生化分離技術(shù)義

1、生物分離工程課程教學大綱 （2008 年 ）一、目的生物分離工程是生物化學 、物理化學 、微生物學 、食品工程原理或化 工原理或化工單元操作 、化工熱力學等課程的延續(xù)和深化課程，為生物工程專業(yè)、 生化工程專業(yè)本科生開設的一門技術(shù)基礎課程。 其目的是使學生系統(tǒng)地學習物質(zhì)分離和提純 過程中的概念、原理、技術(shù)及工藝，了解各種分離技術(shù)及其應用，提高學生的科研能力及水 平。二、要求該課程采取課堂講授與課堂討論相結(jié)合、 講授與自學相結(jié)合的教學方式。 要求學生大量 閱讀參考教材、 查閱有關(guān)各種分離新技術(shù)的文獻； 在掌握分離技術(shù)的共同特征、 分類及發(fā)展 動向的基礎上，熟悉并掌握各種分離新技術(shù)及其應用。三、課程

2、主要內(nèi)容緒論（ 2 學時）第一部分 萃取分離技術(shù)（ 8 學時） 第一章 溶劑萃取1.1 萃取過程的理論基礎1.2 萃取方式的理論計算第二章 雙水相萃取（ Two-aqueous phase extraction）2.1 雙水相體系2.2 雙水相萃取過程的理論基礎2.3 物質(zhì)分配平衡的因素2.4 雙水相萃取技術(shù)的應用2.5 水相萃取技術(shù)的進展 第三章 反膠束萃取3.1 反膠束溶液形成的條件和特征3.2 反膠束萃取蛋白質(zhì)的基本原理3.3 影響反膠束萃取蛋白質(zhì)的主要因素3.4 反膠束萃取蛋白質(zhì)的應用 第四章 凝膠萃取4.1 凝膠萃取分離過程4.2 凝膠萃取的理論基礎4.3 凝膠萃取的應用 第五章 超

3、臨界流體萃取5.1 超臨界流體的性質(zhì)5.2 超臨界流體萃取的熱力學基礎5.3 超臨界流體萃取過程5.4 超臨界流體萃取的應用第二部分 吸附分離、離子交換分離及色層分離技術(shù)（ 8 學時）I. 吸附分離和離子交換分離第一章 概述1 / 211.1 吸附分離過程、解吸方法及應用1.2 吸附劑1.3 吸附劑基礎性能的測試 第二章 吸附平衡2.1 吸附平衡和吸附平衡關(guān)系式2.2 吸附熱力學第三章 不等溫（變溫）吸附分離3.1 氣體的凈制和回收3.2 吸附干燥劑和吸濕平衡3.3 固定床吸附操作的計算3.4 不等溫吸附操作的計算第四章 變壓吸附分離4.1 變壓吸附分離的應用和發(fā)展4.2 變壓吸附的操作過程和

4、循環(huán)4.3 變壓吸附干燥凈制和空氣分離4.4 變壓吸附分離操作的數(shù)學模型 第五章 離子交換分離技術(shù)5.1 離子交換劑5.2 離子交換平衡及交換動力學II 色層分離技術(shù)第一章 色層分離的一般原理1.1 色層分離技術(shù)的分類1.2 分配平衡1.3 色層分離效率第二章 離子交換色層分離技術(shù)2.1 離子交換色層分離技術(shù)概述2.2 離子交換色層分離第三章 萃取色層分離技術(shù)3.1 萃取色層分離技術(shù)概述3.2 萃取色層分離與溶劑萃取分離的關(guān)系3.3 萃取色層分離過程第四章 凝膠色層分離技術(shù)4.1 凝膠色層分離技術(shù)概述4.2 凝膠和溶劑4.3 凝膠色層分離技術(shù)的應用第五章 吸附色層分離技術(shù)5.1 吸附色層分離技

5、術(shù)概述5.2 吸附劑和溶劑5.3 吸附色層分離技術(shù)的應用第六章 親合色層分離技術(shù)6.1 親合色層分離技術(shù)概述6.2 載體、配基和偶聯(lián)6.3 吸附和解吸6.4 親合色層分離技術(shù)的應用2 / 21 第三部分 膜分離技術(shù)（ 10 學時） 第一章 概述1.1 膜分離技術(shù)發(fā)展的歷史1.2 膜的概念（定義） 、分類、膜材料及膜組件1.3 膜分離技術(shù)的類型及定義 第二章 反滲透2.1 基本概念2.2 反滲透過程的基本流程2.3 反滲透膜 第三章 超濾膜、微濾及納米膜過濾3.1 基本原理3.2 超濾膜、微濾膜及納米過濾膜 第四章 電滲析4.1 電滲析的基本原理4.2 離子交換膜4.3 電滲析過程的極化和結(jié)垢問

