生物反應(yīng)器市公開課獲獎(jiǎng)?wù)n件

1、生物反應(yīng)器設(shè)計(jì) 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)主要方面包括改進(jìn)生物催化劑，更加好進(jìn)行過(guò)程控制，有更加好無(wú)菌條件以及能克服速度限制原因（尤其是熱量和質(zhì)量傳遞）等。 微生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基本要求（1）避免將需蒸汽滅菌部件與其它部件連接，由于即使閥門關(guān)閉，細(xì)菌也可在閥門內(nèi)生長(zhǎng)；第1頁(yè)第1頁(yè)（2）盡量減少法蘭連接，由于設(shè)備震動(dòng)和熱膨脹會(huì)引起連接處移位，造成染菌。如有也許，應(yīng)采用所有焊接結(jié)構(gòu)，焊接部位一定要確實(shí)磨光，以消除積蓄耐滅菌固體物質(zhì)場(chǎng)合；（3）預(yù)防死角、裂縫等一類情況，以避免固體物質(zhì)在此堆積，形成使雜菌取得熱抗性環(huán)境；（4）發(fā)酵系統(tǒng)一些部分應(yīng)能單獨(dú)滅菌；（5）與反應(yīng)器相通任何連接都應(yīng)采用蒸氣加以密封，如取樣口在不取

2、樣時(shí)也要始終通蒸氣；（6）所有閥門要易清洗、易使用、易滅菌，比較好閥們有球閥、隔閡閥和截止閥等；第2頁(yè)第2頁(yè)（7）反應(yīng)器應(yīng)一直保持正壓以排除滲漏；（8）為了便于清洗，反應(yīng)器主體應(yīng)盡也許簡(jiǎn)樸。生物反應(yīng)器類型:微生物有厭氧和好氧兩大類，培養(yǎng)這兩大類微生物發(fā)酵設(shè)備有很大區(qū)分。依據(jù)發(fā)酵類型和設(shè)備特點(diǎn)，反應(yīng)器基本上能夠分成兩類：厭氧和好氧發(fā)酵設(shè)備。第3頁(yè)第3頁(yè)厭氧發(fā)酵設(shè)備：厭氧發(fā)酵也稱靜止培養(yǎng)，其發(fā)酵設(shè)備因不需供氧，因此設(shè)備和工藝都較好氧發(fā)酵簡(jiǎn)樸。 厭氧發(fā)酵技術(shù)慣用于部分固體發(fā)酵、液體發(fā)酵和固定化細(xì)胞發(fā)酵中。 酒精、丙酮、丁醇、乳酸和啤酒等都是采用液體厭氧發(fā)酵工藝生產(chǎn)。第4頁(yè)第4頁(yè)厭氧液體深層發(fā)酵幾個(gè)除

3、氧方法：(1)在培養(yǎng)早期充入非氧氣體（如N2或CO2），并維持輕微正壓。(2)罐內(nèi)發(fā)酵液應(yīng)盡也許裝滿，方便降低上層氣相影響。(3)使用大劑量接種（普通接種量為總操作體積1020），使培養(yǎng)物快速生長(zhǎng)，降低培養(yǎng)物對(duì)外部氧滲透敏感性。(4)一旦厭氧培養(yǎng)物已經(jīng)活躍生長(zhǎng)起來(lái)，就不一定再向罐內(nèi)充無(wú)氧氣體了。此時(shí)，發(fā)酵罐排氣口要安裝水封裝置，以防氧氣擴(kuò)散進(jìn)入罐內(nèi)上部空間。(5)厭氧發(fā)酵培養(yǎng)基應(yīng)先通過(guò)加熱或噴入無(wú)氧氣體來(lái)預(yù)還原。第5頁(yè)第5頁(yè)第一節(jié) 酒精發(fā)酵設(shè)備 酒精發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)必須首先滿足工藝要求。另外，從結(jié)構(gòu)上還應(yīng)考慮有助于發(fā)酵液排出、設(shè)備清洗、維修以及設(shè)備制造安裝以便等問(wèn)題。第6頁(yè)第6頁(yè)酒精發(fā)酵罐1.冷卻水

4、入口2.取樣口3.壓力表4. CO2 氣體入口5.噴淋水入口6.料液及酒母入口7.人孔8.冷卻水出口9.溫度計(jì)10.噴淋水搜集槽11.噴淋水出口12.發(fā)酵液及污水排出口第7頁(yè)第7頁(yè)酒精發(fā)酵罐筒體為圓柱形,底蓋和頂蓋均為蝶形或錐形.發(fā)酵冷卻裝置：小型-罐頂噴水膜狀冷卻；大型-罐內(nèi)冷卻蛇管和噴淋結(jié)合。酒精發(fā)酵罐洗滌：噴射洗滌裝置酒精發(fā)酵罐計(jì)算：發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)尺寸：V體積=V發(fā)酵液量/(0.85-0.9)發(fā)酵罐罐數(shù)擬定：N=(nt/24)+1(個(gè))n-天天加料罐數(shù),t-一次發(fā)酵周期所需時(shí)間發(fā)酵罐冷卻面積計(jì)算：A=Q/KTm (m2 )第8頁(yè)第8頁(yè)第二節(jié) 啤酒發(fā)酵設(shè)備 1、前發(fā)酵設(shè)備 老式前發(fā)酵槽均置于發(fā)

