天津科技大学-生物分离工程总结

天津科技大学-生物分离工程总结天津科技大学-生物分离工程总结天津科技大学-生物分离工程总结xxx公司天津科技大学-生物分离工程总结文件编号：文件日期：修订次数：第1.0次更改批准审核制定方案设计，管理制度生物分离工程复习资料一、绪论从发酵液、反应液和培养液中分离、精制有关产品的过程称为生物分离工程（Bio-SeparationsEngineering）亦称下游技术（DownstreamProcessing）生物产品的成本构成传统液体混合物产品（分离成本约10%）啤酒、葡萄酒等发酵饮料（简单固液分离和无菌处理）小分子生物产品（分离成本约30%，分离、精制部分的投资占整个投资的60%）酒精，丙酮，丁醇，抗生素，有机酸，核酸，酶制剂，单细胞蛋白生物活性产品（分离成本约占整个生产费用的80%-90%）动物细胞培养植物细胞培养基因工程发酵产品如：疫苗、单克隆抗体（规模小，纯度要求高）原料及产品特性：成分复杂（细胞、代谢物、培养基残余物）目标产物浓度低（1%---10%，杂质含量高）收率低易失活不稳定性收率计算：由于起始浓度低，杂质多，而产品要求纯度高，因此常需好几步操作，其结果使得生物产品的收率较低。例：假设每步操作的收率为90%，若包含3步操作，则总收率为（0.9）=72.9%，若包含6步操作，则总收率真为53.1%。生物分离过程设计的原则：时间短(放罐后必须尽快提取)温度低PH适中清洁卫生，勤清洗消毒。生物安全（bio-safety）问题，要在密闭状态下将菌体排放到指定位置防止菌体扩散。生物下游技术的一般操作流程：发酵液→预处理→固液分离→固：细胞（液：发酵液）→细胞破碎→细胞碎片分离→初步纯化→高度纯化（精制）→成品加工工业应用的生物分离技术回收技术:絮凝，离心，过滤，微过滤。细胞破碎技术:球磨，高压匀浆，化学破碎技术超声波酶初步纯化技术:沉淀，离子交换，萃取，膜分离技术，盐析法，有机溶剂沉淀高度纯化技术:离子交换，结晶，重结晶，各类层析如：亲和，疏水，聚焦，离子交换，凝胶等成品加工喷雾干燥，气流干燥，沸腾干燥，冷冻干燥，结晶细胞碎片的分离（与细胞液比重相差不大，故较难分离）：膜分离、梯度离心、双水相萃取提取方法：吸附、沉淀、萃取、超滤、结晶精制方法：重结晶、离子交换、色谱分离、膜分离成品加工方法：浓缩、干燥、无菌过滤、成型分离效率的评价：评价一个分离过程的效率主要有三个标准。即：目标产物浓缩程度(concentrationfactor)分离纯化程度(separationfactor)回收率(recoveryrate)C-浓度、F-流速下标：T-目标产物、X-杂质、c-原料、p-产品、w-废料例如CTC：指原料中目标产物的浓度FcFp原料分离器产品CTCCTXCTPCXPFWCTWCXW废料mT=CTP/CTCmX=CXP/CXCα=（CTP/CTC）/(CXP/CXC)=mT/mX=AP/ACR=FPCTP/FCCTC×100%R=VPCTP/VCCTC×100%C、P、W分别表示原料、产品和浓缩率m二、预处理预处理的目的：有利于固液分离;变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离器的效率（改善发酵液过滤特性）；尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）；去除发酵液中的部分杂质，以利于后续各步操作。发酵培养液的特性:成分复杂;目标产物浓度低;浮物颗粒小，（相对）密度与液相相差不大，故较难分离；可压缩性大，粘稠，非牛顿流体，流变行为复杂；性质不稳定，随时间发生变化。含有大量杂质。由于所需的产品在培养液和菌体中浓度很低，并与许多杂质夹杂在一起，同时发酵液或生物溶液又属于非牛顿型流体，所以必须进行预处理。常用的改善发酵液过滤特性的方法及原理：加水稀释降低液相粘度提高过滤速率。