生物工程设备 萃取和色谱分离1.ppt

第九章萃取与色谱分离设备,萃取与色谱分离设备,萃取分离原理及设备溶剂萃取双水相萃取萃取操作过程及设备离子交换分离原理及设备离子交换树脂及其分离原理离子交换设备及计算,吸附分离原理及设备吸附分离原理吸附操作及设备色谱分离原理及设备色谱分离原理色谱分离操作条件及设备色谱分离过程的放大,生化下游加工过程可分为4个阶段：1）发酵液的预处理和固液分离2）产物提取3）产物精制4）成品加工,第一节萃取分离原理和设备溶剂萃取操作是将一种溶剂加入料液中，使溶剂和料液充分混合，则欲分离的物质能较多的溶解在溶剂中，并与剩余料液分层，从而达到分离的目的萃取分离的实质是利用欲分离组分在溶剂中与原料液中溶解度的差异来实现,萃取分离原理及设备,静置分层,振荡萃取,含Ni2+水溶液（水相）氨性缓冲液（pH9）丁二酮肟萃取剂加入CHCl3有机相,萃取过程,1混合-澄清式萃取,混合-澄清式萃取器(Mixer-settler,最常用的液液萃取设备),2多级错流接触萃取,多级错流接触过程,3多级逆流接触萃取,将多个混合-澄清器单元串联起来,分别在左右两端的混合器中连续通入料液和萃取液,使料液和萃取液逆流接触,即构成多级逆流接触萃取.,逆流型多级萃取方式,4液滴逆流分配法,利用混合物中各成分在两液相间分配系数的差别，由流动相形成液滴，通过作为固定相的液体柱而达到分离纯化的目的。其装置示意图见2-7,影响萃取操作的因素主要有萃取剂，此外包括乳化，盐析，带溶剂等,。萃取剂的选择要求萃取能力强，分离程度高。一般相似相溶。的范围一方面影响选择性，另一方面又影响分配系数其次还应选择在产物稳定的范围内。温度的确定）防止温度过高造成生物铲平的不稳定）适度提高温度以提高分配系数。盐析，带溶剂，去乳化的作用,二双水相萃取,双水相系统(aqueoustwo-phasesysten,ATPS),PEG=聚已二醇(polyethyleneglycol),Kpi=磷酸钾,DX=葡聚糖(dextran),1、Pro如何分布2、影响因素3、应用,萃取分离原理及设备,双水相萃取(aqueoustwo-phasepartitioning，ATPP)双水相萃取原理双水相萃取原理：基于物质在双水相体系中的选择性分配。双水相体系：某些有机物之间或有机物与无机盐之间，在水中以适当的浓度溶解后形成互不相溶的两相或多相水相体系。常用生物分离的双水相体系：PEGDextran系列和PEG无机盐系列。双水相体系在生物分离的应用：用于蛋白质、酶、核酸、菌体、细胞、细胞器以及氨基酸、抗生素等生物小分子物质的分离、纯化。,双水相萃取(ATPP)双水相萃取方法,萃取分离原理及设备,两级双水相萃取酶的流程,萃取操作过程及设备,萃取分离原理及设备,液-液萃取设备应包括三部分：混合部分、分离部分和溶剂回收设备,混合设备混合罐,喷射式混合器,萃取操作过程及设备,萃取分离原理及设备,分离设备,管式离心机,碟式离心机,萃取操作过程及设备,萃取分离原理及设备,离心萃取机,萃取操作过程及设备,萃取分离原理及设备,离心萃取机,多级离心萃取机,Luwesta三级离心萃取机,立式连续逆流离心萃取机,-LavalABE-216离心萃取机,萃取操作过程及设备,萃取分离原理及设备,离心萃取机,ABE-216离心萃取机轻重液走向示意图,三相倾析式离心机结构,倾析式离心萃取机,萃取操作过程及设备,萃取分离原理及设备,离心萃取机,三.超临界流体萃取的基本原理,超临界流体萃取的原理主要是根据超临界流体对物质有很强的溶解能力，且改变温度或压力即可改变流体的密度、粘度和扩散系数，流体对物质的溶解特性也随之改变，因此，可将不同性质的成分分段萃取或分步析出，达到萃取分离的目的。,超临界流体萃取的基本流程,南通市华安超临界萃取有限公司,北京超流萃取技术研究所,美晨集团股份有限公司,北京天安嘉华超临界科技发展有限公司,云南亚太致兴生物工程研究所,1.德国伍德公司,美国SupercriticalProcessingInc,P-3,E-5,压缩机,萃取釜,制冷MVC-760L,二氧化碳循环泵,超临界萃取技术的应用,四.离子交换分离原理及设备,离子交换树脂及其分离原理离子交换树脂的分类及合成离子交换树脂的理化性能离子交换机理及选择性离子交换装置及再生离子交换设备及计算离子交换设备的结构离子交换设备的计算,离子交换树脂的分类,依据活性基团分类,阳离子交换树脂,阴离子交换树脂,螯合树脂,两性交换树脂,强酸型,弱酸型,交换基为酸性，H+与阳离子交换,SO3H,COOH,OH,pH2,pH6,使用pH范围,pH10,交换基为碱性，阴离子发生交换,强碱型,弱碱型,N+(CH3)3Cl-,N+H3OH-,N+H2ROH-,N+HR2OH-,pH12,pH4,含有特殊螯合基团的树脂,电子交换树脂，含有氧化还原功能基团,交换反应,阳离子交换树脂,阴离子交换树脂,水合作用,螯合交换树脂,离子交换树脂的性能参数,交联度,交换容量,表征骨架性能的参数,表征活性基团的性能参数,是指交联剂在反应物中所占的质量分数,交联度大，,树脂孔隙，交换反应速度，选择性,小,慢,高,交联度小，,树脂孔隙，交换反应速度，选择性。,大,快,低,氨基酸的分离，交联度8%，多肽的分离24%,每克干树脂所能交换的物质的量（mmol)。