5、酵室內(nèi)，發(fā)酵槽大部分為開口式。 前發(fā)酵槽可由鋼板或鋼筋混凝土制成，形式以長(zhǎng)方形或方形為主。 了預(yù)防啤酒中有機(jī)酸對(duì)各種材質(zhì)腐蝕，前發(fā)酵槽內(nèi)均要涂布一層特殊涂料作為保護(hù)層。 第9頁(yè)第9頁(yè) 開放式前發(fā)酵槽1.槽體 2.冷卻水管 3.出酒閥第10頁(yè)第10頁(yè)前發(fā)酵槽計(jì)算：（1）發(fā)酵槽數(shù)目的擬定 N=n t n每日糖化次數(shù)； t 前發(fā)酵時(shí)間。（2）前發(fā)酵槽體積擬定 V=ZV0/ (m3) V0 糖化一次麥汁量，m3 ； Z 容納一次麥汁量整倍數(shù)； 裝液系數(shù)，取0.80.85。第11頁(yè)第11頁(yè)（3）前發(fā)酵槽冷卻面積計(jì)算 Q=sq/24t J/(m3 h)2、后發(fā)酵設(shè)備后發(fā)酵槽又稱貯酒罐，其設(shè)備主要完畢嫩啤酒

6、繼續(xù)發(fā)酵，并飽和二氧化碳，增進(jìn)啤酒穩(wěn)定、沉清和成熟。 后發(fā)酵槽是金屬圓筒形密閉容器，有臥式和立式兩種，大多數(shù)工廠采用臥式。 第12頁(yè)第12頁(yè)后發(fā)酵槽A臥式1.人孔 2.連通接頭（排二氧化碳等）3.取樣旋塞 4.啤酒放出閥 5.壓力表和安全閥B立式1.壓力調(diào)整裝置2.取樣口 3.人孔4.啤酒放出口第13頁(yè)第13頁(yè)3、新型啤酒發(fā)酵設(shè)備圓筒體錐底立式發(fā)酵罐（簡(jiǎn)稱錐形罐）可單獨(dú)用于前發(fā)酵或后發(fā)酵，也可將前、后發(fā)酵合并在該罐進(jìn)行。操作清洗以便，無(wú)菌條件高，又利于二氧化碳?xì)怏w回收和酵母收集，因此，已廣泛用于啤酒生產(chǎn)。第14頁(yè)第14頁(yè)聯(lián)合罐Universal型發(fā)酵罐（美國(guó)、日本）結(jié)構(gòu)：淺錐底大直徑、機(jī)械攪拌

7、。既可用于前、后發(fā)酵，也能用于多罐法及一罐法生產(chǎn)。圖1-3-12朝日罐日本試制前發(fā)酵、后發(fā)酵合一大型室外發(fā)酵罐，斜底圓柱型，外部有冷卻夾套、泡沫塑料保溫。圖1-3-13第15頁(yè)第15頁(yè)4、CIP清洗系統(tǒng)清洗程序分7個(gè)環(huán)節(jié)：預(yù)沖洗：30s，10次；堿預(yù)洗：16分；中間清洗：清水4分；清水噴沖：3次，每次30S ；堿噴沖：15分；清水沖洗；酸性水沖洗。圖1-3-14第16頁(yè)第16頁(yè)第三節(jié) 連 續(xù) 發(fā) 酵定義：在發(fā)酵罐內(nèi)連續(xù)不斷地加入培養(yǎng)液，同時(shí)又連續(xù)不斷地排出發(fā)酵液，使發(fā)酵罐中微生物始終維持在生長(zhǎng)加速期，同時(shí)減少代謝產(chǎn)物積累，縮短了發(fā)酵周期，提升了設(shè)備利用率。連續(xù)發(fā)酵時(shí)間確實(shí)定： t2303 0

8、生長(zhǎng)速率 0 、發(fā)酵開始、發(fā)酵時(shí)間t后發(fā)酵 基質(zhì)液濃度 兩罐連續(xù)發(fā)酵串聯(lián)物料平衡圖：圖1-3-15第17頁(yè)第17頁(yè)連續(xù)發(fā)酵流程：（一）酒精連續(xù)發(fā)酵流程圖1-3-17 圖1-3-18（二）啤酒連續(xù)發(fā)酵流程圖1-3-19 （塔式）圖1-3-22（多罐式）第18頁(yè)第18頁(yè)第一節(jié) 植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器1、懸浮培養(yǎng)生物反應(yīng)器機(jī)械攪拌式反應(yīng)器：圖1-4-2非機(jī)械攪拌式（氣體攪拌式）反應(yīng)器：圖1-4-3 應(yīng)用例子2、固定化細(xì)胞生物反應(yīng)器填充床反應(yīng)器：圖1-4-5流化床反應(yīng)器：(圖1-4-6 見書)膜反應(yīng)器：圖1-4-8例子第19頁(yè)第19頁(yè)第二節(jié) 動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)辦法：1、貼壁培養(yǎng)成纖維細(xì)胞和上皮

9、細(xì)胞等貼壁依賴性細(xì)胞在培養(yǎng)中要貼附于壁上，快速鋪展，有絲分裂，不久進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期。2、懸浮培養(yǎng)在培養(yǎng)器中細(xì)胞自由懸浮生長(zhǎng)過(guò)程。主要用于非貼壁依賴性細(xì)胞培養(yǎng)。3、固定化培養(yǎng)包埋培養(yǎng)對(duì)兩類細(xì)胞都適應(yīng)，細(xì)胞生長(zhǎng)密度高，抗剪切力和抗污染能力強(qiáng)。第20頁(yè)第20頁(yè)細(xì)胞培養(yǎng)操作辦法1、分批式操作2、流加式操作3、半連續(xù)式操作4、連續(xù)式操作5、灌注培養(yǎng)動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)反應(yīng)器1、通氣攪拌式細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器圖 1-4-152、氣升式動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器圖 1-4-16第21頁(yè)第21頁(yè)3、中空纖維(聚礬和丙烯聚合物)細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器4、微囊培養(yǎng)系統(tǒng)(把活性物質(zhì)或細(xì)胞包在薄半透膜技術(shù))5、大載體系統(tǒng)(海藻酸鈉聚合細(xì)胞成2