升温降低液相粘度提高过滤速率。调整PH改变电荷性质和温度，使两性物质溶解度下降，产生絮凝，继而沉淀。凝聚与絮凝采用凝聚与絮凝，促使胶体物质分离。加入助滤剂改变固相可压缩性，助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，主要使滤饼疏松，滤速加大。加入反应剂使某些物质沉淀或分解。若加水一倍，则稀释后液体的粘度必须下降50%以上才能有效提高过滤速率。凝聚：是指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层排斥电位的降低而使胶体体系不稳定的现象。胶体脱稳后粒子相互聚集成１mm大小块状凝聚体的过程。絮凝：是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。胶体粒子交联成网，形成10mm大小絮凝团的过程。其中絮凝剂主要起架桥作用。可见絮凝颗粒大于凝聚颗粒电解质的凝聚能力可用凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（毫摩尔／升），称为凝聚值。在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质，由于能降低ζ电位和脱除胶粒表面的水化膜，就能导致胶粒间的凝聚作用。菌体和蛋白质表面一般带负电荷，吸引正电荷而形成双电层，加入电解质后，双电层被破坏，使菌体或蛋白质脱稳的过程叫异电离作用。反离子的价数越高，凝聚值就越小，即凝聚能力越强，阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为A13＋＞Fe3+＞H＋＞Ca2十＞Mg2+＞K+＞Na+＞Li+絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生桥架联接时，就形成较大的絮团，这就是絮凝作用。聚丙烯酰胺类絮凝剂有毒，有时絮凝时还加入助凝剂。根据来源不同常用絮凝剂有:有机高分子聚合物无机高分子聚合物天然有机高分子絮凝剂微生物絮凝剂根据活性基团在水中解离情况不同，可分为非离子型、阴离子型（含有羧基）和阳离子型（含有胺基）三类。对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，采用阳离子高分子絮凝剂，同时具有降低胶粒双电层电位和产生吸附桥架的双重机理，所以可单独使用。对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，则主要通过分子间引力和氢键作用产生吸附桥架，所以它们常与无机电解质凝聚剂搭配使用。首先加入电解质，使悬浮粒子间的双电层电位降低，脱稳，凝聚成微粒，然后再加入絮凝剂絮凝成较大的颗粒，无机电解质的凝聚作用为高分子絮凝剂的架桥创造了良好的条件，从而大大提高了絮凝的效果。这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，主要使滤饼疏松，滤速加大。使用助滤剂后，悬浮液中大量的细微胶体粒子被吸附到助滤剂的表面上，从而改变了滤饼结构，它们可压缩性下降了，过滤阻力降低了，常用的助滤剂有：硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等，最常用的是硅藻土助滤剂的使用方法:一种是在过滤介质表面预涂助滤剂；另一种是直接加入发酵液。直接加入发酵液时，需要一个带搅拌器的混合槽，充分搅拌混合均匀，防止分层沉淀。加入反应剂（目的：消除杂质，使杂质沉淀，作为助滤剂，防止菌丝结块）发酵液的相对纯化：发酵液中杂质很多，这些杂质一方面影响产品质量和收得率，另一方面对后继提取和精制有很大的影响。高价无机离子的存在，在采用离子交换法提取时，会影响树脂对生物物质的交换容量。