,决定于网状结构中活性基团的数目。,交换容量由实验测得,请设计一个测定强碱型阴离子交换树脂容量的方法。,离子交换亲合力,离子交换树脂与电解质溶液接触时发生离子交换反应,K选择性系数，也叫分离因素,可以推导得,衡量树脂对离子的亲和力的大小的参数,离子交换机理及选择性,离子交换机理,B+,A+,薄膜,离子交换过程包括5步：1.A+自溶液扩散到树脂表面；2.A+从树脂表面扩散到树脂内部的活性中心；3.A+在活性中心发生交换反应；4.解吸离子B+自树脂内部的活性中心扩散到树脂表面；5.B+从树脂表面扩散到溶液；,Sampleapplicationandwash,Elution,Equilibration,Regeneration,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,离子交换机理及选择性,离子交换机理,强酸型阳离子交换树脂分离示例,Cl-,K+,Na+,Ag+的分离,K：亲和力,H+Na+K+150,01020ml,Maximumnumberofpeaksingelfiltrationca15,Remember:wearenotpurifyingpeaks,butproteins&peptides!,离子交换色谱法,主要用于分离分析离子或可离解化合物，可用于分离分析氨基酸、核酸和蛋白质等能同时分析多种离子，特别对于阴离子的分离分析，在各种仪器分析方法中堪称首选方法,离子色谱仪,离子色谱仪器,淋洗液,泵,色谱柱,检测器,泵液,分离,检测,记录,进样阀,抑制器,检测池,进样,离子色谱连续抑制装置图,抑制器的作用,废液,阴离子抑制器,抑制器的作用,淋洗液(Na2CO3),分析柱,HF,HCI,H2SO4inH2CO3,NaF,NaCl,Na2SO4inNa2CO3,废液,H2O,不经过抑制,对离子,S,时间,S,时间,经过抑制,废液,H2O,H+,Na+,12943,样品F,CI,SO42,-,-,-,F,SO42,CI,-,-,-,F,SO42,CI,-,-,-,负极,正极,OH-,实验室层析和大规模层析的分别,实验室,大规模生产,分辨率越多峰越好要求纯度种类提高分辨率纯度定性增加增加样品量产量(生产力)(峰越少越好)上样速度不注重最大样品处理速度次/h生产力=g/ml胶/h,线性放大,固定以下条件：1.相同线行流速2.相同缓冲液3.相同填料4.相同柱高5.相同样品浓度和pH6.相同样品体积和柱床体积比例7.相同梯度体积和柱床体积比例放大：1.柱直径2.体积流速3.上样体积,3。色谱分离过程的放大即在生产率和纯度维持不变的情况下增加生产能力,解决办法：增加分离柱中的溶液流量。要维持产品纯度不变则需要分离柱中各组分的浓度分布不发生明显的变化。一般情况下各组分在分离柱中的浓度分布接近于高斯分布，其浓度曲线表达式为：或者：当出现最大洗脱浓度时可改成：式中：co-洗脱出现峰值时的最大浓度C-洗脱任一时间的浓度To-洗脱达到最大浓度所需要的时间T-洗脱时间-标准偏差,可见浓度c是co，V/Vo,及3个参数的函数，前两者容易保持恒定，最大浓度co取决于进口浓度,在固定床色谱中，标准方差可以由下式表示：式中：w-液体表观流速L-分离床层高度A固定相比表面积，对于球形填充颗粒，若床层孔隙率为，则：K-速度系数d-颗粒直径可见，标准方差是流速w,床层厚度L，颗粒比表面积A，速度系数K的函数。若吸附为颗粒内部的扩散反应所控制，则K和w无关若控制在流体与颗粒的表面扩散间则：,此时：K随w的增加而增加，随颗粒的直径增加而减小对于颗粒的内部扩散和反应所控制时：,由外部扩散控制时：上面两式可写成等式：式中的参数分别表示实验条件下和放大后的标准偏差，液体速度，颗粒直径及床层高度可见，增加分离柱颗粒直径d会使增大，改变分离高峰若固定d不变，增加w，L并使w/L保持不变，则流体阻力将会显著增加采用短而粗的分离柱，可增大流量可通过增加流通横截面来实现放大,SOURCE30RPC,FineLINE200L,400-foldscaleup,10mmdiametercolumn,Column:SOURCE30RPC,a)10 x300mm(23.6ml)b)FineLINE200L,100 x300mm(9.4l)Sample:MixtureofAngiotensinII,ribonucleaseandinsulinSampleload:0.064mg/mlmediumEluentA:0.1%TFA/0.05MNaClEluentB:0.1%TFA/60%n-propanolFlowrate:150cm/ha)2ml/minb)785ml/minGradient:20-70%B,5columnvolumes,切实可行的可放大性,KTAexplorer10,BioProcess,23.6-mlcolumn,9.4-litrecolumn,切实可行的可放大性,大型层析柱,多种大小,材料可供选择,柱床体积高达千多升也可以订做经济型INdEX和层叠柱制药用BPG和CHROMAFLOW柱极高标准的BPSS柱专为SOURCE填料设计的FineLINE柱,CHROMAFLOW自动装卸层析柱,装卸柱到清洗都无需打开柱头安全,重复性高节省人力,Chromaflow自动装卸填料生产柱示范录