发酵工程发酵产物分离原理与技术课件

1、发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工系第十三章第十三章 发酵产物分离原理与技术发酵产物分离原理与技术发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院发酵产物分离原理与技术发酵产物分离原理与技术第一节第一节 沉淀分离法沉淀分离法第二节第二节 吸附和树脂分离法吸附和树脂分离法第三节第三节 离子交换法和离子交换膜电渗析分离法离子交换法和离子交换膜电渗析分离法第四节第四节 萃取与浸取分离法萃取与浸取分离法第五节第

2、五节 膜分离技术膜分离技术发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院第一节第一节 沉淀分离法沉淀分离法沉淀是物理环境的变化引起溶质的溶解度降低，生成沉淀是物理环境的变化引起溶质的溶解度降低，生成固体凝聚物的现象。固体凝聚物的现象。沉淀法沉淀法方法简单、成本低、使用广泛方法简单、成本低、使用广泛，一般作为初步，一般作为初步分离的手段。分离的手段。沉淀法的分类：沉淀法的分类：等电点沉淀法等电点沉淀法盐析法盐析法有机溶剂沉淀法有机溶剂沉淀法非离子型聚合物沉淀法非离子型聚合物沉淀法聚电解质沉淀法聚电解质沉

3、淀法生成盐复合物沉淀法生成盐复合物沉淀法一一热变性及酸碱变性沉淀法热变性及酸碱变性沉淀法发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院一、等电点沉淀法一、等电点沉淀法原理：原理：利用两性电解质在电中性时溶解度最低；利用两性电解质在电中性时溶解度最低；优点：优点：许多蛋白的等电点都在偏酸范围内，而许许多蛋白的等电点都在偏酸范围内，而许多无机酸的价格低廉，并能为食品标准允许；多无机酸的价格低廉，并能为食品标准允许；缺点：缺点：酸化时易引起蛋白失活。酸化时易引起蛋白失活。 不少蛋白质与金属结合后会发生等电点

4、偏移，如胰不少蛋白质与金属结合后会发生等电点偏移，如胰岛素的等电点为岛素的等电点为5.35.3，在与，在与ZnZn2+2+结合形成胰岛素锌盐，其结合形成胰岛素锌盐，其等电点升为等电点升为6.26.2；故加入金属离子后选择等电点沉淀时，；故加入金属离子后选择等电点沉淀时，要注意调整要注意调整pHpH。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院等电点沉淀法的实例等电点沉淀法的实例从猪胰脏中提取胰蛋白酶原：胰蛋白酶原的从猪胰脏中提取胰蛋白酶原：胰蛋白酶原的pIpI8.98.9，可，可先于先于pH 3.0

5、pH 3.0左右进行等电点沉淀，除去共存的许多酸性蛋左右进行等电点沉淀，除去共存的许多酸性蛋白质白质(pI=3.0)(pI=3.0)。工业生产胰岛素。工业生产胰岛素(pI(pI5.3)5.3)时，先调时，先调pHpH至至8.08.0除去碱性蛋白质，再调除去碱性蛋白质，再调pHpH至至3.03.0除去酸性蛋白质除去酸性蛋白质( (同时同时加入一定浓度的有机溶剂以提高沉淀效果加入一定浓度的有机溶剂以提高沉淀效果) )。碱性磷酸酯酶的碱性磷酸酯酶的pIpI沉淀提取：发酵液调沉淀提取：发酵液调pH4.0pH4.0后出现含碱后出现含碱性磷酸酯酶的沉淀物，离心收集沉淀物。用性磷酸酯酶的沉淀物，离心收集沉淀

6、物。用pH9.0pH9.0的的0.1 0.1 mol/L Tris-HClmol/L Tris-HCl缓冲液重新溶解，加入缓冲液重新溶解，加入202040%40%饱和度的饱和度的硫酸铵分级，离心收集的沉淀硫酸铵分级，离心收集的沉淀Tris-HClTris-HCl缓冲液再次沉淀，缓冲液再次沉淀，即得较纯的碱性磷酸酯酶。即得较纯的碱性磷酸酯酶。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院等电点沉淀法等电点沉淀法等电点沉淀法的适用范围：等电点沉淀法的适用范围：明确明确pIpI的两性物质；的两性物质；疏水性

7、较大的蛋白质。疏水性较大的蛋白质。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院二、盐析法二、盐析法l蛋白质在高离子强度的溶液中溶解度降低，发生蛋白质在高离子强度的溶液中溶解度降低，发生沉淀的现象称为沉淀的现象称为盐析盐析。盐析法的原理盐析法的原理盐析法的影响因素盐析法的影响因素发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院1、盐析法的原理、盐析法的原理原理：原理：盐离子与蛋白质分子争夺水分子，降低了用于溶盐

8、离子与蛋白质分子争夺水分子，降低了用于溶解蛋白质的有效水量，减弱了蛋白质的水合程度，解蛋白质的有效水量，减弱了蛋白质的水合程度，破坏了蛋白表面的水化膜，导致蛋白质溶解度下破坏了蛋白表面的水化膜，导致蛋白质溶解度下降；降；盐离子电荷的中和作用，使蛋白质溶解度下降；盐离子电荷的中和作用，使蛋白质溶解度下降；盐离子引起原本在蛋白质分子周围有序排列的水盐离子引起原本在蛋白质分子周围有序排列的水分子的极化，使水活度降低。分子的极化，使水活度降低。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院盐析原理示意图盐析原

