生物化工工艺学--第9章--生物质质分离与纯化

1、研究费用中：研究费用中：后处理过程占后处理过程占50%以上。以上。产品成本中：产品成本中：后处理成本占后处理成本占40%-80%。整个生产过程中：整个生产过程中：后处理过程占后处理过程占70%-90%。生物生物反应过程示意图反应过程示意图提取精制提取精制 废弃物废弃物副产物副产物 产产 品品 -生物反应过程的中心（中游加工）生物反应过程的中心（中游加工） -反应前与后的工序称为上游加工和下游加工反应前与后的工序称为上游加工和下游加工v上游加工上游加工-最重要的是提供和制备高产优质和足够数量的生物催化剂最重要的是提供和制备高产优质和足够数量的生物催化剂 v中游加工中游加工-生物反应器为中心生物反

2、应器为中心v下游加工下游加工-从反应液中提取目的产物，加工精制成合格产品从反应液中提取目的产物，加工精制成合格产品生物反应过程的上、中和下游生物反应过程的上、中和下游生物反应过程的组成生物反应过程的组成生物反应过程生物反应过程生物反应器：生物反应器：物料的混合与流动、传质与传热、氧的传递、物料的混合与流动、传质与传热、氧的传递、发酵动力学、酶催化反应动力学、反应器的设计与放大。发酵动力学、酶催化反应动力学、反应器的设计与放大。上上 游：游：生物催化剂的制备、原料的理化处理、热量传递、生物催化剂的制备、原料的理化处理、热量传递、灭菌动力学。灭菌动力学。下下 游：游：目的产物的提取与精制。目的产物

3、的提取与精制。一一 生化产品的特点生化产品的特点1 含量低含量低2 组成复杂组成复杂3 稳定性差，易变性和失活稳定性差，易变性和失活 如如pH、温度、金属离子、有机溶剂、剪切力、表面张力的影响。、温度、金属离子、有机溶剂、剪切力、表面张力的影响。4 种类多种类多 如氨基酸、蛋白质（酶、抗体、干扰素等）、多肽、糖类、脂类、如氨基酸、蛋白质（酶、抗体、干扰素等）、多肽、糖类、脂类、抗生素等。抗生素等。5 对含量和纯度的要求高对含量和纯度的要求高1 条件温和，需保持其生物活性条件温和，需保持其生物活性2 选择性要好、专一性要强，纯化效果好选择性要好、专一性要强，纯化效果好3 对目标产物的量和活性具有

4、较高的收率对目标产物的量和活性具有较高的收率4 尽量减少工艺步骤尽量减少工艺步骤5 速度快，效率高，以提高生产能力速度快，效率高，以提高生产能力二二 对分离技术的要求对分离技术的要求三三 分离纯化的一般步骤分离纯化的一般步骤分离纯化包括两个基本阶段：分离纯化包括两个基本阶段：1 产物的初级分离阶段产物的初级分离阶段其任务是分离细胞和培养液、破碎细胞释放产物、复原蛋白质、其任务是分离细胞和培养液、破碎细胞释放产物、复原蛋白质、浓缩产物、去除大部分杂质浓缩产物、去除大部分杂质2 产物的纯化精制阶段产物的纯化精制阶段其任务是将目标产物和干扰杂质尽可能地分开，使产物的纯度达其任务是将目标产物和干扰杂质

5、尽可能地分开，使产物的纯度达到相关要求，成为合格产品。到相关要求，成为合格产品。分离纯化的一般步骤分离纯化的一般步骤 -见教材见教材P239一一 主要步骤及作用主要步骤及作用共共主要步骤主要步骤包括菌体分离、细胞破碎、固体杂质的去除等。包括菌体分离、细胞破碎、固体杂质的去除等。其其主要作用主要作用是改进培养液的处理性能，其是改进培养液的处理性能，其目的目的除了分离细胞、菌除了分离细胞、菌体和其它悬浮颗粒外，还需除去培养液中的可溶性杂质，以改善体和其它悬浮颗粒外，还需除去培养液中的可溶性杂质，以改善培养的过滤性能，以利于分离纯化，为纯化、精制作准备。培养的过滤性能，以利于分离纯化，为纯化、精制作

6、准备。二二 培养液的预处理内容培养液的预处理内容1 高价无机离子的去除高价无机离子的去除钙离子：加入钙离子：加入草酸草酸镁离子：加入镁离子：加入三聚磷酸钠三聚磷酸钠（它可与镁离子形成铬合物）（它可与镁离子形成铬合物）铁离子：加入铁离子：加入黄血盐黄血盐，形成普鲁士蓝沉淀，形成普鲁士蓝沉淀2 杂蛋白质的去除杂蛋白质的去除由于变性蛋白质的溶解度较小，故可使其变性而去除。由于变性蛋白质的溶解度较小，故可使其变性而去除。（1）加热；）加热；（2）大幅度改变）大幅度改变pH值，加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂。值，加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂。3 凝聚和絮凝技术凝聚和絮凝技术凝聚：凝聚：在中性盐

