生物工业下游技术第十章

1、生物工业下游加工技术生物工业下游加工技术李刚 副教授第九章第九章 膜分离技术膜分离技术 第一节第一节 概论概论 第二节第二节 乳化液膜的制备与分离机制乳化液膜的制备与分离机制 第三节第三节 载体载体 第四节第四节 乳化液膜分离技术的工艺流程及其应用乳化液膜分离技术的工艺流程及其应用 第五节第五节 关于液膜过程不利因素的讨论关于液膜过程不利因素的讨论第一节 概述 膜：膜是一种流动相内或两种流动相之间膜：膜是一种流动相内或两种流动相之间的一薄层凝聚相物质。的一薄层凝聚相物质。可把流动相分割成两部分。 液体膜（液膜）是膜技术的一个分支，是一种新兴的节能型分离手段。液膜分离 液体膜（液膜）：是以液体作

2、为材料的膜。液体膜（液膜）：是以液体作为材料的膜。是从生物膜奇妙的选择性输送功能上得到启发而模仿的一种人工膜。液膜是一层很薄的液体，由悬浮液膜是一层很薄的液体，由悬浮在液体中的一层很薄的乳液微粒构成。它阻隔在在液体中的一层很薄的乳液微粒构成。它阻隔在两个可互溶但组成不同的液相之间，一个液相中两个可互溶但组成不同的液相之间，一个液相中的待分离组分通过液膜的渗透作用传递到另一个的待分离组分通过液膜的渗透作用传递到另一个液相中，从而实现分离的目的。液相中，从而实现分离的目的。 液膜大致可分为三类：（液膜大致可分为三类：（1）整体液膜；（）整体液膜；（2）支）支持液膜；（持液膜；（3）乳化液膜。）乳化

3、液膜。液膜分离技术原理 液膜模拟生物膜的结构，它利用选择性透过原理液膜模拟生物膜的结构，它利用选择性透过原理，以膜两侧的溶质化学浓度差为传质动力，将膜，以膜两侧的溶质化学浓度差为传质动力，将膜分离与溶剂萃取相结合，使选择性渗透、膜相萃分离与溶剂萃取相结合，使选择性渗透、膜相萃取和膜内相反萃取三个传质环节同时完成，以使取和膜内相反萃取三个传质环节同时完成，以使料液中待分离溶质在膜内相富集浓缩，分离待分料液中待分离溶质在膜内相富集浓缩，分离待分离物质。离物质。 简而言之，液膜分离技术就是以液膜为分离介质、以浓度差为推动力的液-液萃取与反萃取过程结合为一体的分离过程。 起分离作用的液膜通常为添加了表

4、面活性剂的溶起分离作用的液膜通常为添加了表面活性剂的溶剂相，液膜两边的被萃相和反萃相通常都是可互剂相，液膜两边的被萃相和反萃相通常都是可互溶相。溶相。液膜分离中的三相 液膜分离涉及三种液体：通常将含有被分离组分的料液料液作为连续相，称为外相外相；接接受被分离组分的液体，称为内相受被分离组分的液体，称为内相；成膜的成膜的液体液体处于两者之间，称为膜相膜相。 在液膜分离过程中，被分离组分从外相进从外相进入膜相，再转入内相，浓集于内相。入膜相，再转入内相，浓集于内相。乳化液膜乳化液膜可看成一种“水-油-水”或“油-水-油”型的双重乳状液高分散体系。乳化液膜由三相组成：即膜相、外相和内相。支撑液膜支撑

5、液膜：是膜相溶液牢固地吸附在支撑体的微孔内，在膜的两侧是与膜互不相溶的料液和反萃相，待分离的溶质自液相经多孔支撑体的膜相向反萃相传递。待分离的溶质自液相经多孔支撑体的膜相向反萃相传递。整体液膜 整体液膜：整体液膜：主要用于载体的开发和基础性研究上，如分离机制、传递速度和载体选择性等。液膜技术的应用 非常广泛，常用于湿法冶金工业、石油与化学工业、生化工业、制药工业、环境保护等领域。 生物领域用于：氨基酸、有机酸、抗生素、脂肪酸、蛋白质、生物活性物质等分离。液膜的膜相组成 膜相是一层很薄的液体，可以是水溶液或膜相是一层很薄的液体，可以是水溶液或有机溶剂有机溶剂，膜相能把两个互不相溶的溶液隔开，并通

