第十二章發(fā)酵產(chǎn)物分離原理與技術(shù)

1、發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工系第十三章第十三章 發(fā)酵產(chǎn)物分離原理與技術(shù)發(fā)酵產(chǎn)物分離原理與技術(shù)發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院發(fā)酵產(chǎn)物分離原理與技術(shù)發(fā)酵產(chǎn)物分離原理與技術(shù)第一節(jié)第一節(jié) 沉淀分離法沉淀分離法第二節(jié)第二節(jié) 吸附和樹(shù)脂分離法吸附和樹(shù)脂分離法第三節(jié)第三節(jié) 離子交換法和離子交換膜電滲析分離法離子交換法和離子交換膜電滲析分離法第四節(jié)第四節(jié) 萃取與浸取分離法萃取與浸取分離法第五節(jié)第

2、五節(jié) 膜分離技術(shù)膜分離技術(shù)發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院第一節(jié)第一節(jié) 沉淀分離法沉淀分離法沉淀是物理環(huán)境的變化引起溶質(zhì)的溶解度降低，生成沉淀是物理環(huán)境的變化引起溶質(zhì)的溶解度降低，生成固體凝聚物的現(xiàn)象。固體凝聚物的現(xiàn)象。沉淀法沉淀法方法簡(jiǎn)單、成本低、使用廣泛方法簡(jiǎn)單、成本低、使用廣泛，一般作為初步，一般作為初步分離的手段。分離的手段。沉淀法的分類：沉淀法的分類：一一等電點(diǎn)沉淀法等電點(diǎn)沉淀法二二鹽析法鹽析法三三有機(jī)溶劑沉淀法有機(jī)溶劑沉淀法四四非離子型聚合物沉淀法非離子型聚合物沉淀法五五聚電

3、解質(zhì)沉淀法聚電解質(zhì)沉淀法六六生成鹽復(fù)合物沉淀法生成鹽復(fù)合物沉淀法七七熱變性及酸堿變性沉淀法熱變性及酸堿變性沉淀法發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院一、等電點(diǎn)沉淀法一、等電點(diǎn)沉淀法原理：原理：利用兩性電解質(zhì)在電中性時(shí)溶解度最低；利用兩性電解質(zhì)在電中性時(shí)溶解度最低；優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：許多蛋白的等電點(diǎn)都在偏酸范圍內(nèi)，而許許多蛋白的等電點(diǎn)都在偏酸范圍內(nèi)，而許多無(wú)機(jī)酸的價(jià)格低廉，并能為食品標(biāo)準(zhǔn)允許；多無(wú)機(jī)酸的價(jià)格低廉，并能為食品標(biāo)準(zhǔn)允許；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：酸化時(shí)易引起蛋白失活。酸化時(shí)易引起蛋白失活。 不少蛋白質(zhì)

4、與金屬結(jié)合后會(huì)發(fā)生等電點(diǎn)偏移，如胰不少蛋白質(zhì)與金屬結(jié)合后會(huì)發(fā)生等電點(diǎn)偏移，如胰島素的等電點(diǎn)為島素的等電點(diǎn)為5.35.3，在與，在與ZnZn2+2+結(jié)合形成胰島素鋅鹽，其結(jié)合形成胰島素鋅鹽，其等電點(diǎn)升為等電點(diǎn)升為6.26.2；故加入金屬離子后選擇等電點(diǎn)沉淀時(shí)，；故加入金屬離子后選擇等電點(diǎn)沉淀時(shí)，要注意調(diào)整要注意調(diào)整pHpH。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院等電點(diǎn)沉淀法的實(shí)例等電點(diǎn)沉淀法的實(shí)例從豬胰臟中提取胰蛋白酶原：胰蛋白酶原的從豬胰臟中提取胰蛋白酶原：胰蛋白酶原的pIpI8.98.9，可

5、，可先于先于pH 3.0pH 3.0左右進(jìn)行等電點(diǎn)沉淀，除去共存的許多酸性蛋左右進(jìn)行等電點(diǎn)沉淀，除去共存的許多酸性蛋白質(zhì)白質(zhì)(pI=3.0)(pI=3.0)。工業(yè)生產(chǎn)胰島素。工業(yè)生產(chǎn)胰島素(pI(pI5.3)5.3)時(shí)，先調(diào)時(shí)，先調(diào)pHpH至至8.08.0除去堿性蛋白質(zhì)，再調(diào)除去堿性蛋白質(zhì)，再調(diào)pHpH至至3.03.0除去酸性蛋白質(zhì)除去酸性蛋白質(zhì)( (同時(shí)同時(shí)加入一定濃度的有機(jī)溶劑以提高沉淀效果加入一定濃度的有機(jī)溶劑以提高沉淀效果) )。堿性磷酸酯酶的堿性磷酸酯酶的pIpI沉淀提取：發(fā)酵液調(diào)沉淀提?。喊l(fā)酵液調(diào)pH4.0pH4.0后出現(xiàn)含堿后出現(xiàn)含堿性磷酸酯酶的沉淀物，離心收集沉淀物。用性磷酸酯

6、酶的沉淀物，離心收集沉淀物。用pH9.0pH9.0的的0.1 0.1 mol/L Tris-HClmol/L Tris-HCl緩沖液重新溶解，加入緩沖液重新溶解，加入202040%40%飽和度的飽和度的硫酸銨分級(jí)，離心收集的沉淀硫酸銨分級(jí)，離心收集的沉淀Tris-HClTris-HCl緩沖液再次沉淀，緩沖液再次沉淀，即得較純的堿性磷酸酯酶。即得較純的堿性磷酸酯酶。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院等電點(diǎn)沉淀法等電點(diǎn)沉淀法等電點(diǎn)沉淀法的適用范圍：等電點(diǎn)沉淀法的適用范圍：明確明確pIpI的兩性

7、物質(zhì)；的兩性物質(zhì)；疏水性較大的蛋白質(zhì)。疏水性較大的蛋白質(zhì)。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院二、鹽析法二、鹽析法l蛋白質(zhì)在高離子強(qiáng)度的溶液中溶解度降低，發(fā)生蛋白質(zhì)在高離子強(qiáng)度的溶液中溶解度降低，發(fā)生沉淀的現(xiàn)象稱為沉淀的現(xiàn)象稱為鹽析鹽析。1.鹽析法的原理鹽析法的原理2.鹽析法的影響因素鹽析法的影響因素發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院1、鹽析法的原理、鹽析法的原理原理：原理：鹽離子與蛋白