可溶性蛋白质的存在。a.在采用离子交换和吸附法提取时会降低其交换容量和吸附能力。b.在有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化现象，使两相分离不清。c.在常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞或受污染，影响过滤速率。发酵液中主要的无机离子有Ca2+、Mg2+、Fe3+等。去除钙离子，宜加入草酸。但草酸溶解度较小，故用量大时，可加入其可溶性盐，如草酸钠。反应生成的草酸钙还能促使蛋白质凝固，提高滤液（也称为原液）质量。但草酸价格较贵，应注意回收。草酸的回收：在废液中加入硫酸铅，在60℃下反应生成草酸铅。后者在90一95草酸镁的溶解度较大，故加入草酸不能除尽镁离子。要除去镁离子，可以加入三聚磷酸钠Na5P3O10，它和镁离子形成可溶性络合物：Na5P3O10＋Mg2+→MgNa3P3O10＋2Na+用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子的浓度。要除去铁离子，可加入黄血盐，使形成普鲁士蓝沉淀:4Fe3++3K4Fe(CN)6→Fe4[Fe(CN)6]3↓+12K+杂蛋白质的除去：沉淀法；变性法；吸附法三、固液分离固液分离的方法很多，在生物工业中常用的有如下几种：分离筛、重力沉降、浮选分离、离心分离、介质过滤。重点掌握的是离心分离和过滤分离重力沉降：利用重力作用，使重于液体的固体沉淀而分离。特点：①不能获得较干的固体，常用于大量料液的浓缩②适用于固体颗粒大，液固比重差大的场合③运转费用少，占地面积大④添加凝聚剂可帮助沉淀。实例：①培养基沉清——如酵母厂糖蜜处理②味精厂采用等电点法从发酵液中提取谷氨酸③酶制剂厂用盐析未能提取酶蛋白。浮选分离：在悬浮液中通气，使固体颗粒附着于气泡表面而除去。悬浮液——>细小颗粒附着于气体表面——>刮去气泡→通入空气适应性：用于液固比重差小，颗粒约5-30um的场合。实例：酒精糟液二级分离，污水处理等。离心分离：利用离心力使固液分离。离心沉降——分离1um-1mm之间的颗粒；离心过滤——分离大于100um的颗粒。介质过滤：利用介质拦截或吸附颗粒物重力过滤——重力真空过滤——真空力加压过滤——外在压力固体中水分除去方法的能耗：介质过滤离心浓缩传导干燥对流干燥能耗逐渐增加过滤分离：按过滤原理的不同，过滤方法基本上可分为两种：澄清过滤——过滤介质起主要的过滤作用；滤饼过滤——滤饼起主要的过滤作用澄清过滤：藻土过滤机原理：悬浮液通过过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层颗粒上而得以澄清。悬浮液——>通过颗粒滤层——.阻拦或吸附作用——>澄清适应性：固形物含量少<0.1%(v)），颗粒直径在5-100um的悬浮液。如污水、麦芽汁、酒类饮料等。滤饼过滤：原理：当悬浮液通过滤布时，料液中的固体颗粒被阻拦，而逐渐形成滤饼，滤饼至一事实上厚度时即起过滤作用，使悬浮液得以澄清。悬浮液——>通过滤布——>形成滤饼——>澄清过滤设备的选择，选择过滤设备时，要充分研究各方面的条件，然后决定最经济的过滤机，一般情况下，主要从以下几方面考虑：①被过滤液的固形物含量②生产规模③操作条件④操作要求①被过滤液的固形物含量A．固形物含量>20%。在数秒钟内即可成50mm以上厚度的滤饼。大型生产——连续真空过滤机，带式过滤机小型生产——吸滤槽B．固形物含量10-20%，在30秒到几分钟内形成50mm厚的滤饼。大型生产——连续真空转鼓过滤机，圆盘式过滤机小型生产——吸滤槽、板框过滤机C．固形物含量1-10%，多采用间歇式板框过滤机D．固形物含量0.1-1%，预涂助滤剂的间歇式过滤设备E．