6、过这层液膜实现物质的选择性选择性分离分离。 通常被隔开的两个溶液是水溶液（内外相通常被隔开的两个溶液是水溶液（内外相），膜相则是与内外水相都互不相溶的油），膜相则是与内外水相都互不相溶的油性物质。性物质。 膜相主要由膜溶剂、表面活性剂、流动载膜相主要由膜溶剂、表面活性剂、流动载体和膜增强剂构成。体和膜增强剂构成。膜溶剂 使用较多的膜溶剂是高分子烷烃、异烷烃类物质，它使用较多的膜溶剂是高分子烷烃、异烷烃类物质，它是膜相的基体物质。是膜相的基体物质。 较理想的膜溶剂通常有以下几点特点： （1）能保持操作过程中的稳定性。）能保持操作过程中的稳定性。有一定的粘度，又不溶解于内外水相。 （2）良好的溶解

7、性。）良好的溶解性。希望它优先溶解预提取的物质，而对杂质的溶解越少越好，同时对膜相中的其它组分也有较好的互溶性。 （3）膜溶剂与水相应有一定的相对密度差）膜溶剂与水相应有一定的相对密度差，以利于操作后期膜相与料液的分离。表面活性剂与流动载体 表面活性剂：它是液膜技术中稳定油水分表面活性剂：它是液膜技术中稳定油水分界面的最重要的组分界面的最重要的组分，对液膜的稳定性、渗透速度、分离效率和膜相与内水相分离后的循环使用有直接关系。 流动载体：合适的载体是液膜分离技术的合适的载体是液膜分离技术的关键之一。它能对欲提取的物质进行关键之一。它能对欲提取的物质进行选择选择性搬运迁移性搬运迁移，因此对选择性和

8、膜的通量（或分离速度）起决定作用。起到萃取剂萃取剂的作用。膜增强剂 起到增加膜的稳定性作用。在液膜的分离在液膜的分离操作时要求膜不过早破裂；而在破乳工艺操作时要求膜不过早破裂；而在破乳工艺中液膜层又容易破碎中液膜层又容易破碎，以利于膜相与内水相的分离。 一般而言，膜相中表面活性剂占1%-5%，流动载体1%-5%，90%左右是膜溶剂左右是膜溶剂。生物膜的结构示意图细胞膜主体是由磷脂双分子层磷脂双分子层、蛋白质、蛋白质构成的。磷脂分子的极性亲水端向外形磷脂分子的极性亲水端向外形成双分子层，非极性亲油端则成双分子层，非极性亲油端则互相聚集。互相聚集。膜中央近似液体，膜表面则近似晶体。蛋白质分子以各种

9、方式联结在膜上，这些蛋白质有这些蛋白质有“识别识别”和和“输送输送”物质的功物质的功能，能，即选择性地将一个物质分子或者离子从膜的一侧输送到膜的另一侧。生物膜中的蛋白质相当于液膜生物膜中的蛋白质相当于液膜中的载体。中的载体。液膜与生物膜的相似性 液膜与生物膜在结构上有许多相似之处。含有表面活性剂的膜溶剂相当于生物膜的含有表面活性剂的膜溶剂相当于生物膜的类脂体，而液膜中的流动载体即相当于生类脂体，而液膜中的流动载体即相当于生物膜中的蛋白质载体。物膜中的蛋白质载体。第二节 乳化液膜的制备与分离机制 在一个强烈的剪切力（率）下，缓慢添加水相（内水相）于一个含有表面活性剂的油相中，形成动力学上稳定的油

10、包水（油包水（W/O）乳化液）乳化液，再通过再通过一个温和的搅拌将油包水乳化液分散于一个连续一个温和的搅拌将油包水乳化液分散于一个连续水相（外水相）中，膜相充当了两水相的隔离层水相（外水相）中，膜相充当了两水相的隔离层，因而内相中不含有外相水溶液。 假定乳化小球不聚集，在分离过程中，能保持它们的完整性。 另外，由于表面活性剂的存在，乳化小球内部是由于表面活性剂的存在，乳化小球内部是静止而不活泼的静止而不活泼的，乳化小球内部反水性微水滴不存在循环。二、乳化液膜的分离机制 液膜的分离机制分为两大类：无载体扩散无载体扩散迁移和载体促进传递机制。迁移和载体促进传递机制。 1、无载体扩散迁移： （1）单