6、題4.4 電滲析的應用 第五章 親和膜分離及親和膜過濾5.1 親和膜分離5.2 親和 -膜過濾 第六章 滲透蒸發(fā)6.1 原理和特點6.2 滲透蒸發(fā)膜及膜材料的選擇6.3 應用 第七章 其他膜分離過程7.1 膜蒸餾7.2 膜萃取 第八章 液態(tài)膜分離技術(shù)8.1 液態(tài)膜及其分類8.2 液態(tài)膜分離的機理8.3 液態(tài)膜材料的選擇與液態(tài)膜分離的操作過程8.4 應用第四部分 其它現(xiàn)代分離技術(shù)（ 4 學時） 第一章 包結(jié)分離技術(shù)1.1 包結(jié)分離的基本原理1.2 包結(jié)分離技術(shù)的應用 第二章 結(jié)晶分離技術(shù)2.1 結(jié)晶分離的基本原理2.2 結(jié)晶分離過程2.3 結(jié)晶分離技術(shù)的應用 第三章 分子蒸餾分離技術(shù)3.1 分子

7、蒸餾的原理和模型3.2 分子蒸餾的應用四、課程教材3 / 211 孫彥 . 生物分離工程 . 北京：化學工業(yè)出版社2 嚴希康 . 生化分離技術(shù) . 上海：華東理工大學出版社， 19963 J.D.Seader, Ernest J.Henley. Separation Process Principles（ 分離過程原理 ） . 北京：化學 工業(yè)出版社五、主要參考書：1 E.克雷耳著 . 陳甘棠譯 . 實驗室蒸餾指南中間工廠蒸餾的導論 . 北京: 化學工業(yè)出 版社， 19862 葉振華 . 化工吸附分離過程 . 中國百化出版社， 19873 朱長樂等 . 化學工程手冊（ 18） . 薄膜過程 .

8、 北京：化學工業(yè)出版社， 19874 高明恒等 . 膜分離技術(shù)基礎 . 北京：科學出版社， 19895 葉振華 . 吸著分離過程基礎工業(yè) . 北京：化學工業(yè)出版社， 19896 美C.賈德森 .金. 分離過程 . 北京：化學工業(yè)出版社， 19907 史繼芬 . 多級分離過程 . 北京：化學工業(yè)出版社， 19918 吳俊生等 . 分離工程 . 上海：華東化工學院出版社， 19929 蔣維鈞 . 新型傳質(zhì)分離技術(shù) . 北京：化學工業(yè)出版社， 199210 劉茉娥等 . 新型分離技術(shù)基礎 . 杭州：浙江大學出版社， 199311 劉國詮 . 生物工程下游技術(shù) . 北京：化學工業(yè)出版社， 199312

9、 王學松 . 膜分離技術(shù)及其應用 . 北京：科學出版社， 199413 陸九芳等 . 分離過程化學 . 北京：清華大學出版社， 199414 高孔榮等 . 食品分離技術(shù) . 廣州：華南理工大學出版社， 199815 King C J. Separation Process. 2nd ed. New York:Mc Graw-Hill,198016 D M Ruthven, Principles of Adsorption and Adsorption Processes, New York:John Wiley and sons, 198617 King C J. Separation & P

10、urification-Critical Needs Opportunities. WashingtonD C:National Academy Press,1987Processing forNew York:MarcelBioseparation.18 Belter P A,Cussler E L,Hu W. Bioseparation-Downstream Biotechnology. New York:John Wiley,198819 F L Slejko , Adsorption Technology, New York:Marcel Dekker, 199020 Asenjo J

11、uan A. Separation Processes in Biotechnology. Dekker,199021 Weather L R. Engineerin Processes for London:Butterworth-Heineman,1994第一章 緒論1.1 生物技術(shù)和生物分離技術(shù) 生物技術(shù)：有機體的操作和應用有機體生產(chǎn)有用物質(zhì)、改善人類生存環(huán)境的技術(shù)。 生物加工過程（ bioprocess） ,包括選育、基因工程、細胞工程、生物反應過程。 生物分離過程，包括提取、濃縮、純化、成品化過程。1.2 生物分離的一般過程1. 一般過程 動、植物組織、體液等胞外產(chǎn)物提取胞外產(chǎn)物提取

12、發(fā)酵液 預處理 分離 破碎 碎片分離 初步純化 精制 制成品4 / 21培養(yǎng)液加熱沉淀勻化離心沉淀分子篩無菌過濾酶反應調(diào) pH離心超聲萃取吸附離子交換超濾絮凝過濾胞溶過濾萃取親和凍干錯流過濾研磨錯流過濾超濾吸附噴干憎水 結(jié)晶電泳2. 幾個概念1）生物分離工程的定義：為提取生物產(chǎn)品時所需的原理、方法、技術(shù)及相關(guān)硬件設備的總 稱，指從發(fā)酵液、動植物細胞培養(yǎng)液、酶反應液和動植物組織細胞與體液等中提取、分離純 化、富集生物產(chǎn)品的過程 （Downstream Processing） 生物技術(shù)下游工程2）Downstream （下游）與上游相對的概念，一般而言，上游指基因克隆、細胞培養(yǎng)等目的 產(chǎn)物表達工序