固形物含量<0.1%，采用澄清过滤②生产规模：大规模生产——连续式小规模生产——间歇式③操作条件挥发性，有毒物料——封闭式温度高，产蒸气较多时——不宜采用真空过滤④操作要求料液的腐蚀性（PH，含氯离子等）通常真空过滤机的耐磨蚀问题比加压过滤机更难处理，加工制作复杂。过滤介质的种类很多，主要有以下几种：①颗粒：砂，颗粒活性碳、硅藻土、铁矿砂等。充填于过滤器内作澄清过滤。②成型颗粒：烧结或粘结的金属、塑料、硅砂等。做成圆柱形成板状用于澄清过滤。③天然或合成纤维织布：棉、化纤、玻璃纤维的织成品，用于滤饼过滤。④金属织布：不锈钢丝等织布，主要用于预涂助滤剂的场合。⑤无纺品：石棉板，下班纤维纸等，用于精密过滤。过滤有两种基本方式，即恒压过滤与恒速过滤，而实际生产中的过滤方式大多为逐渐升高压力，且允许滤速下降的所谓变压差、变滤速的过程，这种过滤过程较为复杂，在设计计算中，一般都按一个等效的恒压差过程来计算。恒压过滤——压差一定，滤速逐渐下降恒速过滤——滤速一定，压差逐渐上升变压差，变滤速过滤——前期压力逐渐升高，后期滤速逐渐下降等效的恒压差过滤——按恒压差过滤计算常用过滤设备：①板框过滤机②真空转鼓过滤机③硅藻土过滤机离心分离：与介质过滤比较，离心分离具有如下特点：①适应性广，可分离液—液，液—固，淮—液—固系统②滤液澄清度较好③对粘性悬浮液和可压缩滤饼有较好的适应性④固相干度较差⑤不适于液固比重差较少的场合。⑥能耗高，设备投资较大离心分离因素：离心加速度与重力加速度比称为离心分离因素。f=n2R/g式中：R——旋转半径（m）n——转速（1/s）g——重力加速度f增大——>离心力增大——>分离效果增加离心机的分类①按分离因素：常速离心机f<3000,一般为600-1200高速离心机f=3000-50000超速离心机f>50000②按作用原理：离心过滤：过滤式离心沉降：沉降式、分离式③按操作方式：间歇式、连续式、半连续式④按卸料方式：手动、自动、半自动⑤按放置方式：立式、卧式⑥常用的离心机（沉降机）离心机的选择：①固相与液相的相对比重当固液比重差>3%，可采用沉降式当固液比重差≤3%，可采用过滤式②固相颗粒大小颗粒半径<1um时，用高速离心机，如宫，沉降式颗粒半径为10um左右时，普通沉降式离心机颗粒半径>10um时，沉降式或过滤式③颗粒可压缩性（滤饼比阻）结晶体不可压缩颗粒，用过滤式纤维状胶状等可压缩颗粒用沉降式④分离目的要求滤渣干度高，用过滤式要求滤渣澄清度高，用沉降式四、微生物细胞破碎细胞破碎的目的是破坏细胞外围使胞内物质释放出来。细菌细胞壁的功能主要有：①固定细胞外形；②协助鞭毛运动；③保护细胞免受外力的损伤；④为正常细胞分裂所必需；⑤阻拦大分子物质进入细胞（如革兰氏阴性细菌细胞壁可阻拦分子量超过800的抗生素透入）：⑥与细菌的抗原性、致病性（如内毒素）和对噬菌体的敏感性密切相关。细胞壁的构造和成分较复杂，细菌：细胞壁位于细胞最外层。厚实、坚韧，主要由肽聚糖构成，有固定外形和保护细胞等多种功能。革兰氏阴性细菌特有的脂多糖（LPS）脂多糖要维持其结构的稳定性需要足量Ca2+的存在。如果用螯合剂除去Ca2+，LPS就解体。这时，革兰氏阴性细菌的内壁层肽聚糖就暴露出来，因而就可被溶菌酶所水解。革兰氏阳性细菌所特有的磷壁酸酵母菌细胞壁：细胞壁的化学成分外层主要是甘露聚糖，内层主要是葡聚糖，中间一层主要是蛋白质。酵母的葡聚糖（酵母纤维素）是一种不溶性的有分支聚合物，主链以β-1,3糖苷键结合，支链以β-1,6糖苷键结合，占面包酵母细胞壁干重的30-35%。甘露聚糖（酵母的粘性物质）也是一种有分支的聚合物，主链以α-1,6糖苷键结合，而支链以α-1,2或α-1,3糖苷键结合，约占细胞壁干重的30%。用蜗牛或玛瑙螺的胃液制成的蜗牛消化酶限制性水解酵母细胞的细胞壁可以将细胞壁除去，得到有一层薄薄的细胞膜包裹的裸露的、球形原生质体。霉菌细胞壁：主要为多糖（80-90%）组成，其次含有较少的蛋白质和脂类。大多数多糖壁是由几丁质和萄聚糖组成的。