微生物工程下游工程简介.ppt

1、1、微生物工程下游工程的特点,1）发酵液是复杂的多相系统 2）所需产物在培养液中浓度较低 3）普遍存在下游工程代价高，回收率较低等问题,2、微生物工程下游工程的一般程序,采用凝聚和絮凝技术加速固、液分离；如产物在细胞内，还要进行细胞破碎,提取（初步纯化）目的是除去与目标产物性质差异大的杂质,精制（高度纯化）是采用对产品有高度选择性的分离技术，除去与产物化学性质和物理性质相近的杂质,最终获得质量合格的产品,3、主要操作单元：,二、发酵液预处理和过滤,一）发酵液的预处理,1、目的：,发酵液中杂质多且成分复杂，其中对纯化影响最大的是高价无机离子(Ca 2+、Mg 2+、Fe 3+等)和杂蛋白等,改变

2、发酵液的物理性质，加快悬浮液中固形物沉降的速度；尽可能使产物转入便于以后处理的相中；能够除去部分杂质。,2、高价无机离子的去除,镁离子的去除：, 常用草酸 与钙离子生成草酸钙沉淀 草酸为弱酸，对发酵产物的破坏较小，草酸钙沉淀还能促进蛋白质凝固，有利于提高滤液的过滤速度； 草酸的溶解度较小，需大用量时，可用草酸钠取代；草酸价格较高，生产上一般需回收,钙离子的去除：,铁离子的去除：, 常用三聚磷酸钠 与镁离子形成可溶性络合物 Na5P3O10 + Mg 2+ = MgNa3P3O10 + 2Na+,常用黄血盐 与铁离子形成普鲁氏蓝沉淀 3K4Fe(CN)6 + 4Fe 3+ = Fe4Fe(CN)

3、63 + 12K+,3、可溶性杂蛋白的去除,杂蛋白的存在会降低离子交换树脂和大网格树脂的吸附量，如采用溶剂萃取，会发生乳化，影响两相分离。此外，在常规过滤和膜过滤时，还会使滤速下降，使膜受到污染。,1）沉淀法, 调等电点 因羧基的电离度比氨基大，所以大多数蛋白质的等电点都在酸性范围(pH4.0-5.5) 但仅靠调等电点还不能使大部分蛋白质沉淀 蛋白质是两性物质，在酸性溶液中，能与一些阴离子物质如三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐和过氯酸盐等形成沉淀；在碱性溶液中，能与一些阳离子如Ag+、Cu 2+、Zn 2+、Fe 3+、Pb 2+等 形成沉淀,2）变性法, 变性蛋白溶解度较小 最

4、常用加热法 加热不仅能使蛋白变性，还可降低液体黏度，提高过滤速率； 其他方法： 大幅度调节pH，加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂 变性法存在一定的局限 如加热法只适用于对热较稳定的目的产物；极端pH也会导致某些目的产物失活，且需消耗大量酸碱，而有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。,3）吸附法, 加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白而将其除去 如四环素生产中，采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成亚铁氰化钾的胶状沉淀来吸附蛋白； 在枯草芽孢杆菌发酵中，加入氯化钙和磷酸氢二钠，两者生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其他不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去,二）发酵液的过滤,1、质量比阻力（rB）,

5、单位滤饼厚度的阻力系数；与滤饼的结构特性有关，衡量过滤特性的主要指标。,对于不可压缩滤饼，比阻力值是常数；对于可压缩性滤饼，比阻力是操作压力差的函数 rB = r(P)m r不可压缩滤饼的比阻（对一定料液其值为常数）； m压缩性指数，一般为0.5-0.8；不可压缩滤饼为0； P压力差, 发酵液多为非牛顿流体，滤渣为可压缩性的； 发酵液滤饼的比阻与一般可压缩滤饼相比，有其特殊性。, 一般可压缩滤饼的比阻是操作压力差的函数，在不变的压差之下，滤饼比阻力是一定值，即在不变压差下过滤时，过滤速度的逐渐下降是由于滤饼厚度的逐渐增加所致，而作为单位滤饼厚度的过滤阻力即滤饼比阻力是不变的； 但发酵液滤饼，即

