發(fā)酵產(chǎn)物分離原理與技術(shù)

發(fā)酵產(chǎn)物分離原理與技術(shù)第1頁/共66頁

第一節(jié)沉淀法沉淀是物理環(huán)境的變化引起溶質(zhì)的溶解度降低、生成固體凝聚物的現(xiàn)象。

沉淀措施因產(chǎn)品性質(zhì)不同而不同。加酸、堿、鹽、有機溶劑、其它物質(zhì)。第2頁/共66頁根據(jù)所加入沉淀劑的不同，沉淀法可分為：鹽析等電點有機溶劑＝＝＝＝考第3頁/共66頁一、等電點沉淀法利用兩性電解質(zhì)在等電點的溶解度最低和不同電解質(zhì)有不同等電點的特性，將兩性電解質(zhì)分離的方法。通過加酸或堿調(diào)pH＝pI，蛋白質(zhì)分子的凈電荷為零，分子聚集在一起。注意：pH過低，容易引起目標(biāo)蛋白質(zhì)變性。第4頁/共66頁二、鹽析沉淀法1.鹽與蛋白質(zhì)溶解度的關(guān)系：(1)鹽溶：[鹽]低時，S隨[鹽]增加而增加；(2)鹽析：[鹽]高時，S隨[鹽]增加而降低；第5頁/共66頁溶解度與鹽濃度的關(guān)系可用下式表示：

logS=β－KS·I

S：蛋白質(zhì)的溶解度；

I：離子強度；

β：常數(shù)，與蛋白質(zhì)種類有關(guān)，與鹽的種類無關(guān)；

KS：鹽析常數(shù)，與鹽種類有關(guān)，與溫度和pH無關(guān)；第6頁/共66頁2.機理蛋白膠體穩(wěn)定的原因是蛋白質(zhì)顆粒周圍水化膜和電荷的存在。加入鹽，中和表面電荷、破壞水化膜。3.影響鹽析的因素(1)鹽種類：影響KS，KS越大，效果越好(2)鹽析劑用量(3)溫度和pH：影響β值而影響S。尤其是影響相對溶解度(4)雜質(zhì)第7頁/共66頁4.注意事項①[鹽]因被提取物種類不同而不同；②雜質(zhì)對鹽析有影響；③鹽析時的pH≈pI（？）；④鹽析產(chǎn)品還需進一步純化（？）；第8頁/共66頁三、有機溶劑沉淀法利用某些物質(zhì)在有機溶劑中的溶解度不同而使其分離的方法。1.原理：有機溶劑能降低溶液的介電常數(shù)，使溶質(zhì)分子間因引力而凝集；或破壞水膜(降低水活度)而溶解度降低；或破壞蛋白質(zhì)的某種鍵，改變其空間結(jié)構(gòu)而使疏水基團暴露而析出。優(yōu)點：溶劑易除；缺點：易使蛋白質(zhì)變性；

第9頁/共66頁2.影響有機溶劑沉淀的因素:①溶劑的種類和數(shù)量：丙酮>乙醇>甲醇②沉淀的溫度：溫度越低沉淀越完全。第10頁/共66頁第二節(jié)吸附法在發(fā)酵工業(yè)的下游加工過程中，吸附法應(yīng)用于發(fā)酵產(chǎn)品的除雜、脫色、有毒物質(zhì)和抗生素的提純精制。第11頁/共66頁一、吸附法的原理吸附法是利用吸附劑與雜質(zhì)、色素物質(zhì)、有毒物質(zhì)、產(chǎn)品之間分子引力的差異，從而起到分離的作用。二、吸附的目的將產(chǎn)品吸附濃縮于吸附劑上；將雜質(zhì)、色素等需要從發(fā)酵液中去除的物質(zhì)吸附于吸附劑上。第12頁/共66頁三、吸附法的優(yōu)缺點優(yōu)點：可不用或少用有機溶劑；操作簡便、安全、設(shè)備簡單；生產(chǎn)過程中pH變化小，適用于穩(wěn)定性較差的生化物質(zhì)。缺點：吸附法選擇性差、收率不高。無機吸附劑性能不穩(wěn)定，不能連續(xù)操作，勞動強度大。炭粉等吸附劑影響環(huán)境衛(wèi)生。凝膠類吸附劑、大網(wǎng)格聚合物吸附劑第13頁/共66頁四、吸附的類型物理吸附：吸附劑和吸附物通過分子力(范德華力)產(chǎn)生的吸附?；瘜W(xué)吸附：化學(xué)吸附是由于吸附劑在吸附物之間的電子轉(zhuǎn)移，通過化學(xué)鍵作用而產(chǎn)生的，屬于庫侖力范圍。離子交換吸附：吸附劑表面如為極性分子或離子所組成則它會吸引溶液中帶相反電荷的離子而形成雙電層。這種吸附又稱為極性吸附。第14頁/共66頁第15頁/共66頁五、吸附劑的基本要求吸附劑要求顆粒密度小，表面積大，但孔隙也不能太多，否則被吸附物質(zhì)不易被洗脫。吸附劑的顆粒大小要均勻。吸附劑的吸附能力要大，但不能影響洗脫。第16頁/共66頁