13、， 下游指從表達有目的產(chǎn)物的復雜的混合液中分離純化得到符合要求的目的產(chǎn) 物的一系列步驟。美、日、歐等發(fā)達國家生物技術(shù)產(chǎn)品工業(yè)化的實踐證明：生物技術(shù)產(chǎn)品的 產(chǎn)業(yè)化高度依賴于基因工程下游工序技術(shù)及設備的進步。3）單元操作：完成一道工序所需的一種方法和手段。1.3 歷史沿革1、古代：釀酒、醬油、醋、干酪等（蒸餾或過濾） ；2、1860 起：發(fā)現(xiàn)微生物導致發(fā)酵，工業(yè)生產(chǎn)酒精、丙酮、丁醇（壓濾、蒸餾、精餾）3、1940 起：青霉素、鏈霉素等抗生素、氨基酸、有機酸、酶制劑、單細胞蛋白。提出單元 操作概念，引入下游加工過程。4、1970 起：基因工程、酶工程、細胞工程等發(fā)展，現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品的要求。1.4

14、生化產(chǎn)品的類型1. 按用途分類食品類保健品類醫(yī)用類產(chǎn)品（1998 年，719 種）抗生素 112 種農(nóng)業(yè)用產(chǎn)品（1998 年，36 種）生物試劑類（1998 年，975 種）2. 按分子量大小分類Mass 1000D ：酶、抗原、抗體、多肽、蛋白質(zhì)類3. 按發(fā)酵時目的產(chǎn)物所在的位置分類cell 內(nèi)：胰島素、白細胞介素、干擾素、重組蛋白質(zhì)cell 外：抗生素（青霉素、紅霉素） 、胞外酶（ -淀粉酶）等1.5 生化產(chǎn)品的特點1. 應用面廣。 醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)保、動植物生長調(diào)節(jié)、食品和試劑等2. 種類繁多。分子量 X0 X,000,000 ，結(jié)構(gòu)功能復雜，生物活性各異。3. 目的產(chǎn)物在初始物料中的含量低

15、。 青霉素（4.2%）、慶大霉素（0.2%）、干擾素（50ug/ml ）。4. 產(chǎn)品價格與產(chǎn)物濃度呈反比 :5. 初始物料成分復雜。 除少量產(chǎn)物外， 還有大量的細胞及碎片、 其他代謝物 （幾百上千種） 、 培養(yǎng)基成分、無機鹽等。6. 生物活性物質(zhì)的穩(wěn)定性低。易變質(zhì)、易失活、易變性，對溫度、 pH 值、重金屬離子、有 機溶劑、剪切力、表面張力等非常敏感。5 / 217. 產(chǎn)品的質(zhì)量要求高，尤其是藥品等。成品青霉素對其強致敏原 - 青霉噻唑蛋白必須控 制 RIA 值（放射免疫測定）小于 100（1.5*10-6 ），蛋白類藥物（雜質(zhì) 1，則目標產(chǎn)物得到富積； 2)、如 mT = mX，則目標產(chǎn)物未

16、得到分離純化。2) 分離因子 (separative factor) ，或分離系數(shù) (separative coefficient)意義： A、目標產(chǎn)物濃度 ，雜質(zhì)濃度 ，則分離因子大，分離效率 ；B、 = 1 時，則未分 離。故在分離為主要目的時 ,3) 回收率 (recovery) ：4) 純化因子 (purification factor) 對于具有生物活性的蛋白質(zhì)或酶， 常常用分離前后目標產(chǎn)物的比活2. A in U/mg 之比表示目標產(chǎn)物的分離純化程度，1.12 生物分離技術(shù)的發(fā)展趨勢 存在的問題：研發(fā)費用高、成本高、周期長 生物工程發(fā)展的瓶頸 如何解決？1) 、加強基礎理論研究A、

17、研究非理想溶液中溶質(zhì)與添加物料之間的選擇性機制、影響因素1.B、研究界面的結(jié)構(gòu)、動力學和傳質(zhì)機制，以及影響因素2.C、下游加工過程的數(shù)學模型的建立和計算機模擬。難2) 、完善老技術(shù)：正確對待 “新 ”、“老”分離技術(shù)8 / 21第二章 細胞分離與破碎2.1 固液分離的分類1、過濾 (重力過濾器、壓濾器、真空過濾器 )2、離心3、重力沉降4、氣懸浮2.2 發(fā)酵液的組成懸浮液：指固體顆粒在 0.1 m 以上的固液分散體系。生物細胞培養(yǎng)液基本上也是懸浮液。 培養(yǎng)液的組成：水 70-80% +固體細胞及碎片 20-30%( 對微生物發(fā)酵 )+ 少量的代謝成物 +細胞破裂后的內(nèi)容物 + 殘存的培養(yǎng)基成分