7、作用下，由于双电层排斥电位的降低，而使胶体体系不稳在中性盐作用下，由于双电层排斥电位的降低，而使胶体体系不稳定的现象。定的现象。絮凝：絮凝：在某些高分子絮凝剂存在下，在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用基于架桥作用使胶粒形成粗大的絮凝使胶粒形成粗大的絮凝团的过程。团的过程。常用的常用的凝聚剂电解质凝聚剂电解质有：有：Al2（SO4）318H2O（明矾）；（明矾）；AlCl36H2O; ZnSO4; MgCO3常用的常用的高分子聚合物絮凝剂高分子聚合物絮凝剂是有机合成的是有机合成的聚丙烯酰胺类衍生物聚丙烯酰胺类衍生物，分为非离，分为非离子型、阴离子型和阳离子型。子型、阴离子型和阳离子型。4 离

8、心和过滤离心和过滤一一 细胞破碎方法的分类细胞破碎方法的分类机械法（固体剪切力作用、流体剪切力作用）。机械法（固体剪切力作用、流体剪切力作用）。非机械法（化学或生物化学渗透、物理渗透）非机械法（化学或生物化学渗透、物理渗透）二二 机械破碎机械破碎机械破碎法处理量大、破碎效率高、速度快，是工业规模细胞破碎的机械破碎法处理量大、破碎效率高、速度快，是工业规模细胞破碎的主要手段。包括主要手段。包括高压匀浆、珠磨、撞击破碎和超声波破碎等高压匀浆、珠磨、撞击破碎和超声波破碎等。1 高压匀浆高压匀浆破碎原理：破碎原理：细胞悬浮液在高压作用下从阀座与阀之间的环隙高速细胞悬浮液在高压作用下从阀座与阀之间的环隙

9、高速（450m/s）喷出后喷出后撞击到碰撞环上，细胞在受到高速撞击作用后，急剧释放到低压环境，从而在撞击到碰撞环上，细胞在受到高速撞击作用后，急剧释放到低压环境，从而在撞击撞击力力和和剪切力剪切力等综合作用下破碎。等综合作用下破碎。适用于适用于酵母和大多数细菌细胞的破碎，不适于团状和丝状菌。酵母和大多数细菌细胞的破碎，不适于团状和丝状菌。2 珠磨珠磨破碎原理：破碎原理：搅拌桨的高速搅拌使微球高速运动，微球与微球之间以及微球与细胞之搅拌桨的高速搅拌使微球高速运动，微球与微球之间以及微球与细胞之间发生冲击和研磨，使悬浮液中的细胞受到研磨剪切和撞击而破碎。间发生冲击和研磨，使悬浮液中的细胞受到研磨剪

10、切和撞击而破碎。适用于适用于绝大多数微生物细胞的破碎。绝大多数微生物细胞的破碎。3 撞击破碎撞击破碎破碎原理：破碎原理：细胞悬浮液以喷雾状高速冻结，形成粒径较小的微粒，高速载气（如氮细胞悬浮液以喷雾状高速冻结，形成粒径较小的微粒，高速载气（如氮气）将冻结的微粒子送入破碎室，高速撞击撞击板，使冻结的细胞发生破碎。气）将冻结的微粒子送入破碎室，高速撞击撞击板，使冻结的细胞发生破碎。适用于适用于大多数微生物细胞或植物细胞的破碎。大多数微生物细胞或植物细胞的破碎。4 超声波破碎超声波破碎破碎原理：破碎原理：在超声波作用下液体发生空穴作用，空穴的形成、增大和闭合产生极大在超声波作用下液体发生空穴作用，空

11、穴的形成、增大和闭合产生极大的冲击波和剪切力，使细胞破碎。的冲击波和剪切力，使细胞破碎。适用于适用于大多数微生物细胞或植物细胞的破碎。大多数微生物细胞或植物细胞的破碎。需在冰水或有外部冷却的容器中进行，需在冰水或有外部冷却的容器中进行，主要用于实验室规模的细胞破碎。主要用于实验室规模的细胞破碎。三三 物理渗透法物理渗透法1 渗透压冲击法渗透压冲击法破碎原理：破碎原理：将细胞置于高渗透压的介质（如较高浓度的甘油或蔗糖溶液）中，达到将细胞置于高渗透压的介质（如较高浓度的甘油或蔗糖溶液）中，达到平衡后，将介质突然稀释或将细胞转置于低渗透压的水或缓冲溶液中，在渗透压的平衡后，将介质突然稀释或将细胞转置

12、于低渗透压的水或缓冲溶液中，在渗透压的作用下，作用下，水水渗透通过细胞壁和膜渗透通过细胞壁和膜进入细胞进入细胞，使细胞壁和膜膨胀破碎。，使细胞壁和膜膨胀破碎。适用于适用于：易于破碎的细胞，如：易于破碎的细胞，如动物细胞动物细胞和和革兰氏阴性菌革兰氏阴性菌。2 冻结冻结-融化法融化法破碎原理：破碎原理：将细胞冻结后在室温缓慢融化，反复多次使细胞受到破坏。将细胞冻结后在室温缓慢融化，反复多次使细胞受到破坏。冻结的作用是破坏细胞膜的疏水键结构，增加其亲水性和通透性冻结的作用是破坏细胞膜的疏水键结构，增加其亲水性和通透性胞内水结晶使胞内外溶液产生浓度差，在渗透压作用下引起细胞膨胀而破裂胞内水结晶使胞内

