的技術(shù)稱為等電點(diǎn)沉析技術(shù)。,等電點(diǎn)(pi)是兩性物質(zhì)在其質(zhì)點(diǎn)的凈電荷為零時介質(zhì)的ph值，溶質(zhì)凈電荷為零，分子間排斥電位降低，吸引力增大，能相互聚集起來，沉淀析出，此時溶質(zhì)的溶解度最低。,原 理,應(yīng) 用,在生化產(chǎn)品的分離純化過程中，常利用兩性物質(zhì)如氨基酸、蛋白質(zhì)、多肽、酶、核酸等具有不同的等電點(diǎn)的特性來進(jìn)行產(chǎn)品的分離純化。 等電點(diǎn)沉淀只適用

30、于水化程度不大，在等電點(diǎn)時溶解度很低的物質(zhì)，如四環(huán)素等在等電點(diǎn)(ph=5.4)附近，難溶于水，能產(chǎn)生沉析；疏水性較大的蛋白質(zhì)（如酪蛋白） 可以與其他沉淀方法結(jié)合使用,3.7.4 其它沉淀技術(shù),1 ）非離子多聚物沉淀法：peg和pvp 2 ）選擇性變性沉淀：熱變性沉淀、ph變性沉淀、有機(jī)溶劑變性沉淀 3 ）生成鹽類復(fù)合物沉淀：金屬復(fù)合鹽法、有機(jī)酸復(fù)合鹽法 4 ）親和沉淀,3.7.5 應(yīng)用實(shí)例,-等電點(diǎn)沉淀法分離牛乳中的酪蛋白,材料與試劑：鮮牛奶、醋酸鈉、優(yōu)級純醋酸、95%乙醇、乙醚、蒸餾水、0.2mol/l ph 4.7醋酸-醋酸鈉緩沖液,將鮮牛奶30 ml及醋酸-醋酸鈉緩沖液30ml分別水浴加

31、熱40左右，并用8層紗布過濾牛奶 量取加熱后的牛奶20ml，在攪拌下慢慢加入加熱后的醋酸-醋酸鈉緩沖液20ml，用酸度計調(diào)ph至4.7 將上述混合液冷至室溫，離心（3500r/min）15min，棄去上清液，得酪蛋白粗制品,方法步驟：,用緩沖液洗沉淀3次，離心（3500r/min）10min，棄去上清液 在沉淀中加入20ml乙醇，攪拌片刻，將全部的懸濁液轉(zhuǎn)移至布氏漏斗中抽濾，用乙醇-乙醚混合液洗沉淀2次，最后用乙醚洗沉淀2次，抽干 將沉淀攤開在表面皿上，風(fēng)干得酪蛋白純品 準(zhǔn)確稱量，計算含量和收率,第四節(jié) 萃取技術(shù),天然產(chǎn)物分離與純化,（1）概述 （2）液液萃取技術(shù) （3）超臨界流體萃取 （4）

32、雙水相萃取 （5）其它萃取技術(shù) 基本要求 掌握液液萃取技術(shù)的方法和基礎(chǔ)原理，常用的浸提技術(shù)和新型的萃取技術(shù)，了解萃取技術(shù)在藥物和食品生產(chǎn)的應(yīng)用情況。,教學(xué)內(nèi)容,1842年 ，e.-m.佩利若研究了用乙醚從硝酸溶液中萃取硝酸鈾酰。 1903年，l.埃迪蘭努用液態(tài)二氧化硫從煤油中萃取芳烴，這是萃取的第一次工業(yè)應(yīng)用。 20世紀(jì)40年代后期，生產(chǎn)核燃料的需要促進(jìn)了萃取的研究開發(fā)。 現(xiàn)今，萃取已應(yīng)用于石油餾分的分離和精制，鈾、釷、钚的提取和純化，有色金屬、稀有金屬、貴重金屬的提取和分離，抗菌素、有機(jī)酸、生物堿的提取，以及廢水處理等。,沿 革,萃取 利用物質(zhì)在互不相溶的兩相之間溶解度的不同而使物質(zhì)得到純化