18、2.3 培養(yǎng)液的基本特征A 、細胞成分及碎片大小不一，顆粒大小，分離成本 。B、固液密度相近，黏度高：沉降和離心分離困難C、固體成分可壓縮可變形+ 高黏度：過濾困難，黏附在濾布，錯流過濾形成凝膠層D、動植物細胞抗剪切力差：錯流膜過濾和離心等不適E、流變性復雜，非牛頓型流體，青霉素發(fā)酵液為卡森型流體，120h 鏈霉素發(fā)酵液為擬塑性流體，灰色鏈絲菌發(fā)酵液為塑性流體。2.4 懸浮液的預處理 預處理的目的 :改變發(fā)酵液的物理性質(zhì) (黏度、顆粒 、顆粒穩(wěn)定性等 )，固液分離速度 ，分離器分離效 率；目標產(chǎn)物轉(zhuǎn)移其中一相 (多數(shù)為液相 )；去雜質(zhì)預處理方法 加熱：最簡單和最廉價的處理方法。 黏度、促凝聚、

19、 固體成分體積、破壞凝膠結(jié)構(gòu)、增 加空隙率、去蛋白調(diào) pH 值：方法簡單有效、成本低廉；凝聚：在凝聚劑 (如鋁鹽、鐵鹽、石灰和 NaCl)作用下 , 細胞蛋白質(zhì)等 (準 )膠體去穩(wěn)定，并聚 集成 1mm 大小的凝聚塊的過程。凝聚劑種類： A、無機鹽類， 如硫酸鋁、 明礬、硫酸鐵、 硫酸亞鐵、 FeCl3、AlCl3 、ZnCl 、 硫酸鎂等； B、無機堿，如 Al(OH)3 、 Fe(OH)3 、Ca(OH)2 、CaO等； C、聚合無機鹽，如聚 合鋁、聚合鐵。機理： A 、破壞雙電層， B 、水解后膠體吸附， C、氫鍵結(jié)合等。絮凝： 在 絮凝劑高分子聚合電解質(zhì)的作用下， 膠體顆粒和聚合電解質(zhì)

20、交連成網(wǎng)， 形成 10 mm 大小的絮凝團過程。絮凝劑種類： A 、陽離子類，如聚丙烯酰胺 (+)、聚苯烯酸二烷基胺乙酯、聚二烯丙基四 胺； B、陰離子類，如聚丙烯酸納、聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酰胺(-)； C、非離子類，如聚丙烯酰胺 (0)、環(huán)氧化乙烯。機理： 絮凝劑主要起中和電荷、橋架和網(wǎng)絡作用9 / 21 惰性助濾劑： 一種顆粒均勻、質(zhì)地堅硬的粒狀物質(zhì)，用于擴大過濾表面的適應范圍，減輕細 小顆粒的快速擠壓變形和過濾介質(zhì)的堵塞。使用方法： A 、預涂層； B、按一定比率混合。助濾劑種類： 硅藻土、膨脹珍珠巖、石棉、纖維素、未活化的炭、爐渣、重質(zhì)碳酸鈣， 及它們的混合物等。用量標準： A 、單位

21、質(zhì)量助濾劑所產(chǎn)生的最大濾液產(chǎn)量 （最常用 ）；B、或最長周期； C、 或最快流速； D、或濾餅的最大空間利用度。2.5 過濾基礎理論Darcy 定理、 Kozeny s 方程、比阻定義、 Ruths 方程、恒壓過濾方程2.6 常用新型過濾器2.7 過濾器的選擇2.8 中試設計的路線2.9 細胞的破碎和分離物理法化學法固體剪切法 （珠磨法 ）酶溶法液體剪切法化學降解法（酸堿法）撞擊法表面活性劑法超聲法有機溶劑膨脹法滲透法萃取法見生化分離技術(shù)第二章第三節(jié)內(nèi)容3.3 細胞破碎技術(shù)1）、固體剪切法 （珠磨法 , c最有效的物理破碎法 ）2）、液體剪切法 （最常用的方法之一 ）3） 撞擊破碎法 操作：細