8、質(zhì)分子爭(zhēng)奪水分子，降低了用于溶鹽離子與蛋白質(zhì)分子爭(zhēng)奪水分子，降低了用于溶解蛋白質(zhì)的有效水量，減弱了蛋白質(zhì)的水合程度，解蛋白質(zhì)的有效水量，減弱了蛋白質(zhì)的水合程度，破壞了蛋白表面的水化膜，導(dǎo)致蛋白質(zhì)溶解度下破壞了蛋白表面的水化膜，導(dǎo)致蛋白質(zhì)溶解度下降；降；鹽離子電荷的中和作用，使蛋白質(zhì)溶解度下降；鹽離子電荷的中和作用，使蛋白質(zhì)溶解度下降；鹽離子引起原本在蛋白質(zhì)分子周圍有序排列的水鹽離子引起原本在蛋白質(zhì)分子周圍有序排列的水分子的極化，使水活度降低。分子的極化，使水活度降低。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊

9、化學(xué)化工學(xué)院鹽析原理示意圖鹽析原理示意圖發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院鹽析原理鹽析原理圖圖1 碳氧血紅蛋白的溶解度與硫酸銨離子強(qiáng)度的關(guān)系圖碳氧血紅蛋白的溶解度與硫酸銨離子強(qiáng)度的關(guān)系圖 蛋白質(zhì)的溶解度與鹽濃度間的關(guān)系可用蛋白質(zhì)的溶解度與鹽濃度間的關(guān)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 離子強(qiáng)度為離子強(qiáng)度為I I時(shí)的蛋白溶解度時(shí)的蛋白溶解度 (g/L);(g/L); S S0 0

10、 純?nèi)軇醇內(nèi)軇碔 = 0I = 0）時(shí)蛋白的溶解度；）時(shí)蛋白的溶解度； Ks Ks 鹽析常數(shù)，與溫度和鹽析常數(shù)，與溫度和pHpH無(wú)關(guān)；無(wú)關(guān)； I I 離子強(qiáng)度離子強(qiáng)度 當(dāng)溫度一定時(shí)，當(dāng)溫度一定時(shí)，S S0 0對(duì)于某一溶質(zhì)是一常數(shù)，即對(duì)于某一溶質(zhì)是一常數(shù)，即logSlogS0 0 = = 是溶質(zhì)的特征常數(shù)，對(duì)于蛋白質(zhì)而言，其大小是溶質(zhì)的特征常數(shù)，對(duì)于蛋白質(zhì)而言，其大小主要取決于不同蛋白質(zhì)的性質(zhì)，它也與溶液的溫度主要取決于不同蛋白質(zhì)的性質(zhì)，它也與溶液的溫度和和pHpH值有關(guān)，但與鹽的種類無(wú)關(guān)。值有關(guān)，但與鹽的種類無(wú)關(guān)。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFer

11、mentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院鹽析法原理鹽析法原理鹽析法分離蛋白質(zhì)時(shí)，可分兩類：鹽析法分離蛋白質(zhì)時(shí)，可分兩類：1 1）在一定的）在一定的pHpH值和溫度下，改變離子強(qiáng)度或鹽濃度值和溫度下，改變離子強(qiáng)度或鹽濃度的沉淀方法的沉淀方法“K K”分級(jí)鹽析法分級(jí)鹽析法2 2）在一定離子強(qiáng)度下，改變?nèi)芤旱模┰谝欢x子強(qiáng)度下，改變?nèi)芤旱膒HpH值及溫度的沉值及溫度的沉淀方法淀方法“ ”分級(jí)鹽析法分級(jí)鹽析法發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院2 2、鹽析的主要影響因素、

12、鹽析的主要影響因素鹽溶鹽溶(salting in)(salting in)： 許多蛋白在低鹽濃度下發(fā)生鹽溶現(xiàn)象許多蛋白在低鹽濃度下發(fā)生鹽溶現(xiàn)象（比在純水中的溶解度大大增加）；（比在純水中的溶解度大大增加）； 高鹽濃度則鹽析，離子強(qiáng)度越大，蛋白質(zhì)的溶解度越低；高鹽濃度則鹽析，離子強(qiáng)度越大，蛋白質(zhì)的溶解度越低； 鹽析劑種類很多，不同種類的鹽對(duì)蛋白溶解度的影響是不同鹽析劑種類很多，不同種類的鹽對(duì)蛋白溶解度的影響是不同的；離子半徑小且電荷高的離子對(duì)鹽析作用的影響較強(qiáng)，離子半的；離子半徑小且電荷高的離子對(duì)鹽析作用的影響較強(qiáng)，離子半徑較大而電荷低的離子影響較弱；不同種類的鹽對(duì)溶解度的影響，徑較大而電荷低的

13、離子影響較弱；不同種類的鹽對(duì)溶解度的影響，主要是對(duì)主要是對(duì)KsKs值的影響，值的影響，KsKs值越大，該鹽的鹽析效果越好。值越大，該鹽的鹽析效果越好。1 1）蛋白質(zhì)濃度）蛋白質(zhì)濃度 高濃度的蛋白溶液，可減少鹽的用量；但共沉現(xiàn)象嚴(yán)高濃度的蛋白溶液，可減少鹽的用量；但共沉現(xiàn)象嚴(yán)重重用低濃度蛋白溶液進(jìn)行鹽析，需用較多的鹽，共沉作用用低濃度蛋白溶液進(jìn)行鹽析，需用較多的鹽，共沉作用較輕較輕2 2）離子強(qiáng)度和種類）離子強(qiáng)度和種類3 3）溫度）溫度 溫度是影響溶質(zhì)溶解度的重要因素，升高溫度可以增加許溫度是影響溶質(zhì)溶解度的重要因素，升高溫度可以增加許多無(wú)機(jī)鹽和小分子有機(jī)化合物的溶解度；多無(wú)機(jī)鹽和小分子有機(jī)化合

14、物的溶解度； 但在高鹽濃度中，蛋白質(zhì)等生物大分子物質(zhì)的溶解度隨溫但在高鹽濃度中，蛋白質(zhì)等生物大分子物質(zhì)的溶解度隨溫度的升高反而減小度的升高反而減小 這主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)分子在水化時(shí)要吸熱，失水時(shí)則放熱；這主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)分子在水化時(shí)要吸熱，失水時(shí)則放熱；溫度升高有利于蛋白質(zhì)失水沉淀。溫度升高有利于蛋白質(zhì)失水沉淀。4 4）pHpH 值除與蛋白質(zhì)和溫度有關(guān)外，還與值除與蛋白質(zhì)和溫度有關(guān)外，還與pHpH有關(guān)；有關(guān)； 鹽析鹽析pHpH的選擇要以不降低產(chǎn)物的活性為原則；的選擇要以不降低產(chǎn)物的活性為原則； 由于蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)時(shí)最易沉淀，故可選擇等電點(diǎn)的由于蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)時(shí)最易沉淀，故可選擇等電點(diǎn)的pHpH作