10、.6mm直徑)6、微載體培養(yǎng)系統(tǒng)(利用固體小顆粒(葡聚糖)作載體,細(xì)胞附著在表面)動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用疫苗干擾素單克隆抗體其它基因重組產(chǎn)品第22頁(yè)第22頁(yè)第一節(jié) 固體物料處理與粉碎設(shè)備一、固體物料篩選除雜設(shè)備1、大麥粗選機(jī)：圖2-1-1（SZ振動(dòng)篩）是帶有風(fēng)力除塵振動(dòng)篩，篩面傾斜作前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，稱平搖傾斜篩。（重點(diǎn)）2、磁力除鐵器固定形磁鋼裝置永磁磁滾筒（圖2-1-2）3、大麥精選機(jī)4、大麥分級(jí)機(jī)（平板分級(jí)篩和圓筒分級(jí)篩）（圖2-1-7和2-1-8）第23頁(yè)第23頁(yè)二、固體物料粉碎設(shè)備1、固體物料粉碎種類（重點(diǎn)）擠壓、沖擊、研磨、剪切、劈裂粉碎（圖2-1-9）2、物料粉碎度（粉碎比）X=

11、D1/D23、粉碎機(jī)械錘式粉碎機(jī)、棍式粉碎機(jī)（兩棍圖2-1-13）多棍（圖2-1-14、15、16）圓盤鋼磨三、固體物料加水粉碎（濕法粉碎）第24頁(yè)第24頁(yè)采用一級(jí)或二級(jí)粉碎，主要部分：輸料裝置、加料器、粉碎機(jī)和加熱器等。流程圖見圖2-1-19。四、微細(xì)粉碎和超微細(xì)粉碎圖2-1-21、22、23、24第25頁(yè)第25頁(yè)第二節(jié) 液體培養(yǎng)基制備及殺菌設(shè)備一、糖蜜原料稀釋與澄清1、間歇式稀釋設(shè)備2、糖蜜連續(xù)稀釋器（水平式圖2-1-25，立式圖2-1-26、27、28、29）3、糖液酸化澄清設(shè)備酸化目的：在糖液中加入硫酸，滅菌，灰渣沉淀澄清，達(dá)到發(fā)酵需要。二、淀粉質(zhì)原料蒸煮糖化設(shè)備第26頁(yè)第26頁(yè)（一）

12、目的（二）蒸煮設(shè)備連續(xù)性蒸煮設(shè)備（罐式和柱式）圖2-1-31（三）真空冷卻器（圓筒錐底，料液以切線進(jìn)入，器內(nèi)為真空，醪液產(chǎn)生自蒸發(fā)，大量二次蒸汽進(jìn)冷凝器。錐底排醪液。）圖2-1-34（四）糖化設(shè)備連續(xù)糖化罐圖2-1-35，真空糖化妝置三、啤酒生產(chǎn)中麥芽汁制備第27頁(yè)第27頁(yè)（一）啤酒糖化設(shè)備組合方式四器組合：糊化鍋、糖化鍋、過(guò)濾槽、煮沸鍋。六器組合：糊化鍋、糖化鍋、過(guò)濾槽2個(gè)、煮沸鍋2個(gè)。（二）糊化鍋 圖2-1-37（三）糖化鍋 圖2-1-39（四）煮沸鍋 圖2-1-40（五）過(guò)濾槽 圖2-1-45第28頁(yè)第28頁(yè)四、液體培養(yǎng)基滅菌（重點(diǎn)）連續(xù)滅菌流程長(zhǎng)處：高產(chǎn)量，設(shè)備利用率高；質(zhì)量好，耗能均

13、衡，好操作；受熱時(shí)間短，營(yíng)養(yǎng)成份保留多；勞動(dòng)強(qiáng)度低，自動(dòng)控制。 流程：圖2-1-50、55、58。第29頁(yè)第29頁(yè)第一節(jié) 過(guò)濾速度強(qiáng)化一、發(fā)酵液預(yù)處理加熱、凝聚和絮凝、加入鹽類、調(diào)整PH、加入助濾劑。二、過(guò)濾介質(zhì)選擇和操作條件優(yōu)化第30頁(yè)第30頁(yè)第二節(jié) 過(guò)濾設(shè)備分類：常壓過(guò)濾機(jī)、加壓過(guò)濾機(jī)和真空過(guò)濾機(jī)。一、板框式壓濾機(jī)（圖2-2-5、6）二、真空過(guò)濾機(jī) （圖2-2-11、12）第31頁(yè)第31頁(yè)第三節(jié) 離心分離設(shè)備分類：過(guò)濾式離心分離和沉降式離心分離一、離心分離原理與分離因數(shù)（管式和碟式離心機(jī)）分離因數(shù)：是指離心力與重力比值或離心加速度與重力加速度比值。f=F/m=a/gr二、慣用離心機(jī)結(jié)構(gòu)及選

