原位吸附與萃取

1、2.2原位吸附分離技術(shù)吸附分離是利用吸附劑對(duì)液體或氣體中某一組分具有選擇吸附的能力，使其 富集在吸附劑表面，而從混合物中分離出來的過程。原位吸附分離技術(shù)，即將吸 附分離與發(fā)酵過程耦合，在發(fā)酵的同時(shí)將發(fā)酵液中的目的產(chǎn)物選擇性地吸附到吸 附劑中，從而降低發(fā)酵液中產(chǎn)物濃度，解除產(chǎn)物對(duì)微生物的抑制作用。此耦合工 藝具有設(shè)備簡(jiǎn)單、選擇性高、節(jié)約能耗等優(yōu)點(diǎn)，是一種有效和有發(fā)展前景的分離 技術(shù)。2.2.1常用吸附劑吸附劑由于其巨大的比表面積和多孔的結(jié)構(gòu)，而具有選擇性吸附的作用。常 用的吸附劑包括沸石分子篩、硅質(zhì)巖、活性炭、聚乙烯聚合樹脂和毗咯烷酮 （polyvinylpyridine,PVP）由于各自性質(zhì)不

2、同，適用的場(chǎng)合也不一樣。2.2.1.1沸石分子篩沸石是一種含水的堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸礦物，其晶體結(jié)構(gòu)是由硅氧四 面體和鋁氧四面體連成三維的骨架。沸石的空孔道結(jié)構(gòu)既是規(guī)則的又是均勻的。 分子篩適用于要求深度干燥的場(chǎng)合，但需較高的再生溫度，不適用變壓吸附（PSA） 模式，因分子篩與水的相互作用強(qiáng)，僅靠變化流體濃度不能實(shí)現(xiàn)再生。2.2.1.2硅質(zhì)巖硅質(zhì)巖最早由是一種類似沸石結(jié)構(gòu)的晶體物質(zhì)。其晶體結(jié)構(gòu)中主要含有硅氧 四面體，孔隙度達(dá)到晶體體積的33%，具有較大的孔徑，能夠通過直徑高達(dá)6 A （1 A=0.1 nm）的分子。由于吸附位點(diǎn)缺少氫鍵和其本身的電中性，硅質(zhì)巖具有 很強(qiáng)的疏水性，能夠在水溶液

3、中選擇性地吸附有機(jī)分子2.2.1.3活性炭活性炭是黑色粉末狀或顆粒狀的無定形炭。其最重要的特征是有高度發(fā)達(dá)的 微孔結(jié)構(gòu)，因而具有強(qiáng)大的吸附能力。在活性炭用于乙醇的吸附分離過程中，活 性炭的比表面積、孔徑和顆粒尺寸等性質(zhì)顯著影響著其吸附性能?；钚蕴繛榉菢O 性材料，對(duì)有機(jī)物有較強(qiáng)的吸附能力，一般應(yīng)用于有機(jī)揮發(fā)物VOC）的脫除和回 收。但是活性炭作為吸附劑有許多缺點(diǎn)，包括：（1）吸附容量?。唬?）吸附選擇性 差，不但吸附酸，同時(shí)還吸附一定量的葡萄糖；（3）不同批次活性炭的重復(fù)性差2.2.1.4聚合樹脂樹脂是一類新型的吸附劑，主要分為離子交換樹脂和吸附樹脂。離子交換樹脂是一類帶有功能基的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分

4、子化合物。其結(jié)構(gòu)由3 部分組成：不溶性的三維空間網(wǎng)狀骨架、接在骨架上的功能基團(tuán)和功能基團(tuán)所帶 的相反電荷的可交換離子。從工業(yè)化生產(chǎn)的角度看，離子交換樹脂法以其選擇性 高、交換容量大、操作簡(jiǎn)單、易于自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。吸附樹脂的基質(zhì)是合成的高分子化合物，因此可以通過選擇適當(dāng)?shù)膯误w、致 孔劑和交聯(lián)劑對(duì)孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)制；同時(shí)，還可通過化學(xué)修飾改變樹脂表面的化學(xué) 狀態(tài)，合成出對(duì)目的產(chǎn)物吸附有優(yōu)良性能的樹脂。2.2.2耦合方式將發(fā)酵與吸附分離相耦合，在發(fā)酵的同時(shí)將發(fā)酵液中的目的產(chǎn)物選擇性地吸 附到吸附劑中，從而降低發(fā)酵液中產(chǎn)物濃度，解除產(chǎn)物對(duì)微生物細(xì)胞的抑制作用， 從而提高產(chǎn)率，降低整個(gè)生產(chǎn)過