9、理示意图发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院盐析原理盐析原理图图1 碳氧血红蛋白的溶解度与硫酸铵离子强度的关系图碳氧血红蛋白的溶解度与硫酸铵离子强度的关系图 蛋白质的溶解度与盐浓度间的关系可用蛋白质的溶解度与盐浓度间的关系可用CohnCohn方方程式表示：程式表示： logS/SlogS/S0 0 = = KsKsI I logS=-KsIlogS=-KsI S S 离子强度为离子强度为I I时的蛋白溶解度时的蛋白溶解度 (g/L);(g/L); S S0 0 纯溶剂（即纯溶剂（即I = 0

10、I = 0）时蛋白的溶解度；）时蛋白的溶解度； Ks Ks 盐析常数，与温度和盐析常数，与温度和pHpH无关；无关； I I 离子强度离子强度 当温度一定时，当温度一定时，S S0 0对于某一溶质是一常数，即对于某一溶质是一常数，即logSlogS0 0 = = 是溶质的特征常数，对于蛋白质而言，其大小是溶质的特征常数，对于蛋白质而言，其大小主要取决于不同蛋白质的性质，它也与溶液的温度主要取决于不同蛋白质的性质，它也与溶液的温度和和pHpH值有关，但与盐的种类无关。值有关，但与盐的种类无关。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engine

11、ering 李先磊李先磊化学化工学院盐析法原理盐析法原理盐析法分离蛋白质时，可分两类：盐析法分离蛋白质时，可分两类：1 1）在一定的）在一定的pHpH值和温度下，改变离子强度或盐浓度值和温度下，改变离子强度或盐浓度的沉淀方法的沉淀方法“K K”分级盐析法分级盐析法2 2）在一定离子强度下，改变溶液的）在一定离子强度下，改变溶液的pHpH值及温度的沉值及温度的沉淀方法淀方法“ ”分级盐析法分级盐析法发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院2 2、盐析的主要影响因素、盐析的主要影响因素盐溶盐溶(sa

12、lting in)(salting in)： 许多蛋白在低盐浓度下发生盐溶现象许多蛋白在低盐浓度下发生盐溶现象（比在纯水中的溶解度大大增加）；（比在纯水中的溶解度大大增加）； 高盐浓度则盐析，离子强度越大，蛋白质的溶解度越低；高盐浓度则盐析，离子强度越大，蛋白质的溶解度越低； 盐析剂种类很多，不同种类的盐对蛋白溶解度的影响是不同盐析剂种类很多，不同种类的盐对蛋白溶解度的影响是不同的；离子半径小且电荷高的离子对盐析作用的影响较强，离子半的；离子半径小且电荷高的离子对盐析作用的影响较强，离子半径较大而电荷低的离子影响较弱；不同种类的盐对溶解度的影响，径较大而电荷低的离子影响较弱；不同种类的盐对溶解

13、度的影响，主要是对主要是对KsKs值的影响，值的影响，KsKs值越大，该盐的盐析效果越好。值越大，该盐的盐析效果越好。1 1）蛋白质浓度）蛋白质浓度 高浓度的蛋白溶液，可减少盐的用量；但共沉现象严高浓度的蛋白溶液，可减少盐的用量；但共沉现象严重重用低浓度蛋白溶液进行盐析，需用较多的盐，共沉作用用低浓度蛋白溶液进行盐析，需用较多的盐，共沉作用较轻较轻2 2）离子强度和种类）离子强度和种类3 3）温度）温度 温度是影响溶质溶解度的重要因素，升高温度可以增加许温度是影响溶质溶解度的重要因素，升高温度可以增加许多无机盐和小分子有机化合物的溶解度；多无机盐和小分子有机化合物的溶解度； 但在高盐浓度中，蛋

14、白质等生物大分子物质的溶解度随温但在高盐浓度中，蛋白质等生物大分子物质的溶解度随温度的升高反而减小度的升高反而减小 这主要是因为蛋白质分子在水化时要吸热，失水时则放热；这主要是因为蛋白质分子在水化时要吸热，失水时则放热；温度升高有利于蛋白质失水沉淀。温度升高有利于蛋白质失水沉淀。4 4）pHpH 值除与蛋白质和温度有关外，还与值除与蛋白质和温度有关外，还与pHpH有关；有关； 盐析盐析pHpH的选择要以不降低产物的活性为原则；的选择要以不降低产物的活性为原则； 由于蛋白质在等电点时最易沉淀，故可选择等电点的由于蛋白质在等电点时最易沉淀，故可选择等电点的pHpH作为盐析作为盐析pHpH发酵工程发

15、酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院几种蛋白质析出时所需硫酸铵的离几种蛋白质析出时所需硫酸铵的离子的强度子的强度发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院不同盐溶液中碳氧血红蛋白的溶解不同盐溶液中碳氧血红蛋白的溶解度与离子强度的关系度与离子强度的关系 不同盐溶液中碳氧血红蛋白的溶解度与离子强度的关系（不同盐溶液中碳氧血红蛋白的溶解度与离子强度的关系（2525）( ()NaCl; ()NaCl; ()KCl

