发酵产物的提取及精制概论(编辑修改稿)

发酵产物的提取及精制概论(编辑修改稿)内容摘要：

洗脱两种可被吸着的离子时，其被洗脱的能力则决定于各自的洗脱反应的平衡常数。 2020422 （ 3）双电子层理论 • 一切能被含有电解质的溶液润湿的固体表面，都可以吸附这种溶液中某一异性离子而形成双电子层。 • 内层：固体离子运动时，内层也随之运动。 • 外层：外层离子，随着外面溶液浓度和 pH的变化而改变着。 2020422 • [离子 ]降低时，双电层厚度加大； [离子 ]升高时，双电子层厚度降低。 溶液中离子价数越高，吸引力就加强，双电层厚度就降低，反之就增大。 • 双电层厚度就降低外加离子要进入双电层就越困难。 • 在实际中要设法扩大双电子层，如用清水冲洗。 2020422 （ 4）膜理论 • 离子交换剂具有：疏松的孔隙 (孔隙有一定大小 )，有巨大的内表面供离子交换。 • 孔隙大小决定了被提取物分子或离子大小和所使用树脂交联度大小。 • 可以把离子交换剂颗粒看作膜。 2020422 三点说明： • (1)选择合适的离子交换树脂。 • (2)考虑欲分离分子量的大小，选择用适合交联度的树脂。 • (3)在这里，我们是围绕粒状离子交换树脂的作用机理来阐述膜理论的。 2020422 二、离子交换平衡： • (一 )离子交换的过程： • (1)A离子经吸附或扩散到表面 • (2)扩散到树脂内部的活性中心。 • (3)与中心 B离子交换。 • (4)B离子中心 → 表面。 • (5)B离子扩散到溶液中。 2020422 三、离子交换剂的结构 : • 树脂结构要求：不溶性、化学稳定性、离子交换性、固态。 • 其构成可分为两部分： (1)不能移动的多价高分子基团。 (2)可移动的离子。 2020422 • 电化学：它是一种不溶解的多价离子，其周围包围着可移动的带有相反电荷的离子。 • 胶体化学：它是一种有弹性的亲液的凝胶。 • 离换树脂：分子量大的高分子聚合物 2020422 • 交联度的大小会影响到离子交换树脂内网状结构空隙的大小。 大，结构紧密，隙小；大分子离子不能进入粒内发生交换作用。 • 目前，离子交换纤维和离子交换葡萄糖的使用效果较理想。 2020422 四、离子交换的类型 • 按组分： (有机、无机 )离子交换剂。 • 按性能： (阳、阴、两性、吸附型、选择型、氧化还原型 )离子交换剂。 （ 1）阳离子交换剂 – 强酸型 : (RSO3H) – 中性 : – 弱酸性 : 2020422 （ 4）选择性离子交换树脂： • 又称螯合性离子交换树脂，因为有与金属离子形成螯合物的基团，而具有离子选择性。 （ 5）吸附树脂： • 亦称脱色树脂，有较大的表面积，具多孔性，吸附功能强。 2020422 （ 6）电子交换树脂： • 其作用不是进行离子交换而是电子转移，能起氧化还原作用， (亦称氧 — 还树脂 )可用氧化剂或还原剂再生。 2020422 五、离子交换树脂的理化性能 a. 对离子交换树脂的一般要求： • （ 1）容量大。 （活性基团 /重量）。 足够多含活性基因；基团能完全电离。 • （ 2）良好的可逆性。 • （ 3）适宜的机械强度。 • （ 4）化学稳定性。 2020422 b、离换树脂的处理、再生、转型、保存 • （ 1）处理： 树脂浸泡 → 酸处理 → 碱处理液 → 水洗 • （ 2）再生： 使用过的树脂恢复到原状况的方法（往往只作简单转型处理）。 • （ 3）转型： 使树脂上带上使用时希望的离子。 2020422 如： • Na型：用氢氧化钠； • H型：用盐酸处理； • NH4+型：用氨水处理； （ 4）保存：中型盐型保存 – 阴离子交换树脂， Cl－ 型较 OH－ 稳定。 – 阳离子交换树脂。 Na＋ 型稳定。 