33、或濃縮的方法。 反萃取 調(diào)節(jié)水相條件，將目標(biāo)產(chǎn)物從萃取相轉(zhuǎn)入水相的萃取操作。 物理萃取 根據(jù)相似相溶的原理，溶質(zhì)在兩相間達(dá)到分配平衡，萃取劑與溶質(zhì)之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的萃取過程。 化學(xué)萃取 利用萃取劑與溶質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)生成脂溶性復(fù)合分子實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)向有機(jī)相的分配。,一、概述,萃取操作示意圖,雜質(zhì),溶質(zhì),原溶劑,萃取劑,light phase,heavy phase,萃取、洗滌和反萃取操作過程示意圖,分配系數(shù),衡量萃取體系是否合理的重要參數(shù)： y-平衡時溶質(zhì)在輕相中的濃度 x-平衡時溶質(zhì)在重相中的濃度,分配定律的適用條件,稀溶液 溶質(zhì)與溶劑之間的互溶度沒有影響 分子類型相同，不發(fā)生締合或解離,分類,

34、液-固萃取 液-液萃取 超臨界萃取 雙水相萃取 其他萃取技術(shù),原理：屬于用液體提取固體原料中有用成分 的擴(kuò)散分離操作。 應(yīng)用：多用于提取存在于胞內(nèi)的有效成分。,一、液-固萃取,分子擴(kuò)散：固體樣品表面/溶劑接解處 影響因素：溫度、分子大小和液體介質(zhì)的黏度。 對流擴(kuò)散：遠(yuǎn)離固體樣品表面處的擴(kuò)散 影響因素：流動液體的速度和狀態(tài)，液體的黏度、樣品表面的性質(zhì)等。,固體萃取溶劑振蕩（加熱）離心/過濾分離欲萃取組分進(jìn)入溶劑。,索氏萃取裝置和k-d濃縮器,萃取裝置,影響液-固萃取的因素,固體物料顆粒度 液-固萃取溶劑 浸取操作條件的影響,二、液-液萃取,原理： 利用溶質(zhì)在兩個互不混溶的液相（通常為水相和有機(jī)溶

35、劑相）中溶解度和分配性質(zhì)上的差異進(jìn)行的分離操作。,應(yīng)用: 可用于有機(jī)酸、氨基酸、維生素等生物小分子的分離純化。,兩種不相溶 的液體,水溶劑：親水化合物進(jìn)入到水相中。,有機(jī)溶劑：疏水性化合物將進(jìn)入有機(jī)相中的程度就越大。,液-液萃取步驟,溶劑體積為樣品溶液的30-35。,振蕩幾次,打開活塞,gas,蒸氣逸出（也叫放氣）,絮狀物 （乳化）,有機(jī)相,水相,水相和絮狀物,靜置分層,激烈振搖 1 - 2min,流程： 混合： 分離： 溶劑回收：,液-液萃取操作方式和流程,方式： 分批萃取連續(xù)萃取 單級和多級萃取 多級錯流萃取和多級逆流萃取,單級萃取示意圖,多級錯流萃取示意圖,多級逆流萃取示意圖,影響溶劑萃

36、取的因素,萃取劑（有機(jī)溶劑） 水相物理條件 乳化現(xiàn)象,溶劑的選擇原則,（1）對被分離物質(zhì)溶解度大而對雜質(zhì)溶解度小的溶劑（使 被分離物質(zhì)從混合組分中有選擇性地分離） （2）對被分離物質(zhì)溶解度小而對雜質(zhì)溶解度大的溶劑 （3）溶劑的選擇原則：“相似相溶” 常見溶劑的極性大小順序： 飽和烴類全氯代烴類不飽和烴類醚類未全氯代烴類酯類芳胺類酚類酮類醇類,產(chǎn)生乳化的原因,由于液-液萃取過程中劇烈振動，經(jīng)常發(fā)生乳化現(xiàn)象，特別是那些含脂肪的樣品。 原因：體系的性質(zhì)、離子濃度、有機(jī)相粘度、萃取溫度、ph等。 溫度越低，有機(jī)相粘度越大 離子濃度越高越易產(chǎn)生乳化。,破乳的常用方法,1）加入表面活性劑：2）加入電解質(zhì)：