16、;()KCl;( )MgSO)MgSO4 4;(;() )（NHNH4 4) )2 2SOSO4 4;(;()Na)Na2 2SOSO4 4;(;()K)K2 2SOSO4 4;(;() )柠檬酸三钠柠檬酸三钠发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院温度和温度和pH值的影响值的影响温度对碳氧血红蛋白盐析曲线的影响温度对碳氧血红蛋白盐析曲线的影响pH值对值对的影响的影响发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化

17、学化工学院三、有机溶剂沉淀法三、有机溶剂沉淀法有机溶剂沉淀法的原理有机溶剂沉淀法的原理有机溶剂沉淀法的影响因素有机溶剂沉淀法的影响因素有机溶剂沉淀法的优缺点有机溶剂沉淀法的优缺点有机溶剂沉淀法的注意事项有机溶剂沉淀法的注意事项有机溶剂沉淀法举例有机溶剂沉淀法举例发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院1、有机溶剂沉淀法的原理、有机溶剂沉淀法的原理许多有机溶剂如丙酮、乙醇、甲醇等能使溶于水的小分子许多有机溶剂如丙酮、乙醇、甲醇等能使溶于水的小分子生物物质以及核酸、多糖、蛋白质等生物大分子发生沉淀生

18、物物质以及核酸、多糖、蛋白质等生物大分子发生沉淀作用。这种沉淀作用是作用。这种沉淀作用是多种效应的结果多种效应的结果，但，但主要作用主要作用是是降降低水溶液的介电常数低水溶液的介电常数。当有机溶剂浓度增大时，水对蛋白等分子表面上荷电基团当有机溶剂浓度增大时，水对蛋白等分子表面上荷电基团或亲水基团的水化程度降低，或者说溶剂的介电常数降低，或亲水基团的水化程度降低，或者说溶剂的介电常数降低，因而静电吸引力增大，带电溶质互相吸引而聚集。因而静电吸引力增大，带电溶质互相吸引而聚集。对于具有表面水层的生物分子，有机溶剂与水的作用，使对于具有表面水层的生物分子，有机溶剂与水的作用，使这些分子表面水层厚度不

19、断压缩，最后使这些分子脱水而这些分子表面水层厚度不断压缩，最后使这些分子脱水而相互聚集析出。相互聚集析出。不同浓度的有机溶剂可使不同的溶质沉淀，即不同浓度的有机溶剂可使不同的溶质沉淀，即分步沉淀法分步沉淀法，达到分离纯化的目的。达到分离纯化的目的。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院蛋白质分子表面蛋白质分子表面发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院 用于生物物质沉淀的有机溶剂须能与水互溶，但

20、对蛋白无作用于生物物质沉淀的有机溶剂须能与水互溶，但对蛋白无作用；用； 例如：乙醇、甲醇、丙酮、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、氯例如：乙醇、甲醇、丙酮、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、氯仿、乙醚等；仿、乙醚等； 乙醇是核酸、糖类、氨基酸和核苷酸等物质最常用的沉淀剂；乙醇是核酸、糖类、氨基酸和核苷酸等物质最常用的沉淀剂； 在沉淀过程中，乙醇与水混合时放出大量的稀释热，使溶液在沉淀过程中，乙醇与水混合时放出大量的稀释热，使溶液的温度显著升高，这对热稳定性较差的产物影响较大（少量多次、的温度显著升高，这对热稳定性较差的产物影响较大（少量多次、搅拌）搅拌）1 1）有机溶剂的种类）有机溶剂的种类2 2）温度）温度

21、多数生物物质在有机溶剂与水的混合液中的溶解度是随温度多数生物物质在有机溶剂与水的混合液中的溶解度是随温度的降低而降低的，因此降低温度可增加收率；低温沉淀还能的降低而降低的，因此降低温度可增加收率；低温沉淀还能更好地保护生物物质的活性更好地保护生物物质的活性3 3）pHpH 在结构稳定范围内，选择溶解度最低时的在结构稳定范围内，选择溶解度最低时的pHpH，有助于，有助于提高沉淀效果；在接近等电点处，引起沉淀所需有机溶提高沉淀效果；在接近等电点处，引起沉淀所需有机溶剂的量最小；剂的量最小； 合适的合适的pHpH还可大大提高分离的分辨能力还可大大提高分离的分辨能力4 4）样品浓度和分子质量）样品浓度

22、和分子质量 低浓度样品需要使用有机溶剂的量较大，但共沉作用小，低浓度样品需要使用有机溶剂的量较大，但共沉作用小，有利于提高分离的效果；但低浓度样品损失较大，回收率低；有利于提高分离的效果；但低浓度样品损失较大，回收率低； 高浓度样品使用有机溶剂的量较小，减少了变性的危险；高浓度样品使用有机溶剂的量较小，减少了变性的危险；但共沉作用大，分离效果较差。但共沉作用大，分离效果较差。 蛋白质分子质量越大，产生沉淀所需加入的有机溶剂量越蛋白质分子质量越大，产生沉淀所需加入的有机溶剂量越少。少。5 5）金属离子和离子强度）金属离子和离子强度 Mn Mn 2+2+、Fe Fe 2+2+、Co Co 2+2+