13、外溶液产生浓度差，在渗透压作用下引起细胞膨胀而破裂缺点：效果不显著。缺点：效果不显著。四四 化学和生物化学渗透化学和生物化学渗透1 酸碱处理酸碱处理破碎原理：破碎原理：蛋白质为两性电解质，改变蛋白质为两性电解质，改变pH值可改变其荷电性质使蛋白质之间或蛋值可改变其荷电性质使蛋白质之间或蛋白质与其它物质之间的相互作用力降低而易于溶解，以提高目标产物溶解度。白质与其它物质之间的相互作用力降低而易于溶解，以提高目标产物溶解度。作用作用：提高目标产物的溶解度。提高目标产物的溶解度。2 化学试剂处理化学试剂处理3 酶溶酶溶破碎原理：破碎原理：用表面活性剂、有机溶剂等处理细胞，用表面活性剂、有机溶剂等处理

14、细胞，增大细胞的通透性增大细胞的通透性。作用作用：使产物易于释放。：使产物易于释放。破碎原理：破碎原理：利用溶解细胞壁的酶处理菌体细胞，使细胞壁受到部分或完全破坏后，利用溶解细胞壁的酶处理菌体细胞，使细胞壁受到部分或完全破坏后，再利用渗透压冲击等方法再利用渗透压冲击等方法破坏细胞膜破坏细胞膜，进一步增大胞内产物的通透性。，进一步增大胞内产物的通透性。适用于适用于：革兰氏阳性菌细胞壁的分解。：革兰氏阳性菌细胞壁的分解。一一 盐析法盐析法盐析：盐析：蛋白质在高离子强度的溶液中蛋白质在高离子强度的溶液中溶解度降低、发生沉淀溶解度降低、发生沉淀的现象。的现象。盐析机理：盐析机理：（1）当向蛋白质溶液中

15、逐渐加入电解质时，开始蛋白质的溶解增大，）当向蛋白质溶液中逐渐加入电解质时，开始蛋白质的溶解增大，出现出现盐溶现象盐溶现象。（。（2）但当继续加入电解质时，盐离子的水化作用使蛋白质表面疏）但当继续加入电解质时，盐离子的水化作用使蛋白质表面疏水区附近的水区附近的水化层脱离蛋白质水化层脱离蛋白质，暴露出疏水区域暴露出疏水区域，从而增大了蛋白质表面疏水区之，从而增大了蛋白质表面疏水区之间的疏水作用，间的疏水作用，易于发生凝聚易于发生凝聚，产生沉淀。，产生沉淀。 水溶液中蛋白质的溶解度一般在生理离子强度范围内最大，而低于或高于此范水溶液中蛋白质的溶解度一般在生理离子强度范围内最大，而低于或高于此范围时

16、溶解度均降低。围时溶解度均降低。常用的盐析剂：常用的盐析剂：硫酸铵、硫酸钠、磷酸钾硫酸铵、硫酸钠、磷酸钾或或磷酸钠磷酸钠。二二 有机溶剂沉淀法有机溶剂沉淀法盐析机理：盐析机理：向蛋白质溶液中加入丙酮或乙醇等水溶性有机溶剂，向蛋白质溶液中加入丙酮或乙醇等水溶性有机溶剂，水的活度降低水的活度降低。随。随着有机溶剂浓度的增大，水对蛋白质分子表面荷电基团或亲水基团的着有机溶剂浓度的增大，水对蛋白质分子表面荷电基团或亲水基团的水化程度降低水化程度降低，溶液的介电常数下降，蛋白质分子间的静电引力增大，从而凝聚和沉淀。溶液的介电常数下降，蛋白质分子间的静电引力增大，从而凝聚和沉淀。优点：优点：溶剂容易蒸发除

17、去，不会残留在产品中。溶剂容易蒸发除去，不会残留在产品中。缺点：缺点：容易使蛋白质变性失活，且有机溶剂易燃、易爆，对安全要求高。容易使蛋白质变性失活，且有机溶剂易燃、易爆，对安全要求高。三三 等电点沉淀法等电点沉淀法机理：机理：在低的离子强度下，调节在低的离子强度下，调节pH至等电点，使蛋白质至等电点，使蛋白质所带电荷为零所带电荷为零，能大大降低能大大降低其溶解度其溶解度。优点：优点：很多蛋白质的等电点在很多蛋白质的等电点在偏酸性偏酸性的范围内，而无机酸通常价格便宜，而且有些的范围内，而无机酸通常价格便宜，而且有些酸如磷酸、盐酸和硫酸的应用为蛋白质类食品所允许。酸如磷酸、盐酸和硫酸的应用为蛋白