37、如氯化鈉、硫酸銨 3）吸附法：通過多孔性介質(zhì) 4）高壓電破乳： 5）加熱 6）稀釋法：,振動篩板塔,轉(zhuǎn)盤萃取塔,常用的液-液萃取裝置,三、超臨界流體萃取,原理 利用超臨界流體作為萃取劑，對物質(zhì)進(jìn)行溶解和分離.,應(yīng)用 適用于脂肪酸、植物堿、醚類、酮類、甘油酯、芳香成分等物質(zhì)的萃取分離。,1. 概述,什么是超臨界流體： 一種流體在溫度和壓力分別超過其臨界溫度(tc)和臨界壓力(pc)時形成的超臨界流體狀態(tài)。 處于臨界點(diǎn)狀態(tài)的物質(zhì)可實(shí)現(xiàn)液態(tài)到氣態(tài)的連續(xù)過渡，兩相相界面消失，汽化熱為零。 超過臨界點(diǎn)的物質(zhì)，無論加多大的壓力都不會液化，而只會引起密度變化。,超臨界流體的特性,超臨界流體溶解性強(qiáng)：密度接近

38、液體，比氣體大數(shù)百倍，由于溶解度與溶劑的密度成正比，故具有與液體溶劑相近的溶解能力。 超臨界流體擴(kuò)散性能好：粘度接近氣體，較液體小2個數(shù)量級。其擴(kuò)散系數(shù)介于氣液之間，故具有氣體易于擴(kuò)散和運(yùn)動的特性，傳質(zhì)速率大大高于液體。 超臨界流體性能易于調(diào)控：在臨界點(diǎn)附近，壓力和溫度的微小變化，都可以引起流體密度很大的變化，使溶解度發(fā)生較大變化。,2. 超臨界流體萃取的基本原理,利用超臨界流體作為萃取劑，對物質(zhì)進(jìn)行溶解和分離,超臨界流體的基本性質(zhì),常用的超臨界流體,超臨界流體萃取的過程：,超臨界流體的形成 溶質(zhì)在超臨界流體中的擴(kuò)散傳質(zhì)（萃取過程） 溶質(zhì)與流體的分離。 與常規(guī)萃取相同之處： 利用物質(zhì)在兩相之間

39、的分配差異實(shí)現(xiàn)分離 差別： 萃取劑的特性不同,超臨界流體萃取的方式,(1) 等溫法 (2) 等壓法 (3) 吸附法,三種典型流程,超臨界萃取的影響因素,壓力 溫度 流體密度 容積比 顆粒度 夾帶劑,1，co2萃取釜分離分離回路；2，co2萃取釜分離分離精鎦柱回路；3，co2萃取釜精鎦柱分離分離回路；4，co2萃取釜分離精鎦柱分離回路。,優(yōu)點(diǎn) 1.臨界溫度低，適用于熱敏性化合物的提取和純化。 2.可提供惰環(huán)境，避免產(chǎn)物 氧化，不影響萃取物的有效成份。 3.萃取速度快，無毒、不易燃，使用安全，不污染環(huán)境。4.無溶劑殘留，無硝酸鹽和重金屬離子。,缺點(diǎn)： 高壓下萃取，相平衡較復(fù)雜，物性數(shù)據(jù)缺乏； 高壓