6、使在恒定的操作压差下，当滤饼中所含固形物浓度达到某一界限值时，滤饼的比阻力就不是一定值，而会突然升高，因此过滤速度不但随滤饼厚度的增加而下降，还会因滤饼比阻力的突然升高而额外下降。这是由于有机物质的胶体粒子借静电吸引而结合的水分子所致；对发酵液进行预处理，可以降低结合水的比率，使发酵液滤饼更接近一般可压缩性滤饼的性质。,2、常用过滤设备,1）板框(plate and frame)压滤机,板框过滤机结构图 （曹军卫 320页） 1-尾板 2-滤框 3-滤板 4-主梁 5-头板 6-紧压装置,2）带式压滤机, 发酵后期要少加消泡剂和少进行补料，防止消泡剂和未用完的培养基增加过滤难度； 菌体自溶前放

7、罐可防止因菌体自溶释放出的代谢产物增加发酵液黏度,3、影响发酵液过滤的因素,1）菌体细胞体积, 真菌菌丝体较粗大，质量比阻小，发酵液不需经特殊处理就很容易过滤； 放线菌菌丝细而分支，交织成网格状，质量比阻力大，较难过滤，发酵液需经预处理，凝固蛋白质等胶体物质，提高过滤速度； 细菌菌体更小，发酵液如不经絮凝等预处理，很难用常规过滤设备进行过滤操作。,2）培养基组成,黄豆饼粉、花生饼粉等会增加过滤难度,3）放罐时机,当发酵液中有不溶性多糖时，会使发酵液的黏度增大而影响过滤速度；可用酶将其转化成可溶性单糖，提高滤速。,4、提高过滤性能的方法,1）加助滤剂, 助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，能使滤饼疏

8、松，从而增加滤速； 常用硅藻土、珍珠岩等； 加入方法有两种：a)预先在滤布上铺上一层1-2mm厚的助滤剂； b)直接把助滤剂加入发酵液中。,2）添加填充凝固剂,如CaSO4、AlPO4等本身就是助滤剂，且能使胶状物和悬浮物凝固,3）酶解法,三）细胞破碎,目的代谢产物并非都是分泌型的，许多是存在于细胞内的，特别是基因工程菌在细胞内形成的包含体是不分泌的，故需进行细胞破碎。, 大规模破碎细胞常用方法； 利用高压使细胞悬液通过针型阀，由于突然减压和高速冲击撞击环，造成细胞破碎。 影响破碎的主要因素是压力、温度和循环次数,1、细胞破碎方法,1）高压匀浆法,高压匀浆器排出阀,2）高速球磨法,高速球磨机

9、1-物料进口 2-物料出口 3、4-冷却水进、出口 5、6-夹套冷却水进、出口,由于圆盘的高速旋转，细胞悬浮液与极细的玻璃小珠、石英砂或氧化铝一起快速搅拌或研磨，使细胞得以破碎。,3）超声波法, 常用超声波频率15-25kHz； 细胞的破碎是由于超声波的空穴作用，由于这种空穴泡又受到超声波的迅速冲击而闭合，从而产生极为强烈的冲击波压力，由此引起的黏滞性旋涡在介质中的细胞上造成了剪切应力，促使细胞内液体发生流动，造成细胞破碎； 超声波振荡易引起温度的剧烈上升，操作是需冷却； 通常杆菌比球菌易破，阴性菌比阳性菌易破,4）酶解法, 专一性强，条件温和；但费用较高 酶解法的另一方式是利用微生物的自溶作

10、用 即溶胞的酶是微生物自身产生的；大多数微生物都能产生一种可以水解自身细胞壁上聚合结构的酶；当改变一定的环境条件时，可诱发这种酶的过量产生或激发其他自溶酶产生，而发生自溶现象。,5）渗透压冲击法, 将细胞先放入高渗透压的介质中，如高浓度的甘油或蔗糖液，在达到平衡后，介质突然被稀释，或将细胞转入水或缓冲液中，水就会迅速进入细胞内，致使细胞膨胀，引起细胞壁的破裂； 此法适用于细胞壁较脆弱的，或者细胞壁预先用酶处理的，或细胞壁合成受到抑制的微生物；,6）反复冻结-融化法, 将细胞反复在低温下突然冷冻后在室温下融化，引起细胞破裂；低温冷冻一方面能使细胞膜的疏水键结构断裂，从而增加细胞的亲水性能；另一方