23、、Cu Cu 2+2+、Zn Zn 2+2+ 等离子能与蛋白质的等离子能与蛋白质的羧基、氨基和含有氮杂环的化合物结合；羧基、氨基和含有氮杂环的化合物结合； Ca Ca 2+2+、Ba Ba 2+2+、Mg Mg 2+2+、Pb Pb 2+2+能与羧基结合；能与羧基结合； Ag Ag + +、Hg Hg 2+2+、Pb Pb 2+2+ 能与巯基结合形成复合物；能与巯基结合形成复合物；某些有机化合物能与生物大分子形成难溶复合物某些有机化合物能与生物大分子形成难溶复合物. .这类复合物在水或有机溶剂中的溶解度都大大降低，而不影这类复合物在水或有机溶剂中的溶解度都大大降低，而不影响蛋白质的生物活性，同

24、时还能降低有机溶剂的用量。响蛋白质的生物活性，同时还能降低有机溶剂的用量。2、有机溶剂沉淀法的影响因素、有机溶剂沉淀法的影响因素发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院3、有机溶剂沉淀法的优缺点、有机溶剂沉淀法的优缺点优点：优点： 分辨能力较高，一种溶质只在一个比较窄的有机溶分辨能力较高，一种溶质只在一个比较窄的有机溶剂范围内沉淀；沉淀无需脱盐；有机溶剂密度低，与沉淀剂范围内沉淀；沉淀无需脱盐；有机溶剂密度低，与沉淀物密度差大，易进行固液分离；有机溶剂易挥发，不会在物密度差大，易进行固液分离；有

25、机溶剂易挥发，不会在成品中残留。成品中残留。缺点：缺点： 易引起蛋白变性；易燃、易爆易引起蛋白变性；易燃、易爆发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院4、有机溶剂沉淀法的注意事项、有机溶剂沉淀法的注意事项（1）降低温度，能增加收率和减少蛋白质的变性。）降低温度，能增加收率和减少蛋白质的变性。（2）所选择的溶剂必须能和水互溶，而和蛋白质不起作用。）所选择的溶剂必须能和水互溶，而和蛋白质不起作用。（3）蛋白质的分子量越大，产生沉淀所需加入的有机溶剂量越少。）蛋白质的分子量越大，产生沉淀所需加入的有机

26、溶剂量越少。（4）一种蛋白质的溶解度通常会由于另一蛋白质的存在而降低。）一种蛋白质的溶解度通常会由于另一蛋白质的存在而降低。（5）沉淀的蛋白质如不能再溶解，就可能已经变性。）沉淀的蛋白质如不能再溶解，就可能已经变性。（6）对很多酶，丙酮加量在）对很多酶，丙酮加量在20%50%之间，就能产生沉淀。之间，就能产生沉淀。（7）接近等电点时，引起沉淀所需加入有机溶剂的量较少。）接近等电点时，引起沉淀所需加入有机溶剂的量较少。（8）当溶剂量达到）当溶剂量达到50%时，则通常只有分子量小于时，则通常只有分子量小于15000的蛋白质仍留的蛋白质仍留在溶液中。在溶液中。（9）少量中性盐的存在能产生盐溶作用，增

27、加蛋白质在有机溶剂水溶）少量中性盐的存在能产生盐溶作用，增加蛋白质在有机溶剂水溶液的溶解度。液的溶解度。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院5、有机溶剂沉淀法举例、有机溶剂沉淀法举例发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院四、非离子型聚合物沉淀法四、非离子型聚合物沉淀法 聚乙二醇聚乙二醇(PEG)(PEG)、葡聚糖右旋糖酐硫酸钠等、葡聚糖右旋糖酐硫酸钠等 沉淀效能高；操作条件温和，不易引起生物

28、大分子变性；沉淀效能高；操作条件温和，不易引起生物大分子变性；沉淀后易除去；无毒、不可燃；广泛用于核酸、蛋白等的沉淀后易除去；无毒、不可燃；广泛用于核酸、蛋白等的分离纯化。分离纯化。 机制：机制：可能降低生物大分子水化度，与大分子发生共沉可能降低生物大分子水化度，与大分子发生共沉作用；与生物大分子形成复合物；或通过空间位置排斥，作用；与生物大分子形成复合物；或通过空间位置排斥，使液体中的微粒被迫聚集而沉淀。使液体中的微粒被迫聚集而沉淀。 常用常用PEG6000-20000PEG6000-20000； PEGPEG的沉淀效果除与沉淀剂的浓度有关外，还受离子强度、的沉淀效果除与沉淀剂的浓度有关外，

29、还受离子强度、pHpH和温度的影响和温度的影响发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院五、聚电解质沉淀法五、聚电解质沉淀法离子型的多糖化合物：离子型的多糖化合物： 酸性多糖用的较多，如羧甲基纤维素、海藻酸盐、酸性多糖用的较多，如羧甲基纤维素、海藻酸盐、果胶酸盐、卡拉胶等果胶酸盐、卡拉胶等 阴离子聚合物：如聚丙烯酸阴离子聚合物：如聚丙烯酸 阳离子聚合物：如聚乙烯亚胺等阳离子聚合物：如聚乙烯亚胺等 可沉淀蛋白，作用方式类似于絮凝剂，兼有一定可沉淀蛋白，作用方式类似于絮凝剂，兼有一定的盐析和水化作用的