40、裝置與高壓操作，投資費(fèi)用高，安全要求也高； 超臨界流體中溶質(zhì)濃度相對還是較低，故需大量溶劑循環(huán)； 超臨界流體萃取過程固體物料居多，連續(xù)化生產(chǎn)較困難。,超臨界co2 萃取特點(diǎn),超臨界流體萃取的應(yīng)用,超臨界流體萃取的工業(yè)應(yīng)用,天然產(chǎn)物的萃取,液相萃取,固相萃取,1.co2儲罐 2.高壓泵 3.萃取釜 4，5，6.閥門 7，8，9.分離釜 10.回流閥,超臨界co2萃取柑橘香精油的設(shè)備流程示意圖,四、雙水相萃取,雙水相現(xiàn)象是當(dāng)兩種聚合物或一種聚合物與一種鹽溶于同一溶劑時，由于聚合物之間或聚合物與鹽之間的不相容性，當(dāng)聚合物或無機(jī)鹽濃度達(dá)到一定值時，就會分成不互溶的兩相。 因使用的溶劑是水，因此稱為雙水

41、相，在這兩相中水分都占很大比例(85一95)，活性蛋白或細(xì)胞在這種環(huán)境中不會失活，但可以不同比例分配于兩相，這就克服了有機(jī)溶劑萃取中蛋白容易失活和強(qiáng)親水性蛋白難溶于有機(jī)溶劑的缺點(diǎn)。,系統(tǒng)的含水量多達(dá)75%-90%，兩相界面張力極低(10-610-4n/m)，有助于保持生物活性和強(qiáng)化相際間的質(zhì)量傳遞，也有易乳化的問題； 分相時間短（特別是聚合物/鹽系統(tǒng)），一般只有5-15min； 易于連續(xù)操作； 目標(biāo)產(chǎn)物的分配系數(shù)一般大于3，有較高收率； 分離過程更經(jīng)濟(jì)。,1. 雙水相萃取的特點(diǎn),常見的雙水相體系,雙水相萃取的主要影響因素,(1)與聚合物有關(guān)的因素 聚合物的種類、結(jié)構(gòu)、分子量和濃度。 (2)與萃

42、取物有關(guān)的因素 電荷、大小、形狀。 (3)與離子有關(guān)的因素 離子的種類、濃度和電荷。 (4)與環(huán)境有關(guān)的因素 體系的溫度和ph值。,雙水相萃取技術(shù)的工藝流程主要由三部分構(gòu)成: 目的產(chǎn)物的萃取; peg的循環(huán); 無機(jī)鹽的循環(huán)。,雙水相萃取的工藝流程,雙水相萃取技術(shù)的應(yīng)用,主要用于生物物質(zhì)、藥物的分離、提取、純化等，如： (1)酶的提取與純化 (2)核酸的分離及純化 (3)藥物和抗生素類的分離和提取 (4)病毒的分離及純化 (5)從天然植物中提取有效藥用成分,舉例：,五、反膠束萃取,1. 反膠束和反膠束系統(tǒng) 反膠束是表面活性劑在有機(jī)溶劑中自發(fā)形成 的納米尺度的一種聚集體。 本質(zhì)仍然是液-液有機(jī)溶劑

43、萃取。 用途：氨基酸、肽和蛋白質(zhì)的分離純化,反膠束的形成,表面活性劑通常都有一個親水的極性頭和疏水的非極性尾。 當(dāng)表面活性劑在有機(jī)溶劑中的濃度超過其臨界膠束濃度后，其疏水的非極性尾向外伸入有機(jī)溶劑主體中，親水的極性頭則自發(fā)向內(nèi)聚集排列成一個極性核。核中的空間具有溶解水和大分子的能力，稱為池(pool)。 表面活性劑的臨界膠束濃度(cmc)可通過表面活性劑手冊查得，通常在110-4-110-3mol/l范圍。,親水極性頭,疏水非極性尾,可游離離子,一種陰離子型表面活性劑,pool,反膠束的形成,形成原理,（1）溶液的ph ph影響蛋白質(zhì)的電荷數(shù)量和電荷性質(zhì) （2）溶液的離子強(qiáng)度 影響微膠團(tuán)的靜電