15、為鹽析作為鹽析pHpH發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院幾種蛋白質(zhì)析出時(shí)所需硫酸銨的離幾種蛋白質(zhì)析出時(shí)所需硫酸銨的離子的強(qiáng)度子的強(qiáng)度發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院不同鹽溶液中碳氧血紅蛋白的溶解不同鹽溶液中碳氧血紅蛋白的溶解度與離子強(qiáng)度的關(guān)系度與離子強(qiáng)度的關(guān)系 不同鹽溶液中碳氧血紅蛋白的溶解度與離子強(qiáng)度的關(guān)系（不同鹽溶液中碳氧血紅蛋白的溶解度與離子強(qiáng)度的關(guān)系（2525）( ()NaC

16、l; ()NaCl; ()KCl;()KCl;( )MgSO)MgSO4 4;(;() )（NHNH4 4) )2 2SOSO4 4;(;()Na)Na2 2SOSO4 4;(;()K)K2 2SOSO4 4;(;() )檸檬酸三鈉檸檬酸三鈉發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院溫度和溫度和pH值的影響值的影響溫度對(duì)碳氧血紅蛋白鹽析曲線的影響溫度對(duì)碳氧血紅蛋白鹽析曲線的影響pH值對(duì)值對(duì)的影響的影響發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Eng

17、ineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院三、有機(jī)溶劑沉淀法三、有機(jī)溶劑沉淀法1.有機(jī)溶劑沉淀法的原理有機(jī)溶劑沉淀法的原理2.有機(jī)溶劑沉淀法的影響因素有機(jī)溶劑沉淀法的影響因素3.有機(jī)溶劑沉淀法的優(yōu)缺點(diǎn)有機(jī)溶劑沉淀法的優(yōu)缺點(diǎn)4.有機(jī)溶劑沉淀法的注意事項(xiàng)有機(jī)溶劑沉淀法的注意事項(xiàng)5.有機(jī)溶劑沉淀法舉例有機(jī)溶劑沉淀法舉例發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院1、有機(jī)溶劑沉淀法的原理、有機(jī)溶劑沉淀法的原理許多有機(jī)溶劑如丙酮、乙醇、甲醇等能使溶于水的小分子許多有機(jī)溶劑如丙酮、乙醇、甲醇等能使溶于水的小分子

18、生物物質(zhì)以及核酸、多糖、蛋白質(zhì)等生物大分子發(fā)生沉淀生物物質(zhì)以及核酸、多糖、蛋白質(zhì)等生物大分子發(fā)生沉淀作用。這種沉淀作用是作用。這種沉淀作用是多種效應(yīng)的結(jié)果多種效應(yīng)的結(jié)果，但，但主要作用主要作用是是降降低水溶液的介電常數(shù)低水溶液的介電常數(shù)。當(dāng)有機(jī)溶劑濃度增大時(shí)，水對(duì)蛋白等分子表面上荷電基團(tuán)當(dāng)有機(jī)溶劑濃度增大時(shí)，水對(duì)蛋白等分子表面上荷電基團(tuán)或親水基團(tuán)的水化程度降低，或者說(shuō)溶劑的介電常數(shù)降低，或親水基團(tuán)的水化程度降低，或者說(shuō)溶劑的介電常數(shù)降低，因而靜電吸引力增大，帶電溶質(zhì)互相吸引而聚集。因而靜電吸引力增大，帶電溶質(zhì)互相吸引而聚集。對(duì)于具有表面水層的生物分子，有機(jī)溶劑與水的作用，使對(duì)于具有表面水層的生

19、物分子，有機(jī)溶劑與水的作用，使這些分子表面水層厚度不斷壓縮，最后使這些分子脫水而這些分子表面水層厚度不斷壓縮，最后使這些分子脫水而相互聚集析出。相互聚集析出。不同濃度的有機(jī)溶劑可使不同的溶質(zhì)沉淀，即不同濃度的有機(jī)溶劑可使不同的溶質(zhì)沉淀，即分步沉淀法分步沉淀法，達(dá)到分離純化的目的。達(dá)到分離純化的目的。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院蛋白質(zhì)分子表面蛋白質(zhì)分子表面發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)

20、化工學(xué)院 用于生物物質(zhì)沉淀的有機(jī)溶劑須能與水互溶，但對(duì)蛋白無(wú)作用于生物物質(zhì)沉淀的有機(jī)溶劑須能與水互溶，但對(duì)蛋白無(wú)作用；用； 例如：乙醇、甲醇、丙酮、二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、氯例如：乙醇、甲醇、丙酮、二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、氯仿、乙醚等；仿、乙醚等； 乙醇是核酸、糖類、氨基酸和核苷酸等物質(zhì)最常用的沉淀劑；乙醇是核酸、糖類、氨基酸和核苷酸等物質(zhì)最常用的沉淀劑； 在沉淀過(guò)程中，乙醇與水混合時(shí)放出大量的稀釋熱，使溶液在沉淀過(guò)程中，乙醇與水混合時(shí)放出大量的稀釋熱，使溶液的溫度顯著升高，這對(duì)熱穩(wěn)定性較差的產(chǎn)物影響較大（少量多次、的溫度顯著升高，這對(duì)熱穩(wěn)定性較差的產(chǎn)物影響較大（少量多次、攪拌）攪拌）1

21、1）有機(jī)溶劑的種類）有機(jī)溶劑的種類2 2）溫度）溫度多數(shù)生物物質(zhì)在有機(jī)溶劑與水的混合液中的溶解度是隨溫度多數(shù)生物物質(zhì)在有機(jī)溶劑與水的混合液中的溶解度是隨溫度的降低而降低的，因此降低溫度可增加收率；低溫沉淀還能的降低而降低的，因此降低溫度可增加收率；低溫沉淀還能更好地保護(hù)生物物質(zhì)的活性更好地保護(hù)生物物質(zhì)的活性3 3）pHpH 在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定范圍內(nèi)，選擇溶解度最低時(shí)的在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定范圍內(nèi)，選擇溶解度最低時(shí)的pHpH，有助于，有助于提高沉淀效果；在接近等電點(diǎn)處，引起沉淀所需有機(jī)溶提高沉淀效果；在接近等電點(diǎn)處，引起沉淀所需有機(jī)溶劑的量最??；劑的量最??； 合適的合適的pHpH還可大大提高分離的分辨能力還可大大提

22、高分離的分辨能力4 4）樣品濃度和分子質(zhì)量）樣品濃度和分子質(zhì)量 低濃度樣品需要使用有機(jī)溶劑的量較大，但共沉作用小，低濃度樣品需要使用有機(jī)溶劑的量較大，但共沉作用小，有利于提高分離的效果；但低濃度樣品損失較大，回收率低；有利于提高分離的效果；但低濃度樣品損失較大，回收率低； 高濃度樣品使用有機(jī)溶劑的量較小，減少了變性的危險(xiǎn)；高濃度樣品使用有機(jī)溶劑的量較小，減少了變性的危險(xiǎn)；但共沉作用大，分離效果較差。但共沉作用大，分離效果較差。 蛋白質(zhì)分子質(zhì)量越大，產(chǎn)生沉淀所需加入的有機(jī)溶劑量越蛋白質(zhì)分子質(zhì)量越大，產(chǎn)生沉淀所需加入的有機(jī)溶劑量越少。少。5 5）金屬離子和離子強(qiáng)度）金屬離子和離子強(qiáng)度 Mn Mn