30、盐析和水化作用发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院发酵产物分离原理与技术发酵产物分离原理与技术第一节第一节 沉淀分离法沉淀分离法第二节第二节 吸附和树脂分离法吸附和树脂分离法第三节第三节 离子交换法和离子交换膜电渗析分离法离子交换法和离子交换膜电渗析分离法第四节第四节 萃取与浸取分离法萃取与浸取分离法第五节第五节 膜分离技术膜分离技术发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院第二节第二节 吸附和

31、树脂分离法吸附和树脂分离法吸附：吸附：是溶质从液相或气相转移到固相的现象。是溶质从液相或气相转移到固相的现象。吸附剂吸附剂：吸附操作使用的固体，一般为多孔微：吸附操作使用的固体，一般为多孔微粒，具有很大的比表面积，这类物质就是吸附粒，具有很大的比表面积，这类物质就是吸附剂。剂。吸附法的优缺点吸附法的优缺点吸附原理和吸附剂种类吸附原理和吸附剂种类活性炭和离子交换树脂吸附脱色活性炭和离子交换树脂吸附脱色一一树脂法原理和树脂分类树脂法原理和树脂分类发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院一、吸附法的优

32、缺点一、吸附法的优缺点优点优点：可不用或少用有机溶剂；可不用或少用有机溶剂；操作简单、安全、设备简单；操作简单、安全、设备简单；生产过程中生产过程中pH变化小，适用于稳定性差的生化变化小，适用于稳定性差的生化物质。物质。l缺点缺点： 选择性差、收率不太高、特别是无机吸附剂性选择性差、收率不太高、特别是无机吸附剂性能不稳定，不能连续操作，劳动强度大，有些不能不稳定，不能连续操作，劳动强度大，有些不环保。环保。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院二、吸附原理和吸附剂种类二、吸附原理和吸附剂种类吸

33、附的原理吸附的原理吸附剂的种类吸附剂的种类发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院1、吸附的原理、吸附的原理固体表面的分子或原子与液体表面分子一样，处固体表面的分子或原子与液体表面分子一样，处于特殊的状态，具有不饱和的剩余力，即存在着于特殊的状态，具有不饱和的剩余力，即存在着表面力，所以他们能够吸附外界物质，使这些外表面力，所以他们能够吸附外界物质，使这些外界物质在吸附剂表面附近形成多分子层或单分子界物质在吸附剂表面附近形成多分子层或单分子层，从而降低表面能，使自身达到稳定状态。层，从而降低表面

34、能，使自身达到稳定状态。吸附作用是一组分子引力的总称：吸附作用是一组分子引力的总称：定向力、诱导定向力、诱导力和色散力力和色散力。一般多孔性固体才能作为吸附剂使用。一般多孔性固体才能作为吸附剂使用。吸附的分类吸附的分类影响吸附的因素影响吸附的因素发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院吸附的分类吸附的分类物理吸附物理吸附 吸附剂和吸附物通过分子力吸附剂和吸附物通过分子力(范德华力范德华力)产生的吸附。产生的吸附。化学吸附化学吸附 化学吸附是由于吸附剂与吸附物之间的电子转移，发生化学吸附是由于吸附

35、剂与吸附物之间的电子转移，发生化学反应而产生的，属于库仑力范围。化学反应而产生的，属于库仑力范围。交换吸附交换吸附 吸附剂表面如为极性分子或离子所组成则它会吸引溶液吸附剂表面如为极性分子或离子所组成则它会吸引溶液中带相反电荷的离子而形成双电层。这种吸附又称为极中带相反电荷的离子而形成双电层。这种吸附又称为极性吸附。性吸附。 发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院影响吸附的因素影响吸附的因素吸附剂的性质吸附剂的性质：吸附剂的理化性质对吸附的影响：吸附剂的理化性质对吸附的影响很大；很大；吸附物的性

36、质吸附物的性质；溶液的溶液的pH值值：影响化合物的解离程度；：影响化合物的解离程度；吸附过程的温度吸附过程的温度：吸附热越大，温度影响越大；：吸附热越大，温度影响越大；其他组分的影响其他组分的影响：含有两种或以上的组分的溶液，：含有两种或以上的组分的溶液，其他组分会影响吸附效果。其他组分会影响吸附效果。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院2、吸附剂的种类、吸附剂的种类吸附剂的要求吸附剂的要求疏水性或非极性吸附剂疏水性或非极性吸附剂亲水性或极性吸附剂亲水性或极性吸附剂各种离子交换树脂吸附剂各种

37、离子交换树脂吸附剂发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院、吸附剂的要求吸附剂的要求l吸附剂不能溶于操作的溶液中；吸附剂不能溶于操作的溶液中；l吸附剂本身是一种多细孔粉末状物质，颗粒密度吸附剂本身是一种多细孔粉末状物质，颗粒密度小，表面积大，但孔隙也不要太多，否则溶质不小，表面积大，但孔隙也不要太多，否则溶质不容易被解吸；容易被解吸；l吸附剂必须颗粒大小均匀；吸附剂必须颗粒大小均匀；l吸附能力大，容易被洗脱。吸附能力大，容易被洗脱。发酵工程发酵工程 Fermentation Engineerin