2020422 c、交换树脂的理化特性 （ 1）颗粒度： • 颗粒小，交换速度快，压力损失较大。 （ 2）含水量： 一般 4060%。 2020422 （ 3）比重： – ①干真比重：干燥状态下树脂材料本身的比重。 – ②湿真比重：充分膨胀后树脂颗粒本身的比重。 – ③视比重：指树脂充分吸水膨胀后的堆积密度。 （ 4）膨胀性：因可交换离子不同而不同。 2020422 • 一般强酸性阳离子交换树脂由 Na+变为 H+型，强碱性阳离子交换树脂由 Cl型变为 OH型，体积都大约增加 5% • 膨胀性在实际中的意义： – ①阳、阴树脂混合床的分层。 – ②尽量减少再生次数。 2020422 （ 5）耐磨损强度：树脂在使用过程中会产生磨损。 一般每年为 37% （ 6）耐热性：有一定的耐热性能，温度过高或过低，对强度和容量都会有影响。 一般：阳比阴树脂的耐热性高，其中盐型比游离型的耐热性高。 2020422 （ 7）交换容量：指树脂交换能力的大小，是衡量树脂性能的重要指标。 • 两种表示方法： – ①理论 (全 )交换量 ：树脂的特性决定。 – ②工作 (操作 )交换量 ：受操作条件、柱长度、粒度、离子性质、浓度、流速、交换基团等因素的影响。 • 一般 :弱酸（碱） 强酸（碱）树脂 交联度小的交换容量大。 2020422 六、离子交换树脂的选择性 解释：更能吸附某种离子 与下列因素有关： • 晶体解离的难易程度 • 可交换离子的浓度 • 亲和力大小：电价（ 浓度），酸碱强度。 • pH值：影响 [H+] 2020422 七、影响离子交换速度的主要因素 （ 1）树脂颗粒的大小 • 颗粒越小，单位体积树脂的表面积愈大，有利于离子间的接触，交换速度愈快。 （ 2）树脂的交联度 • 在一定条件下，降低树脂交联度，能提高交换速度。 2020422 （ 3）溶液中离子的浓度 • 当溶液中离子的浓度在一定范围内增加时，能加快交换速度，相反亦然。 （ 4）温度 • 提高温度能使固相或液相的扩散系数增大，交换速度增加。 （ 5）离子大小 • 交换小离子的速度较快，交换大离子的速度较慢。 2020422 （ 6）离子价 • 吸附速度：离子价小的离子 离子价大的离子 （ 7）酸碱的强弱 • 交换速度：强酸 (碱 )性树脂 弱酸 (碱 )性树脂 —— 与活性基团的解离程度有关。 • 金属离子和羟基树脂上的 H+的交换速度很慢。 （ 8）树脂层装填的松紧度 • 装填疏松有利扩散，交换速度相应也有所提高。 2020422 八、离子交换操作方式： 分批法： • 交换在一容器中进行。 固定床法：也称柱过滤法 • 交换在动态下进行。 2020422 为什么分批法不如固定床法好呢。 • 用分批法，因为交换受到平衡的限制，树脂的饱和度不高。 而固定床法，树脂的饱和度高（当然同样存在平衡限制的情况），因为液体在流动的过程中，平衡状态因新的溶液的流入而逐渐被所打破，使离子交换速度加快。 2020422 • 利用固定化床进行洗盐时，通常需分别通过阳和阴离子交换柱串联。 • RSO3H+MX→RSO 3M+HX ROH+HX→RX+H 2O • 若再使用混合柱，即 RSO3H+MX+ROH→RSO 3M+RX+H2O 则离子交换更彻底。  三柱脱盐制备无离子水的机理： 自来水 → 经阳树脂柱 → 经阴树脂柱 → 阴阳混合树脂柱 → 高纯度无离子水 2020422 注意：在离子交换操作中， • （ 1）选择合适的液体流速。 • （ 2）在固定操作中，流体自上而下流动。 2020422 九、离子交换法提取谷氨酸 • 常用树脂 • 工艺流程 • 工艺要点 2020422 4 膜分离法 一、概述： • 利用可解离基团，在外电场作用下，经过选择透过性高分子膜，使多种带电性物质分离的方法。 • 离换树脂：离子间的交换是它的主要机理。 • 离子交换膜：离子选择透过是主要机理。 2020422 二、膜分离法的原理 • 透析 盐浓度差异  生物大分子溶液的脱盐 • 超滤、微滤 孔径：超滤 微滤 压差：超滤 微滤 对象：超滤 for分子，微滤 for菌体 2020422 • 反渗透 外加压力大于浓度产生的压力差，用于 1nm以下小分子的浓缩 渗 透 压压 力 渗 透 压半 透 膜c 2 p 2 c1 p 1c 2 p 2 c1 p 1c 2 p 2 c1 p 1c 2 p 2 c1 p 1半 透 膜 半 透 膜 半 透 膜( a ) 平 衡1 2 1 2,   1 2 1 2,c c p p ( b ) 渗 透1 2 1 2,c c p p1 2 1 2,   （ c ） 渗 透 平 衡 1 2 1 2,c c p p1 2 1 2,   p   （ d ） 反 渗 透1 2 1 2,c c p p12 p   2020422 • 电渗析 For 脱盐，分离小分子电解质（图 1332） • 渗透汽化 原理： 液体混合物在膜两侧有压差，被分离混合物中某组分可优先透过膜，在膜得下游侧汽化去除。 材料，适用范围 2020422 • 液膜技术 液液萃取 + 膜技术  液体固定成膜 根据：物质在液膜内溶解度不同，辅助化学反应 • 气体渗透 气体渗透速率差异 利用气体膜分离不同气体 2020422 二、离换膜分类 • 工业用离子交换膜必备的条件 (1)性能：选择性；高的离子透过性；好的导电性； (2)一定的机械强度；均匀光洁；膨胀性小； (3)化学稳定性好； (4) 价格便宜； 2020422 膜的种类： • 按材料的来源可分为天然生物膜与人工合成膜； • 按膜分离过程的推动力可分为压力差、电位差、浓度差、温度差等膜； • 按膜的结构可分为对称和非对称膜两大类，其中非对称膜还可细分为多孔膜、叠合膜以及复合膜等。 2020422 (1) 均质膜：密，薄 (2) 微孔膜： ；包括多孔膜，核孔膜 (3)非对称膜： for 反渗透，气体分离，超滤 活性层： ，决定分离效果； 支撑层 :50250um (4)复合膜： (3) + 致密表面活性层 (5)离子交换膜：均质， 200um (6)其他：无机膜，液膜，气膜 2020422 • 膜的结构特点 (1)结构：不对称，非均匀 (2)孔道特性：孔径，孔隙分布，孔隙率 (3)水通量：选择适宜孔径 • 根据料液性质选择孔径适宜、不易堵塞，溶质吸附作用小的亲水膜。 2020422 三、膜分离设备 • 板框式膜器 • 管式膜器 • 螺旋卷式膜器 • 中空纤维膜器 2020422 2020422 2020422 四、操作特性 1 浓度极化 近膜累积效应 菌体悬浮液和高压条件下生物大分子溶液投过通量的浓差极化模型： Jv = kln(Cg/Cb) 2020422 2 分子截留 截留率、截留曲线 影响截留的因素： • 相对分子质量 • 分子特性 • 其他溶质 • 操作条件 2020422 3 膜电位 浓度不等，选择透过离子造成电位差 2020422 五、影响膜分离速度的因素 • 操作形式：错流过滤 • 流速： Jv正比于流速，受流动形式、菌体特性影响 • 压力（图 1348） 一定流速下， Jv、凝胶层厚度随压力增加而增加至 Jv到达极限值：增长的 Jv恰好抵消凝胶层增厚带来的影响。 • 料液浓度（图 1349） 2020422 六、膜分离法在发酵工业中的应用 • 超滤和微滤 • 反渗透 • 渗透蒸发 • 液膜技术 • 膜反应器 膜循环反应器 膜渗析反应器 2020422 七 电渗析分离 • 作用原理： 在外电场作用下，膜的可移动离子移动 → 在电极与固定基团间形成足够强烈的电场，产生吸引力，此固定基团能把与其带相反电荷的离子吸入到膜的活性中心。