破碎方法可规纳为机械法和非机械法两大类：机械破碎法又可分为高压匀浆破碎法（homogenization）高速搅拌珠研磨破碎法（finegrinding）超声波破碎法（ultrasonication）高压匀浆法适用的范围：酵母和大多数细菌细胞的破碎。料液细胞浓度可达到20%左右。☆团状和系状菌易造成高压匀浆器的堵塞，不宜使用高压匀浆法。破碎属于一级反应速度过程，被破碎的细胞分率符合如下公式：ln[1/(1-R)]=KNPɑ式中R—破碎率，为N次循环后，蛋白质的释放量Rn与最大释放量Rm之比；K－与温度有关的速度常数；N－悬浮液通过匀浆器的次数；P－操作压力，MPa；ɑ－与微生物种类有关的常数影响破碎的主要因素：压力、温度、通过均浆器阀的次数（成正比）破碎作用是相对于时间的一级反应速度过程，符合下列公式：ln[1/(1-R)]=Kt其中R—破碎率；K一一级反应速度常数；t一时间。一级反应速度常数K与许多操作参数有关，如如搅拌转速、细胞悬浮液的浓度和循环速度、玻璃小珠的装量和珠体的直径，以及温度等。非机械方法很多:⑴酶解、⑵渗透压冲击、⑶冻结和融化、⑷干燥法、⑸化学法溶胞其中酶法和化学法溶胞应用最广。溶菌酶（lysozyme)适用于革兰氏阴性菌细胞的分解，应用于革兰氏阴性菌时，需辅以EDTA使之更有效地作用于细胞壁。细胞破碎率定义为被破碎细胞的数量占原始细胞数量的百分比数，即：

Y(%)=[(N0-N)/N0]×100

N0－原始细胞数量N－经t时间操作后保留下来的未损害完整细胞数量

目前N0和N主要通过下面的方法获得：直接计数法、间接计数法破碎方法的选择依据：1）处理量高压匀浆和珠磨机处理量大，速度快，适用于工业生产。产物对破碎条件（温度、化学试剂、酶等）的敏感性以及产物在细胞中的位置、生化物质的稳定性、细胞的数量和细胞壁的强度、破碎程度、提取分离的难易。总之，适宜的细胞破碎条件应该从高的产物释放率、低的能耗和便于后续提取这三方面进行权衡。五、萃取萃取（Extraction）可指任意两相之间的传质过程。原理：利用化合物在两种互不相溶（或微溶）的溶剂中溶解度或分配系数[1]的不同，使化合物从一种溶剂内转移到另外一种溶剂中。（课件上的解释：其原理是利用一种溶质组分在两个互不混溶的液相（如水相和有机溶剂相）中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行分离提取的。）单级萃取：多级错流萃取：多级逆流萃取：介电常数是一个化合物摩尔极性程度的量化，如果已知介电常数，就能预测该化合物是极性还是非极性的。物质的介电常数，可通过测定该物质在电容器二极板间的静电容量C来决定。若C。为无介质时的同一电容器的电容。则，P85，溶剂的介电常数表。介电常数越大，极性越强介电常数越大，极性越弱。分配定律：K，分配系数：，应用前提条件（1）稀溶液（2）溶质对溶剂互溶没有影响（3）必须是同一分子类型，不发生缔合或离解分离因素（β）如果原来料液中除溶质A以外，还含有溶质B，则由于A、B的分配系数不同，萃取相中A和B的相对含量就不同于萃余相中A和B的相对含量。如A的分配系数较B大，则萃取相中A的含量（浓度）较B多，这样A和B就得到一定程度的分离。萃取剂对溶质A和B分离能力的大小可用分离因数（β）来表征：弱电解质的分配定律：对于弱酸性电解质：；对于弱碱性电解质：弱酸性电解质的解离平衡为：；弱碱性电解质的解离平衡为：影响萃取过程的因素：pH、温度、盐析、带溶剂（离子对）①PH影响分配系数K选择性青霉素在PH=2萃取时，醋酸丁酯萃取液中青霉烯酸可达青霉素含量的12.5%，PH=3时，降至4%。PH应选择在使产物稳定的范围内。②温度影响目标产物的稳定性，一般在室温或低温下进行。影响分配系数：温度通过影响溶质的化学位而影响其在两相中的分配。③盐析无机盐类如：硫酸铵、氯化钠等。一方面：可降低产物在水中的溶解度，而使其更易于转入有机溶剂相中。