11、面胞内水结晶使细胞内外溶液浓度发生变化，引起细胞突然膨胀而破裂。 该法适用于细胞壁较脆弱的细胞,2、细胞破碎率测定, 当细胞内含物释放到水相时，会引起导电率的变化；随破碎率的增加而增加，有线性关系； 因导电率的读数取决于微生物的种类、处理条件、细胞浓度等，应先用其他方法标准化,1）直接测定法,观察计数（必要时配合染色技术）,2）测定释放的蛋白或酶活力,3）测定导电率,三、沉淀法（Precipitation）, 沉淀是通过改变条件或加入某种试剂，使溶液中的溶质由液相转变为固相析出的过程。 方法简单、成本低、使用广泛，一般作为初步分离的手段；,盐析法 有机溶剂沉淀法 等电点沉淀法 非离子型聚合物沉

12、淀法 聚电解质沉淀法 生成盐复合物沉淀法 热变性及酸碱变性沉淀法,中性盐的加入能破坏蛋白、酶等的胶体性质，中和微粒上的电荷，促使蛋白质等沉淀。,一）盐析法 (Salting out),1、盐析原理Cohn方程,蛋白质的溶解度与盐浓度间的关系可用Cohn方程式表示： logS/S0 = KsI S 离子强度为I时的蛋白溶解度 (g/L); S0 纯溶剂（即I = 0）时蛋白的溶解度； Ks 盐析常数，与温度和pH无关； I 离子强度,盐析法分离蛋白质时，可分两类： 1）在一定的pH值和温度下，改变离子强度或盐浓度的沉淀方法“K”分级盐析法 2）在一定离子强度下，改变溶液的pH值及温度的沉淀方法“

13、”分级盐析法, 当温度一定时，S0对于某一溶质是一常数，即logS0 = 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，它也与溶液的温度和pH值有关，但与盐的种类无关。,2、影响盐析的主要因素,盐溶(salting in)： 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）； 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，主要是对Ks值的影响，Ks值越大，该盐的盐析效果越好。,1）蛋白质浓

14、度, 高浓度的蛋白溶液，可减少盐的用量；但共沉现象严重 用低浓度蛋白溶液进行盐析，需用较多的盐，共沉作用较轻,2）离子强度和种类,3）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，蛋白质等生物大分子物质的溶解度随温度的升高反而减小 这主要是因为蛋白质分子在水化时要吸热，失水时则放热；温度升高有利于蛋白质失水沉淀。,4）pH, 值除与蛋白质和温度有关外，还与pH有关； 盐析pH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pH作为盐析pH,二）等电点沉淀法,原理：利用两性电解质在电中性时溶解度最

15、低 优点：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； 缺点：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偏移，如胰岛素的等电点为5.3，在与Zn 2+结合形成胰岛素锌盐，其等电点升为6.2；故加入金属离子后选择等电点沉淀时，要注意调整pH。,三）有机溶剂沉淀法, 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作用。这种沉淀作用是多种效应的结果，但主要作用是降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

16、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。 不同浓度的有机溶剂可使不同的溶质沉淀，即分步沉淀法，达到分离纯化的目的。,1、原理,2、优缺点,优点： 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，与沉淀物密度差大，易进行固液分离；有机溶剂易挥发，不会在成品中残留。 缺点： 易引起蛋白变性；易燃、易爆, 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； 例如：乙醇、甲醇、丙酮、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、氯仿、乙醚等； 乙醇是核酸、糖类、氨基酸和核苷

17、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）,3、影响有机溶剂沉淀的因素,1）有机溶剂的种类,2）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；低温沉淀还能更好地保护生物物质的活性,3）pH, 在结构稳定范围内，选择溶解度最低时的pH，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剂的量最小； 合适的pH还可大大提高分离的分辨能力,4）样品浓度和分子质量, 低浓度样品需要使用有机溶剂的量较大，但共沉作用小，有利于提高分离的效果；但低浓度样

18、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；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少。,5）金属离子和离子强度, Mn 2+、Fe 2+、Co 2+、Cu 2+、Zn 2+ 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； Ca 2+、Ba 2+、Mg 2+、Pb 2+能与羧基结合； Ag +、Hg 2+、Pb 2+ 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容的复合物. 这类复合物在水或有机溶剂中的溶解度都大大降低，而不影响蛋白质的生物活性，同时还能降低有机溶剂的用量。,四）非离子型多聚物沉淀法,

19、 聚乙二醇(PEG)、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、蛋白等的分离纯化。 机制：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，使液体中的微粒被迫聚集而沉淀。 常用PEG6000-20000； PEG的沉淀效果除与沉淀剂的浓度有关外，还受离子强度、pH和温度的影响,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、果胶酸盐、卡拉胶等 阴离子聚合物：如聚丙烯酸 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， 兼有一定的盐析和水化作用,五