11、纯扩散迁移： 该分离机制的液膜中不含流动载体该分离机制的液膜中不含流动载体，内、外水相中也没有与待分离物质发生化学反应的试剂。只依赖待分离组分在膜中的溶只依赖待分离组分在膜中的溶解度和扩散系数的差异，导致透过膜的速解度和扩散系数的差异，导致透过膜的速度不同而实现的一种液膜分离过程。度不同而实现的一种液膜分离过程。单纯的扩散迁移 液膜相中的A、B两种溶质要分离，必须一种溶质A透过膜的速度大于B，而而通过速度正比于该溶质在通过速度正比于该溶质在膜相中的分配系数和扩散膜相中的分配系数和扩散系数。系数。 实际上，大多数溶质大多数溶质在膜相中的扩散系数几乎在膜相中的扩散系数几乎相同，所以溶质透过液膜相同

12、，所以溶质透过液膜的速度实际上取决于分配的速度实际上取决于分配系数系数K。（2）内相化学反应促进迁移 为实现高效分离，可采用在溶质的接受相在溶质的接受相（如内相）添加与溶质能发生化学反应的（如内相）添加与溶质能发生化学反应的试剂，通过化学反应来促使溶质高效快速试剂，通过化学反应来促使溶质高效快速迁移。迁移。乙酸的单纯扩散分离机制 外水相中的未解离的分子外水相中的未解离的分子态乙酸，态乙酸，由分配关系萃入乳化小球的油相，然后扩散穿过膜层到达内水相。 该液膜体系中，内水相通内水相通常是溶酸或浓碱，外相是常是溶酸或浓碱，外相是需要分离的弱酸或弱碱。需要分离的弱酸或弱碱。 分离乙酸时，内相通常是分离乙

13、酸时，内相通常是NaOH水溶液，当乙酸从水溶液，当乙酸从膜相进入到内水相，便迅膜相进入到内水相，便迅速转化为乙酸根负离子。速转化为乙酸根负离子。因乙酸根带有电荷，故不能逆向回到非极性的油相。1、乙酸的单纯扩散分离机制 在特定的微小内水相中几乎不存在未离解的酸，故分离和分配进入微水相的推动力微水相的推动力很大，当碱性试剂碱性试剂被耗尽，则分配推动力就消失。 乳化小球中未离解的乙酸分子就必须继续扩散、进入到其它含有足够碱性试剂的微进入到其它含有足够碱性试剂的微水滴。水滴。 此时，分离时间增加，乙酸的液膜分离过分离时间增加，乙酸的液膜分离过程逐渐被乙酸分子在膜相的扩散速率所控程逐渐被乙酸分子在膜相的

14、扩散速率所控制。制。从废水中去除酚 乳状液分散到含酚废水中，外相中的酚透外相中的酚透过膜相进入内水相，与内水相中的过膜相进入内水相，与内水相中的NaOH反反应生成酚钠，酚钠不溶于膜相因而不能反应生成酚钠，酚钠不溶于膜相因而不能反向渗透，于是在内水相中富集。向渗透，于是在内水相中富集。 将乳状液与料液分相后，即将废水中的酚除去。2、载体促进传递机制 在膜相中加入一种可自由流动被称为“载体”的化合物，它能选择性地与外相中的它能选择性地与外相中的待分离物质结合后透过膜相并将它送入内待分离物质结合后透过膜相并将它送入内水相。水相。 乳化液膜载体促进传递机制：乳化液膜载体促进传递机制乳化液膜载体促进传递

15、机制 待分离物质苯丙氨酸负离子（ Phe- ）存在于外水相中。液膜油相中已事先溶解了这样一种物质C+。C+带有的正电荷与外相中带有的正电荷与外相中的的Phe-电荷相反，所以能和它结合并自由电荷相反，所以能和它结合并自由游离在膜相中。游离在膜相中。 C+即为载体即为载体，它能选择性的把外相中的它能选择性的把外相中的Phe-运载到内相。存在于内水相中的运载到内相。存在于内水相中的Cl-为为载体的另一反离子物质。载体的另一反离子物质。载体特征 载体通常为一种离子型表面活性剂，它有载体通常为一种离子型表面活性剂，它有一个常常的憎水亲油性的烃类一个常常的憎水亲油性的烃类“尾部尾部”，而其而其“头部头部”