18、质类食品所允许。缺点：缺点：酸化时，易使蛋白质变性失活。酸化时，易使蛋白质变性失活。四四 其它沉淀法其它沉淀法包括：包括：非离子型聚合物非离子型聚合物（如（如PEG）、）、聚电解质聚电解质（如羧甲基纤维素、海藻酸盐、卡拉胶等）（如羧甲基纤维素、海藻酸盐、卡拉胶等）和和多价金属离子多价金属离子（Mn2+；Fe2+；Co2+；Cu2+；Zn2+等）。等）。一一 概述概述1 1 膜分离技术发展的历史膜分离技术发展的历史膜分离技术已被国际上公认为膜分离技术已被国际上公认为20世纪末至世纪末至21世纪中期最有发展前途、甚至世纪中期最有发展前途、甚至会导致一次工业革命的重大生产技术，所以可称为会导致一次工

19、业革命的重大生产技术，所以可称为前沿技术前沿技术，是世界各国，是世界各国研究的热点。研究的热点。 如果将如果将2020世纪世纪5050年代初视为现代高分子膜分离技术研究的起点。截止年代初视为现代高分子膜分离技术研究的起点。截止现在，其发展致可分为三个阶段：现在，其发展致可分为三个阶段： 50年代为奠定基础阶段；年代为奠定基础阶段；60年代和年代和70年代为发展阶段，年代为发展阶段， 80年年代至今为发展深化阶段。代至今为发展深化阶段。2 膜分离技术在分离工程中的重要作用膜分离技术在分离工程中的重要作用3 膜分离技术存在的问题膜分离技术存在的问题在操作中膜面会发生在操作中膜面会发生污染污染，使膜

20、性能降低，故有必要采用与工艺相适，使膜性能降低，故有必要采用与工艺相适应的膜面清洗方法应的膜面清洗方法; ;从目前获得的膜性能来看，其耐药性、耐热性、耐溶剂能力都是有限从目前获得的膜性能来看，其耐药性、耐热性、耐溶剂能力都是有限的，故的，故使用范围受限使用范围受限; ;单独采用膜分离技术效果有限，因此往往都将膜分离工艺与其他分离单独采用膜分离技术效果有限，因此往往都将膜分离工艺与其他分离工艺工艺组合组合起来使用。起来使用。二二 膜分离过程的类型膜分离过程的类型膜分离过程膜分离过程可以认为是一种物质被透过或被截留于膜的过程，近似于可以认为是一种物质被透过或被截留于膜的过程，近似于筛分筛分过程，依

21、据滤膜孔径的大小而达到物质分离的目的。可按分离粒子或分子过程，依据滤膜孔径的大小而达到物质分离的目的。可按分离粒子或分子的大小予以分类。的大小予以分类。在生物技术中应用的膜分离过程，根据推动力本质的不同在生物技术中应用的膜分离过程，根据推动力本质的不同，可具体分为四类：可具体分为四类：以静压力差为推动力的过程；以蒸气分压差为推动力的过程；以浓度以静压力差为推动力的过程；以蒸气分压差为推动力的过程；以浓度差为推动力的过程；以电位差为推动力的过程。差为推动力的过程；以电位差为推动力的过程。1 以静压力差为推动力的膜分离过程以静压力差为推动力的膜分离过程以静压力差为推动力的膜分离有三种：以静压力差为

22、推动力的膜分离有三种：微滤微滤(MF)、超滤超滤(UF)和反渗透和反渗透(RO)，它们在粒子或被分离分子的类型上具有差别。它们在粒子或被分离分子的类型上具有差别。(1)微滤微滤 特别适用于微生物、细胞碎片、微细沉淀物和其他在特别适用于微生物、细胞碎片、微细沉淀物和其他在“微米级微米级”范围范围的粒子如的粒子如DNA和病毒等的截留和浓缩。和病毒等的截留和浓缩。(2)超滤超滤 适用于分离、纯化和浓缩一些大分子物质，如在溶液中或与亲和聚合适用于分离、纯化和浓缩一些大分子物质，如在溶液中或与亲和聚合物相连的蛋白质物相连的蛋白质(亲和超滤亲和超滤)、多糖、抗生素，也可以用来回收细胞和处理胶体悬、多糖、抗

23、生素，也可以用来回收细胞和处理胶体悬浮液。浮液。(3)反渗透反渗透 海水脱盐、超纯水制备，从发酵液中分离溶剂如乙醇、丁醇和丙酮海水脱盐、超纯水制备，从发酵液中分离溶剂如乙醇、丁醇和丙酮以及浓缩抗生素、氨基酸等。以及浓缩抗生素、氨基酸等。2 以蒸气分压差为推动力的膜分离过程以蒸气分压差为推动力的膜分离过程(1)膜蒸馏膜蒸馏(MD) 用于高纯水的生产、溶液脱水浓缩和挥发性有机溶剂的分用于高纯水的生产、溶液脱水浓缩和挥发性有机溶剂的分离，如丙酮和乙醇等。离，如丙酮和乙醇等。膜蒸馏中使用的膜应是膜蒸馏中使用的膜应是疏水性微孔膜疏水性微孔膜，气相透过微，气相透过微孔膜而液相因膜的疏水物性被阻止通过。孔膜