44、狀態(tài) 凡是對蛋白質(zhì)所含電荷有影響的因素，如ph，以及對反膠束的靜電狀態(tài)有影響的因素，均能改變蛋白質(zhì)的增溶作用。 （3）表面活性劑的濃度和種類 （4）其他（有機(jī)溶劑、助表面活性劑、溫度）,影響反膠團(tuán)萃取的因素,反膠束萃取技術(shù)的應(yīng)用,(1)分離蛋白質(zhì)混合物 如用二烷基磷酸鹽/異辛烷反膠束溶液萃取 分離溶菌酶和肌紅蛋白。 (2)濃縮-淀粉酶 如用tomac/異辛烷反膠束溶液萃取水相中的- 淀粉酶，以實(shí)現(xiàn)-淀粉酶的濃縮。 (3)直接提取細(xì)胞內(nèi)酶 如用ctab/己醇-辛烷反膠束溶液直接從棕色 固氮菌細(xì)胞內(nèi)提取胞內(nèi)脫氫酶，既不破壞菌細(xì)胞，也可保持酶 的活性。 (4)從動植物資源中提取蛋白質(zhì) 可利用反膠束溶

45、液直接從大豆、菜 籽、蠶蛹等殘渣中提取分離有用的蛋白質(zhì)。,第五節(jié) 膜分離技術(shù),目錄,1 膜技術(shù)概述 2 膜分離裝置 3 極化、污染現(xiàn)象和控制 4 典型的膜分離技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域,1 膜技術(shù)概述,1.1 基本概念,所謂的膜，是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之間有一層薄的凝聚相，它把流體相分隔為互不相通的兩部分，并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。 膜的特性： 不管膜多薄, 它必須有兩個界面。這兩個界面分別與兩側(cè)的流體相接觸 膜傳質(zhì)有選擇性，它可以使流體相中的一種或幾種物質(zhì)透過，而不允許其它物質(zhì)透過。,膜(membrane)是什么？有何特性？,膜分離過程原理：以選擇性透膜為分離介質(zhì)，通過在膜兩邊施加一個

46、推動力（如濃度差、壓力差或電位差等）時，使原料側(cè)組分選擇性地透過膜，以達(dá)到分離提純的目的。通常膜原料側(cè)稱為膜上游，透過側(cè)稱為膜下游。,膜上游 透膜 膜下游,分離膜種類,分離膜,高分子膜的分離功能很早就已發(fā)現(xiàn)。1748年，耐克特（a. nelkt）發(fā)現(xiàn)水能自動地擴(kuò)散到裝有酒精的豬膀胱內(nèi)，開創(chuàng)了膜滲透的研究。,1.2 膜分離技術(shù)發(fā)展簡史,1861年，施密特（a. schmidt）首先提出了超過濾的概念。他提出，用比濾紙孔徑更小的棉膠膜或賽璐酚膜過濾時，若在溶液側(cè)施加壓力，使膜的兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，即可分離溶液中的細(xì)菌、蛋白質(zhì)、膠體等微小粒子，其精度比濾紙高得多。這種過濾可稱為超過濾。按現(xiàn)代觀點(diǎn)看，這種

47、過濾應(yīng)稱為微孔過濾。,然而，真正意義上的分離膜出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。1961年，米切利斯（a. s. michealis）等人用各種比例的酸性和堿性的高分子電介質(zhì)混合物以水丙酮溴化鈉為溶劑，制成了可截留不同分子量的膜，這種膜是真正的超過濾膜。美國amicon公司首先將這種膜商品化。,50年代初，為從海水或苦咸水中獲取淡水，開始了反滲透膜的研究。 1967年，dupont公司研制成功了以尼龍66為主要組分的中空纖維反滲透膜組件。同一時期，丹麥dds公司研制成功平板式反滲透膜組件。反滲透膜開始工業(yè)化。,自上世紀(jì)60年代中期以來，膜分離技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。首先出現(xiàn)的分離膜是超過濾膜（簡稱uf膜）