六、吸附劑的類型

工業(yè)用吸附劑主要有三類型:1、疏水或非極性吸附劑適合于從極性溶媒(水)中吸附溶質(zhì)。代表是活性碳，有疏水性。在極性液中，吸附力：溶質(zhì)>溶媒，有環(huán)>無環(huán)。第17頁/共66頁2、親水或極性吸附劑適用于從非極性或小極性溶媒中吸附溶質(zhì)。

代表：硅膠，氧化鋁，活性土（鋁硅酸），有酸性、堿性、中性之分。堿性物質(zhì)→→酸性吸附劑，反之亦然。第18頁/共66頁3、離子交換樹脂吸附劑屬極性吸附劑，與極性吸附劑不同的是，還具有離子交換的性能。注意：①根據(jù)提煉的性質(zhì)選擇恰當(dāng)?shù)念愋?。②活性炭的選擇性差。第19頁/共66頁七、影響吸附過程的因素1、吸附劑的性質(zhì)吸附劑的理化性質(zhì)對吸附的影響很大。吸附劑的性質(zhì)與其原料、合成方法和再生條件有關(guān)。一般要求吸附容量大、吸附速度快和機械強度好。吸附劑的吸附容量除其它外界條件外，主要與比表面積有關(guān)。比表面大，空隙度高，吸附容量就越大。吸附速度主要與顆粒度和孔徑分布有關(guān)，顆粒度越小，吸附速度就越快，但壓力損失要增大?？讖竭m當(dāng)，有利于吸附物向空隙中擴散。吸附劑的機械強度則影響其使用壽命。第20頁/共66頁2、吸附物的性質(zhì)有下列一些規(guī)則可用來預(yù)測吸附的相對量。能使表面張力降低的物質(zhì)，易為表面吸附；溶質(zhì)從較易溶解的溶劑中吸附時，吸附量較少。極性吸附劑易吸附極性物質(zhì)，非極性吸附劑易吸附非極性物質(zhì)。對于同系列物質(zhì)，吸附量的變化是有規(guī)則的。如按極性減小的次序排列，次序越在后面的物質(zhì)，極性越低，因而越易為非極性吸附劑所吸附而越難為極性吸附劑所吸附。第21頁/共66頁3、溶液pH值的影響