23、2+2+、Fe Fe 2+2+、Co Co 2+2+、Cu Cu 2+2+、Zn Zn 2+2+ 等離子能與蛋白質(zhì)的等離子能與蛋白質(zhì)的羧基、氨基和含有氮雜環(huán)的化合物結(jié)合；羧基、氨基和含有氮雜環(huán)的化合物結(jié)合； Ca Ca 2+2+、Ba Ba 2+2+、Mg Mg 2+2+、Pb Pb 2+2+能與羧基結(jié)合；能與羧基結(jié)合； Ag Ag + +、Hg Hg 2+2+、Pb Pb 2+2+ 能與巰基結(jié)合形成復(fù)合物；能與巰基結(jié)合形成復(fù)合物；某些有機(jī)化合物能與生物大分子形成難溶復(fù)合物某些有機(jī)化合物能與生物大分子形成難溶復(fù)合物. .這類復(fù)合物在水或有機(jī)溶劑中的溶解度都大大降低，而不影這類復(fù)合物在水或有機(jī)溶

24、劑中的溶解度都大大降低，而不影響蛋白質(zhì)的生物活性，同時(shí)還能降低有機(jī)溶劑的用量。響蛋白質(zhì)的生物活性，同時(shí)還能降低有機(jī)溶劑的用量。2、有機(jī)溶劑沉淀法的影響因素、有機(jī)溶劑沉淀法的影響因素發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院3、有機(jī)溶劑沉淀法的優(yōu)缺點(diǎn)、有機(jī)溶劑沉淀法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 分辨能力較高，一種溶質(zhì)只在一個(gè)比較窄的有機(jī)溶分辨能力較高，一種溶質(zhì)只在一個(gè)比較窄的有機(jī)溶劑范圍內(nèi)沉淀；沉淀無(wú)需脫鹽；有機(jī)溶劑密度低，與沉淀劑范圍內(nèi)沉淀；沉淀無(wú)需脫鹽；有機(jī)溶劑密度低，與沉淀物密度差大，易進(jìn)行固液分離；

25、有機(jī)溶劑易揮發(fā)，不會(huì)在物密度差大，易進(jìn)行固液分離；有機(jī)溶劑易揮發(fā)，不會(huì)在成品中殘留。成品中殘留。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 易引起蛋白變性；易燃、易爆易引起蛋白變性；易燃、易爆發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院4、有機(jī)溶劑沉淀法的注意事項(xiàng)、有機(jī)溶劑沉淀法的注意事項(xiàng)（1）降低溫度，能增加收率和減少蛋白質(zhì)的變性。）降低溫度，能增加收率和減少蛋白質(zhì)的變性。（2）所選擇的溶劑必須能和水互溶，而和蛋白質(zhì)不起作用。）所選擇的溶劑必須能和水互溶，而和蛋白質(zhì)不起作用。（3）蛋白質(zhì)的分子量越大，產(chǎn)生沉淀所需加入的有機(jī)溶劑

26、量越少。）蛋白質(zhì)的分子量越大，產(chǎn)生沉淀所需加入的有機(jī)溶劑量越少。（4）一種蛋白質(zhì)的溶解度通常會(huì)由于另一蛋白質(zhì)的存在而降低。）一種蛋白質(zhì)的溶解度通常會(huì)由于另一蛋白質(zhì)的存在而降低。（5）沉淀的蛋白質(zhì)如不能再溶解，就可能已經(jīng)變性。）沉淀的蛋白質(zhì)如不能再溶解，就可能已經(jīng)變性。（6）對(duì)很多酶，丙酮加量在）對(duì)很多酶，丙酮加量在20%50%之間，就能產(chǎn)生沉淀。之間，就能產(chǎn)生沉淀。（7）接近等電點(diǎn)時(shí)，引起沉淀所需加入有機(jī)溶劑的量較少。）接近等電點(diǎn)時(shí)，引起沉淀所需加入有機(jī)溶劑的量較少。（8）當(dāng)溶劑量達(dá)到）當(dāng)溶劑量達(dá)到50%時(shí)，則通常只有分子量小于時(shí)，則通常只有分子量小于15000的蛋白質(zhì)仍留的蛋白質(zhì)仍留在溶液中

27、。在溶液中。（9）少量中性鹽的存在能產(chǎn)生鹽溶作用，增加蛋白質(zhì)在有機(jī)溶劑水溶）少量中性鹽的存在能產(chǎn)生鹽溶作用，增加蛋白質(zhì)在有機(jī)溶劑水溶液的溶解度。液的溶解度。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院5、有機(jī)溶劑沉淀法舉例、有機(jī)溶劑沉淀法舉例發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院四、非離子型聚合物沉淀法四、非離子型聚合物沉淀法 聚乙二醇聚乙二醇(PEG)(PEG)、葡聚糖右旋糖酐硫酸鈉等、葡聚糖右旋

28、糖酐硫酸鈉等 沉淀效能高；操作條件溫和，不易引起生物大分子變性；沉淀效能高；操作條件溫和，不易引起生物大分子變性；沉淀后易除去；無(wú)毒、不可燃；廣泛用于核酸、蛋白等的沉淀后易除去；無(wú)毒、不可燃；廣泛用于核酸、蛋白等的分離純化。分離純化。 機(jī)制：機(jī)制：可能降低生物大分子水化度，與大分子發(fā)生共沉可能降低生物大分子水化度，與大分子發(fā)生共沉作用；與生物大分子形成復(fù)合物；或通過(guò)空間位置排斥，作用；與生物大分子形成復(fù)合物；或通過(guò)空間位置排斥，使液體中的微粒被迫聚集而沉淀。使液體中的微粒被迫聚集而沉淀。 常用常用PEG6000-20000PEG6000-20000； PEGPEG的沉淀效果除與沉淀劑的濃度有關(guān)

29、外，還受離子強(qiáng)度、的沉淀效果除與沉淀劑的濃度有關(guān)外，還受離子強(qiáng)度、pHpH和溫度的影響和溫度的影響發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院五、聚電解質(zhì)沉淀法五、聚電解質(zhì)沉淀法離子型的多糖化合物：離子型的多糖化合物： 酸性多糖用的較多，如羧甲基纖維素、海藻酸鹽、酸性多糖用的較多，如羧甲基纖維素、海藻酸鹽、果膠酸鹽、卡拉膠等果膠酸鹽、卡拉膠等 陰離子聚合物：如聚丙烯酸陰離子聚合物：如聚丙烯酸 陽(yáng)離子聚合物：如聚乙烯亞胺等陽(yáng)離子聚合物：如聚乙烯亞胺等 可沉淀蛋白，作用方式類似于絮凝劑，兼有一定可沉淀蛋