48、、微孔過濾膜（簡稱mf膜）和反滲透膜（簡稱ro膜）。以后又開發(fā)了許多其它類型的分離膜。 在此期間，除上述三大膜外，其他類型的膜也獲得很大的發(fā)展。80年代氣體分離膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了進(jìn)步提高。,具有分離選擇性的人造液膜是馬丁（martin）在60年代初研究反滲透時發(fā)現(xiàn)的，這種液膜是覆蓋在固體膜之上的，為支撐液膜。 60年代中期，美籍華人黎念之博士發(fā)現(xiàn)含有表面活性劑的水和油能形成界面膜，從而發(fā)明了不帶有固體膜支撐的新型液膜，并于1968年獲得純粹液膜的第一項專利。 70年代初，卡斯勒（cussler）又研制成功含流動載體的液膜，使液膜分離技術(shù)具有更高的選擇性。,1.3 膜的分類,1

49、)按膜的材料分類,表1 膜材料的分類,2)按膜的分離原理及適用范圍分類 根據(jù)分離膜的分離原理和推動力的不同，可將 其分為微孔膜、超過濾膜、反滲透膜、納濾膜、滲 析膜、電滲析膜、滲透蒸發(fā)膜等。 3)按膜的形態(tài)分類 按膜的形狀分為平板膜(flat membrane)、管式膜(tubular membrane)和中空纖維膜(hollow fiber)。,4) 按膜的結(jié)構(gòu)分類 按膜的結(jié)構(gòu)分為： 對稱膜(symmetric membrane) 非對稱膜(asymmetric membrane) 復(fù)合膜(composite membrane),1.4 膜過濾的基礎(chǔ)理論,通透量理論：一種基于粒子懸濁液在毛細(xì)

50、管內(nèi)流動的毛細(xì)管理論。 水通量（jw）和截留率（r） w透水量，a膜的有效面積，時間 c1料液中溶質(zhì)濃度， c2透過液中溶質(zhì)濃度,1.5 膜分離過程的類型,分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中有選擇地透過或輸送特定的物質(zhì)，如顆粒、分子、離子等?；蛘哒f，物質(zhì)的分離是通過膜的選擇性透過實(shí)現(xiàn)的。幾種主要的膜分離過程及其傳遞機(jī)理如表2所示。,表2 幾種主要分離膜的分離過程,續(xù)上表,1.6 膜材料,用作分離膜的材料包括廣泛的天然的和人工合 成的有機(jī)高分子材料和無機(jī)材料。 原則上講，凡能成膜的高分子材料和無機(jī)材料 均可用于制備分離膜。但實(shí)際上，真正成為工業(yè)化 膜的膜材料并不多。這主要決定于膜的一些特定要 求，如分

51、離效率、分離速度等。此外，也取決于膜 的制備技術(shù)。,目前，實(shí)用的有機(jī)高分子膜材料有：纖維素酯 類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料。從品種來說， 已有成百種以上的膜被制備出來，其中約40多種已 被用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中。以日本為例，纖維素酯類 膜占53，聚砜膜占33.3，聚酰胺膜占11.7，其 他材料的膜占2，可見纖維素酯類材料在膜材料中 占主要地位。,1. 纖維素酯類膜材料 纖維素是由幾千個椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過1, 4甙鏈連接起來的天然線性高分子化合物， 其結(jié)構(gòu)式為：,從結(jié)構(gòu)上看，每個葡萄糖單元上有三個羥基。 在催化劑（如硫酸、高氯酸或氧化鋅）存在下，能 與冰醋酸、醋酸酐進(jìn)行酯化反應(yīng)，得到二醋酸纖維

52、 素或三醋酸纖維素。 c6h7o2 + (ch3co)2o c6h7o2(ococh3)2 + h2o c6h7o2 + 3(ch3co)2o c6h7o2(ococh3)3 + 2ch2cooh,醋酸纖維素是當(dāng)今最重要的膜材料之一。 醋酸纖維素性能穩(wěn)定，但在高溫和酸、堿存在下易發(fā)生水解。 纖維素醋類材料易受微生物侵蝕，ph值適應(yīng)范圍較窄，不耐高溫和某些有機(jī)溶劑或無機(jī)溶劑。因此發(fā)展了非纖維素酯類（合成高分子類）膜。,醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)示意圖,99,表皮層，孔徑 （810）1010m,過渡層，孔徑 2001010m,多孔層，孔徑 （10004000）1010m,1%,顯微鏡下膜的照片,2. 非纖