16、为一价电荷的亲水性基团。为一价电荷的亲水性基团。“头部”的电荷使得这个载体总是结合一带有相反电荷的物质，以便在油相中保持以便在油相中保持电中性而溶于油相。电中性而溶于油相。 典型的内水相为一无机盐溶液，它提供传典型的内水相为一无机盐溶液，它提供传递推动力。递推动力。载体促进传递机制类似生物膜的类似生物膜的“离子泵离子泵”作用，能将某种物质（离子）从低浓度区向作用，能将某种物质（离子）从低浓度区向高浓度区传递运输。高浓度区传递运输。其促进传递有三种不同的表现形式（1）载体促进扩散传递（10-6a）；（2）载体促进并流传递（10-6b）；（3）载体促进逆流传递（10-5）。第三节 载体 载体分为两

17、大类，即螯合物载体和非螯合载体分为两大类，即螯合物载体和非螯合物载体。物载体。 螯合物载体如： （1）羟基肟（wo）（2）8-羟基喹啉（3）磺胺喹啉；（4）-二酮。 非螯合物类： （1）酸性磷酸酯；（2）酸性膦酸酯；（3）三级胺；（4）四级铵盐。第四节 乳化液膜分离技术的工艺流程及其应用 液膜技术在工业上应用时更多地使用乳化液膜技术在工业上应用时更多地使用乳化液膜液膜，因为它有以下一些优点： （1）具有选择性； （2）较高的浓缩能力； （3）连续运转的可能性； （4）前处理方便或无需前处理；膜相成分的要求 （1）要求要求W/O乳化小球在适当的搅拌强度乳化小球在适当的搅拌强度下能保持稳定下能保持

18、稳定； （2）在解乳化工艺中破乳容易，内相容易在解乳化工艺中破乳容易，内相容易和膜相分开；和膜相分开； （3）有一定的抑制外相的水渗入内相的作）有一定的抑制外相的水渗入内相的作用；用； （4）化学性质稳定、价廉且易获得。）化学性质稳定、价廉且易获得。破乳化 为了重新使用已用过的乳液，必须将已形将已形成的并经过分离操作的乳液破坏，从中分成的并经过分离操作的乳液破坏，从中分离出膜相和内相，以分别处理，这一操作离出膜相和内相，以分别处理，这一操作称为破乳。称为破乳。 破乳方法通常有： （1）高速离心法；）高速离心法； （2）加热法；）加热法； （3）相转移法；）相转移法； （4）电破乳法；）电破乳法

19、；电破乳法最适合工业规模：膜相能循环使用、节能、分离效率高。其机理很复杂，有几种假说。二、工业上的应用 在冶金工业上的应用： 奥地利一家粘胶人造丝工程最早于工业规模上应用乳化液膜回收抽丝工段排放废水中的锌取得成功。其流程如下图：三、在生物化学上的应用 1、酶固定化液膜技术： （1）将酶将酶/细胞固定在乳化液膜的内水相中细胞固定在乳化液膜的内水相中，作为酶反应器，可以进行氨基酸的生成，作为酶反应器，可以进行氨基酸的生成和分离工作；和分离工作； （2）用乳化液膜对活性酶包封，可以使酶用乳化液膜对活性酶包封，可以使酶不失活或活性损失很少。这是其他固定技不失活或活性损失很少。这是其他固定技术难以做到的

20、。术难以做到的。酶固定化液膜技术 将酶的水溶液分散于溶有膜材料的有机相中形成乳化液体膜。 一般用脂质体，如卵磷脂作为膜材料。该膜的特点是可通过分子状态物质，而不是通过离子状态物质。 酶固定化液膜的优点：可避免底物抑制、产物抑制或其它抑制剂对酶反应的影响；价格低廉；操作系统调节方便等。在酶固定化液膜技术中，酶溶液和膜相（有机相）接触时，有时候酶会在酶固定化液膜技术中，酶溶液和膜相（有机相）接触时，有时候酶会失活。失活。但在烷烃溶剂和非离子型表面活性剂Span80组合时，失活很小。酶固定化液膜体系的酶反应总速度与液膜中物质的扩散以及内相酶催化反应相关，与单纯的酶反应有较大的差异。基于流式细胞分选系