30、白，作用方式類似于絮凝劑，兼有一定的鹽析和水化作用的鹽析和水化作用發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院發(fā)酵產(chǎn)物分離原理與技術(shù)發(fā)酵產(chǎn)物分離原理與技術(shù)第一節(jié)第一節(jié) 沉淀分離法沉淀分離法第二節(jié)第二節(jié) 吸附和樹(shù)脂分離法吸附和樹(shù)脂分離法第三節(jié)第三節(jié) 離子交換法和離子交換膜電滲析分離法離子交換法和離子交換膜電滲析分離法第四節(jié)第四節(jié) 萃取與浸取分離法萃取與浸取分離法第五節(jié)第五節(jié) 膜分離技術(shù)膜分離技術(shù)發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineer

31、ing 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院第二節(jié)第二節(jié) 吸附和樹(shù)脂分離法吸附和樹(shù)脂分離法吸附：吸附：是溶質(zhì)從液相或氣相轉(zhuǎn)移到固相的現(xiàn)象。是溶質(zhì)從液相或氣相轉(zhuǎn)移到固相的現(xiàn)象。吸附劑吸附劑：吸附操作使用的固體，一般為多孔微：吸附操作使用的固體，一般為多孔微粒，具有很大的比表面積，這類物質(zhì)就是吸附粒，具有很大的比表面積，這類物質(zhì)就是吸附劑。劑。一一吸附法的優(yōu)缺點(diǎn)吸附法的優(yōu)缺點(diǎn)二二吸附原理和吸附劑種類吸附原理和吸附劑種類三三活性炭和離子交換樹(shù)脂吸附脫色活性炭和離子交換樹(shù)脂吸附脫色四四樹(shù)脂法原理和樹(shù)脂分類樹(shù)脂法原理和樹(shù)脂分類發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation

32、 Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院一、吸附法的優(yōu)缺點(diǎn)一、吸附法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：可不用或少用有機(jī)溶劑；可不用或少用有機(jī)溶劑；操作簡(jiǎn)單、安全、設(shè)備簡(jiǎn)單；操作簡(jiǎn)單、安全、設(shè)備簡(jiǎn)單；生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)過(guò)程中pH變化小，適用于穩(wěn)定性差的生化變化小，適用于穩(wěn)定性差的生化物質(zhì)。物質(zhì)。l缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 選擇性差、收率不太高、特別是無(wú)機(jī)吸附劑性選擇性差、收率不太高、特別是無(wú)機(jī)吸附劑性能不穩(wěn)定，不能連續(xù)操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，有些不能不穩(wěn)定，不能連續(xù)操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，有些不環(huán)保。環(huán)保。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先

33、磊化學(xué)化工學(xué)院二、吸附原理和吸附劑種類二、吸附原理和吸附劑種類1.吸附的原理吸附的原理2.吸附劑的種類吸附劑的種類發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院1、吸附的原理、吸附的原理固體表面的分子或原子與液體表面分子一樣，處固體表面的分子或原子與液體表面分子一樣，處于特殊的狀態(tài)，具有不飽和的剩余力，即存在著于特殊的狀態(tài)，具有不飽和的剩余力，即存在著表面力，所以他們能夠吸附外界物質(zhì)，使這些外表面力，所以他們能夠吸附外界物質(zhì)，使這些外界物質(zhì)在吸附劑表面附近形成多分子層或單分子界物質(zhì)在吸附劑表面附近形成

34、多分子層或單分子層，從而降低表面能，使自身達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。層，從而降低表面能，使自身達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。吸附作用是一組分子引力的總稱：吸附作用是一組分子引力的總稱：定向力、誘導(dǎo)定向力、誘導(dǎo)力和色散力力和色散力。一般多孔性固體才能作為吸附劑使用。一般多孔性固體才能作為吸附劑使用。吸附的分類吸附的分類影響吸附的因素影響吸附的因素發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院吸附的分類吸附的分類a.物理吸附物理吸附 吸附劑和吸附物通過(guò)分子力吸附劑和吸附物通過(guò)分子力(范德華力范德華力)產(chǎn)生的吸附。產(chǎn)生的吸附。b.化學(xué)

35、吸附化學(xué)吸附 化學(xué)吸附是由于吸附劑與吸附物之間的電子轉(zhuǎn)移，發(fā)生化學(xué)吸附是由于吸附劑與吸附物之間的電子轉(zhuǎn)移，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的，屬于庫(kù)侖力范圍。化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的，屬于庫(kù)侖力范圍。c.交換吸附交換吸附 吸附劑表面如為極性分子或離子所組成則它會(huì)吸引溶液吸附劑表面如為極性分子或離子所組成則它會(huì)吸引溶液中帶相反電荷的離子而形成雙電層。這種吸附又稱為極中帶相反電荷的離子而形成雙電層。這種吸附又稱為極性吸附。性吸附。 發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院影響吸附的因素影響吸附的因素a.吸附劑的性質(zhì)吸附劑

36、的性質(zhì)：吸附劑的理化性質(zhì)對(duì)吸附的影響：吸附劑的理化性質(zhì)對(duì)吸附的影響很大；很大；b.吸附物的性質(zhì)吸附物的性質(zhì)；c.溶液的溶液的pH值值：影響化合物的解離程度；：影響化合物的解離程度；d.吸附過(guò)程的溫度吸附過(guò)程的溫度：吸附熱越大，溫度影響越大；：吸附熱越大，溫度影響越大；e.其他組分的影響其他組分的影響：含有兩種或以上的組分的溶液，：含有兩種或以上的組分的溶液，其他組分會(huì)影響吸附效果。其他組分會(huì)影響吸附效果。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院2、吸附劑的種類、吸附劑的種類吸附劑的要求吸附劑的要

37、求疏水性或非極性吸附劑疏水性或非極性吸附劑親水性或極性吸附劑親水性或極性吸附劑各種離子交換樹(shù)脂吸附劑各種離子交換樹(shù)脂吸附劑發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院、吸附劑的要求吸附劑的要求l吸附劑不能溶于操作的溶液中；吸附劑不能溶于操作的溶液中；l吸附劑本身是一種多細(xì)孔粉末狀物質(zhì)，顆粒密度吸附劑本身是一種多細(xì)孔粉末狀物質(zhì)，顆粒密度小，表面積大，但孔隙也不要太多，否則溶質(zhì)不小，表面積大，但孔隙也不要太多，否則溶質(zhì)不容易被解吸；容易被解吸；l吸附劑必須顆粒大小均勻；吸附劑必須顆粒大小均勻；l吸附能力