38、gFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院、疏水性或非极性吸附剂疏水性或非极性吸附剂适用于适用于极性溶媒极性溶媒内吸附物质，典型的吸附剂是活内吸附物质，典型的吸附剂是活性炭。性炭。活性炭：容易从水溶液中吸附溶质，吸附芳香族活性炭：容易从水溶液中吸附溶质，吸附芳香族化合物能力大。化合物能力大。活性炭种类：有酸性、碱性或中性。活性炭种类：有酸性、碱性或中性。活性炭活性炭吸附选择性差吸附选择性差，不能进行精炼。，不能进行精炼。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院活

39、性炭种类活性炭种类活性炭种类颗粒大小表面积吸附力吸附量洗脱粉末活性炭小大大大难颗粒活性炭较小较大较小较小难锦纶活性炭大小小小易发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院粉末活性炭粉末活性炭锦纶活性炭锦纶活性炭发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院亲水性或极性吸附剂亲水性或极性吸附剂适用于非极性或极性较小的溶媒，如硅胶、氧化适用于非极性或极性较小的溶媒，如硅胶、氧化铝、活性土。铝、活性土。氧化铝为常

40、用的亲水吸附剂，属于无机离子交换氧化铝为常用的亲水吸附剂，属于无机离子交换剂，常用于色层分离；具有离子交换剂的性质。剂，常用于色层分离；具有离子交换剂的性质。氧化铝选择性较差。氧化铝选择性较差。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院、各种离子交换树脂吸附剂各种离子交换树脂吸附剂各种有机离子交换树脂也是属于极性吸附剂，因各种有机离子交换树脂也是属于极性吸附剂，因为是两性化合物，可以进行离子交换，所以也叫为是两性化合物，可以进行离子交换，所以也叫离子交换树脂。离子交换树脂。常用于发酵产品脱色和分离

41、杂质。常用于发酵产品脱色和分离杂质。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院三、活性炭和离子交换树脂吸附脱色三、活性炭和离子交换树脂吸附脱色活性炭吸附脱色活性炭吸附脱色离子交换树脂脱色离子交换树脂脱色发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院1、活性炭吸附脱色、活性炭吸附脱色发酵工业生产中常用活性炭对发酵产品进行吸附发酵工业生产中常用活性炭对发酵产品进行吸附脱色，例如：味精溶液脱色。脱色，例如：味精

42、溶液脱色。味精溶液脱色：活性炭味精溶液脱色：活性炭pH为为5.0左右。强化加入左右。强化加入硫化钠溶液。硫化钠溶液。波美度：（波美度：（B）是表示溶液浓度的一种方法。）是表示溶液浓度的一种方法。把波美比重计浸入所测溶液中，得到的度数叫波把波美比重计浸入所测溶液中，得到的度数叫波美度。不同溶液的波美度的测定方法是相似的，美度。不同溶液的波美度的测定方法是相似的，都是用测定比重的方法，根据测得的比重，查表都是用测定比重的方法，根据测得的比重，查表换算浓度。换算浓度。 发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学

43、化工学院2、离子交换树脂脱色、离子交换树脂脱色原理：靠树脂的多孔隙表面对色素进行吸附作用，树脂原理：靠树脂的多孔隙表面对色素进行吸附作用，树脂的基团与色素的某些基团形成共价键，也有交换作用。的基团与色素的某些基团形成共价键，也有交换作用。)(质为带负电荷的色素或杂脱色FMClNFRMFNClRNaFNClRClNNFRa再生n 脱色常用的离子交换树脂：大孔脱色常用的离子交换树脂：大孔717717# #强碱性季胺型树脂及强碱性季胺型树脂及多孔弱碱专多孔弱碱专390390# #苯乙烯伯胺型弱碱性阴离子交换树脂。苯乙烯伯胺型弱碱性阴离子交换树脂。发酵工程发酵工程 Fermentation Engin

44、eeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院味精离子交换树脂脱色工艺味精离子交换树脂脱色工艺预处理及转型：预处理及转型：4%氢氧化钠溶液去杂质，洗至氢氧化钠溶液去杂质，洗至pH8，4%盐酸转型，无离子水洗至流出溶液盐酸转型，无离子水洗至流出溶液pH7左右，用左右，用5%氯化氯化钠溶液洗至进出液钠溶液洗至进出液pH相同；相同；上柱脱色及水洗：中和液上柱脱色及水洗：中和液23 B低流速上柱，上柱完毕低流速上柱，上柱完毕后用热水洗至流出液后用热水洗至流出液0 B以下。以下。再生：用再生：用10%氯化钠氯化钠+10%氢氧化钠混合液再生，水洗至氢氧化钠混合液再生

45、，水洗至pH8，无离子水洗至进出液氯离子含量相同，调，无离子水洗至进出液氯离子含量相同，调pH6.4，再用再用5%氯化钠洗至进出液氯化钠洗至进出液pH相同；相同；上液量：上液量：717型为树脂体积的型为树脂体积的60倍，倍，390型为树脂体积型为树脂体积10倍以上。倍以上。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院四、树脂法原理和树脂分类四、树脂法原理和树脂分类树脂法原理树脂法原理树脂分类树脂分类吸附树脂分离维生素吸附树脂分离维生素发酵工程发酵工程 Fermentation Engineering

