生物工程下游技术6.2-液膜分离

1,6.5液膜分离,液膜分离法liquidmembraneseparation，又称液膜萃取法liquidmembraneextraction，一种以液膜为分离介质、以浓度差为推动力的膜分离过程。,2,6.5.1液膜的分类,整体液膜(bulkliquidmembrane)支持液膜(supportedliquidmembrane)乳化液膜(emulsionliquidmembrane),图6-20整体液膜示意图,3,将回收液(内相)同液膜溶液充分乳化制成W/O型乳液；令其分散于原液(外相)中形成W/O/W型多相乳液。,乳化液膜-乳化液膜的形成,4,图6-21W/O/W型乳化液膜,5,膜相是一层很薄的液体，它能把两个互溶但组成不同的溶液隔开，并通过这层液膜实现物质选择性分离。通常被隔开的两个溶液是水溶液(内、外水相)，膜相则是与内外水相都不互溶的油性物质。,乳化液膜的膜相组成,6,膜相主要由下列成员构成：膜溶剂表面活性剂流动载体膜增强剂,7,使用较多的膜溶剂是高分子烷烃、异烷烃类物质，较理想的膜溶剂通常有以下几个特点：能保持操作过程中的稳定性。有一定的粘度，又不溶解于内外水相。良好的溶解性。希望它优先溶解欲提取的物质，而对杂质的溶解越少越好，同时对膜相中的其他组分也有较好的互溶性。膜溶剂与水相应有一定的相对密度差。,膜溶剂,8,是液膜技术中稳定油水分界面的最重要的组分，对液膜的稳定性、渗透速度、分离效率和膜相与内水相分离后的循环使用有直接关系，表面活性剂的选择是个重要问题。一般，若想形成油包水型液膜可选用HLB(hydrophile-lipophilebalance)值为36的表面活性剂；若想形成水包油型液膜，则选用HLB值为818的表面活性剂。,表面活性剂,流动载体合适的载体是液膜分离技术的关键之一。它能对欲提取的物质进行选择性搬运迁移，因此对选择性和膜的通量(或分离速度)起决定性作用。事实上它常常是某种萃取剂。膜增强剂起增加膜的稳定性作用。在液膜的分离操作时要求膜不过早破裂；而在破乳工序中液膜层又容易破碎，以利于膜相与内水相的分离。,10,支撑液膜是由溶解了载体的液膜，在表面张力作用下，依靠聚合凝胶层中的化学反应或带电荷材料的静电作用，含浸在多孔支撑体的微孔内而制得的。,图6-22支撑液膜,支撑液膜,由于液膜含浸在多孔支撑体上，可以承受较大的压力。支撑液膜的性能与支撑体材质、膜厚度及微孔直径的大小关系极为密切。支撑体一般都采用聚丙烯、聚乙烯、聚砜及聚四氟乙烯等疏水性多孔膜，膜厚为2550m，微孔直径为0.021m。通常孔径越小液膜越稳定，但孔径过小将使孔隙率下降，从而将降低透过速度。所以开发透过速度大而性能稳定的膜组件是支撑液膜分离过程达到实用的技术关键。,12,支撑液膜的寿命短污染流失。可以采取以下措施来提高稳定性：开发新的支撑材料。支撑液膜的连续补加膜液。载体与支撑材料的基体进行化学键合。,13,6.5.2乳化液膜的分离机制,单纯扩散迁移液膜中不含流动载体，内、外水相中也无与待分离物质发生化学反应的试剂。,无载体扩散迁移,14,图6-23单纯扩散迁移示意图,溶质透过液膜的速度实际上取决于分配系数K。如分配系数KAKB，A、B的分离程度，可用表示：=(c1A/c1B)(c2A/c2B)=(c1A/c2A)(c1B/c2B)=KA/KB,15,内相化学反应促进迁移可在溶质的接受相(如内相)添加与溶质能发生化学反应的试剂，通过化学反应来促使溶质高效快速迁移。,16,图6-24内相化学反应促进迁移机制,图6-25载体促进传递机制,在膜相中加入“Carrier”，它能选择性地与外相中的待分离物质结合后透过膜相并将它送入内水相。,载体促进传递机制,典型的内水相为无机盐溶液，它提供传递推动力。在整个分离过程中，流动载体并未消耗，被消耗的是内相的试剂。含流动载体的液膜在选择性、渗透性、定向性三个方面与生物膜的功能很相似。载体促进传递机制类似于生物膜的“离子泵”的作用，能将某种离子从低浓度区向高浓度区传递运输。给流动载体提供化学能的形式可以是中和反应、同离子效应、离子交换、络合反应、沉淀反应等。,载体促进扩散传递载体促进并流传递载体促进逆流传递,图6-26(a)载体促进扩散传递,图6-26(b)载体促进并流传递,载体促进传递有三种表现形式,20,6.5.3载体,1.羟基肟(hydroxyoxme；N，O配位)2.8-羟基喹啉(hydroxychinoline；N，O配位)3.磺胺喹啉(sulfonamidochinoline；N，N配位)4.-二酮(Diketone；O，O配位),螯合物类,1.酸性磷酸酯D2EHPA2.酸性膦酸酯3.叔胺TOA，Alamine3364.季铵盐Aliquat336螯合物载体在金属离子分离中用得较多，而在生物物质的分离上较多地使用非螯合物载体。,非螯合物类,22,6.5.4乳化液膜的应用,乳化液膜有以下一些优点:选择性高；较高的浓缩能力；连续运转的可能性；前处理方便或无需前处理；经济性好。,工艺流程一般由三部分组成，即乳化液制备、分离浓缩和解乳化。