24、而液相因膜的疏水物性被阻止通过。(2)渗透蒸发渗透蒸发 是以蒸气压差为推动力的过程，但是在过程中使用的是致密是以蒸气压差为推动力的过程，但是在过程中使用的是致密(无孔无孔)的聚合物膜。液体扩散能否透过膜取决于它们在膜材料中的的聚合物膜。液体扩散能否透过膜取决于它们在膜材料中的扩散能扩散能力力-扩散系数的不同扩散系数的不同。3 以浓度差为推动力的膜分离过程以浓度差为推动力的膜分离过程渗析渗析是一种重要的、以浓度差为推动力的膜分离过程，它最主要的应用是血是一种重要的、以浓度差为推动力的膜分离过程，它最主要的应用是血液液( (人工肾人工肾) )的解毒，也用在实验室规模的酶的纯化上，使用的是微孔膜如的

25、解毒，也用在实验室规模的酶的纯化上，使用的是微孔膜如胶膜管。胶膜管。 酶的传统纯化办法是使用酶的传统纯化办法是使用渗析袋渗析袋，从样品中除去无用的低相对分子质，从样品中除去无用的低相对分子质量溶质和置换存在于渗透液中的缓冲液，量溶质和置换存在于渗透液中的缓冲液，由于在样品中盐和有机溶剂的浓度由于在样品中盐和有机溶剂的浓度高，渗透压的结果导致水向渗透袋内迁移，体积增加高，渗透压的结果导致水向渗透袋内迁移，体积增加，所以渗透在除去多余，所以渗透在除去多余的低相对分子质量溶质的同时，引进了一个新的缓冲溶液。的低相对分子质量溶质的同时，引进了一个新的缓冲溶液。4 以电位差为推动力的膜分离过程以电位差为

26、推动力的膜分离过程离子交换膜电渗析离子交换膜电渗析(EDTM)，简称简称电渗析电渗析，是一个膜分离过程，在该过，是一个膜分离过程，在该过程中，离子在程中，离子在电势电势的驱动下，通过选择性渗透膜，从一种溶液向另一种的驱动下，通过选择性渗透膜，从一种溶液向另一种溶液迁移。溶液迁移。 用于该过程的膜，只有共价结合的阴或阳离子交换基团。用于该过程的膜，只有共价结合的阴或阳离子交换基团。阴离子交阴离子交换膜只能透过阴离子，阳离子交换膜则只能透过阳离子换膜只能透过阴离子，阳离子交换膜则只能透过阳离子。将离子交换膜将离子交换膜浸入电解质溶液，并在膜的两侧通以电流时，则浸入电解质溶液，并在膜的两侧通以电流时

27、，则只有与膜上固定电荷相只有与膜上固定电荷相反的粒子才能通过膜反的粒子才能通过膜。传质推动力传质推动力分离原理分离原理应用举例应用举例微微滤滤 （MF）压差压差0.050.5筛分筛分除菌，回收菌，分离病除菌，回收菌，分离病毒毒超滤超滤压差压差0.11.0筛分筛分蛋白质、多肽和多糖的蛋白质、多肽和多糖的回收和浓缩回收和浓缩反渗透反渗透压差压差1.010筛分筛分盐、氨基酸、糖的浓缩、盐、氨基酸、糖的浓缩、淡水制造淡水制造渗析渗析浓差浓差筛分筛分脱盐，除变性剂脱盐，除变性剂电渗析电渗析电位差电位差电荷、筛分电荷、筛分脱盐，氨基酸和有机酸脱盐，氨基酸和有机酸分离分离渗透气化渗透气化压差、温压差、温差差

28、溶质与膜的亲溶质与膜的亲和作用和作用有机溶剂与水的分离，有机溶剂与水的分离，共沸物的分离共沸物的分离三三 各种膜分离法的原理和应用范围各种膜分离法的原理和应用范围膜分离法包含着非常丰富的内容，在生物分离领域应用的膜分离法包括微膜分离法包含着非常丰富的内容，在生物分离领域应用的膜分离法包括微滤滤(Microfiltration,MF)、超滤超滤(Ultrafiltration，UF)、反渗透反渗透(Reverse osmosis，RO)、透析透析(Dialysis，DS)、电渗析电渗析(Electrodialysis，ED)和渗透和渗透气化气化(Pervaporation，PV)等，各种膜分离法

29、的原理和应用范围列于上表等，各种膜分离法的原理和应用范围列于上表。 一个容器中间用一张可透过溶剂一个容器中间用一张可透过溶剂(水水)，但不能透过溶质的膜隔开，两侧分，但不能透过溶质的膜隔开，两侧分别加入纯水和含溶质的水溶液。别加入纯水和含溶质的水溶液。若膜两侧压力相等，在浓差的作用下作为若膜两侧压力相等，在浓差的作用下作为溶剂的水分子从溶质浓度低溶剂的水分子从溶质浓度低(水浓度高水浓度高)的一侧的一侧(A侧，纯水侧，纯水)向浓度高的一侧向浓度高的一侧(B侧，水溶液侧，水溶液)透过，这种现象称为透过，这种现象称为。 促使水分子透过的推动力称为促使水分子透过的推动力称为渗透压渗透压。1 反渗透反渗