46、Fermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院1、树脂法原理、树脂法原理高分子吸附剂是一种利用离子交换树脂，采用不高分子吸附剂是一种利用离子交换树脂，采用不同方法去掉其上的功能基团，保留多孔骨架，依同方法去掉其上的功能基团，保留多孔骨架，依据树脂骨架和溶液分子间的分子吸附（据树脂骨架和溶液分子间的分子吸附（并不发生并不发生离子交换离子交换）原理而设计的一类吸附剂，也叫吸附）原理而设计的一类吸附剂，也叫吸附树脂。树脂。吸附树脂本身以范德华力从很低浓度的溶液中吸吸附树脂本身以范德华力从很低浓度的溶液中吸附有机物，而构成它的一个重要方面是各种不同附有机物，而构成它的一个重

47、要方面是各种不同的表面物质。的表面物质。吸附树脂的吸附能力不但与吸附剂的化学结构和吸附树脂的吸附能力不但与吸附剂的化学结构和物理性能有关，而且与溶质和溶液的性质有关。物理性能有关，而且与溶质和溶液的性质有关。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院2、树脂分类、树脂分类按链节分子结构：非极性、中等极性和极性；按链节分子结构：非极性、中等极性和极性；吸附树脂命名不规范；吸附树脂命名不规范；吸附树脂属于热固性聚合物，加热不熔，吸附树脂属于热固性聚合物，加热不熔，150内均可使用，不溶于溶剂和酸碱。内

48、均可使用，不溶于溶剂和酸碱。结构特点：比表面积、孔径都很大，可以人为调结构特点：比表面积、孔径都很大，可以人为调节。节。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院吸附树脂分离维生素吸附树脂分离维生素维生素维生素B12是抗生素生产的副产品，一般用羧酸型是抗生素生产的副产品，一般用羧酸型离子交换树脂回收维生素离子交换树脂回收维生素B12。实际上证明用大网。实际上证明用大网格聚合物吸附剂提取效果更好。格聚合物吸附剂提取效果更好。大孔吸附树脂（大网格吸附树脂）目前应用广泛，大孔吸附树脂（大网格吸附树脂）目

49、前应用广泛，不仅用于维生素不仅用于维生素B12的吸附分离，而且很多药物提的吸附分离，而且很多药物提取也经常使用，如中草药的提取分离等。取也经常使用，如中草药的提取分离等。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院发酵产物分离原理与技术发酵产物分离原理与技术第一节第一节 沉淀分离法沉淀分离法第二节第二节 吸附和树脂分离法吸附和树脂分离法第三节第三节 离子交换法和离子交换膜电渗析分离法离子交换法和离子交换膜电渗析分离法第四节第四节 萃取与浸取分离法萃取与浸取分离法第五节第五节 膜分离技术膜分离技术发酵

50、工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院第三节第三节 离子交换法和离子交换膜离子交换法和离子交换膜电渗析分离法电渗析分离法离子交换法原理和离子交换树脂的结构与分类离子交换法原理和离子交换树脂的结构与分类离子交换法提取卡那霉素离子交换法提取卡那霉素离子交换膜电渗析法的基本原理和流程离子交换膜电渗析法的基本原理和流程发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院一、离子交换法原理和离子交换树一、离子交换法原理和

51、离子交换树脂的结构与分类脂的结构与分类离子交换法的基本原理离子交换法的基本原理离子交换树脂的结构与分类离子交换树脂的结构与分类离子交换树脂的主要性能离子交换树脂的主要性能发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院1、离子交换法的基本原理、离子交换法的基本原理离子交换法的基本原理：离子交换法的基本原理：一定条件下离子交换反应的方向和限度，这就是一定条件下离子交换反应的方向和限度，这就是离子交换平衡离子交换平衡的问题，即的问题，即离子交换热力学离子交换热力学；离子交换反应的历程和达到平衡的时间，这就是

52、离子交换反应的历程和达到平衡的时间，这就是离子交换速率离子交换速率的问题，即的问题，即离子交换动力学离子交换动力学。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院离子交换平衡离子交换平衡离子交换反应是可逆反应，溶液和树脂中的离子离子交换反应是可逆反应，溶液和树脂中的离子之间浓度差推动他们之间的交换，浓度差越大，之间浓度差推动他们之间的交换，浓度差越大，交换速率就越快，达到一定程度则形成离子交换交换速率就越快，达到一定程度则形成离子交换平衡状态。这时树脂和溶液中同时具有两种离子。平衡状态。这时树脂和溶液

53、中同时具有两种离子。如用如用化学反应化学反应解释，则可以用基本的质量作用定解释，则可以用基本的质量作用定律描述离子在树脂相和溶液相之间的分配。律描述离子在树脂相和溶液相之间的分配。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院离子交换速率离子交换速率离子交换反应在动态下进行，因此，离子交换的离子交换反应在动态下进行，因此，离子交换的效果除受效果除受离子浓度和选择系数离子浓度和选择系数的影响外，还要受的影响外，还要受离子从溶液中进入树脂表面和在树脂内部的扩散离子从溶液中进入树脂表面和在树脂内部的扩散过程