5、程的成本。此耦合方式一般采用兩種模式：原位 耦合模式和異位耦合模式2.2.2.1原位耦合模式原位耦合裝置見圖1 （a）。這種耦合方式就是在發(fā)酵液中直接加入吸附介質(zhì)， 將發(fā)酵產(chǎn)生的產(chǎn)物選擇性地吸附到吸附劑中，從而降低發(fā)酵液中產(chǎn)物的濃度，解 除抑制作用。Einicke等直接向發(fā)酵液中添加NaZSM-5沸石（Si/Al=50），發(fā)現(xiàn) 吸附劑的存在能夠加快葡萄糖的轉(zhuǎn)化速率和乙醇的生成速率。這種耦合方式雖然裝置簡(jiǎn)單，但吸附劑與菌體細(xì)胞直接接觸，存在著吸附劑 對(duì)細(xì)胞的毒性或抑制作用，而且吸附劑顆粒表面經(jīng)常形成菌膜而影響其對(duì)乙醇的 吸附容量，從而對(duì)耦合過程的穩(wěn)定性造成負(fù)面影響，甚至使耦合過程無法進(jìn)行， 因此

6、其工業(yè)應(yīng)用可能性較小。2.2.2.1異位耦合模式異位耦合裝置見圖1（b）。這種耦合方式是將吸附介質(zhì)裝于發(fā)酵罐外的吸附 柱內(nèi)，讓含高濃度產(chǎn)物的發(fā)酵液通過吸附柱，產(chǎn)物被選擇性吸附，含低濃度產(chǎn)物 的發(fā)酵液再返回到發(fā)酵罐中，從而降低發(fā)酵液中產(chǎn)物的濃度，解除目的產(chǎn)物的抑 制作用。Chung等在發(fā)酵的同時(shí)讓發(fā)酵液循環(huán)通過裝有硅質(zhì)巖的吸附柱，乙醇被 選擇性的吸附后，發(fā)酵液再返回到發(fā)酵罐中繼續(xù)發(fā)酵。通過空白實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn) 乙醇的原位去除增加了發(fā)酵液中細(xì)胞濃度，提高了發(fā)酵速率，發(fā)酵時(shí)間縮短了。在發(fā)酵罐和吸附柱之間加一個(gè)分離裝置（如離心機(jī)或微濾膜），在發(fā)酵液和 吸附劑接觸之前將菌體細(xì)胞除去，當(dāng)乙醇被吸附后，發(fā)酵液

7、和截留的菌體細(xì)胞再 返回 到發(fā)酵罐中繼續(xù)發(fā)酵，這樣既可以避免吸附劑與菌體細(xì)胞直接接觸對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生的 抑制作用和菌體對(duì)附床層的堵塞，又可增加發(fā)酵液中細(xì)胞濃度，提高發(fā)酵速率。當(dāng)然，這將會(huì)增加過程的成本，并且使整個(gè)耦合系統(tǒng)更趨復(fù)雜。2.2.3研究應(yīng)用徐浩等人在研究樹脂對(duì)乳酸鏈球菌素吸附性能的基礎(chǔ)上，研究了樹脂及加入 時(shí)間對(duì)發(fā)酵過程中細(xì)胞生長(zhǎng)和乳酸鏈球菌素合成的影響。結(jié)果表明，D113對(duì)細(xì) 胞生長(zhǎng)影響很小，當(dāng)發(fā)酵溫度30C，pH6.25，在 100 mL發(fā)酵液中加入2 g樹脂, 加入時(shí)間第5.5 h，發(fā)酵液中乳酸鏈球菌素的總效價(jià)是5189 IU/mL，與不加樹脂 的對(duì)照組相比，發(fā)酵吸附分離耦合技術(shù)使乳酸

8、鏈球菌素效價(jià)提高了 54.9%。聶利強(qiáng)等人以RP2012-3鏈霉菌為試驗(yàn)菌株，研究了原位吸附分離技術(shù)在普 那霉素發(fā)酵過程的應(yīng)用。通過單因子試驗(yàn)，確定了大孔吸附樹脂在發(fā)酵過程中補(bǔ) 加的最適型號(hào)、補(bǔ)加量和補(bǔ)加時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果表明：在發(fā)酵進(jìn)行28h時(shí)，用LD605 型大孔吸附樹脂一次型補(bǔ)加8%，將原工藝發(fā)酵單位提高140%左右。IS Chung等以疏水性硅沸石為吸附劑，采用吸附和發(fā)酵相互獨(dú)立的方式對(duì)乙 醇吸附發(fā)酵過程進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：疏水性硅沸石對(duì)酵母細(xì)胞既無吸附 作用，也無毒害作用，可使乙醇產(chǎn)率提高30%。Aradhana等人以Ame-berlite IRA-400型離子交換樹脂為吸附劑，通過比較 發(fā)現(xiàn)：離子交換分離發(fā)酵的操作時(shí)間比傳統(tǒng)的間歇發(fā)酵可縮短69.4%，且其蔗糖 轉(zhuǎn)化率又高，因而乳酸的產(chǎn)量可提高5