22、胞噴霧高速凍結(jié)300 m/s 氮氣流優(yōu)點：A 、細胞破碎僅發(fā)生在撞擊的一瞬間，破碎程度均勻，避免反復和過度破碎；B、破碎的程度可無級調(diào)節(jié)，避免細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，特別適合于細胞器的回收；C、實驗室和工業(yè)規(guī)模均可應用， 細胞濃度在 10-20% ，實驗室規(guī)模的間歇處理能力在 50-500 mL/h ，工業(yè)規(guī)模的連續(xù)處理在 10,000 mL/h 以上。4）超聲破碎法 （15 25kHz）機理： 在超聲作用下產(chǎn)生的空穴化作用 （cavitation） ，空穴的形成和閉合產(chǎn)生極大的沖擊波 和剪切力。優(yōu)點：適合于多種細胞的破碎缺點： A、影響因素多，如振幅、黏度、表面張力、液體體積和流速、探頭材料和形

23、狀；B、超聲產(chǎn)生超氧離子毒害作用； C、有效能量的利用率低； D、產(chǎn)熱大， 需控溫； E、不易放大， 僅應用于實驗室規(guī)模的細胞破碎。5） 化學破碎法10 / 21 酶溶法、酸堿法、有機溶劑胞溶法、表面活性劑法 酶溶法：利用酶分解細胞壁上特出的化學鍵，使細胞壁破碎。 優(yōu)點：A 、產(chǎn)品釋放的選擇性；B、提取速度和收效高；C、產(chǎn)品的破壞小；D、對外界環(huán)境，如 pH 和溫度等要求低；E、不殘留細胞碎片。 物理破碎法缺點： A 、高能、高溫、高噪音、高剪切力 （四高 ），易使產(chǎn)品變性失活； B 、非專一性，胞內(nèi)產(chǎn)物均釋放，分離純化困難；C、細胞碎片大小不一，難分離?；瘜W破碎法缺點：A 、費用高；B、引起

24、新的污染，尤其是其他化學方法； C、一般只有有限的破碎，常需與其他物理法連用。3.5 破碎方法的選擇選擇的一般原則A 、提取產(chǎn)物在細胞質(zhì)內(nèi)，用機械法破碎B、提取產(chǎn)物在細胞膜附近，用化學法C、提取產(chǎn)物與細胞膜和細胞壁結(jié)合，可采用化學法和機械法結(jié)合的方法 破碎技術(shù)雜交研究應注意的問題A 、雜交技術(shù)可產(chǎn)生很大優(yōu)勢。如B 、破碎技術(shù)對下游分離技術(shù)的影響。破碎顆粒清除，產(chǎn)物的分離純化C、在發(fā)酵階段，考慮到發(fā)酵過程和環(huán)境對破碎難易程度的影響D 、菌種的培育，胞內(nèi)產(chǎn)物胞外產(chǎn)物第三章 離心分離Questions1 過濾技術(shù)難處理的發(fā)酵液如何處理2 液液分離，并含少量固體顆粒3 細胞器的分離4 大分子物質(zhì)分子量

25、的測定5 DNA 半保留復制3.1 概論3.2 離心分離原理3.3 離心技術(shù)分類用途分類1）、分析性：超速離心機2）、制備性： A 、實驗室用； B、工業(yè)用 工業(yè)應用分類1）、管式離心機2）、多室離心機（管式離心機的變形）3）、碟式離心機：、人工排渣式 , 、噴嘴排渣式 , 、活塞排渣式11 / 214) 、螺旋卸料沉降離心機5) 、離心過濾6) 、三足式離心機3.4 管式離心機3.5 多室離心機(管式離心機的變形)3.6 碟式離心機3.7 螺旋卸料沉降離心機3.8 離心過濾3.9 離心設備的選擇3.10 超速離心技術(shù) -DNA 半保留復制 第四章 膜分離技術(shù) 問題：A、100 多年以后，淡水

26、資源枯竭；B、現(xiàn)存的問題是：北方嚴重缺水 解決之道A 、節(jié)約用水 B、南水北調(diào) C、海水淡化 Questions: A 、海水如何淡化 ?B、30 萬人 /年腎衰病人；約 1/6 腎移植，生命如何延長 ?4.1 概論 優(yōu)點 : 1)、能耗低。膜分離不涉及相變，對能量要求低，與蒸餾、結(jié)晶和蒸發(fā)相比有較大的差異； 2)、分離條件溫和，對于熱敏感物質(zhì)的分離很重要；3) 、操作方便，結(jié)構(gòu)緊湊、維修成本低、易于自動化。缺點 1)、膜面易發(fā)生污染，膜分離性能降低，故需采用與工藝相適應的膜面清洗方法； 2)、穩(wěn)定性、耐藥性、耐熱性、耐溶劑能力有限，故使用范圍有限；3) 、單獨的膜分離技術(shù)功能有限，需與氣他分

27、離技術(shù)連用。4.2 膜分離技術(shù)的類型 以推動力的過程分類 以濃度差為推動力的過程： A、透析技術(shù) (Dialysis, DS) 以電場力為推動力的過程： A 、電透析， B、離子交換電透析 以靜壓力差為推動力的過程： A 、微濾 (microfiltration) ，B、超濾 (untrafiltration) ，C、反滲透 (reverse osmosis) 以蒸氣壓差為推動力的過程： A 、膜蒸餾， B、滲透蒸餾 以分離應用領域過程分類 微濾 (micro-filtration, MF) 超濾 (untra-filtration, UF) 反滲透 (reverse osmosis, RO)