38、大，容易被洗脫。吸附能力大，容易被洗脫。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院、疏水性或非極性吸附劑疏水性或非極性吸附劑適用于適用于極性溶媒極性溶媒內(nèi)吸附物質(zhì)，典型的吸附劑是活內(nèi)吸附物質(zhì)，典型的吸附劑是活性炭。性炭。活性炭：容易從水溶液中吸附溶質(zhì)，吸附芳香族活性炭：容易從水溶液中吸附溶質(zhì)，吸附芳香族化合物能力大?；衔锬芰Υ蟆；钚蕴糠N類：有酸性、堿性或中性。活性炭種類：有酸性、堿性或中性?；钚蕴炕钚蕴课竭x擇性差吸附選擇性差，不能進(jìn)行精煉。，不能進(jìn)行精煉。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentati

39、on EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院活性炭種類活性炭種類活性炭種類活性炭種類顆粒大小顆粒大小表面積表面積吸附力吸附力吸附量吸附量洗脫洗脫粉末活性炭粉末活性炭小小大大大大大大難難顆?；钚蕴款w?；钚蕴枯^小較小較大較大較小較小較小較小難難錦綸活性炭錦綸活性炭大大小小小小小小易易發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院粉末活性炭粉末活性炭錦綸活性炭錦綸活性炭發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermenta

40、tion Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院親水性或極性吸附劑親水性或極性吸附劑適用于非極性或極性較小的溶媒，如硅膠、氧化適用于非極性或極性較小的溶媒，如硅膠、氧化鋁、活性土。鋁、活性土。氧化鋁為常用的親水吸附劑，屬于無(wú)機(jī)離子交換氧化鋁為常用的親水吸附劑，屬于無(wú)機(jī)離子交換劑，常用于色層分離；具有離子交換劑的性質(zhì)。劑，常用于色層分離；具有離子交換劑的性質(zhì)。氧化鋁選擇性較差。氧化鋁選擇性較差。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院、各種離子交換樹(shù)脂吸附劑各種離子交換樹(shù)脂吸附劑各種有機(jī)

41、離子交換樹(shù)脂也是屬于極性吸附劑，因各種有機(jī)離子交換樹(shù)脂也是屬于極性吸附劑，因?yàn)槭莾尚曰衔?，可以進(jìn)行離子交換，所以也叫為是兩性化合物，可以進(jìn)行離子交換，所以也叫離子交換樹(shù)脂。離子交換樹(shù)脂。常用于發(fā)酵產(chǎn)品脫色和分離雜質(zhì)。常用于發(fā)酵產(chǎn)品脫色和分離雜質(zhì)。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院三、活性炭和離子交換樹(shù)脂吸附脫色三、活性炭和離子交換樹(shù)脂吸附脫色1.活性炭吸附脫色活性炭吸附脫色2.離子交換樹(shù)脂脫色離子交換樹(shù)脂脫色發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFerment

42、ation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院1、活性炭吸附脫色、活性炭吸附脫色發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中常用活性炭對(duì)發(fā)酵產(chǎn)品進(jìn)行吸附發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)中常用活性炭對(duì)發(fā)酵產(chǎn)品進(jìn)行吸附脫色，例如：味精溶液脫色。脫色，例如：味精溶液脫色。味精溶液脫色：活性炭味精溶液脫色：活性炭pH為為5.0左右。強(qiáng)化加入左右。強(qiáng)化加入硫化鈉溶液。硫化鈉溶液。波美度：（波美度：（B）是表示溶液濃度的一種方法。）是表示溶液濃度的一種方法。把波美比重計(jì)浸入所測(cè)溶液中，得到的度數(shù)叫波把波美比重計(jì)浸入所測(cè)溶液中，得到的度數(shù)叫波美度。不同溶液的波美度的測(cè)定方法是相似的，美度。不同溶液的波美度的測(cè)定方法是相似的，都是用測(cè)定比重的方

43、法，根據(jù)測(cè)得的比重，查表都是用測(cè)定比重的方法，根據(jù)測(cè)得的比重，查表?yè)Q算濃度。換算濃度。 發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院2、離子交換樹(shù)脂脫色、離子交換樹(shù)脂脫色原理：靠樹(shù)脂的多孔隙表面對(duì)色素進(jìn)行吸附作用，樹(shù)脂原理：靠樹(shù)脂的多孔隙表面對(duì)色素進(jìn)行吸附作用，樹(shù)脂的基團(tuán)與色素的某些基團(tuán)形成共價(jià)鍵，也有交換作用。的基團(tuán)與色素的某些基團(tuán)形成共價(jià)鍵，也有交換作用。)(質(zhì)為帶負(fù)電荷的色素或雜脫色FMClNFRMFNClRNaFNClRClNNFRa再生n 脫色常用的離子交換樹(shù)脂：大孔脫色常用的離子交換樹(shù)脂

44、：大孔717717# #強(qiáng)堿性季胺型樹(shù)脂及強(qiáng)堿性季胺型樹(shù)脂及多孔弱堿專多孔弱堿專390390# #苯乙烯伯胺型弱堿性陰離子交換樹(shù)脂。苯乙烯伯胺型弱堿性陰離子交換樹(shù)脂。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院味精離子交換樹(shù)脂脫色工藝味精離子交換樹(shù)脂脫色工藝預(yù)處理及轉(zhuǎn)型：預(yù)處理及轉(zhuǎn)型：4%氫氧化鈉溶液去雜質(zhì)，洗至氫氧化鈉溶液去雜質(zhì)，洗至pH8，4%鹽酸轉(zhuǎn)型，無(wú)離子水洗至流出溶液鹽酸轉(zhuǎn)型，無(wú)離子水洗至流出溶液pH7左右，用左右，用5%氯化氯化鈉溶液洗至進(jìn)出液鈉溶液洗至進(jìn)出液pH相同；相同；上柱脫色及水

45、洗：中和液上柱脫色及水洗：中和液23 B低流速上柱，上柱完畢低流速上柱，上柱完畢后用熱水洗至流出液后用熱水洗至流出液0 B以下。以下。再生：用再生：用10%氯化鈉氯化鈉+10%氫氧化鈉混合液再生，水洗至氫氧化鈉混合液再生，水洗至pH8，無(wú)離子水洗至進(jìn)出液氯離子含量相同，調(diào)，無(wú)離子水洗至進(jìn)出液氯離子含量相同，調(diào)pH6.4，再用再用5%氯化鈉洗至進(jìn)出液氯化鈉洗至進(jìn)出液pH相同；相同；上液量：上液量：717型為樹(shù)脂體積的型為樹(shù)脂體積的60倍，倍，390型為樹(shù)脂體積型為樹(shù)脂體積10倍以上。倍以上。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Enginee