20、）聚电解质沉淀法,四、溶剂萃取法 (Solvent extraction),一）溶剂萃取原理分配定律,溶剂萃取法是以分配定律为基础的，即利用各种物质在不同溶剂中具有不同的溶解度的原理，达到将不同物质分离纯化的目的。,分配定律（distribution law; Nester, 1891） 在一定温度和压力下，溶质分配在两不相溶的溶剂中，达到平衡时，溶质在两相的浓度之比为一常数。 K = CL/CR = 萃取液浓度/萃余液浓度 K为分配常数（分配系数、分配比），其大小反映出溶质在不同溶剂中溶解度的差异，及在此系统中的选择性,在溶剂萃取中，含有溶质的未被提取过的溶液称为料液；用于进行萃取的溶剂称为

21、萃取剂；经萃取后含有溶质的萃取剂称为萃取液；被萃取过失去溶质的料液称为萃余液。,分离因素（分离系数） 若在同一体系中有两种溶质A和B，它们在相同条件下的分配常数分别为KA、KB，则分离系数的定义为： = KA/KB = (CLA/CLB)/(CRA/CRB),二）有机溶剂的选择,1）选择萃取用的溶剂应考虑对产物有较大的溶解度和较好的选择性。, 分离因素可以表征溶剂的选择性如何，溶解度则由相似相溶的分子极性所决定。 介电常数是一个化合物摩尔极化程度的量度；通过这一数值，可预知一个化合物是极性化合物还是非极性化合物。,4）价格低廉，安全（如无毒、闪点高）,常用：乙酸乙酯、乙酸丁酯、丁醇,2）溶剂与

22、被萃取液的互溶度要小，黏度低，界面张力适中，对相的分散和相的分离有利；,3）溶剂的化学稳定性高，回收和再生容易；,三）影响水相溶质溶解度的因素,1）离子强度, 有些物质在高离子强度下溶解度增加，如DNA-蛋白；有些则在低离子强度下溶解度增加，如RNA-蛋白； 绝大多数蛋白质和酶存在“盐溶”和“盐析”现象； 盐析作用可以降低许多生化产物在水中的溶解度，也能减少有机溶剂在水中的溶解度。 例如：在VB12的提取中，加入中性盐硫酸铵，有利于VB12自水相转移到有机溶剂中；在提取青霉素时加入NaCl，也有利于青霉素从水相转移到有机溶剂中。,2）pH,3）温度, 温度可改变物质的溶解度，影响分配系数； 一

23、般生物物质对温度敏感，萃取多在室温或低温下进行（通常0-10）； 但也有采用热提取法的（50-70 ），多用于一些小分子生物物质,4）带溶剂, 带溶剂是一类能和所提取的生物物质形成复合物，而易溶于溶剂的物质，且此复合物在一定条件下易分解形成原来的生物物质。 提取水溶性强、在常用的有机溶剂中溶解度小的物质时可采用添加带溶剂；对于水溶性不强的物质，也可通过带溶剂提高收率和选择性； 例如：链霉素是水溶性较强的碱，可与脂肪酸（如月桂酸）形成复合物，该复合物能溶于乙醇、醋酸丁酯等，而被萃取到有机相； 在酸性条件下，又分解成链霉素而转溶于水相。,四）乳化与去乳化, 在萃取过程中，经常会出现一种液体分散到另

24、一种本不相溶的液体中，即乳化现象。 乳化现象会造成有机溶剂相和水相分层困难，出现两种夹带现象： 一是发酵液提取废液中夹带有机溶剂微粒，导致产品损失； 二是有机溶剂相中夹带发酵液微粒，会将杂质带入产品中。,油（有机溶剂）、水不溶分层 表面活性剂存在 可发生乳化 这类表面活性剂称为乳化剂；,1、乳浊液的成因及稳定条件,乳浊液有两种： 水包油型 (O/W型) 油滴分散在水中 油包水型(W / O型) 水滴分散在油中,由于乳化剂的两性性质，能够将本不相溶的油与水连在一起，但其分子处在任何一相都是不稳定的，只有处在两相界面上时，亲水基团对着水，疏水基团对向油，在相的界面上形成单分子层时，比较稳定。乳化剂