14、型1、分類：f3000（普通） f50000（超速） f=3000-50000（高速）1、結(jié)構(gòu)圖（ 2-2-17、18）第32頁(yè)第32頁(yè)第四節(jié) 膜分離設(shè)備一、膜分離辦法（表2-2-11）二、膜（表2-2-12）三、膜分離過(guò)程四、膜分離設(shè)備 板式、管式、中空纖維式螺旋卷式分離器等。 第33頁(yè)第33頁(yè)第一節(jié) 萃取分離原理及設(shè)備一、溶劑萃取（單級(jí)、多級(jí)：錯(cuò)流和逆流。影響原因：萃取劑和PH、溫度、鹽析、帶溶劑、去乳化）二、雙水相萃取三、離心萃取機(jī)第34頁(yè)第34頁(yè)第二節(jié) 離子互換分離原理及設(shè)備一、離子互換樹脂及其分離原理二、離子互換設(shè)備及計(jì)算離子互換罐（圖2-3-13、14、15、16、18、19）第3

15、5頁(yè)第35頁(yè)第三節(jié) 吸附分離原理與設(shè)備(略)第36頁(yè)第36頁(yè)第四節(jié) 色譜分離原理及設(shè)備(略) 第五節(jié) 分子蒸餾原理 第六節(jié) 超臨界流體萃取原理 第37頁(yè)第37頁(yè)第38頁(yè)第38頁(yè)第39頁(yè)第39頁(yè)第40頁(yè)第40頁(yè)第41頁(yè)第41頁(yè)第42頁(yè)第42頁(yè)糖蜜是甘蔗或甜菜糖廠一個(gè)副產(chǎn)品，又稱廢糖蜜，俗稱桔水。糖蜜含糖量較高，因其本身就含有相稱數(shù)量可發(fā)酵性糖，只須添加酵母便可直接發(fā)酵生產(chǎn)酒精，是大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)制造酒精良好原料。伴隨我國(guó)制糖工業(yè)發(fā)展，糖密產(chǎn)量日益增長(zhǎng)，我國(guó)不少糖廠都附設(shè)酒精車間，作為綜合利用糖蜜生產(chǎn)酒精。從糖蜜酒精發(fā)酵特點(diǎn)，可清楚看到糖密干物質(zhì)濃度很大，糖分高，產(chǎn)酸細(xì)菌多，灰分與膠體物質(zhì)諸多，假如

16、不預(yù)先進(jìn)行處理，酵母是無(wú)法直接進(jìn)行發(fā)酵。因此必須進(jìn)行預(yù)處理，糖密處理程序包括稀釋、酸化、滅菌、澄清和添加營(yíng)養(yǎng)鹽等過(guò)程。第43頁(yè)第43頁(yè)薯類和谷類以及野生植物原料通過(guò)加壓蒸煮，淀粉糊化成為溶解狀態(tài)，但是還不能直接被酵母菌利用，發(fā)酵生成酒精。因此，通過(guò)蒸煮以后糊化醪，在發(fā)酵前必須加入一定量糖化劑，使溶解狀態(tài)淀粉，變?yōu)榻湍改軌虬l(fā)酵糖類，這一個(gè)由淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)樘沁^(guò)程，稱為糖化。糖化過(guò)程是淀粉酶或酸水解作用，把淀粉糖化變成可發(fā)酵性糖。蒸煮設(shè)備:為了提升蒸煮醪質(zhì)量和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，當(dāng)前我國(guó)個(gè)酒精廠廣泛采用連續(xù)蒸煮辦法，這是我國(guó)酒精生產(chǎn)中一項(xiàng)重大技術(shù)革新，慣用有罐式連續(xù)蒸煮，管式連續(xù)蒸煮，柱式連續(xù)蒸煮等三種辦法，

17、各有特點(diǎn)。第44頁(yè)第44頁(yè)第45頁(yè)第45頁(yè)第46頁(yè)第46頁(yè)第47頁(yè)第47頁(yè)第48頁(yè)第48頁(yè)第49頁(yè)第49頁(yè)第50頁(yè)第50頁(yè)第51頁(yè)第51頁(yè)第52頁(yè)第52頁(yè)第53頁(yè)第53頁(yè)第54頁(yè)第54頁(yè)第55頁(yè)第55頁(yè)第56頁(yè)第56頁(yè)第57頁(yè)第57頁(yè)第58頁(yè)第58頁(yè)第59頁(yè)第59頁(yè)第60頁(yè)第60頁(yè)第61頁(yè)第61頁(yè)第62頁(yè)第62頁(yè)第63頁(yè)第63頁(yè)第64頁(yè)第64頁(yè)第65頁(yè)第65頁(yè)第66頁(yè)第66頁(yè)第67頁(yè)第67頁(yè)第68頁(yè)第68頁(yè)第69頁(yè)第69頁(yè)第70頁(yè)第70頁(yè)第71頁(yè)第71頁(yè)概述生物工業(yè)中下游加工工藝很大程度上取決于產(chǎn)品性質(zhì)及產(chǎn)品所要求純度。當(dāng)制品為菌體本身時(shí)，則工藝比較筒單。普通來(lái)說(shuō)，下游加工過(guò)程可分為4個(gè)階段：

18、發(fā)酵液預(yù)處理和固液分離。產(chǎn)物提取。產(chǎn)物精制。成品加工。其中發(fā)酵液預(yù)處理和固液分離，已在上一章討論，產(chǎn)物提取和精制過(guò)程通常采用萃取、離子互換、分子蒸餾、超臨界萃取、吸附、色譜分離辦法等。本章主要討論這幾種辦法分離原理及設(shè)備。第72頁(yè)第72頁(yè)第一節(jié) 萃取分離原理及設(shè)備1.介紹萃取( extraction)是利用液體或超臨界流體為溶劑提取原料中目標(biāo)產(chǎn)物分離純化操作，因此，萃取操作中最少有一相為流體，普通稱該流體為萃取劑(extractant)。以液體為萃取劑時(shí)，假如含有目標(biāo)產(chǎn)物原料也為液體，則稱此操作為液-液萃取；假如含有目標(biāo)產(chǎn)物原料為固體，則稱此操作為液-固萃取或浸取(Leaching )。以超臨