pH值影響某些化合物的離解度。4、溫度的影響吸附熱越大，則溫度對吸附的影響越大。5、其它組分的影響當(dāng)從含有兩種以上組分的溶液中吸附時，根據(jù)溶質(zhì)的性質(zhì)可以互相促進，干擾或互不干擾。一般說來，對混合物的吸附較純物質(zhì)的吸附為差。第22頁/共66頁第三節(jié)離子交換法離子交換作用：是指一個溶液中的某一種離子與一個固體中的另一種具有相同電荷的離子互相調(diào)換位置，即溶液中的離子跑到固體上去，把固體上的離子替換下來。這里溶液稱流動相，而固體稱固定相。用于蛋白質(zhì)、氨基酸、核酸、酶、抗生素的分離。第23頁/共66頁一、基本原理離子交換劑通常是一種不溶性高分子化合物，它的分子中含有可解離的基團，這些基因在水溶液中能與溶液中的其它陽離子或陰離子起交換作用。交換反應(yīng)都是平衡反應(yīng)，但在層析柱上進行時，由于連續(xù)添加新的交換溶液，平衡不斷按正方向進行，所以可以把離子交換劑上的原子離子全部洗脫下來，同時溶液中的離子全部被交換并吸附在樹脂上。如果有兩種以上的成分被交換吸著在離子交換劑上，用洗脫液洗脫時，其被洗脫的能力則決定于各自洗脫反應(yīng)的平衡常數(shù)。離子交換過程有兩個階段──吸附和解吸附。吸附在離子交換劑上的物質(zhì)可以通過改變pH使吸附的物質(zhì)失去電荷而達到解離但更多的是通過增加離子強度，使加入的離子與被吸附物質(zhì)競爭離子交換劑上的電荷位置，使被吸附物質(zhì)與離子交換劑解開。不同物質(zhì)與離子交換劑之間形成電鍵數(shù)目不同，即親和力大小有差異，因此只要選擇適當(dāng)?shù)南疵摋l件便可將混合物中的組分逐個洗脫下來，達到分離純化的目的。第24頁/共66頁二、離子交換的類型按組分：(有機、無機)離子交換劑。按性能：(陽、陰、兩性、吸附型、選擇型、氧化還原型)離子交換劑。（1）陽離子交換劑強酸型:(-R-SO3H)中性:弱酸性:第25頁/共66頁（2）陰離子交換劑都含有氨基強：季胺鹽[-N+(CH3)3];弱：叔-N(CH3)2,、仲(-NHCH3)、伯(-NH2)。（3）兩性離子交換劑交換劑本體上同時帶有酸性和堿性基團。第26頁/共66頁三、離子交換樹脂的理化性能1、對離子交換樹脂的一般要求：（1）容量大。（活性基團/重量）。多含活性基團；基團能完全電離。（2）良好的可逆性。（3）適宜的機械強度。（4）化學(xué)穩(wěn)定性。第27頁/共66頁2、離子交換樹脂的處理、再生、轉(zhuǎn)型、保存（1）處理：樹脂浸泡→酸處理→堿處理液→水洗（2）再生：使用過的樹脂恢復(fù)到原狀況的方法（往往只作簡單轉(zhuǎn)型處理）。（3）轉(zhuǎn)型：使樹脂上帶上使用時希望的離子。

第28頁/共66頁如：Na型：用氫氧化鈉；H型：用鹽酸處理；NH4+型：用氨水處理；（4）保存：中性鹽保存陰離子交換樹脂，Cl－型較OH－穩(wěn)定。陽離子交換樹脂。Na＋型穩(wěn)定。第29頁/共66頁3、交換樹脂的理化特性（1）顆粒度：顆粒小，交換速度快，壓力損失較大。（2）含水量：一般40-60%。第30頁/共66頁（3）比重：①干真密度：干燥狀態(tài)下樹脂材料本身的比重。干真密度＝樹脂的干燥質(zhì)量/減去樹脂內(nèi)空隙的真體積②濕真密度：充分膨脹后樹脂顆粒本身的比重。濕真密度＝樹脂濕重/樹脂顆粒所占體積③視密度：指樹脂充分吸水膨脹后的堆積密度。視密度＝樹脂濕重/樹脂層的體積（4）膨脹性：因可交換離子不同而不同。第31頁/共66頁（5）耐磨損強度：樹脂在使用過程中會產(chǎn)生磨損。（6）耐熱性：有一定的耐熱性能，溫度過高或過低，對強度和容量都會有影響。一般：陽離子比陰離子樹脂的耐熱性高，其中鹽型比游離型的耐熱性高。第32頁/共66頁（7）交換容量：指樹脂交換能力的大小，是衡量樹脂性能的重要指標(biāo)。兩種表示方法：①理論(全)交換量：樹脂的特性決定。②工作(操作)交換量：受操作條件、柱長度、粒度、離子性質(zhì)、濃度、流速、交換基團等因素的影響。一般:弱酸（堿）>強酸（堿）樹脂交聯(lián)度越小，交換容量越大第33頁/共66頁四、影響離子交換速度的主要因素（1）樹脂顆粒的大小顆粒越小，單位體積樹脂的表面積愈大，有利于離子間的接觸，交換速度愈快。（2）樹脂的交聯(lián)度在一定條件下，降低樹脂交聯(lián)度，能提高交換速度。第34頁/共66頁（3）溶液中離子的濃度當(dāng)溶液中離子的濃度在一定范圍內(nèi)增加時，能加快交換速度，相反亦然。（4）溫度提高溫度能使固相或液相的擴散系數(shù)增大，交換速度增加。（5）離子大小交換小離子的速度較快，交換大離子的速度較慢。第35頁/共66頁（6）離子價吸附速度：離子價小的離子>離子價大的離子（7）酸堿的強弱交換速度：強酸(堿)性樹脂>弱酸(堿)性樹脂