25、能够降低表面张力，液体容易分散成微滴而发生乳化。,影响乳浊液稳定性的因素包括是否在界面上形成保护膜，液滴的带电性质以及介质的黏度； 在发酵液中，蛋白对表面张力的影响最为显著，随着蛋白含量的增多，表面张力明显下降，由此引起的乳浊液是相当稳定的。,CaCO3可被水浸润，但不能被有机溶剂润湿；将乳浊液通过CaCO3层时，乳浊液中的水分则被吸附。,2、去乳化方法,1）离心分离法,2）提高温度,提高温度可使黏度下降，使乳浊液稳定性降低,3）稀释法,4）电解质破乳法, 离子型乳化剂所形成的乳浊液的稳定性，是因其分散相带有电荷； 加入电解质，可中和其电性，促使聚沉； 常用NaCl、NaOH、HCl、Al 3

26、+等,5）吸附法,6）顶替法, 加入表面活性更强但不能形成保护膜的物质，将原来的乳化剂从界面上顶替出来。 常用顶替剂有戊醇，其表面活性很强，但碳链很短，不能形成保护膜,7）转型法, 如果在O/W型乳浊液中加入亲脂性的乳化剂，则乳浊液有从O/W转变为W/O型的趋向；但因在转变过程中，其他条件还不允许形成W/O型乳浊液，而使乳浊液遭到破坏。 去乳化剂：,五）萃取方式,1、单级萃取, 多级逆流萃取包括若干萃取级，在第一级中加入料液，并逐渐向下一级移动，而在最后一级中加入萃取剂，并逐渐向前一级移动。 料液移动的方向和萃取剂移动的方向相反，故得名。,2、多级错流萃取(multistage cross-f

27、low extraction),由几个萃取器串联组成，料液经第一级萃取后分离成两个相；萃余相流入下一个萃取器，再加入新鲜萃取剂继续萃取；萃取相则分别由各级排出，混合在一起，再进入回收器回收溶剂，回收得到的溶剂仍作萃取剂循环使用。,3、多级逆流萃取（multistage counter-current extraction）,五、离子交换法 (Ion exchange),一）离子交换树脂的分类, 其活性基团一般是磺酸基(-SO3H); 由于是强酸性基团，电离程度不受外界pH的影响，在pH1-14范围内均能起交换作用，一般没有使用pH的限制。 以与NaCl的交换为例： R-SO3H + NaCl

28、R-SO3Na + HCl 其再生是用NaOH处理并水洗至pH8-9。再用HCl处理并用水洗至pH5,1、强酸性阳离子交换树脂,2、弱酸性阳离子树脂, 以羧基(-COOH )、酚羟基(-OH)等为活性基团； 其交换性能与溶液的pH有很大关系，因为这种树脂的电离度很小。 例如：羧基树脂交换pH7，酚羟基树脂交换pH9。在酸性溶液中，这类树脂几乎不发生交换反应，其交换能力随溶液pH增高而增高。 典型交换反应：R-COOH + NaOH RCOONa + H2O 反应生成的盐RCOONa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pH8-9。,3、强碱性阴离子交换树脂, 有两

29、种： 强碱型 含有三甲胺基 强碱型 含有二甲基-羟基-乙基胺 型比型的碱性强，但再生困难； 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，没有使用pH的限制； 典型交换反应： RN(CH3)3Cl + NaOH RN(CH3)3OH + NaCl,4、弱碱性阴离子交换树脂, 活性基团有伯胺基-NH2、仲胺基NH、叔胺基NH和吡啶基等； 与弱酸性阳离子树脂情况类似，交换能力随pH的变化而变化， pH越低，交换能力越大； 典型交换反应：RNH3OH + HCl RNH3Cl + H2O 生成的盐RNH3Cl很容易水解；这类树脂与OH的结合能力较强，容易再生成羟型，耗碱量也少

30、。,另有一些特殊的树脂，如鳌合树脂、两性树脂、氧化还原树脂；大孔树脂,二）离子交换树脂的命名法, ,大孔树脂在前面加“D”,例如：0017： 强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，交联度为7 D301 ：弱碱性苯乙烯系大孔阴离子交换树脂,三）离子交换树脂理化指标, 合成树脂时单体中交联剂（如二乙烯苯）的含量百分数称为交联度。 通常8%-12%； 一般交联度越大，树脂越坚固，机械强度越好，在水中不易膨胀；交联度越低，树脂越柔软，越容易膨胀，越能很好地吸附较大的离子，达到交换平衡的速度越大；但机械强度差，吸附的选择性小；,1、交联度,2、膨胀度, 树脂不溶于水，但亲水性强，具有亲水胶体性质，一般吸水膨胀，