19、界流體為萃取劑時(shí)，含有目標(biāo)產(chǎn)物原料能夠是液體，也能夠是固體，稱此操作為超臨界流體萃取。另外，在液-液萃取中，依據(jù)萃取劑種類和形式不同又分為有機(jī)溶劑萃取(簡(jiǎn)稱 溶劑萃取)、雙水相萃取、液膜萃取和反膠束萃取等。溶劑萃取普通用于小分子物質(zhì)提取，雙水相萃取慣用于蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)提取。第73頁(yè)第73頁(yè)萃取分離特點(diǎn)：1、 比化學(xué)沉淀法分離程度高；2、 比離子互換法選擇性好、傳質(zhì)快；3、 比蒸餾法能耗低， 生產(chǎn)能力大，周期短，連續(xù)操作，能夠自動(dòng)化控制；4、 和其它新型分離技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了一系列新型分離技術(shù) 第74頁(yè)第74頁(yè)單級(jí)萃取單級(jí)萃取只包括一個(gè)混合器和一個(gè)分離器，如圖231所表示。料液F和溶劑S加入

20、混合器中經(jīng)接觸達(dá)到平衡后，用分離器分離得到萃取液L和萃余液R。設(shè)料液體積為VF，溶劑體積為Vs，則通過(guò)萃取后。溶質(zhì)在萃取相中濃度為山，在萃余相中濃度為 C2第75頁(yè)第75頁(yè)多級(jí)錯(cuò)流萃取 (多級(jí)逆流 )第76頁(yè)第76頁(yè)第77頁(yè)第77頁(yè)第78頁(yè)第78頁(yè)第79頁(yè)第79頁(yè)第80頁(yè)第80頁(yè)離子互換法主要是基于一個(gè)合成離子互換劑作為吸附劑，以吸附溶液中需要分離離子。生物工業(yè)中最慣用互換劑為離子互換樹脂，廣泛用于提取氨基酸、有機(jī)酸、抗生素等小分子生物制品。在提取過(guò)程中，生物制品從發(fā)酵液中吸附在離子互換樹脂上，然后在適宜條件下用洗脫劑將吸附物從樹脂上洗脫下來(lái)，達(dá)到分離、濃縮、提純目的。離子互換法特點(diǎn)是樹脂無(wú)毒

21、性且可重復(fù)再生使用，少用或不用有機(jī)溶劑，因而成本低，設(shè)備簡(jiǎn)樸，操作以便。當(dāng)前已成為生物制品提純分離主要辦法之一。但離子互換法也有生產(chǎn)周期長(zhǎng)，PH改變范圍大，甚至影響成品質(zhì)量等缺點(diǎn)。另外，離子互換樹脂法還廣泛用于脫色、硬水軟化及制備無(wú)鹽水等.第81頁(yè)第81頁(yè)離子互換樹脂及其分離原理離子互換樹脂是一個(gè)含有網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)、且不溶于酸、堿和有機(jī)溶劑固體高分子化合物離子互換樹脂單元結(jié)構(gòu)由兩部分構(gòu)成。一部分是不可移動(dòng)且含有立體結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)骨架，另一部分是可移動(dòng)活性離子。活性離子可在網(wǎng)絡(luò)骨架和溶液間自由遷移，當(dāng)樹脂處于溶液中時(shí)，其上活性離子可與溶液中同性離子產(chǎn)生互換過(guò)程。這種互換是等當(dāng)量進(jìn)行。假如樹脂釋放是活性陽(yáng)

22、離子，它就能和溶液中陽(yáng)離子發(fā)生互換，稱陽(yáng)離子互換樹脂；假如釋放是活性陰離子，它就能互換溶液中陰離子，稱陰離子互換樹脂。 第82頁(yè)第82頁(yè)離子互換設(shè)備依據(jù)離子互換操作方式不同，可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)互換設(shè)備兩大類。靜態(tài)設(shè)備為一帶有攪拌器反應(yīng)罐，反應(yīng)罐僅作靜態(tài)互換用，互換后利用沉降、過(guò)濾或水力旋風(fēng)將樹脂分離，然后裝入解吸罐（柱）中洗滌和解吸。這種設(shè)備當(dāng)前較少采取，生產(chǎn)中多采取動(dòng)態(tài)離子互換罐或互換柱。按操作方式不同分間歇操作固定床和連續(xù)操作流動(dòng)床兩類。固定床有單床（單柱或單罐操作）見圖、多床（多柱或多罐串聯(lián)）見圖、復(fù)床（陽(yáng)柱、陰柱）及混合床（陽(yáng)、陰樹脂混合在一個(gè)柱或罐中）。依據(jù)溶液進(jìn)入互換柱（罐）方向又有