,图6-27乳化液膜的操作模式图,24,表6-7和表6-8给出了液膜法分离苯丙氨酸的两个乳化液膜系统组成的研究实例。表中载体是D2EHPA和Aliquat336，Telura619和Solvent100是膜溶剂。,氨基酸的分离,25,外相(700ml)膜相(100ml)(V/V)内相(70ml)0.06mol/LPhe10D2EHPA1.6mol/LHCl(硫酸调pH3.0)4Paranox10086Telura619注：Paranox100是一种润滑油多效添加剂，起乳化稳定的作用，下同。,表6-7分离苯丙氨酸的液膜组成(酸性内相),表6-8分离苯丙氨酸的液膜组成(碱性内相)外相(700ml)膜相(100ml)(V/V)内相(70ml)11.5g/LPhe90Solvent100neutral2.0mol/LKClNaOH调pH11.04Paranox100NaOH调pH11.05Decylalcohol1Aliquat336Phe的pI为5.48，所以在表6-7条件下，外相Phe带正电荷，采用带负电荷的D2EHPA作载体；而在表6-8的条件下，苯丙氨酸带负电荷，则用带正电荷的Aliquat336作载体。,27,从工业规模的角度看，对膜相成分有如下的要求：在反应器或萃取器中为保证较高的质量传递速率，需要有一定的搅拌强度，以便使W/O乳化液和原料相之间有一个很大且稳定的接触面积，因而要求W/O乳化小球在这样的搅拌强度下保持稳定。在解乳化工程中破乳容易，内相容易和膜相分开。有一定的抑制外相的水渗入内相的作用。化学性质稳定，价廉且易获得。,28,在氨基酸的分离上，用液膜法对氨基酸进行光学拆分也有较多的研究。所使用的载体多为具有光学活性的皇冠醚类和季铵盐类。图6-28为乳化液膜分离苯丙氨酸的流程。,图6-28苯丙氨酸乳化液膜法分离流程,30,将已形成的并经过分离操作的乳液进行破坏(称之为“破乳”)，从中分出膜相和内相，以分别进行处理。破乳的成功与否关系到乳化液膜的分离成败，它是整个分离操作的关键。破乳的方法通常有：化学法、静电法、离心法与加热法。电破乳法电消耗很少，仅为(1.87.2)103kJ/m3乳化液。,破乳,31,液膜萃取柠檬酸选用的液膜体系为：内相Na2CO3溶液膜相膜溶剂正庚烷，载体Alamine336(叔胺)，表面活性剂Span80外相发酵液,有机酸的液膜分离,32,图6-29TOA为载体的柠檬酸液膜分离机制,33,青霉素可用液膜萃取改造原有工艺。其液膜体系为：内相Na2CO3溶液膜相膜溶剂-煤油，载体-月桂胺，表面活性剂-Span80(5W/W)外相发酵液，用柠檬酸调节pH值至58,抗生素的液膜分离,34,图6-30液膜萃取分离青霉素的机制,在两个界面上发生的反应：A(有机相)P(水相)H+(水相)AHP(有机相),35,如图6-31所示，酶液可作为内相被包入膜相内。底物可穿过膜相向内水相传递。在内水相，底物通过酶催化反应形成产物。其后存在两种情况，即产物向外水相传递和在内水相中蓄积。,酶固定化液膜,36,图6-31酶的乳化液膜固定化,37,表6-9是酶固定化液膜的研究实例。在酶固定化液膜技术中，酶溶液和膜相(有机相)接触时，有时存在酶失活的问题，但在烷烃溶剂和非离子型表面活性剂Span80组合的情况下，失活很小。,38,酶有机相表面活性剂载体催化的反应脲酶高分子异烷烃Span80高分子胺尿素的分解-胰凝乳蛋白酶煤油/环烷烃Span80四级铵盐L-氨基酸分解亮氨酸脱氢酶烷烃Span80四级铵盐L-氨基酸合成酯酶(猪肝)煤油/烷烃Span80四级铵盐前列腺素前体的合成,表6-9酶固定化液膜研究实例,39,一般不能直接用乳化液膜技术来分离蛋白质。但结合反胶团的乳化液膜技术具有萃取分离蛋白质的潜在优势。如图6-32所示，存在于膜相中的反胶团可作为蛋白质的载体，在膜相中往返运送蛋白质。,在蛋白质分离中的应用,40,图6-32结合反胶团的乳化液膜萃取分离蛋白质,41,液膜人工肺液膜人工肝液膜人工肾液膜解毒及缓释药物,在医学上的应用,6.5.5关于液膜过程不利因素的讨论,膜破裂工业应用的难点之一是膜破裂。可能来源于种种原因：搅拌产生的剪切力；过大的内相尺度；粗劣的膜相组成等。膜破裂带来的有害影响主要是内相包含的内容物释放进入外相。另外，内相中的某些试剂随着膜的破裂进入外相后，可能改变外相的条件，严重时使得进一步分离不能进行，破裂也可能造成外相的污染，如前述人工肺的血液的处理上。可以通过膜的合适配方来避免膜破裂。改变膜配方，如增加膜的粘度，增加表面活性剂浓度或改变类型，改变乳化相比都有利于乳化液膜的稳定。,膜膨胀膜膨胀有两种可能的机理表面活性剂水(合)化机理,图6-33表面活性剂水合化的膜膨胀机理,外相水溶液的反胶团传递机理在水活度较高的外相一侧形成反胶团，而在水活度较低的内相一侧反胶团被脱水。,图6-34乳化液膜的反胶团膨胀机理,选择性载体的开发适宜于生物技术产物分离的高度专一性的载体的研究开发还需要进行系统性工作。液膜分离技术发展很快。但总体来说，大都处于实验室