另一方面：还能减小有机溶剂在水相中的溶解度。注意：加入的盐要适量，过量使杂质转入溶剂相，考虑经济性，注意回收。④带溶剂为提高分配系数K，常添加带溶剂。带溶剂：是指这样一种物质，它们能和产物形成复合物，使产物更易溶于有机溶剂相中，该复合物在一定条件下又要容易分解。溶剂选择：①较大K值，值（）K值升高，则溶剂用量降低值升高，意味着杂质分离效果提高。极性相似——>溶解度大介电常数升高——>极性也提高②溶剂与溶液的关系a.互溶度小b.粘度小c.有一定比重差，如果比重太大，则混合不易，如果比重太小，则分离不易。③毒性低（酯类物质）一个良好的溶剂应满足的条件：a.萃取容量大b.选择性好，只萃取产物不萃取杂质c.与被萃取的液相互溶度小d.易回收与再生e.稳定性好，不易分解f.经济性好，价廉g.安全无毒操作流程：过程——间歇、连续；级数——单级、多级（多级错流、多级逆流）单级萃取几个概念：萃取因素E、未被萃取的分率φ、理论收得率1－φ，；理论收得率1－φ：；多级错流萃取：第一级的萃余液进入第二级作为料液，并加入新鲜萃取剂进行萃取。第二级的萃余液再作为第三级的料液，也同样用新鲜萃取剂进行萃取。此法特点在于每级中都加溶剂，故溶剂消耗量大，而得到的萃取剂平均浓度较稀，但萃取较完全。经n级萃取后，未被萃取的分率为，若S1=S2=…=Sn而F=R1=R2=…=Rn则E1=E2=…=En理论收率1-，，多级错流萃取特点：收率高、溶剂用量大——>加收费用高多级逆流萃取：在第一级中加入料液，并逐渐向下一级移动，而在最后一级中加入萃取剂，并逐渐向前一级移动。料液移动的方向和萃取剂移动的方向相反，故称为逆流萃取。在逆流萃取中，只在最后一级中加入萃取剂，故和错流萃取相比，萃取剂之消耗量较少，因而萃取液平均浓度较高。未被萃取的分率：；理论收率：特点：收率较高（比错流低）、溶剂的用量小，回收费用低工业中大多数操作为逆流萃取。六、膜分离膜分离的概念：利用膜的选择性（孔径大小），以膜的两侧存在的能量差作为推动力，由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。常见膜分离过程：①微滤（Microfiltration，MF）②超滤（Ultrafiltration，UF）③反渗透（Reverseosmosis，RO）④纳滤（Nano-Filtration）⑤透析（Dialysis，DS）⑥电渗析（Electrodialysis，ED）微过滤（Micro-Filtration）——截留0.02~10μm的悬浮物，使悬浮液澄清，（无菌空气的制备）超过滤（Ultra-Filtration）——截留1~20nm的大分子溶质，可对含有大分子溶质的溶液进行浓缩、提纯和分级，（酶、细胞反应器）反渗透：当外加一个大于渗透压的压力时，水分子从浓盐一侧向稀盐一侧渗透。反渗透（ReverseOsmosis）——可截留0.1~1nm的溶质，可分离小分子有机物和无机盐，（某些食品的脱盐，酶、啤酒的不加热浓缩）纳滤（Nano-Filtration）——纳滤是间于超滤与反渗透之间的一种膜过滤，于20世纪80年代初开发，当时称之为低压反渗透。——纳滤能截留分子量为200~1000之间的有机物质及高价无机离子。透析（Dialysis）——从大分子溶液中透析除去中小分子、无机盐或更换溶剂。电渗析是利用分子的荷电性质和分子大小的差别进行分离的膜分离法。可用于小分子电解后（例如氨基酸、有机酸）的分离和溶液的脱盐。膜分离过程比较过程膜推动力透过物质截留物质传递机理透析Dialysis对称或不对称膜浓度差较小组分或溶剂大分子溶质>0.02μm筛分膜内的受阻扩散电渗析ED离子交换膜电位差离子非离子大分子物质离子交换气体透过GS不对称膜均质膜压力差1~10MPa气体、较小组分较大组分溶解扩散分子筛渗透汽化PVAP不对称膜均质膜分压差浓度差易溶解组分易挥发组分不易溶组分难挥发组分溶解扩散乳化液膜ELM液膜浓度差pH差高溶解度或能反应组分难溶解组分溶解扩散传递截留分子量：本意为膜所能截留的最小分子量。