——與活性基團的解離程度有關(guān)。（8）樹脂層裝填的松緊度裝填疏松有利擴散，交換速度相應(yīng)也有所提高。第36頁/共66頁五、離子交換操作方式1、分批法：交換在一容器中進行。2、固定床法：也稱柱過濾法交換在動態(tài)下進行。第37頁/共66頁為什么分批法不如固定床法好呢？用分批法，因為交換受到平衡的限制，樹脂的飽和度不高。而固定床法，樹脂的飽和度高（當(dāng)然同樣存在平衡限制的情況），因為液體在流動的過程中，平衡狀態(tài)因新的溶液的流入而逐漸被打破，使離子交換速度加快。第38頁/共66頁第四節(jié)萃取法溶劑萃取法是20世紀(jì)40年代興起的一項化工分離技術(shù)，它是用一種溶劑將產(chǎn)物自另一種溶劑(如水)中提取出來，達到濃縮和提純的目的。溶劑萃取法比化學(xué)沉淀法分離程度高，比離子交換法選擇性好，傳質(zhì)快，比蒸餾法能耗低且生產(chǎn)能力大，周期短，便于連續(xù)操作、容易實現(xiàn)自動化等。第39頁/共66頁新型的萃取技術(shù)超臨界萃取反膠團萃取雙水相萃取液膜萃?。剑剑剑降?0頁/共66頁一、萃取的原理利用物質(zhì)在兩種成相的溶劑中溶解度的不同，使所需的目的物質(zhì)從一種溶劑中轉(zhuǎn)移到另一種溶劑中，從而達到分離純化的目的。溶劑萃取法是以分配定律為基礎(chǔ)的。在萃取中，被提取的溶液稱為料液，其中欲提取的物質(zhì)稱為溶質(zhì)。第41頁/共66頁分配定律：在恒溫恒壓的條件下，一種物質(zhì)在兩種成相的溶劑（A與B，或上相與下相）的分配濃度之比是一常數(shù)，該常數(shù)稱為分配系數(shù)K。第42頁/共66頁（一）超臨界流體萃取1、原理臨界溫度(Tc)：當(dāng)氣體的溫度高于某一數(shù)值時，任何壓縮都不能使它變?yōu)橐后w。臨界壓力（Pc）：在臨界溫度下，氣體能被液化的最低壓力。超臨界狀態(tài)：當(dāng)物質(zhì)所處的溫度高于臨界溫度、壓力大于臨界壓力時第43頁/共66頁超臨界流體：在臨界點(指在臨界溫度Tc和臨界壓力Pc狀態(tài))附近，可以觀察到一些有意義的現(xiàn)象：壓力和溫度的微小變化都會引起氣體密度的很大變化。隨著向超臨界氣體加壓，氣體密度增大達到液態(tài)性質(zhì)，這種狀態(tài)的流體稱為超臨界流體。其性質(zhì)介于氣體和液體之間。物理性質(zhì)氣體（常溫、常壓）超臨界流體液體(常溫、常壓)Tc，PcTc，4Pc密度（g/cm3）粘度（10-5Pa.s）擴散系數(shù)（10-4m-2/s）0.006-0.0021-30.1-0.40.2-0.51-30.7×10-30.4-0.93-90.2×10-30.6-1.620-300(0.2-2)×10-5氣體、液體與超臨界流體特性比較第44頁/共66頁超臨界萃?。菏褂贸R界流體作為溶劑的萃取方法，就稱為超臨界萃取。超臨界流體的密度為氣體的數(shù)百倍，而其流動性和粘度仍接近于氣體，擴散系數(shù)大約為氣體的1％，而較液體的擴散系數(shù)大數(shù)百倍。因此，物質(zhì)移動成分配時，均比其在液體溶劑中要快。將溫度或壓力適宜變化時，可使其溶解度在I00~1000倍的范圍內(nèi)變化。一股來講，超臨界流體的密度越大，其溶解度就越大，反之亦然。也就是說，超臨界流體中物質(zhì)的溶解度在恒溫下隨壓力P(P＞Pc時)升高而增大，而在恒壓下，其溶解度隨溫度（T＞Tc時）增高而下降，這一特性有利于從物質(zhì)中萃取某些易溶解的成分，而超臨界流體的高流動性和擴散能力，則有助于所溶解的各成分之間的分離，并能加速溶解平衡，提高萃取效率。第45頁/共66頁二氧化碳的特點二氧化碳在常溫(31.1℃)時可以達到超臨界狀態(tài)，可以實現(xiàn)低溫生產(chǎn)工藝；臨界壓力為7386.6kPa(72.9atm)，易于達到；因為沒有加入空氣中的氧，不會因氧化而使制品變質(zhì)；二氧化碳是惰性氣體，沒有引燃性、爆炸性和比學(xué)反應(yīng)性；二氧化碳無毒，無色、無味，不會污染制品，也沒有任何排放的問題。超臨界二氧化碳的高擴散性、低粘性，使其具有傳質(zhì)快和萃取速度高的優(yōu)點；能選擇性地萃取特定成分；資源充足，價格低廉，能從萃取物中揮發(fā)掉。第46頁/共66頁2，超臨界流體萃取的特點第47頁/共66頁二、反膠團萃取反相膠團是表面活性劑分子溶于非極性溶劑中自發(fā)形成的聚集體,其中表面活性劑的極性頭朝內(nèi)而非極性頭朝外與有機溶劑接觸。膠團內(nèi)可溶解少量水而形成微型水池。反膠團溶液是宏觀上透明均一的熱力學(xué)穩(wěn)定體系。第48頁/共66頁1、反膠團的萃取原理蛋白質(zhì)進入反膠團溶液是一協(xié)同過程。在有機溶劑相和水相兩宏觀相界面間的表面活性劑層同鄰近的蛋白質(zhì)分子發(fā)生靜電吸引而變形，接著兩界面形成含有蛋白質(zhì)的反膠團，然后擴散到有機相中,從而實現(xiàn)了蛋白質(zhì)的萃取。改變水相條件(如pH值、離子種類或離子強度)，又可使蛋白質(zhì)從有機相中返回到水相中，實現(xiàn)反萃取過程。第49頁/共66頁2、反相膠團萃取的優(yōu)點成本低選擇性高操作方便放大容易萃取劑(反膠團相)可循環(huán)利用蛋白質(zhì)不易變性等優(yōu)點。第50頁/共66頁三、雙水相萃取雙水相系統(tǒng)是指某些高聚物之間或高聚物與無機鹽之間在水中以適當(dāng)?shù)臐舛热芙鈺纬苫ゲ幌嗳艿膬伤嗷蚨嗨嘞到y(tǒng)。通過溶質(zhì)在相間的分配系數(shù)的差異而進行萃取的方法即為雙水相萃取。第51頁/共66頁雙水相技術(shù)最早出現(xiàn)于1955年。近幾年來,雙水相技術(shù)在動力學(xué)研究、雙水相親和分離、多級逆流層析、反應(yīng)分離耦合等方面都取得了顯著的成績。到目前為止，雙水相技術(shù)幾乎在所有的生物物質(zhì)的分離純化中得到應(yīng)用