23、正吸附（溶液在柱中至上而下流動(dòng)）和反吸附（溶液至下而上流過(guò)）兩種。連續(xù)流動(dòng)床是指溶液及樹脂以相反方向均連續(xù)不停流入和離開互換設(shè)備，普通也有單床、多床之分。圖是一個(gè)最常見離子互換柱，第83頁(yè)第83頁(yè)A、單柱 雙柱串聯(lián) 第84頁(yè)第84頁(yè)1、什么是分子蒸餾分子蒸餾技術(shù)不同于普通蒸餾技術(shù),它是一個(gè)利用不同物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)自由程差異,對(duì)含有不同物質(zhì)物料在液-液狀態(tài)下進(jìn)行分離技術(shù)。它能使液體在遠(yuǎn)低于其沸點(diǎn)溫度下將其所含不同物質(zhì)分離 , 鑒于其在高真空下運(yùn)行 ,且因其特殊結(jié)構(gòu)型式 ,因而它又具備蒸餾壓強(qiáng)低、受熱時(shí)間短、分離程度高等特點(diǎn) ,能大大降低高沸點(diǎn)物料分離成本 ,極好地保護(hù)熱敏性物質(zhì)品質(zhì)。從而能處理大量常

24、規(guī)蒸餾技術(shù)所不能處理問(wèn)題。 第85頁(yè)第85頁(yè)為了實(shí)現(xiàn)分子蒸餾 ,各國(guó)研制了各種結(jié)構(gòu)分子蒸餾體系 ,主要表現(xiàn)三種類型： 一是降膜式,二是刮膜式,三是離心式。降膜式裝置為早期形式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)樸,但由于液膜厚,效率差,現(xiàn)在世界各國(guó)很少采用。刮膜式分子蒸餾裝置,形成液膜薄,分離效率高,但較降膜式結(jié)構(gòu)復(fù)雜。離心式分子蒸餾裝置離心力成膜,膜薄,蒸發(fā)效率高。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造及操作難度大。為了提升分離效率,往往需要采用多級(jí)串聯(lián)使用。即離心薄膜式和轉(zhuǎn)子刷膜式 ,前一個(gè)體系處理量大 ,適合用于工業(yè) ;試驗(yàn)室用多為刮 (刷 )膜蒸發(fā)器。無(wú)論何種形式分子蒸餾 ,其原理都是相同。 第86頁(yè)第86頁(yè)分子蒸餾技術(shù)特點(diǎn)鑒于分子蒸

25、餾在原理上根本區(qū)分于常規(guī)蒸餾, 因而它具備著許多常規(guī)蒸餾無(wú)法比擬優(yōu)點(diǎn)。操作溫度低。常規(guī)蒸餾是靠不同物質(zhì)沸點(diǎn)差進(jìn)行分離, 而分子蒸餾是靠不同物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)自由程差異進(jìn)行分離,因此, 后者是在遠(yuǎn)離(遠(yuǎn)低于)沸點(diǎn)下進(jìn)行操作。 蒸餾壓強(qiáng)低。因?yàn)榉肿诱麴s裝置獨(dú)特結(jié)構(gòu)形式, 其內(nèi)部壓強(qiáng)極小, 能夠取得很高真空度。同時(shí), 由分子運(yùn)動(dòng)自由程公式可知, 要想取得足夠大平均自由程, 能夠經(jīng)過(guò)降低蒸餾壓強(qiáng)來(lái)取得, 普通為X10-1Pa數(shù)量級(jí)。 第87頁(yè)第87頁(yè)3受熱時(shí)間短。鑒于分子蒸餾是基于不同物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)自由程差異而實(shí)現(xiàn)分離因而受加熱面與冷凝面間距要小于輕分子運(yùn)動(dòng)自由程(即距離很短), 這么由液面逸出輕分子幾乎未碰

26、撞就抵達(dá)冷凝面, 因此受熱時(shí)間很短。另外, 若采取較先進(jìn)分子蒸餾結(jié)構(gòu), 使混合液液面抵達(dá)薄膜狀, 這時(shí)液面與加熱面面積幾乎相等, 那么, 此時(shí)蒸餾時(shí)間則更短。假定真空蒸餾受熱時(shí)間為1h, 則分子蒸餾僅用十幾秒。4分離程度高。分子蒸餾經(jīng)常用來(lái)分離常規(guī)蒸餾不易分開物質(zhì),然而就這兩種方法均能分離物質(zhì)而言, 分子蒸餾分離程度更高。分子蒸餾揮發(fā)度一般用下式表示:= p1/p2 (M2 / M1)1/2。式中M1為輕組分分子量；M2為重組分分子量；p1、p2分別是組分1和2蒸氣壓。第88頁(yè)第88頁(yè)分子蒸餾工藝流程圖D冷阱 TKi物料泵 H預(yù)熱器 Pi進(jìn)料泵 BM薄膜蒸發(fā)器 ML分子蒸餾器第89頁(yè)第89頁(yè)分

27、子蒸餾設(shè)備裝置圖 變速機(jī)組 2、刷膜蒸發(fā)器缸 3、重組分接受瓶 4、輕組分接受瓶 5、恒溫水泵 6、導(dǎo)熱油爐 7、旋轉(zhuǎn)真空計(jì) 8、液氮冷阱 9、油擴(kuò)散泵 10、導(dǎo)熱油控溫計(jì) 11、熱油泵 12、前級(jí)真空泵 13、刮膜轉(zhuǎn)子 14、進(jìn)料閥 15、原料瓶 16、冷凝柱 17、旁路閥 第90頁(yè)第90頁(yè)分子蒸餾技術(shù)應(yīng)用分子蒸餾技術(shù)作為一個(gè)新型、有效分離手段，自20世紀(jì)30年代出現(xiàn)以來(lái)，得到了世界各國(guó)注重。至20世紀(jì)60年代，已成功地應(yīng)用于從魚肝油中提取維生素工業(yè)化生產(chǎn)。如今，美、日、德、蘇 (前 )等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼設(shè)計(jì)制造出多套工業(yè)化分子蒸餾裝置。伴隨人們對(duì)天然物質(zhì)青睞，回歸自然潮流興起，新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，