46、ring 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院四、樹(shù)脂法原理和樹(shù)脂分類四、樹(shù)脂法原理和樹(shù)脂分類1.樹(shù)脂法原理樹(shù)脂法原理2.樹(shù)脂分類樹(shù)脂分類3.吸附樹(shù)脂分離維生素吸附樹(shù)脂分離維生素發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院1、樹(shù)脂法原理、樹(shù)脂法原理高分子吸附劑是一種利用離子交換樹(shù)脂，采用不高分子吸附劑是一種利用離子交換樹(shù)脂，采用不同方法去掉其上的功能基團(tuán)，保留多孔骨架，依同方法去掉其上的功能基團(tuán)，保留多孔骨架，依據(jù)樹(shù)脂骨架和溶液分子間的分子吸附（據(jù)樹(shù)脂骨架和溶液分子間的分子吸附（并不發(fā)生并不發(fā)生離子交換離子交換

47、）原理而設(shè)計(jì)的一類吸附劑，也叫吸附）原理而設(shè)計(jì)的一類吸附劑，也叫吸附樹(shù)脂。樹(shù)脂。吸附樹(shù)脂本身以范德華力從很低濃度的溶液中吸吸附樹(shù)脂本身以范德華力從很低濃度的溶液中吸附有機(jī)物，而構(gòu)成它的一個(gè)重要方面是各種不同附有機(jī)物，而構(gòu)成它的一個(gè)重要方面是各種不同的表面物質(zhì)。的表面物質(zhì)。吸附樹(shù)脂的吸附能力不但與吸附劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)和吸附樹(shù)脂的吸附能力不但與吸附劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性能有關(guān)，而且與溶質(zhì)和溶液的性質(zhì)有關(guān)。物理性能有關(guān)，而且與溶質(zhì)和溶液的性質(zhì)有關(guān)。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院2、樹(shù)脂分類、樹(shù)脂分

48、類按鏈節(jié)分子結(jié)構(gòu)：非極性、中等極性和極性；按鏈節(jié)分子結(jié)構(gòu)：非極性、中等極性和極性；吸附樹(shù)脂命名不規(guī)范；吸附樹(shù)脂命名不規(guī)范；吸附樹(shù)脂屬于熱固性聚合物，加熱不熔，吸附樹(shù)脂屬于熱固性聚合物，加熱不熔，150內(nèi)均可使用，不溶于溶劑和酸堿。內(nèi)均可使用，不溶于溶劑和酸堿。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：比表面積、孔徑都很大，可以人為調(diào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：比表面積、孔徑都很大，可以人為調(diào)節(jié)。節(jié)。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院吸附樹(shù)脂分離維生素吸附樹(shù)脂分離維生素維生素維生素B12是抗生素生產(chǎn)的副產(chǎn)品，一般用羧酸型是抗生素生產(chǎn)的副產(chǎn)品

49、，一般用羧酸型離子交換樹(shù)脂回收維生素離子交換樹(shù)脂回收維生素B12。實(shí)際上證明用大網(wǎng)。實(shí)際上證明用大網(wǎng)格聚合物吸附劑提取效果更好。格聚合物吸附劑提取效果更好。大孔吸附樹(shù)脂（大網(wǎng)格吸附樹(shù)脂）目前應(yīng)用廣泛，大孔吸附樹(shù)脂（大網(wǎng)格吸附樹(shù)脂）目前應(yīng)用廣泛，不僅用于維生素不僅用于維生素B12的吸附分離，而且很多藥物提的吸附分離，而且很多藥物提取也經(jīng)常使用，如中草藥的提取分離等。取也經(jīng)常使用，如中草藥的提取分離等。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院發(fā)酵產(chǎn)物分離原理與技術(shù)發(fā)酵產(chǎn)物分離原理與技術(shù)第一節(jié)第一節(jié)

50、沉淀分離法沉淀分離法第二節(jié)第二節(jié) 吸附和樹(shù)脂分離法吸附和樹(shù)脂分離法第三節(jié)第三節(jié) 離子交換法和離子交換膜電滲析分離法離子交換法和離子交換膜電滲析分離法第四節(jié)第四節(jié) 萃取與浸取分離法萃取與浸取分離法第五節(jié)第五節(jié) 膜分離技術(shù)膜分離技術(shù)發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院第三節(jié)第三節(jié) 離子交換法和離子交換膜離子交換法和離子交換膜電滲析分離法電滲析分離法一一離子交換法原理和離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)與分類離子交換法原理和離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)與分類二二離子交換法提取卡那霉素離子交換法提取卡那霉素三三離子交換膜電滲

51、析法的基本原理和流程離子交換膜電滲析法的基本原理和流程發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院一、離子交換法原理和離子交換樹(shù)一、離子交換法原理和離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)與分類脂的結(jié)構(gòu)與分類1.離子交換法的基本原理離子交換法的基本原理2.離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)與分類離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)與分類3.離子交換樹(shù)脂的主要性能離子交換樹(shù)脂的主要性能發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院1、離子交換法的基本原理、離子交換

52、法的基本原理離子交換法的基本原理：離子交換法的基本原理：一定條件下離子交換反應(yīng)的方向和限度，這就是一定條件下離子交換反應(yīng)的方向和限度，這就是離子交換平衡離子交換平衡的問(wèn)題，即的問(wèn)題，即離子交換熱力學(xué)離子交換熱力學(xué)；離子交換反應(yīng)的歷程和達(dá)到平衡的時(shí)間，這就是離子交換反應(yīng)的歷程和達(dá)到平衡的時(shí)間，這就是離子交換速率離子交換速率的問(wèn)題，即的問(wèn)題，即離子交換動(dòng)力學(xué)離子交換動(dòng)力學(xué)。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院離子交換平衡離子交換平衡離子交換反應(yīng)是可逆反應(yīng)，溶液和樹(shù)脂中的離子離子交換反應(yīng)是可逆反應(yīng)

53、，溶液和樹(shù)脂中的離子之間濃度差推動(dòng)他們之間的交換，濃度差越大，之間濃度差推動(dòng)他們之間的交換，濃度差越大，交換速率就越快，達(dá)到一定程度則形成離子交換交換速率就越快，達(dá)到一定程度則形成離子交換平衡狀態(tài)。這時(shí)樹(shù)脂和溶液中同時(shí)具有兩種離子。平衡狀態(tài)。這時(shí)樹(shù)脂和溶液中同時(shí)具有兩種離子。如用如用化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)解釋，則可以用基本的質(zhì)量作用定解釋，則可以用基本的質(zhì)量作用定律描述離子在樹(shù)脂相和溶液相之間的分配。律描述離子在樹(shù)脂相和溶液相之間的分配。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院離子交換速率離子交換速率