通常所说的截留分子量是指截留率为95%时的分子量。除溶质的分子大小外，截留率还与下列因素有关：（1）分子形状：线性分子的R值低于球形分子。（2）吸附作用：膜对溶质的吸附作用使R值上升。（3）桥架作用：两种或两种以上高分子溶质的存在，其R值比单一高分子时会有所提高。（4）温度升高，粘度降低，吸附作用减少，R值下降。（5）进料速度加大，切向流的剪切作用增大，浓差极化减少，R值下降。（6）pH、离子强度等会影响生物大分子的构象和形状，因而影响R值。影响膜污染的主要因素：1）膜的特性：（2）蛋白质种类与沉淀pH：（3）无机盐；（4）温度：（5）颗粒杂质的影响：膜的清洗方法—根据污染途径选择，除此之外：膜的化学特性：耐酸碱性、耐温性、耐氧化性、耐化学试剂特性。污染物特性：可溶解性（温度、pH、离子、溶剂）、可氧化性、可酶解性等。（1）机械清洗法：冲洗、擦洗、脉冲、超声波等。（3）化学清洗法：溶解作用：酸、碱、酶、螯合剂、表面活性物质等；切断离子结合作用：改变离子强度、pH双电层电位等；氧化作用：过氧化氢、次氯酸盐；渗透作用：磷酸盐、聚磷酸盐；＊膜清洗后，如暂不使用，应加适量甲醛用清水浸泡，以防细菌生长。衡量膜的标准：（性能参数）对膜的基本要求：（1）透过速度快（孔穴密、厚度小）；（2）选择性好（孔径分布集中）；（3）机械强度好；（4）耐热、耐酸碱，化学惰性；（5）不易被污染，易于清洗和再生；（6）价格低廉，易于制造。上述条件有一些是相互矛盾的，但对某一具体场合并不要求全满足。因而膜的品种较多、性能各异，应根据具体情况选择合适的膜膜的应用举例：中空纤维膜：将制膜材料纺成空心丝即为中空纤维，内径一般为0.8~1.4mm，外径为1.4~2.3mm。中空纤维的特点：（1）单位容积设备的过滤面积非常大；（2）不需支撑物，设备简单，造价低；（3）动力消耗低；（4）不能处理带颗粒物料，内流型不能处理悬浮物料。（5）操作压力较低，一般<0.5MPa，因而不能用于反渗透。内流式中空纤维：外流式中空纤维酶浓缩第七章：离子交换离子交换(ionexchange)：利用离子交换剂（无机或有机离子交换剂）作为吸附剂，将溶液中的待分离组分，依据其电荷差异，依靠库仑力吸附在交换剂上，然后利用合适的洗脱剂将吸附质从交换剂上洗脱下来，达到分离的目的。离子交换剂是一类能与其他物质发生离子交换的物质。无机离子交换剂（如沸石）有机离子交换剂（合成材料），离子交换树脂离子交换法的基本应用方式①产品提纯；②产品提取；③产品分离离子交换树脂的分类:按活性基团分类，可分为阳离子交换树脂(cationexchange)（含酸性基团）和阴离子交换树脂(anionexchange)（含碱性基团）。具体又可以分为：强酸性阳离子交换树脂、弱酸性阳离子交换树脂、强碱性阴离子交换树脂、弱碱性阴离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂：活性基团是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；弱酸性阳离子交换树脂：活性基团有-COOH,-OH等弱酸性基团；强碱性阴离子交换树脂：活性基团为季铵基团，如三甲胺基或二甲基-β-羟基乙基胺基；弱碱性阴离子交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺，碱性较弱；其它离子交换树脂类型两性树脂：同时含有酸、碱两种基团的树脂；均孔型离子交换树脂：主要是阴离子型凝胶离子交换树脂，孔径均匀，交换容量高、机械强度好；螯合树脂：树脂上含有具有螯合能力的集团，既可以形成离子键，又可以形成配位键；主要用于脱除金属离子；多糖基离子交换树脂：固相载体为多糖类物质，亲水性强、交换空间大、对生物大分子物致变性作用适用范围：离子交换——分离极性化合物（离子型）;萃取——分离非级性或弱极性化合物。