:如氨基酸、多肽、核酸、細(xì)胞器、細(xì)胞膜、各類細(xì)胞、病毒等，特別是成功地應(yīng)用在蛋白質(zhì)的大規(guī)模分離中。第52頁/共66頁典型的雙水相系統(tǒng)第53頁/共66頁雙水相萃取的優(yōu)點易于放大雙水相系統(tǒng)之間的傳質(zhì)過程和平衡過程快速,因此能耗較小,可以實現(xiàn)快速分離。易于進行連續(xù)化操作。相分離過程溫和，生化分子如酶不易受到破壞。選擇性高、收率高。操作條件溫和。第54頁/共66頁第五節(jié)膜分離過程1748年法國學(xué)者AbbeNollet首次提出了膜分離現(xiàn)象，經(jīng)過近二個世紀(jì)的摸索、研究，20世紀(jì)50年代膜分離技術(shù)才逐漸發(fā)展成為一門新興高技術(shù)邊緣學(xué)科。1963年第一個膜滲析器的誕生開創(chuàng)了膜分離技術(shù)的新紀(jì)元，二、三十年來得到了迅猛的發(fā)展，在各個工業(yè)領(lǐng)域及科研中得到大規(guī)模應(yīng)用，出現(xiàn)了各種有價值的微濾、超濾、納米濾和反滲透等分離膜。第55頁/共66頁膜分離技術(shù)的優(yōu)點適用范圍廣；膜分離過程為物理過程，不需加入化學(xué)藥劑；膜分離技術(shù)分離裝置簡單，占地面積小，系統(tǒng)集成容易