53、維素酯類膜材料 常用于制備分離膜的合成高分子材料有聚砜、聚酰胺、芳香雜環(huán)聚合物和離子聚合物等。,聚砜類樹脂具有良好的化學(xué)、熱學(xué)和水解穩(wěn)定 性，強(qiáng)度也很高，ph值適應(yīng)范圍為113，最高使 用溫度達(dá)120，抗氧化性和抗氯性都十分優(yōu)良。因 此已成為重要的膜材料之一。,早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龍 4、尼龍66等制成的中空纖維膜。這類產(chǎn)品對鹽水 的分離率在8090之間，但透水率很低，僅 0.076 ml/cm2h。 以后發(fā)展了芳香族聚酰胺，用它們制成的分離膜，ph適用范圍為311，分離率可達(dá)99.5（對鹽水），透水速率為0.6 ml/cm2h。長期使用穩(wěn)定性好。由于酰胺基團(tuán)易與氯反應(yīng)，故這種

54、膜對水中的游離氯有較高要求。,聚酰亞胺具有很好的熱穩(wěn)定性和耐有機(jī)溶劑能 力，因此是一類較好的膜材料。例如，下列結(jié)構(gòu)的 聚酰亞胺膜對分離氫氣有很高的效率。,離子性聚合物可用于制備離子交換膜。與離子 交換樹脂相同，離子交換膜也可分為強(qiáng)酸型陽離子 膜、弱酸型陽離子膜、強(qiáng)堿型陰離子膜和弱堿型陰 離子膜等。在淡化海水的應(yīng)用中，主要使用的是強(qiáng) 酸型陽離子交換膜。 磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的兩種離 子聚合物膜。,用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚 乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙 烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯 磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯 酸酯、聚

55、乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共 聚物也可用作膜材料。,常見材料的最高允許使用溫度,無機(jī)膜多以金屬及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷為材料。從結(jié)構(gòu)上可分為致密膜、多孔膜和復(fù)合非對稱修正膜三種。,1.7 膜的制備,1. 分離膜制備工藝類型 膜的制備工藝對分離膜的性能十分重要。同樣 的材料，由于不同的制作工藝和控制條件，其性能 差別很大。合理的、先進(jìn)的制膜工藝是制造優(yōu)良性 能分離膜的重要保證。 目前，國內(nèi)外的制膜方法很多，其中最實(shí)用的 是相轉(zhuǎn)化法（流涎法和紡絲法）和復(fù)合膜化法。,2. 相轉(zhuǎn)化制膜工藝 相轉(zhuǎn)化是指將均質(zhì)的制膜液通過溶劑的揮發(fā)或 向溶液加入非溶劑或加熱制膜液，使液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣?相的過程。相

56、轉(zhuǎn)化制膜工藝中最重要的方法是ls 型制膜法。它是由加拿大人勞勃（s. leob）和索里 拉金（s. sourirajan）發(fā)明的，并首先用于制造醋 酸纖維素膜。,將制膜材料用溶劑形成均相制膜液，在模具中 流涎成薄層，然后控制溫度和濕度，使溶液緩緩蒸 發(fā)，經(jīng)過相轉(zhuǎn)化就形成了由液相轉(zhuǎn)化為固相的膜， 其工藝框圖可表示如下：,圖 ls法制備 分離膜工藝流程框圖,3. 復(fù)合制膜工藝 由ls法制的膜，起分離作用的僅是接觸空氣 的極薄一層，稱為表面致密層。它的厚度約0.25 1m，相當(dāng)于總厚度的1/100左右。理論研究表明可 知，膜的透過速率與膜的厚度成反比。而用ls法 制備表面層小于0.1m的膜極為困難。