28、分子蒸餾技術(shù)得到了快速發(fā)展。1、石油化工生產(chǎn)低蒸汽壓油(如真空泵油等); 蒸餾制取高粘度潤(rùn)滑油; 碳?xì)浠衔锓蛛x; 原油渣油及其類似物質(zhì)分離; 表面活性劑提純及化工中間體精制等, 如高碳醇及烷基多苷、乙烯基吡咯烷酮等純化, 羊毛酸酯、羊毛醇酯等制取，等等。利用分子蒸餾能夠制取高純烷基多苷。經(jīng)三級(jí)分子蒸餾可達(dá)到殘留脂肪醇0.5%高純產(chǎn)品。 第91頁(yè)第91頁(yè)2、食品工業(yè)混合油脂分離, 可取得純度達(dá)90%95%以上單脂肪酸酯, 如硬脂酸單甘油酯、月桂酸單甘油酯、丙二醇酯等; 從動(dòng)植物中提取天然產(chǎn)物, 如精制魚油、米糠油、小麥胚芽油等。3、在天然藥物分離純化中應(yīng)用，可用以蒸餾天然魚肝油，濃縮維生素;

29、提取濃縮藥用級(jí)合成及天然維生素及-胡蘿卜素等；通過(guò)度子蒸餾取得激素縮體; 制取氨基酸及葡萄糖衍生物等；制備天然藥物標(biāo)品，脫除中藥制劑中有害重金屬等。4、農(nóng)藥精制。如氯菊酯、增效醚、氧樂(lè)果提純。在天然產(chǎn)物分離過(guò)程中，慣用分離技術(shù)有：水蒸氣蒸餾法、吸附樹脂法、超臨界流體萃取法和分子蒸餾法。前兩種辦法適合產(chǎn)品粗制，而后兩種辦法都是利用特殊條件下物性進(jìn)行分離，超臨界流體萃取法適合于分離過(guò)程前階段，即從天然原料中將所需成份提取出來(lái)，而分子蒸餾適合于把粗產(chǎn)品中高附加值成份進(jìn)行分離和提純，并且這種分離是其它慣用分離手段難以完畢第92頁(yè)第92頁(yè)分子蒸餾技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)呈現(xiàn)實(shí)狀況上世紀(jì)三十年代至六十年代，是分子蒸餾

30、技術(shù)研發(fā)時(shí)代，至六十年代，日、英、美、德、法及前蘇聯(lián)都有多套大型工業(yè)化妝置投入工業(yè)應(yīng)用。但由于相關(guān)技術(shù)發(fā)展還很落后，致使當(dāng)初分子蒸餾技術(shù)及裝備在總體上還不夠完善。比如，分子蒸餾蒸發(fā)器分離效率尚有待提升、密封及真空取得技術(shù)尚有待改進(jìn)、應(yīng)用領(lǐng)域尚有待拓展、分離成本尚有待減少等。所有這些都是以后研究者改進(jìn)方向。從上世紀(jì)六十年代至今五十多年來(lái)，各國(guó)研究者均十分注重這一領(lǐng)域研究，不斷有新專利和文獻(xiàn)出現(xiàn)。同時(shí)，也出現(xiàn)了一些專業(yè)技術(shù)公司專門從事分子蒸餾器開發(fā)制造，使分子蒸餾技術(shù)工業(yè)應(yīng)用得到了進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)前，世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家分子蒸餾技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用開發(fā)十分活躍，據(jù)報(bào)導(dǎo)，應(yīng)用分子蒸餾技術(shù)純化分離產(chǎn)品達(dá)15

31、0余種，尤其是對(duì)于一些高難度物質(zhì)分離方面，該項(xiàng)技術(shù)顯示了十分抱負(fù)效果。第93頁(yè)第93頁(yè)1、什么是超臨界流體（Supercritical Fluid 簡(jiǎn)稱SCF）任何一個(gè)物質(zhì)都存在三種相態(tài)-氣相、液相、固相。實(shí)際上當(dāng)溫度和壓力達(dá)到一定值時(shí)，物質(zhì)就會(huì)出現(xiàn)超臨界狀態(tài)。物質(zhì)臨界狀態(tài)是指其氣態(tài)與液態(tài)共存一個(gè)邊緣狀態(tài)。在此狀態(tài)中，液體密度與其飽和蒸汽密度相同，因此界面消失。液、氣兩相成平衡狀態(tài)點(diǎn)叫臨界點(diǎn)。在臨界點(diǎn)時(shí)溫度和壓力分別稱為臨界溫度Tc臨界壓力Pc。不同物質(zhì)其臨界點(diǎn)所要求壓力和溫度各不相同，圖1為二氧化碳超臨界流體PT性質(zhì)。 第94頁(yè)第94頁(yè)超臨界流體是指超出臨界溫度與臨界壓力狀態(tài)流體。假如某種流

32、體處于臨界溫度之上（即TTc），無(wú)論壓力多高（即PPc），也不能液化，這個(gè)狀態(tài)物質(zhì)經(jīng)常不稱為氣體或液體，而被稱為超臨界流體（Supercritical Fluid 簡(jiǎn)稱SCF）。二氧化碳是使用較多超臨界流體，在較高溫度超臨界區(qū)內(nèi)，壓力較小改變會(huì)引起密度較大改變，使超臨界流體密度靠近于液體密度第95頁(yè)第95頁(yè)二氧化碳超臨界流體PT性質(zhì)第96頁(yè)第96頁(yè)超臨界流體存在并含有溶解性。在容器中只有兩種物質(zhì)：CO2和固體萘（事先經(jīng)過(guò)預(yù)備性試驗(yàn)對(duì)萘進(jìn)行定量）。我們都知道氣態(tài)CO2幾乎不溶解固體萘。當(dāng)容器內(nèi)壓力增大到1920 PSI左右（即13.3 MPa）時(shí)，我們卻看到萘完全溶解在流體CO2中，這說(shuō)明此時(shí)流