28、 透析 (Dialysis, DS) 電透析 (electro-dialysis, ED)12 / 21納米膜分離 (Selective, RO) 親和過濾 (affinity filtration, AF) 滲透氣化 (pervaporation, PV)4.3微濾 (MF)4.4超濾 (UF)4.5反滲透 (RO)4.6透析 (DS)4.7電透析 (ED ， IEED)4.8膜材料的要求4.9膜材料的種類4.10 膜結(jié)構(gòu)特征4.11超濾膜的分子截留作用4.12膜組件4.3微濾：原理操作用途4.4超濾原理：操作。應用： A、高分子溶質(zhì)之間，以及高分子與小分子溶質(zhì)之間的分離；B、Pro 濃縮，

29、C、病毒的分離和富積， C、回收細胞，處理膠體懸浮液。計算： Carman-Kozeny 方程 ( 見上 ) 。優(yōu)點： A 、消除了濾餅的阻力，過濾效率高； B、超濾回收率高； C、濾液的質(zhì)量好；D、減少處理步驟4.5 反滲透 (RO)意義：A 、膜的選擇性。B、壓力的選擇性。壓力越高，透過液中溶質(zhì)的濃度越低。因此，提高反滲透的壓力有利于 實現(xiàn)溶質(zhì)的高度濃縮，或提高海水淡化質(zhì)量。應用：A 、海水淡化，B、超純水制備，C、抗生素和氨基酸等濃縮，D、回收有機溶劑，如乙醇、丁醇和丙醇等。4.6 透析 (DS)原理：濃差擴散操作：用途：A、B、人工腎，腹膜透析； 樣品脫電解質(zhì)；C、濃縮富積；13 /

30、21D、氣體分離 （利用透析袋對不同氣體的通透性 ） 優(yōu)點：A、方法和設備簡單，價格低廉；B、實驗室最常用的樣品脫鹽方法 缺點：A、透析的速度緩慢；B、溶質(zhì)稀釋。4.7 電透析 （ED ， IEED） 電透析 （Electro-dialysis, ED） 原理 ：在透析的基礎上加上直流電，極大加快離子的透析速度。操作用途優(yōu)點樣品快速脫鹽。A、設備簡單，B、透析速度極快（提高幾十倍）C、電流直接指示電透析終點， D、減輕溶質(zhì)的稀釋。終點判斷：A 、 Cl- + Ag+ = AgCl ; B、電導恒定 .5.7 離子交換電透析 （IEED）機理： 透析膜經(jīng)化學處理后帶有正電荷 操作： 幾百對（如季

31、銨基 N+R3）或負電荷基團如 （磺酸基 SO-3）。4.8 膜材料的要求 生物分離過程中，對膜料要有如下要求：A 、起過濾作用的有效膜厚度小，超濾和微濾的孔隙率高，過濾阻力?。?B、不吸附被分離物質(zhì)，從而膜不易污染和堵塞；C、使用的 pH 和溫度范圍廣，耐高溫滅菌，耐酸堿清洗，穩(wěn)定性高D、使用壽命長：經(jīng)濟；D 、易通過清洗恢復透過性能；E、適應性廣：滿足實現(xiàn)分離的各種要求，如對菌體細胞的截留，對生物大分子的通透性或 截留作用。4.9 膜材料的種類 無機材料種類：陶瓷、微孔玻璃、不銹鋼和碳素等。目前實用化有孔徑 0.1um 微濾膜和截留 10kD的超濾膜，其中以陶瓷材料的微濾膜最常用。多孔陶瓷

32、膜主要利用氧化鋁、硅膠、氧化鋯和 鈦等陶瓷微粒燒結(jié)而成，膜厚方向上不對稱優(yōu)點： 機械強度高、耐高溫、耐化學試劑和有機溶劑。缺點： 不易加工，造價高。14 / 21復合材料種類： 如將含水金屬氧化物 (氧化鋯) 等膠體微?；蚓郾┧岬瘸恋碓谔沾晒艿亩嗫战橘|(zhì)表 面形成膜，其中沉淀層起篩分作用。優(yōu)點： 此膜的通透性大，通過改變 pH 值容易形成和除去沉淀層，清洗容易。缺點： 穩(wěn)定性差。4.10 膜結(jié)構(gòu)特征孔道結(jié)構(gòu)核孔微濾膜 (nuclepore membrane) 孔形整齊，孔道直通，呈圓柱形，孔徑分布范圍小。在分離性能、通透性和耐污染方面 優(yōu)于一般的微孔濾膜，但造價較高。對稱膜 (symmetri