离子交换树脂性能比较性能阳离子交换树脂阴离子交换树脂强酸性弱酸性强碱性弱碱性活性基团磺酸羧酸季氨胺pH对交换能力的影响无在酸性溶液中交换能力很小无在碱性溶液中交换能力很小盐的稳定性稳定洗涤时要水解稳定洗涤时要水解再生需过量的强酸很容易需要过量的强碱再生容易，可用碳酸钠或氨交换速度快慢(除非离子化后)快慢(除非离子化后)密度：树脂的密度有干真密度、湿真密度、视密度。干真密度无实用意义；湿真密度指湿树脂重量与体积比；视密度是指树脂充分膨胀后的堆积密度。交换容量：单位重量干树脂或单位体积湿树脂吸附一价离子毫麾尔数。总交换容量：是指单位质量（体积）的树脂中可以交换的化学基团的总数，也称理论交换容量。工作交换容量：树脂在某一定条件下的离子交换能力，它与具体工作条件如溶液的组成等有关。再生交换容量：表示在一定再生条件下取得的再生树脂的交换容量,表明原有化学基团再生复原程度。离子交换机理（步骤）：A+自溶液中扩散到树脂表面A+从树脂表面进入树脂内部的活性中心A+与RB在活性中心上发生复分解反应解吸附离子B+自树脂内部扩散至树脂表面B+离子从树脂表面扩散到溶液中交换速度的控制步骤是扩散速度，不同的分离体系可能由内部扩散或外部扩散控制影响交换速度的因素：（1）颗粒大小：愈小越快；（2）交联度：交联度小，交换速度快（3）温度：越高越快（4）离子化合价：化合价与高，交换越快（5）离子大小：越小越快（6）搅拌速度：在一定程度上，越大越快（7）溶液浓度：当交换速度为外扩散控制时，浓度越大，交换速度越快（重点）溶液浓度：（1）、当溶液浓度为0.001mol/L时，外扩散控制，浓度↗，扩散速度正比例↗；（2）、当浓度=0.01mol/L时左右时，浓度↗，交换速率↗较慢，此时内外扩散同时起作用；（3）、浓度为0.1~1.0mol/L时，交换速度达极限，就不在↗，此时转为内扩散控制。搅拌速度：速度↗→交换速率↗。树脂强弱：与活性基团电离程度有关。树脂填充的松紧度：松→扩散容易→交换容易。复合床混合柱

离子交换树脂的应用：离子交换长期以来应用于水处理和金属的回收。在生物工业中，主要应用在抗生素、氨基酸、有机酸等小分子的提取分离上。近年来在蛋白质等生物大分子的分离提取也有应用。第八章结晶与干燥结晶的概念：溶液中的溶质在一定条件下，因分子有规则的排列而结合成晶体，晶体的化学成分均一，具有各种对称的晶体，其特征为离子和分子在空间晶格的结点上呈规则的排列。重结晶：经过一次粗结晶后，得到的晶体通常会含有一定量的杂质。此时工业上常常需要采用重结晶的方式进行精制。重结晶是利用杂质和结晶物质在不同溶剂和不同温度下的溶解度不同，将晶体用合适的溶剂再次结晶，以获得高纯度的晶体的操作。结晶用途：结晶过程广泛应用于氨基酸、有机酸、抗生素、维生素、核酸等产品的精制。特点：(1)选择性高；(2)纯度高；(3)设备简单，操作方便；(4)影响因素多结晶基本原理：溶液的饱和与过饱和度、溶解度、饱和溶液、过饱和溶液饱和溶液：当溶液中溶质浓度等于该溶质在同等条件下的饱和溶解度时，该溶液称为饱和溶液；过饱和溶液：溶质浓度超过饱和溶解度时，该溶液称之为过饱和溶液；溶质只有在过饱和溶液中才能析出；饱和曲线与过饱和曲线干燥速率曲线（预热→恒速阶段→降速阶段）结晶过程：(1)过饱和溶液的形成(2)晶核生成(3)晶体的生长结晶的步骤：过饱和溶液的形成、晶核的形成、晶体生长。其中，溶液达到过饱和状态是结晶的前提；过饱和度是结晶的推动力。结晶与溶解度之间的关系：晶体产量取决于溶液与固体之间的溶解—析出平衡；固体溶质加入未饱和溶液——溶解；固体溶质加入饱和溶液——平衡（Vs=Vd）；固体溶质加入过饱和溶液——晶体析出。过饱和溶液的形成方法(1)冷却(2)溶剂蒸发(3)改