54、離子交換反應(yīng)在動(dòng)態(tài)下進(jìn)行，因此，離子交換的離子交換反應(yīng)在動(dòng)態(tài)下進(jìn)行，因此，離子交換的效果除受效果除受離子濃度和選擇系數(shù)離子濃度和選擇系數(shù)的影響外，還要受的影響外，還要受離子從溶液中進(jìn)入樹(shù)脂表面和在樹(shù)脂內(nèi)部的擴(kuò)散離子從溶液中進(jìn)入樹(shù)脂表面和在樹(shù)脂內(nèi)部的擴(kuò)散過(guò)程過(guò)程的影響，這個(gè)影響因素就是的影響，這個(gè)影響因素就是離子交換速率的離子交換速率的影響影響。舉例：舉例：以以Na型樹(shù)脂與溶液中型樹(shù)脂與溶液中Ca2+進(jìn)行交換為例，即表示進(jìn)行交換為例，即表示單位時(shí)間內(nèi)，溶液中的單位時(shí)間內(nèi)，溶液中的Ca2+濃度減少或濃度減少或Na+濃度濃度增加量。增加量。 組成因素為組成因素為： Ca2+離子從溶液通過(guò)樹(shù)脂表面的液

55、膜或邊界層，達(dá)到樹(shù)脂離子從溶液通過(guò)樹(shù)脂表面的液膜或邊界層，達(dá)到樹(shù)脂表面；表面； Ca2+離子從樹(shù)脂表面向孔道中遷移，并達(dá)到有效交換位置離子從樹(shù)脂表面向孔道中遷移，并達(dá)到有效交換位置；在交換點(diǎn)上；在交換點(diǎn)上兩種離子進(jìn)行交換反應(yīng)；兩種離子進(jìn)行交換反應(yīng)；鈉離子從樹(shù)脂內(nèi)部遷移到樹(shù)脂表面鈉離子從樹(shù)脂內(nèi)部遷移到樹(shù)脂表面；鈉離子穿過(guò)樹(shù)脂；鈉離子穿過(guò)樹(shù)脂表面的液膜進(jìn)入水溶液中。表面的液膜進(jìn)入水溶液中。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院離子交換速率離子交換速率在上述過(guò)程中，液膜擴(kuò)散和粒內(nèi)擴(kuò)散速率控制著離子交

56、在上述過(guò)程中，液膜擴(kuò)散和粒內(nèi)擴(kuò)散速率控制著離子交換速率。而這兩個(gè)速率也受到多種因素影響，如：換速率。而這兩個(gè)速率也受到多種因素影響，如：a.溶液流速：膜擴(kuò)散隨過(guò)柱流速的增加而增加，粒內(nèi)擴(kuò)散溶液流速：膜擴(kuò)散隨過(guò)柱流速的增加而增加，粒內(nèi)擴(kuò)散則不受其影響；則不受其影響；b.樹(shù)脂顆粒：離子的液膜擴(kuò)散速率與樹(shù)脂顆粒大小成反比，樹(shù)脂顆粒：離子的液膜擴(kuò)散速率與樹(shù)脂顆粒大小成反比，而粒內(nèi)速率則與粒徑倒數(shù)的高次方成正比；而粒內(nèi)速率則與粒徑倒數(shù)的高次方成正比；c.溶液濃度：溶液中離子濃度較低，則對(duì)液膜速率影響較溶液濃度：溶液中離子濃度較低，則對(duì)液膜速率影響較大，對(duì)粒內(nèi)速率影響較小，反之則液膜速率影響小而粒大，對(duì)粒

57、內(nèi)速率影響較小，反之則液膜速率影響小而粒內(nèi)速率影響大。內(nèi)速率影響大。發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院離子交換速率離子交換速率發(fā)酵工程發(fā)酵工程 Fermentation EngineeringFermentation Engineering 李先磊李先磊化學(xué)化工學(xué)院2 2、離子交換樹(shù)脂的分類、離子交換樹(shù)脂的分類 其活性基團(tuán)一般是磺酸基其活性基團(tuán)一般是磺酸基(-SO(-SO3 3H);H); 由于是強(qiáng)酸性基團(tuán)，電離程度不受外界由于是強(qiáng)酸性基團(tuán)，電離程度不受外界pHpH的影響，在的影響，在pH

58、1-14pH1-14范圍內(nèi)均能起交換作用，一般沒(méi)有使用范圍內(nèi)均能起交換作用，一般沒(méi)有使用pHpH的限制。的限制。 以與以與NaClNaCl的交換為例：的交換為例： R-SOR-SO3 3H + NaCl H + NaCl R-SO R-SO3 3Na + HClNa + HCl 其再生是用其再生是用NaOHNaOH處理并水洗至處理并水洗至pH8-9pH8-9。再用。再用HClHCl處理并用處理并用水洗至水洗至pH5pH5、強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂、強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂、弱酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂、弱酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂 以羧基以羧基(-COOH )(-COOH )、酚羥基、酚羥基(-OH)(-OH)等為活性基團(tuán)；

59、等為活性基團(tuán)； 其交換性能與溶液的其交換性能與溶液的pHpH有很大關(guān)系，因?yàn)檫@種樹(shù)脂的電離有很大關(guān)系，因?yàn)檫@種樹(shù)脂的電離度很小。度很小。例如：羧基樹(shù)脂交換例如：羧基樹(shù)脂交換pHpH7 7，酚羥基樹(shù)脂交換，酚羥基樹(shù)脂交換pHpH9 9。在酸性溶。在酸性溶液中，這類樹(shù)脂幾乎不發(fā)生交換反應(yīng)，其交換能力隨溶液液中，這類樹(shù)脂幾乎不發(fā)生交換反應(yīng)，其交換能力隨溶液pHpH增增高而增高。高而增高。 典型交換反應(yīng)：典型交換反應(yīng)：R-COOH + NaOH R-COOH + NaOH RCOONa + H RCOONa + H2 2O O 反應(yīng)生成的鹽反應(yīng)生成的鹽RCOONaRCOONa很容易水解并使溶液呈堿性，

60、故鈉型很容易水解并使溶液呈堿性，故鈉型樹(shù)脂不可能水洗到中性，一般只能水洗到樹(shù)脂不可能水洗到中性，一般只能水洗到pH8-9pH8-9。、強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂、強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂 有兩種：有兩種： 強(qiáng)堿強(qiáng)堿型型 含有三甲胺基含有三甲胺基 強(qiáng)堿強(qiáng)堿型型 含有二甲基含有二甲基- - - -羥基羥基- -乙基胺乙基胺 型比型比型的堿性強(qiáng)，但再生困難；型的堿性強(qiáng)，但再生困難；型的穩(wěn)定性則較差；型的穩(wěn)定性則較差； 強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂與強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂一樣，沒(méi)強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂與強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂一樣，沒(méi)有使用有使用pHpH的限制；的限制； 典型交換反應(yīng)：典型交換反應(yīng)： RN(CHRN(CH3 3