33、體CO2含有了氣體CO2所沒(méi)有性質(zhì)溶解性，同時(shí)它還含有氣體流動(dòng)性和擴(kuò)散性。從此時(shí)CO2性質(zhì)來(lái)看，它既不同于氣態(tài)CO2，也不同于液態(tài)CO2，我們稱此時(shí)二氧化碳為超臨界流體。第97頁(yè)第97頁(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中往往并不采用等溫，而是將萃取后超臨界流體導(dǎo)入到分離器降壓同時(shí)，也進(jìn)行降溫，使溶解在超臨界流體中溶解物（被萃取物）溶解度更低，從超臨界流體中析出，便于分離。被萃取物在分離器中分離并從下部取出；氣體經(jīng)升溫、加壓，恢復(fù)超臨界狀態(tài)后再循環(huán)操作。圖為變壓變溫萃取工藝流程圖第98頁(yè)第98頁(yè)第99頁(yè)第99頁(yè)超臨界流體萃取技術(shù)應(yīng)用 (一).超臨界流體技術(shù)在國(guó)內(nèi)天然藥物研制中應(yīng)用當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外采用CO2超臨界萃取技術(shù)可

34、利用資源有：紫杉、黃芪、人參葉、大麻、香獐、青蒿草、銀杏葉、川貝草、桉葉、玫瑰花、樟樹葉、茉莉花、花椒、八角、桂花、生姜、大蒜、辣椒、桔柚皮、啤酒花、芒草、香茅草、鼠尾草、迷迭香、丁子香、豆蔻、沙棘、小麥、玉米、米糠、魚、煙草、茶葉、煤、廢油等。在超臨界流體技術(shù)中，超臨界流體萃取技術(shù)(Supercritical fluid extraction， SFE)與天然藥物當(dāng)代化關(guān)系密切。SFE對(duì)非極性和中檔極性成份萃取，可克服老式萃取辦法中因回收溶劑而致樣品損失和對(duì)環(huán)境污染，尤其適合用于對(duì)溫?zé)岵环€(wěn)定揮發(fā)性化合物提取；對(duì)于極性偏大化合物，可采用加入極性?shī)A帶劑如乙醇、甲醉等，改變其萃取范圍提升抽提率。第

35、100頁(yè)第100頁(yè)(二).超臨界流體技術(shù)在其它方面應(yīng)用 超臨界萃取技術(shù)除了在中藥有效成份提取方面有著明顯優(yōu)勢(shì)之外，它還在食品、化工和生物工程方面有著廣泛應(yīng)用。1. 在食品方面應(yīng)用 當(dāng)前已經(jīng)能夠用超臨界二氧化碳從葵花籽、紅花籽、花生、小麥胚芽、可可豆中提取油脂，這種辦法比老式壓榨法回收率高，并且不存在溶劑法溶劑分離問(wèn)題。 第101頁(yè)第101頁(yè)2. 在醫(yī)藥保健品方面應(yīng)用在抗生素藥物生產(chǎn)中，老式辦法常使用丙酮、甲醇等有機(jī)溶劑，但要將溶劑完全除去，又不是要變質(zhì)非常困難。若采用SCFE法則完全可符合要求。另外，用SCFE法從銀杏葉中提取銀杏黃酮，從魚內(nèi)臟，骨頭等提取多烯不飽和脂肪酸（DHA，EPA），從

36、沙棘籽提取沙棘油，從蛋黃中提取卵磷脂等對(duì)心腦血管疾病含有獨(dú)特療效 3. 天然香精香料提取 用SCFE法萃取香料不但能夠有效地提取芳香組分，并且還能夠提升產(chǎn)品純度，能保持其天然香味，如從桂花、茉莉花、菊花、梅花、米蘭花、玫瑰花中提取花香精，從胡椒、肉桂、薄荷提取香辛料，從芹菜籽、生姜，莞荽籽、茴香、砂仁、八角、孜然等原料中提取精油，不但能夠用作調(diào)味香料，并且一些精油還含有較高藥用價(jià)值。第102頁(yè)第102頁(yè)啤酒花是啤酒釀造中不可缺乏添加物，含有獨(dú)特香氣、清爽度和苦味。老式辦法生產(chǎn)啤酒花浸膏不含或僅含少許香精油，破壞了啤酒風(fēng)味，并且殘余有機(jī)溶劑對(duì)人體有害。超臨界萃取技術(shù)為酒花浸膏生產(chǎn)開辟了遼闊前景。4. 在化工方面應(yīng)用 在美國(guó)超臨界技術(shù)還用來(lái)制備液體燃料。以甲苯為萃取劑，在Pc=100atm, Tc=400-440條件下進(jìn)行萃取，在SCF溶劑分子擴(kuò)散作用下，增進(jìn)煤有機(jī)質(zhì)發(fā)生深度熱分解，能使三分之一有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體產(chǎn)物。另外，從煤炭中還能夠萃取硫等化工產(chǎn)品。 美國(guó)最近研制成功用超臨界二氧化碳既作反應(yīng)劑又作萃取劑新型乙酸制造工藝。俄羅斯、德國(guó)還把SCFE法用于油料脫瀝青技術(shù)。另外，超臨界萃取還能夠用于提取