30、透 与与RO膜一样，超滤膜一样，超滤(UF)和微滤和微滤(MF)都是利用膜的筛分性质，以压差为传都是利用膜的筛分性质，以压差为传质推动力。但与质推动力。但与RO膜相比，膜相比，UF膜和膜和MF膜具有明显的孔道结构，主要用于膜具有明显的孔道结构，主要用于截留高分子溶质或固体微粒。截留高分子溶质或固体微粒。UF膜的孔径较膜的孔径较MF膜小，主要用于处理不含膜小，主要用于处理不含固形成分的料液，其中相对分子质量较小的溶质和水分透过膜，而相对分固形成分的料液，其中相对分子质量较小的溶质和水分透过膜，而相对分子质量较大的溶质被截留。子质量较大的溶质被截留。2 超滤和微滤超滤和微滤如图如图5.3所示，利用

31、具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过所示，利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜将含有高分子溶质和其他小分子溶质的溶液的亲水膜将含有高分子溶质和其他小分子溶质的溶液( (左侧左侧) )与纯水或缓冲液与纯水或缓冲液( (右侧右侧) )分隔，由于膜两侧的溶质浓度不同，分隔，由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，在浓差的作用下，左侧高分子溶液中的小分子溶质左侧高分子溶液中的小分子溶质( (例如无机例如无机盐盐) )透向右侧，右侧中的水透向左侧，这就是透向右侧，右侧中的水透向左侧，这就是透析透析。透析原理透析原理3 透析透析电渗析是利用分子的荷电性质和分子大小的差别进行分离的膜分离法，可

32、电渗析是利用分子的荷电性质和分子大小的差别进行分离的膜分离法，可用于小分子电解质用于小分子电解质(例如氨基酸、有机酸例如氨基酸、有机酸)的分离和溶液的脱盐。的分离和溶液的脱盐。电渗析操电渗析操作所用的膜材料为离子交换膜，即在膜表面和孔内共价键合有离子交换基作所用的膜材料为离子交换膜，即在膜表面和孔内共价键合有离子交换基团，如磺酸基团，如磺酸基(SO-3）等酸性阳离子交换基和季铵基）等酸性阳离子交换基和季铵基(NR3 )等碱性阴离子等碱性阴离子交换基。交换基。键合阴离子交换基的膜称作阴离子交换膜，键合阳离子交换基的键合阴离子交换基的膜称作阴离子交换膜，键合阳离子交换基的膜称作阳离子交换膜。在电场

33、的作用下，前者选择性透过阴离子，后者选膜称作阳离子交换膜。在电场的作用下，前者选择性透过阴离子，后者选择性透过阳离子。择性透过阳离子。4 电渗析电渗析四四 膜及其特性膜及其特性 在一定流体相中，有一薄层在一定流体相中，有一薄层凝聚相物质凝聚相物质，把流体相分隔成，把流体相分隔成为两部分，这一薄层物质称为为两部分，这一薄层物质称为膜膜。膜本身是均匀的一相或是由两相以。膜本身是均匀的一相或是由两相以上上凝聚物质凝聚物质所构成的复合体。被膜分隔开的流体相物质是液体或气体。所构成的复合体。被膜分隔开的流体相物质是液体或气体。膜的厚度在膜的厚度在0.5mm以下，否则就不称为膜。以下，否则就不称为膜。生物

34、分离过程常用的膜分离技术为超滤、微滤和反渗透。生物分离过程常用的膜分离技术为超滤、微滤和反渗透。为实现高效率的膜分离操作，对膜材料有如下要求：为实现高效率的膜分离操作，对膜材料有如下要求：(1)起过滤作用的有效膜厚度小，超滤和微滤膜的开孔率高，过滤阻力小；起过滤作用的有效膜厚度小，超滤和微滤膜的开孔率高，过滤阻力小；(2)膜材料为惰性，不吸附溶质膜材料为惰性，不吸附溶质(蛋白质、细胞等蛋白质、细胞等)，从而使膜不易污染，膜孔，从而使膜不易污染，膜孔不易堵塞；不易堵塞；(3)适用的适用的pH和温度范围广，耐高温火茵，耐酸碱清洗剂，稳定性高，使用和温度范围广，耐高温火茵，耐酸碱清洗剂，稳定性高，使

35、用寿命长；寿命长；(4)容易通过清洗恢复透过性能；容易通过清洗恢复透过性能；(5)满足实现分离目的的各种要求，如对菌体细胞的截留、对生物大分子的通满足实现分离目的的各种要求，如对菌体细胞的截留、对生物大分子的通透性或截留作用等。透性或截留作用等。1 天然高分子材料天然高分子材料 主要是主要是纤维素的衍生物，有醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维素纤维素的衍生物，有醋酸纤维、硝酸纤维和再生纤维素等。等。2 合成高分子材料合成高分子材料 市售膜的大部分为合成高分子膜，种类很多，主要有市售膜的大部分为合成高分子膜，种类很多，主要有聚砜、聚丙烯晴、聚砜、聚丙烯晴、聚酰亚胺、聚酰胺、聚烯类和含氟聚合物聚酰亚胺、