33、c membrane)膜截面的膜厚度上孔道結(jié)構(gòu)均勻。 早期的膜多為對稱膜。 缺點：傳質(zhì)阻力大， 通透性低， 且容易污染阻塞，清洗困難。不對稱膜 (asymmetric membrane)膜在厚度上的孔道結(jié)構(gòu)不均勻， 不對稱膜主要由起膜分離作用的表面活性層 (0.2-0.5um) 和起支撐作用的惰性層 (50-100um) 構(gòu)成。惰性層孔徑很大，對通過流體阻力很小。由于不對 稱膜起膜分離作用的表面活性層很薄，孔徑微細，因此透通量大，膜孔不易阻塞，易沖洗。 目前的超濾膜和反滲透膜多為不對稱膜。 一般而言， 超濾膜多為指狀結(jié)構(gòu)， 反滲透膜多為海 綿狀結(jié)構(gòu)，微濾膜以對稱結(jié)構(gòu)為主，新型無機陶瓷膜多為不對

34、稱膜。第五章 萃取1 分 類 按參與溶質(zhì)分配的兩相不同而分為液 - 液萃取 (liquid-liquid extraction)液 - 固萃取 (liquid-solid extraction) 固相萃取 (solid phase extraction, SPE) 雙水相萃取 (two water phase extraction) 超臨界流體萃取 (supercritical fluid extraction)15 / 21按原理不同分為傳統(tǒng)萃取技術(shù)溶劑液 -液萃取 液 - 固萃取固相萃取雙水相萃取液膜萃取 (liquid membrane extraction)反膠團萃取 (reverse

35、d micellar extraction) 超臨界萃取2 優(yōu)點1 萃取過程具有選擇性2 能與其他純化方法相配合3 通過相轉(zhuǎn)移，減少目標產(chǎn)物的降解4 規(guī)模放大極為容易5 傳質(zhì)快、生產(chǎn)周期短6 便于連續(xù)操作、易于計算機控制7 無相變、能耗低、成本低8 方法成熟、易于設計3 操作的一般過程萃取 (Extraction) ：利用溶質(zhì)在互不相溶的兩相之間分配系數(shù)的不同而使溶質(zhì)得到純化或濃縮 的方法稱為萃取。萃取劑 (extractant)、輕相 (light phase) 、萃取相 (solvent phase)、萃余相、重相 (heavy phase)。 液液萃?。阂砸后w為萃取劑，當含有目標產(chǎn)物的原

36、料也為液體時，則為液液萃取。 液固萃取或浸取( Leaching )：含有目標產(chǎn)物的原料為固體，則為液固萃取。 萃取速率可用下式表示：c: 料液相溶質(zhì)濃度 (mol/l), 與萃取相中的溶質(zhì)濃度呈相平衡的料液相溶濃度 (mol/l), t: 時間 (s), k: 傳質(zhì)系數(shù) (m/s), a: 以料液相體積為基準的相間接觸比表面積 (m-1)3 操作的一般過程 反萃取 (Back extraction) ：當萃取操作后， 為進一步純化目標產(chǎn)物或便于下步分離操作， 往往需要將目標產(chǎn)物轉(zhuǎn)移 到水相。這種調(diào)節(jié)水相條件，將目標產(chǎn)物從有機相轉(zhuǎn)入水相的萃取操作稱為反萃取。洗滌操作 (washing proc

37、essing) ：對于一個完整的萃取過程，常在萃取和反萃取之間增加洗滌 操作萃取 洗滌 反萃取物 反應。例如，用乙 化學萃?。?分配。萃取劑與溶 化三辛基甲銨， 稀釋劑青霉素。萃取劑與溶質(zhì)之間不發(fā)生化學之間的化學反應，包括離子交換和絡合反應等。如用萃萃取劑季銨鹽(氯質(zhì)，此時的有機溶劑稱為稀釋劑。分配定律 (distribution law)溶質(zhì)在兩相中的平衡濃度之在恒溫恒壓下， 溶質(zhì)在互不相溶的兩相中達到分配平衡時， 比為常數(shù)適應條件：相同分子形態(tài)（相對分子質(zhì)量相同）存在于兩相中的溶質(zhì)濃度之比。不適合 于化學萃取，因溶質(zhì)在各相中并非以同一種分子形態(tài)存在。分配系數(shù) （distribution c