57、為此，發(fā)展 了復(fù)合制膜工藝，其方框圖如圖3所示。,圖 復(fù)合制膜工藝流程框圖,1.8 膜的保存,分離膜的保存對其性能極為重要。主要應(yīng)防止 微生物、水解、冷凍對膜的破壞和膜的收縮變形。 微生物的破壞主要發(fā)生在醋酸纖維素膜； 而水解和冷凍破壞則對任何膜都可能發(fā)生。溫度、ph值不適當(dāng)和水中游離氧的存在均會造成膜的水解。冷凍會使膜膨脹而破壞膜的結(jié)構(gòu)。,膜的收縮主要發(fā)生在濕態(tài)保存時的失水。收縮變形使膜孔徑大幅度下降，孔徑分布不均勻，嚴(yán)重時還會造成膜的破裂。當(dāng)膜與高濃度溶液接觸時，由于膜中水分急劇地向溶液中擴(kuò)散而失水，也會造成膜的變形收縮。,2 膜分離裝置,將膜、固定膜的支撐材料、間隔物或管式外殼等組裝成的

58、一個單元稱為膜組件。膜組件的結(jié)構(gòu)及型式取決于膜的形狀,工業(yè)上應(yīng)用的膜組件主要有中空纖維式、管式、螺旋卷式、板框式等四種型式。管式和中空纖維式組件也可以分為內(nèi)壓式和外壓式兩種。,膜組件(membrane module),(1)、板框式(plate-and-frame)膜組件 板框式是最早使用的一種膜組件。其設(shè)計類似于常規(guī)的板框過濾裝置, 膜被放置在可墊有濾紙的多孔的支撐板上,兩塊多孔的支撐板疊壓在一起形成的料液流道空間,組成一個膜單元,單元與單元之間可并聯(lián)或串聯(lián)連接。不同的板框式設(shè)計的主要差別在于料液流道的結(jié)構(gòu)上。,(2)、管式(tubular)膜組件 管式膜組件有外壓式和內(nèi)壓式兩種。對內(nèi)壓式膜

59、組件,膜被直接澆鑄在多孔的不銹鋼管內(nèi)或用玻璃纖維增強(qiáng)的塑料管內(nèi)。加壓的料液流從管內(nèi)流過,透過膜的滲透溶液在管外側(cè)被收集。對外壓式膜組件,膜則被澆鑄在多孔支撐管外側(cè)面。加壓的料液流從管外側(cè)流過,滲透溶液則由管外側(cè)滲透通過膜進(jìn)入多孔支撐管內(nèi)。無論是內(nèi)壓式還是外壓式,都可以根據(jù)需要設(shè)計成串聯(lián)或并聯(lián)裝置。,(3)、螺旋卷式(spiral wound)膜組件 目前,螺旋卷式膜組件被廣泛地應(yīng)用于多種膜分離過程。 膜、料液通道網(wǎng)、以及多孔的膜支撐體等通過適當(dāng)?shù)姆绞奖唤M合在一起,然后將其裝人能承受壓力的外殼中制成膜組件。通過改變料液和過濾液流動通道的形式,這類膜組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可被設(shè)計成多種不同的形式。,(4

60、)、中空纖維(hollow fiber)膜組件 中空纖維膜組件的最大特點(diǎn)是單位裝填膜面積比所有其他組件大, 最高可達(dá)到30000m2/m3。中空纖維膜組件也分為外壓式和內(nèi)壓式。將大量的中空纖維安裝在一個管狀容器內(nèi),中空纖維的一端以環(huán)氧樹脂與管外殼壁固封制成膜組件。料液從中空纖維組件的一端流人, 沿纖維外側(cè)平行于纖維束流動,透過液則滲透通過中空纖維壁進(jìn)入內(nèi)腔,然后從纖維在環(huán)氧樹脂的固封頭的開端引出,原液則從膜組件的另一端流出。,各種膜組件的傳質(zhì)特性和綜合性能的比較分別見下表。,3 濃差極化、污染現(xiàn)象和控制,濃 差 極 化 定 義,在膜分離操作中，所有溶質(zhì)均被透過液傳送到膜表面上，不能完全透過膜的