36、聚酰胺、聚烯类和含氟聚合物等。等。 其中聚砜是最常用的膜材料之一，主要用于制造超滤膜。其中聚砜是最常用的膜材料之一，主要用于制造超滤膜。3 无机材料无机材料 主要有主要有陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素陶瓷、微孔玻璃、不锈钢和碳素等。等。五五 膜组件膜组件由膜、固定膜的支撑体、间隔物由膜、固定膜的支撑体、间隔物(spacer)以及收纳这些部件的容器构成以及收纳这些部件的容器构成的一个单元的一个单元(unit)称为称为膜组件膜组件(membrane module)或或膜装置膜装置。膜组件的结。膜组件的结构根据膜的形式而异，目前市售商品膜组件主要有构根据膜的形式而异，目前市售商品膜组件主要有管式、平板

37、式、螺旋管式、平板式、螺旋卷式和中空纤维卷式和中空纤维(毛细管毛细管)式式等四种。等四种。1 管式膜组件管式膜组件管式膜组件是将膜固定在内径管式膜组件是将膜固定在内径1025mm，长约长约3m的园管状多孔支撑体的园管状多孔支撑体上构成的，上构成的，l020根管式膜并联。根管式膜并联。2 平板膜组件平板膜组件 平板膜组件与板式换热器或加压叶滤机相似，由多枚圆形或长方形平板膜组件与板式换热器或加压叶滤机相似，由多枚圆形或长方形平板膜以平板膜以1mm1mm左有的间隔重叠加工而成，膜间衬设多孔薄膜，供料液或滤左有的间隔重叠加工而成，膜间衬设多孔薄膜，供料液或滤波流动波流动( (图图5.105.10b)

38、b)。3 螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件 螺旋卷式膜组件如图螺旋卷式膜组件如图5.105.10c c所示。将两张平板膜固定在多孔性滤液所示。将两张平板膜固定在多孔性滤液隔网上隔网上( (隔网为滤液流路隔网为滤液流路) )，两端密封。，两端密封。4 中空纤维中空纤维(毛细管毛细管)式膜组件式膜组件中空纤维或毛细管膜组件由数百至数百万根中空纤维膜固定在圆筒形容中空纤维或毛细管膜组件由数百至数百万根中空纤维膜固定在圆筒形容器内构成器内构成。中空纤维超滤膜组件中空纤维超滤膜组件膜断面图膜断面图 反渗透膜与装置反渗透膜与装置超滤膜装置超滤膜装置各种膜组件的结构示意图各种膜组件的结构示意图六六 膜的污染与清

39、洗膜的污染与清洗 膜分离过程中遇到的最大问题是膜污染(membrane fouling)，膜污染的主要原因来自以下几个方面。危害：危害：膜污染不仅造成透过通量的大幅度下降，而且影响目标膜污染不仅造成透过通量的大幅度下降，而且影响目标产物的回收率。产物的回收率。 措施：措施：为保证膜分离操作高效稳定地进行，必须对膜进行定为保证膜分离操作高效稳定地进行，必须对膜进行定期清洗，除去膜表面及膜孔内的污染物，恢复膜的透过性能。期清洗，除去膜表面及膜孔内的污染物，恢复膜的透过性能。膜的清洗一般选用膜的清洗一般选用水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、络水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、络合剂、氧化剂和酶溶

40、液等合剂、氧化剂和酶溶液等为清洗剂。为清洗剂。 具体用何种清洗剂应根据膜的性质和污染物的性质而决定，即使用的清洗剂具体用何种清洗剂应根据膜的性质和污染物的性质而决定，即使用的清洗剂要具有良好的去污能力，同时又不能损害膜的过滤性能。因此选择合适的清洗剂和要具有良好的去污能力，同时又不能损害膜的过滤性能。因此选择合适的清洗剂和清洗方法不仅能提高膜的透过性能，而且可延长膜的使用寿命。清洗方法不仅能提高膜的透过性能，而且可延长膜的使用寿命。中空纤维膜组件是常用的膜分离设备，利用中空纤维膜的不对中空纤维膜组件是常用的膜分离设备，利用中空纤维膜的不对称性和膜组件的结构特点，经常采用称性和膜组件的结构特点，

41、经常采用反洗反洗(backflushing)和和循环循环清洗清洗。 反洗的反洗的具体操作具体操作方法是，对于内压式中空纤维膜组件，清方法是，对于内压式中空纤维膜组件，清洗液从壳方通入、与正常膜分离操作洗液从壳方通入、与正常膜分离操作(图图a)时的透过方向相反时的透过方向相反(图图b)。反洗操作中清洗液从膜孔较大的一侧透向膜孔较小的一反洗操作中清洗液从膜孔较大的一侧透向膜孔较小的一侧，可除去堵塞膜孔的微粒。将透过液出口密封，可进行循环侧，可除去堵塞膜孔的微粒。将透过液出口密封，可进行循环清洗清洗(图图c，注意组件上下透过液的方向不同注意组件上下透过液的方向不同)。a 正常操作正常操作b 反洗反洗

