原位吸附与萃取

1、2.2原位吸附分离技术吸附分离是利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择吸附的能力，使其 富集在吸附剂表面，而从混合物中分离出来的过程。原位吸附分离技术，即将吸 附分离与发酵过程耦合，在发酵的同时将发酵液中的目的产物选择性地吸附到吸 附剂中，从而降低发酵液中产物浓度，解除产物对微生物的抑制作用。此耦合工 艺具有设备简单、选择性高、节约能耗等优点，是一种有效和有发展前景的分离 技术。2.2.1常用吸附剂吸附剂由于其巨大的比表面积和多孔的结构，而具有选择性吸附的作用。常 用的吸附剂包括沸石分子筛、硅质岩、活性炭、聚乙烯聚合树脂和毗咯烷酮 （polyvinylpyridine,PVP）由于各自性质不

2、同，适用的场合也不一样。2.2.1.1沸石分子筛沸石是一种含水的碱金属或碱土金属的铝硅酸矿物，其晶体结构是由硅氧四 面体和铝氧四面体连成三维的骨架。沸石的空孔道结构既是规则的又是均匀的。 分子筛适用于要求深度干燥的场合，但需较高的再生温度，不适用变压吸附（PSA） 模式，因分子筛与水的相互作用强，仅靠变化流体浓度不能实现再生。2.2.1.2硅质岩硅质岩最早由是一种类似沸石结构的晶体物质。其晶体结构中主要含有硅氧 四面体，孔隙度达到晶体体积的33%，具有较大的孔径，能够通过直径高达6 A （1 A=0.1 nm）的分子。由于吸附位点缺少氢键和其本身的电中性，硅质岩具有 很强的疏水性，能够在水溶液

3、中选择性地吸附有机分子2.2.1.3活性炭活性炭是黑色粉末状或颗粒状的无定形炭。其最重要的特征是有高度发达的 微孔结构，因而具有强大的吸附能力。在活性炭用于乙醇的吸附分离过程中，活 性炭的比表面积、孔径和颗粒尺寸等性质显著影响着其吸附性能。活性炭为非极 性材料，对有机物有较强的吸附能力，一般应用于有机挥发物VOC）的脱除和回 收。但是活性炭作为吸附剂有许多缺点，包括：（1）吸附容量小；（2）吸附选择性 差，不但吸附酸，同时还吸附一定量的葡萄糖；（3）不同批次活性炭的重复性差2.2.1.4聚合树脂树脂是一类新型的吸附剂，主要分为离子交换树脂和吸附树脂。离子交换树脂是一类带有功能基的网状结构的高分

4、子化合物。其结构由3 部分组成：不溶性的三维空间网状骨架、接在骨架上的功能基团和功能基团所带 的相反电荷的可交换离子。从工业化生产的角度看，离子交换树脂法以其选择性 高、交换容量大、操作简单、易于自动控制等优点具有较强的竞争力。吸附树脂的基质是合成的高分子化合物，因此可以通过选择适当的单体、致 孔剂和交联剂对孔结构进行调制；同时，还可通过化学修饰改变树脂表面的化学 状态，合成出对目的产物吸附有优良性能的树脂。2.2.2耦合方式将发酵与吸附分离相耦合，在发酵的同时将发酵液中的目的产物选择性地吸 附到吸附剂中，从而降低发酵液中产物浓度，解除产物对微生物细胞的抑制作用， 从而提高产率，降低整个生产过

5、程的成本。此耦合方式一般采用两种模式：原位 耦合模式和异位耦合模式2.2.2.1原位耦合模式原位耦合装置见图1 （a）。这种耦合方式就是在发酵液中直接加入吸附介质， 将发酵产生的产物选择性地吸附到吸附剂中，从而降低发酵液中产物的浓度，解 除抑制作用。Einicke等直接向发酵液中添加NaZSM-5沸石（Si/Al=50），发现 吸附剂的存在能够加快葡萄糖的转化速率和乙醇的生成速率。这种耦合方式虽然装置简单，但吸附剂与菌体细胞直接接触，存在着吸附剂 对细胞的毒性或抑制作用，而且吸附剂颗粒表面经常形成菌膜而影响其对乙醇的 吸附容量，从而对耦合过程的稳定性造成负面影响，甚至使耦合过程无法进行， 因此

6、其工业应用可能性较小。2.2.2.1异位耦合模式异位耦合装置见图1（b）。这种耦合方式是将吸附介质装于发酵罐外的吸附 柱内，让含高浓度产物的发酵液通过吸附柱，产物被选择性吸附，含低浓度产物 的发酵液再返回到发酵罐中，从而降低发酵液中产物的浓度，解除目的产物的抑 制作用。Chung等在发酵的同时让发酵液循环通过装有硅质岩的吸附柱，乙醇被 选择性的吸附后，发酵液再返回到发酵罐中继续发酵。通过空白实验对比，发现 乙醇的原位去除增加了发酵液中细胞浓度，提高了发酵速率，发酵时间缩短了。在发酵罐和吸附柱之间加一个分离装置（如离心机或微滤膜），在发酵液和 吸附剂接触之前将菌体细胞除去，当乙醇被吸附后，发酵液

7、和截留的菌体细胞再 返回 到发酵罐中继续发酵，这样既可以避免吸附剂与菌体细胞直接接触对细胞产生的 抑制作用和菌体对附床层的堵塞，又可增加发酵液中细胞浓度，提高发酵速率。当然，这将会增加过程的成本，并且使整个耦合系统更趋复杂。2.2.3研究应用徐浩等人在研究树脂对乳酸链球菌素吸附性能的基础上，研究了树脂及加入 时间对发酵过程中细胞生长和乳酸链球菌素合成的影响。结果表明，D113对细 胞生长影响很小，当发酵温度30C，pH6.25，在 100 mL发酵液中加入2 g树脂, 加入时间第5.5 h，发酵液中乳酸链球菌素的总效价是5189 IU/mL，与不加树脂 的对照组相比，发酵吸附分离耦合技术使乳酸

8、链球菌素效价提高了 54.9%。聂利强等人以RP2012-3链霉菌为试验菌株，研究了原位吸附分离技术在普 那霉素发酵过程的应用。通过单因子试验，确定了大孔吸附树脂在发酵过程中补 加的最适型号、补加量和补加时间。试验结果表明：在发酵进行28h时，用LD605 型大孔吸附树脂一次型补加8%，将原工艺发酵单位提高140%左右。IS Chung等以疏水性硅沸石为吸附剂，采用吸附和发酵相互独立的方式对乙 醇吸附发酵过程进行了研究。实验结果表明：疏水性硅沸石对酵母细胞既无吸附 作用，也无毒害作用，可使乙醇产率提高30%。Aradhana等人以Ame-berlite IRA-400型离子交换树脂为吸附剂，通过比较 发现：离子交换分离发酵的操作时间比传统的间歇发酵可缩短69.4%，且其蔗糖 转化率又高，因而乳酸的产量可提高5