31、脱水收缩； 测定方法：将10-15ml风干树脂放入量筒，加入欲实验的溶剂（多为水），然后不时摇动，24h后，测定树脂的体积。前后体积之比称为膨胀系数； 膨胀系数与交联度有一定关系，交联度大的树脂膨胀系数小；,3、交换容量, 指一定量树脂中可交换基团的毫克当量数，是表征树脂性能的重要指标。 若将树脂装柱进行操作，流出液中产物离子达到某一浓度时，操作即应停止，树脂进行再生后再使用。这一浓度称为漏出点。 在漏出点时树脂所吸附的量叫做工作交换容量。,四）离子交换工作原理,根据物质的酸碱性、极性不同，在水溶液中所带阴阳离子不同，电荷不同的物质对层析柱上的离子交换剂有不同的亲和力，改变洗脱液的离子强度或p

32、H，不同物质就能依次从层析柱中分离出来。 在离子交换过程中，离子首先扩散到树脂表面，通过树脂扩散到交换位置，在交换位置进行离子交换。被交换的分子所带电荷越多，它与树脂的结合越紧密，也就越不容易被其它离子所取代。被交换的离子扩散到树脂表面，洗脱液通过，被交换的离子扩散到外部溶液中。, 大分子物质要选择交联度低些的树脂，小分子物质则选用交联度高的树脂； 由于交联度低树脂强度差、易破碎，因此，交联度选择的原则是在不影响交换容量的条件下，尽可能提高交联度。,五）离子交换树脂的选择,1、首先要考虑的是产物的酸碱性质, 如强酸性物质应该选用弱碱性阴离子交换树脂，这主要是从是否容易解吸的角度考虑的；因为强碱

33、性阴离子交换树脂固然也能吸附强酸性物质，但洗脱困难； 若产物为弱酸性物质则应选择强碱性阴离子交换树脂，如用弱碱性阴离子树脂则不易吸附。 同理，强碱性产物则应选用弱酸性阳离子交换树脂；弱碱性产物则选用强酸性阳离子交换树脂。,2、其次要考虑交联度,如：当产物分子是低价离子时，增加浓度有利于交换上柱；高价离子则在较低浓度下易被吸附。,六）操作条件的控制,1、交换条件控制,1）最重要的是控制交换时的pH,合适的pH应该考虑三方面： a) 应在被吸附物质稳定的pH范围内； b）能够使被吸附物质离子化； c）同时能使树脂离子化,2）在使用之前，树脂还必须处理成一定的型式, 对于弱酸性和弱碱性树脂，为了使其

34、能离子化，应采用钠型或氯型； 而强酸性或强碱性树脂可采用任何型式，但若产物在酸性或碱性条件下易破坏的，则不能采用氢型或羟型；对于偶极离子的有机物，应该采用氢型树脂。,3）要考虑到产物浓度对交换有影响,2、洗脱条件的控制,洗脱条件正好与上柱条件相反 如对pH范围的选择，若酸性上柱，则应在碱性条件下洗脱；若碱性上柱，就采用酸性条件洗脱；,六、结晶法（crystallization）,物质从液态（液体或熔融体）或气态形成晶体的过程叫结晶。 结晶法常用于发酵产物的分离纯化,一）晶体的一般性质, 许多性质相同的粒子在三维空间有规律地排列成格子状固体的物质称为晶体。 晶体应该是具有一定形状的固态物质，由许多性质相同的粒子（原子、离子和分子）有规律地排列而成。, 某些液体表面上看不像晶体，但内部结构明显具有晶体空间排列规律性，这种液体称为液晶。, 大多数物质结晶都是在溶液中进行的，所以形成的晶体中常含有一定量的结晶水。 晶体的含水量与晶体蒸汽压强有关，当晶体蒸汽压强高于大气蒸汽压强时，则风化失去结晶水。, 晶体与非晶体的主要区别在于晶态物质的许多性质如光学和电学都具有方向性，即在同一方向上具有相同的性质，在不同方向上具有相异性（称为晶体各向相异性）；非晶体则不具此性质。,二）晶体的结构与分类,构成晶体的微观粒子（分子、原子或离子）按一定的几何规则排列，