21、统的纤维素基于流式细胞分选系统的纤维素酶基因高通量筛选及功能研究酶基因高通量筛选及功能研究在488 nm波长的荧光激发下，其内部水相显示出相应的绿光（520 nm）。水油水双层微囊外部无明显的荧光信号，此现象说明重组酵母细胞已成功包埋于水油水双层乳化微囊中。包埋在微囊内的纤维素酶酵母表面展示重组菌株成功的水解CMC底物释放出荧光基团，并且反应体系中的各反应成分以及荧光染料等无明显外渗现象，水油水双层微囊结构比较稳定，可以用于后继的基于流式细胞分选系统的高通量筛选。2、乳化液膜萃取蛋白质 蛋白质通过膜相时，易失活蛋白质通过膜相时，易失活，故一般不能直接用乳液膜技术来分离蛋白质。但将乳但将乳化液膜

22、技术与反胶团结合，可以分离蛋白化液膜技术与反胶团结合，可以分离蛋白质。质。 存在于膜相中的反胶团可作为蛋白质的载存在于膜相中的反胶团可作为蛋白质的载体，在膜相中往返运送蛋白质。体，在膜相中往返运送蛋白质。该系统兼有乳化液膜和反胶团的优点：该系统兼有乳化液膜和反胶团的优点：分离迅速，处理能力大，可连续操作，兼有分离和浓缩蛋白质的能力。兼有分离和浓缩蛋白质的能力。五、在医学上的应用 在医学上的应用不需破乳化在医学上的应用不需破乳化等复杂操作，作为药物口服用量不大。 （1）液膜人工肺： 实际上是一种“油包气”液膜。内相为内相为O2，膜相为氟代烃，外相即血液。，膜相为氟代烃，外相即血液。内相中O2可较

23、好地溶解并透过膜相，进入血液，而而血液中的血液中的CO2可反向溶解于氟代烃并扩散投可反向溶解于氟代烃并扩散投入内相，使血液变得新鲜。入内相，使血液变得新鲜。（2）液膜人工肝 酚在正常状态下是通过肝脏解毒的酚在正常状态下是通过肝脏解毒的，但病人在肝昏迷时，酚是最主要的毒素，而肝而肝的解毒功能下降，血液中的酚迅速增加。的解毒功能下降，血液中的酚迅速增加。 将脲啶二磷酸葡萄糖醛酸转移酶液作为内将脲啶二磷酸葡萄糖醛酸转移酶液作为内相，石蜡油作为膜相制成乳化液膜分散到相，石蜡油作为膜相制成乳化液膜分散到血液中，血液中，在酶的作用下脲啶二磷酸葡萄糖在酶的作用下脲啶二磷酸葡萄糖醛酸与酚结合成为亲水性物质，可

24、被肾排醛酸与酚结合成为亲水性物质，可被肾排出体外。出体外。液膜人工肾 肾脏病变会积累尿素，液膜人工肾可将尿肾脏病变会积累尿素，液膜人工肾可将尿素有效地从体内排出。素有效地从体内排出。 先通过液膜内相包裹的外加脲酶，将尿素内相包裹的外加脲酶，将尿素分解成分解成CO2和和NH3，CO2易从肺中排出体外，NH3则在液膜内包裹着的某种酸的作用下则在液膜内包裹着的某种酸的作用下生产生产NH4+并最终排出体外。并最终排出体外。4、液膜解毒及缓释药物 有很多液膜技术帮助体内解毒或清除血液中沉积物的研究。液膜用于各种原因的中毒包括服毒自杀者的急救。例如巴比妥酸等有机酸药物可被内例如巴比妥酸等有机酸药物可被内相是碱的液膜捕捉并收集。相是碱的液膜捕捉并收集。液膜法比通常采用的催吐、洗胃、引泻等方法有很多优点： 易于制备和施用，潜在效率高，病人反应小等。 此外，易被胃酸作用失效但又必须到肠道中才能易被胃酸作用失效但又必须到肠道中才能起到功效的微生物制剂和某些功能活性因子（如起到功效的微生物制剂和某些功能活性因子（如胰岛素、疫苗）胰岛素、疫苗）能否采用液膜技术也是个值得探讨的课题。第五节 关于液膜过程不利因素的讨论 一、膜破裂一、膜破裂： 乳化液膜破裂带来的有害影响主要是： （1）内相包含的内容物释放进入外相，从而降低了分离的效率降低了分离的效率。 (2