42、c 循环清洗循环清洗中空纤维膜组件的操作中空纤维膜组件的操作七七 应用应用膜分离法在生物产物的回收和纯化方面的应用可归纳为以下几个方面：膜分离法在生物产物的回收和纯化方面的应用可归纳为以下几个方面：(1)(1)细胞培养基的除菌；细胞培养基的除菌；(2)(2)发酵或培养液中细胞的收集或除去；发酵或培养液中细胞的收集或除去；(3)(3)细胞破碎后碎片的除去；细胞破碎后碎片的除去；(4)(4)目标产物部分纯化后的浓缩或洗滤除去小分子溶质；目标产物部分纯化后的浓缩或洗滤除去小分子溶质；(5)(5)最终产品的浓缩和洗滤除盐；最终产品的浓缩和洗滤除盐；(6)(6)制备用于调制生物产品和清洗产品容器的无热原

43、水。制备用于调制生物产品和清洗产品容器的无热原水。由此可见，膜分离技术在生物下游加工过程频繁使用，因此，膜分离是生由此可见，膜分离技术在生物下游加工过程频繁使用，因此，膜分离是生物产物分离纯化过程必不可少的技术。以下简要阐述膜分离法在茵体细胞物产物分离纯化过程必不可少的技术。以下简要阐述膜分离法在茵体细胞的分离、小分子发酵产物的回收、蛋白质类生物大分子的浓缩和部分分组的分离、小分子发酵产物的回收、蛋白质类生物大分子的浓缩和部分分组纯化方面的应用，最后介绍膜分离与生物反应的耦合过程，即膜生物反应纯化方面的应用，最后介绍膜分离与生物反应的耦合过程，即膜生物反应器。器。一一 概述概述1 1 电泳的定

44、义电泳的定义带电颗粒在电场的作用下带电颗粒在电场的作用下, ,向着与其电性相反的电极方向移动向着与其电性相反的电极方向移动, ,这种现象称这种现象称为为电泳电泳。2 2 电泳技术电泳技术各种带电粒子在电场中迁移率不同而进行分离的一种技术。各种带电粒子在电场中迁移率不同而进行分离的一种技术。生物大分子在电场中移动速度生物大分子在电场中移动速度决定于决定于它的分子形状、相对分子质量大小、它的分子形状、相对分子质量大小、分子的带电性质及数目，此外还与分离介质的阻力、溶液粘度及电场强度分子的带电性质及数目，此外还与分离介质的阻力、溶液粘度及电场强度等因素有关。等因素有关。3 常用术语常用术语电泳速度：

45、电泳速度：在单位时间内，带电粒子在电场的作用下做定向运动的距离。在单位时间内，带电粒子在电场的作用下做定向运动的距离。电场强度：电场强度：在给定的电泳支持物两端电极施加电压后所形成的电效应。在给定的电泳支持物两端电极施加电压后所形成的电效应。电渗流：电渗流：在电场中电泳溶液的正电荷与固体支持物表面上的负电荷之间在电场中电泳溶液的正电荷与固体支持物表面上的负电荷之间相互作用，形成一个正离子层，导致流体朝负极方向移动，称为电渗流，相互作用，形成一个正离子层，导致流体朝负极方向移动，称为电渗流，这种现象也称之为电渗（这种现象也称之为电渗（electroosmosis）现象。）现象。相对迁移率：相对迁

46、移率：蛋白质样品的迁移距离与示踪染料的迁移距离之比即为相蛋白质样品的迁移距离与示踪染料的迁移距离之比即为相对迁移率。对迁移率。4 4 电泳技术的分类电泳技术的分类（1 1）区带电泳）区带电泳在半固相或胶状介质上加一个点或一薄层样品溶液，然后在介质上加电场，在半固相或胶状介质上加一个点或一薄层样品溶液，然后在介质上加电场，带电颗粒在支持介质上或支持介质内迁移，在电泳过程中，不同的离子成带电颗粒在支持介质上或支持介质内迁移，在电泳过程中，不同的离子成分在均一的缓冲液系统中分在均一的缓冲液系统中分离成独立的区带分离成独立的区带，可用染色等方法显示出，可用染色等方法显示出来。来。是当前应用最广泛的电泳

47、技术。是当前应用最广泛的电泳技术。（2 2）移界电泳）移界电泳把电场加在生物大分子溶液和缓冲溶液之间的界面上，带电颗粒的移动速把电场加在生物大分子溶液和缓冲溶液之间的界面上，带电颗粒的移动速度通过度通过光学方法观察光学方法观察界面的移动来测定。界面的移动来测定。（3 3）稳态电泳）稳态电泳带电颗粒在电场的作用下电迁移一定时间后带电颗粒在电场的作用下电迁移一定时间后达到一个稳定的状态达到一个稳定的状态，此后，此后，电泳条带的宽度不随时间的变化而变化，如等速电泳、等电聚焦电泳。电泳条带的宽度不随时间的变化而变化，如等速电泳、等电聚焦电泳。5 5 电泳的固体支持介质分类电泳的固体支持介质分类（1 1）按支持介质的不同可分为：）按支持介质的不同可分为：1 纸电泳（纸电泳（Paper electrophorisis）2 醋酸纤维薄膜电泳（醋酸纤维薄膜电泳（Cellulose Acetate electrop