38、oefficient） 或分配比溶質(zhì)在兩相中的總濃度之比適應條件：高低濃度 線性平衡：適應條件：低濃度 Langmuir 型平衡適應條件：高低濃度a, b 和 n 為常數(shù)5 弱電解質(zhì)的分配平衡6 化學萃取 化學萃取目的由于氨基酸 aa 和一些極性較大的抗生素的水溶性很強，在有機相中的分配系數(shù)很小甚 至為零，利用一般的物理萃取效率很低，甚至無法萃取。這種情況可用化學萃取解決。應用1）、堿性 aa 的萃?。?Arg2）、酸性 aa 的萃?。?Phe3）、aa 之間的萃取分離4）、鏈霉素萃取 在中性條件下，鏈霉素與月桂酸 CH3（CH2）10COOH 可形成易溶于丁醇、 乙酸丁酯和異辛醇的復合物。反

39、萃?。捍藦秃衔镌谒嵝?（pH5.5-5.7） 條件下可分解。因此用酸性水溶液進行反萃取，使復合 物分解，鏈霉素重新溶于水相中。5）、檸檬酸萃取 檸檬酸在酸性條件下與磷酸三丁酸反應生成中性絡合物， 該各性絡合物易 溶于有機相。然后，反萃取。6）、 青霉素 萃取青霉素為有機酸， 可與四丁胺、 正十二烷胺等脂肪堿通過離子鍵結(jié)合而容易溶于氯仿中。 因此，對于在一定 pH 下容易物理分配于有機相中的目標產(chǎn)物（如青霉素 ），可通過加入萃取劑，增大其在不同的 pH 的水相中對有機相的分配系數(shù)，使其在穩(wěn)定性高的 pH 下進行萃取 操作。7 有機溶劑或稀釋劑的選擇 選擇原則： 根據(jù)相似相溶的原理 （最重要參數(shù)：

40、介電常數(shù)，極性 ），選擇與目標產(chǎn)物性質(zhì)相近 的萃取劑，可以得到較大分配系數(shù)。此外，有機溶劑還應滿足以下要求：1）、價廉易得；2）、與水相不互溶；3）、與水相有較大的密度差，并且粘度小，表面張力適中，相分散和相分離較容易；4）、容易回收和再利用；5）、毒性低，腐蝕性小，閃點低，使用安全；6）、不與目標產(chǎn)物發(fā)生反應。17 / 21 常用于抗生素類萃取劑有： 丁醇等醇類、 乙酸乙酯、 乙酸丁酯和乙酸戊酯等乙酸酯類以及甲 異丁基甲酮（ methyl isobutyl ketone ）等?；瘜W萃取 aa 的稀釋劑主要有 : 煤油、乙烷、異辛烷、正十二烷等。8 乳化現(xiàn)象乳化 ：水或有機溶劑以微小液滴形式分

41、散于有機相或水相中的現(xiàn)象。 常常發(fā)生在實際發(fā)酵產(chǎn) 物的萃取操作中。 產(chǎn)生乳化后使有機相和水相分層困難， 出現(xiàn)兩種夾帶： 發(fā)酵液中夾帶有 機溶劑微滴，使目標產(chǎn)物受到損失；有機溶劑中夾帶發(fā)酵液給后處理操作帶來困難。產(chǎn)生原因： 是發(fā)酵液中存在的蛋白質(zhì)和固體顆粒等物質(zhì)，這些物質(zhì)具有表面活劑性的作用， 使有機溶劑和水的表面張力降低，水易于以微小液滴的形式分散于油相稱為油包水型 W/O 乳濁液；相反，為 O/W 型乳濁液。乳化處理1）、在操作前，對發(fā)酵液進行過濾或絮凝沉淀處理，可除去大部分蛋白質(zhì)及固體微粒，防止 乳化現(xiàn)象的發(fā)生。2）、乳化產(chǎn)生后，采取適當?shù)钠迫槭侄巍 如果乳化現(xiàn)象不嚴重，可采用過濾或離心

42、沉降的方法。B 對于 O/W 型乳濁液， 加入親油性表面活性劑， 可使乳濁液從 O/W 型轉(zhuǎn)變成 W/O 型， 但 由于溶液條件不允許 W/O 型乳濁液的形成，即乳濁液不能存在，從而達到破壞的目的。C 相反，對于 W/O 型乳濁液，加入親水性表面活性劑，如SDS 可達到破乳的目的。第六章 吸附與離子交換1 概述吸附 （adsorption） ：溶質(zhì)從液相或氣相轉(zhuǎn)移到固相的現(xiàn)象。吸附機制：固體表面分子 （或原子 ）處于特殊的狀態(tài)。固體內(nèi)部分子所受的力是對稱的，故彼 此處于平衡。 但在界面分子的力場是不飽和的， 即存在一種固體的表面力， 它能從外界吸附 分子、原子、或離子，并在吸附表面上形成多分子層或單分子層。吸附作用 : 物質(zhì)從氣體或液體濃縮到固體表面從而實現(xiàn)分離的過程吸附劑 : 在表面上能發(fā)生吸附作用的固體吸附物 : 被吸附的物質(zhì) 吸附法的特點： ?常用于從稀溶液中將溶質(zhì)分離出來，由于受固體吸附