54、过程的影响，这个影响因素就是的影响，这个影响因素就是离子交换速率的离子交换速率的影响影响。举例：举例：以以Na型树脂与溶液中型树脂与溶液中Ca2+进行交换为例，即表示进行交换为例，即表示单位时间内，溶液中的单位时间内，溶液中的Ca2+浓度减少或浓度减少或Na+浓度浓度增加量。增加量。 组成因素为组成因素为： Ca2+离子从溶液通过树脂表面的液膜或边界层，达到树脂离子从溶液通过树脂表面的液膜或边界层，达到树脂表面；表面； Ca2+离子从树脂表面向孔道中迁移，并达到有效交换位置离子从树脂表面向孔道中迁移，并达到有效交换位置；在交换点上；在交换点上两种离子进行交换反应；两种离子进行交换反应；钠离子从

55、树脂内部迁移到树脂表面钠离子从树脂内部迁移到树脂表面；钠离子穿过树脂；钠离子穿过树脂表面的液膜进入水溶液中。表面的液膜进入水溶液中。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院离子交换速率离子交换速率在上述过程中，液膜扩散和粒内扩散速率控制着离子交在上述过程中，液膜扩散和粒内扩散速率控制着离子交换速率。而这两个速率也受到多种因素影响，如：换速率。而这两个速率也受到多种因素影响，如：溶液流速：膜扩散随过柱流速的增加而增加，粒内扩散溶液流速：膜扩散随过柱流速的增加而增加，粒内扩散则不受其影响；则不受其影

56、响；树脂颗粒：离子的液膜扩散速率与树脂颗粒大小成反比，树脂颗粒：离子的液膜扩散速率与树脂颗粒大小成反比，而粒内速率则与粒径倒数的高次方成正比；而粒内速率则与粒径倒数的高次方成正比；a.溶液浓度：溶液中离子浓度较低，则对液膜速率影响较溶液浓度：溶液中离子浓度较低，则对液膜速率影响较大，对粒内速率影响较小，反之则液膜速率影响小而粒大，对粒内速率影响较小，反之则液膜速率影响小而粒内速率影响大。内速率影响大。发酵工程发酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院离子交换速率离子交换速率发酵工程发酵工程 Ferment

57、ation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化学化工学院2 2、离子交换树脂的分类、离子交换树脂的分类 其活性基团一般是磺酸基其活性基团一般是磺酸基(-SO(-SO3 3H);H); 由于是强酸性基团，电离程度不受外界由于是强酸性基团，电离程度不受外界pHpH的影响，在的影响，在pH1-14pH1-14范围内均能起交换作用，一般没有使用范围内均能起交换作用，一般没有使用pHpH的限制。的限制。 以与以与NaClNaCl的交换为例：的交换为例： R-SOR-SO3 3H + NaCl H + NaCl R-SO R-SO3 3Na + HClN

58、a + HCl 其再生是用其再生是用NaOHNaOH处理并水洗至处理并水洗至pH8-9pH8-9。再用。再用HClHCl处理并用处理并用水洗至水洗至pH5pH5 、强酸性阳离子交换树脂、强酸性阳离子交换树脂、弱酸性阳离子树脂、弱酸性阳离子树脂 以羧基以羧基(-COOH )(-COOH )、酚羟基、酚羟基(-OH)(-OH)等为活性基团；等为活性基团； 其交换性能与溶液的其交换性能与溶液的pHpH有很大关系，因为这种树脂的电离有很大关系，因为这种树脂的电离度很小。度很小。例如：羧基树脂交换例如：羧基树脂交换pHpH7 7，酚羟基树脂交换，酚羟基树脂交换pHpH9 9。在酸性溶。在酸性溶液中，这类

59、树脂几乎不发生交换反应，其交换能力随溶液液中，这类树脂几乎不发生交换反应，其交换能力随溶液pHpH增增高而增高。高而增高。 典型交换反应：典型交换反应：R-COOH + NaOH R-COOH + NaOH RCOONa + H RCOONa + H2 2O O 反应生成的盐反应生成的盐RCOONaRCOONa很容易水解并使溶液呈碱性，故钠型很容易水解并使溶液呈碱性，故钠型树脂不可能水洗到中性，一般只能水洗到树脂不可能水洗到中性，一般只能水洗到pH8-9pH8-9。、强碱性阴离子交换树脂、强碱性阴离子交换树脂 有两种：有两种： 强碱强碱型型 含有三甲胺基含有三甲胺基 强碱强碱型型 含有二甲基含

60、有二甲基- - - -羟基羟基- -乙基胺乙基胺 型比型比型的碱性强，但再生困难；型的碱性强，但再生困难；型的稳定性则较差；型的稳定性则较差； 强碱性阴离子交换树脂与强酸性阳离子交换树脂一样，没强碱性阴离子交换树脂与强酸性阳离子交换树脂一样，没有使用有使用pHpH的限制；的限制； 典型交换反应：典型交换反应： RN(CHRN(CH3 3) )3 3Cl + NaOH Cl + NaOH RN(CH RN(CH3 3) )3 3OH + NaClOH + NaCl、弱碱性阴离子交换树脂、弱碱性阴离子交换树脂 活性基团有伯胺基活性基团有伯胺基-NH-NH2 2、仲胺基、仲胺基NHNH、叔胺基、叔胺