生化分离工程课件

2005-3-211

萃取分離基本概念2.1有機溶劑萃取2.2雙水相萃取2.3反膠團萃取2.4超臨界流體萃取2005-3-212基本概念萃取extraction

是利用液體或超臨界流體為溶劑提取原料中目標產物的分離純化操作。萃取劑extractant

萃取分離中的流體。有機溶劑萃取organicsolventextraction，簡稱溶劑萃取solventextraction液固萃取或浸取leaching超臨界流體萃取supercriticalfluidextraction雙水相萃取aqueoustwo-phaseextraction反膠團萃取reversedmicelleextraction液膜萃取2005-3-213基本概念反萃取

backextraction

為進一步純化目標產物，在溶劑萃取分離過程中，調節水相條件，將目標產物從有機相轉入水相的萃取操作。物理萃取溶質根據相似相溶的原理在兩相間達到分配平衡而進行萃取的分離過程。化學萃取利用脂溶性萃取劑與溶質之間發生化學反應生成脂溶性複合分子實現溶質向有機相分配的過程。萃取劑與溶質之間的化學反應包括離子交換和絡合反應等。化學萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯等有機溶劑溶解萃取劑，改善萃取相的物理性質，此時的有機溶劑稱為稀釋劑diluent。2005-3-2142.1溶劑萃取分配定律在溶劑萃取過程中，將供提取的溶液稱為料液；從料液中待提取的物質稱為溶質；用來萃取目的產物的溶劑稱為萃取劑；溶質轉移到萃取劑中與萃取劑形成的溶液稱為萃取液；被萃取出溶質後的料液稱萃餘液。平衡時溶質在兩相中的濃度之比為一常數K，即：K＝萃取相濃度/萃餘相濃度＝

c1／c2(2-1)常溫下K為常數，c的單位通常用mol/L或U/ml。式(2-1)應用條件：(1)稀溶液；(2)溶質對溶劑之互溶度沒有影響；(3)必須是同一種分子類型，即不發生締合或離解。2005-3-215弱酸或弱鹼性溶質還要考慮弱電解質在水相中的電離平衡。如penicillin是一類弱酸，在水中會有一部分離解成負離子(P·COO－)，在萃取相乙酸丁酯等有機相中則僅以游離酸分子(P·COOH)的形態存在。兩相中的游離酸分子的分配平衡用分配係數K0表徵電離平衡用電離常數KP來表徵。圖2-1青黴素的分配平衡與電離平衡

2005-3-216K0和KP是客觀存在的，但一般測定得到的是[P·COOH＋P·COO－]的總濃度c2，在這種情況下，c1／c2＝K這裏的K稱之為表觀分配係數。而K和K0、KP的關係式可經理論推導如下：

K＝K0[H＋]／(Kp＋[H＋])(弱酸)(2-2)

K＝K0Kp／(Kp＋[H＋])(弱鹼)(2-3)由此可見，溶質在不互溶兩相中的分配不僅與本身的性質(決定KP)、萃取溶劑(決定K0)有關，也與水相的pH有關。2005-3-217分離因數若原來的料液中除溶質A以外，還含有溶質B，則由於A、B的分配係數不同，A和B就得到了一定程度的分離。如A的分配係數較B大，這樣萃取劑對溶質A和B分離能力的大小可用分離因數β來表徵：β＝(c1A/c1B)／(c2A/c2B)＝(c1A/c2A)／(c1B/c2B)＝KA／KB(2-4)下標1、2分別代表萃取相和萃餘相，A、B為溶質如果A是產物，B為雜質，分離因數可寫為：β＝K產／K雜β越大，A、B的分離效果越好，即產物與雜質越容易分離。2005-3-218水相條件的影響由於產物所在的水相中往往還存在與產物性質相近的雜質、未完全利用的底物、無機鹽、其他營養成分等。必須考慮這些物質對萃取過程的影響。(1)pH值根據式(2-2)、(2-3)可見，pH值直接影響表觀分配係數。pH除影響K外，還可能對選擇性有影響。如青黴素在pH2萃取時，乙酸丁酯萃取液中青黴烯酸可達青黴素含量的12.5％，而在pH3的條件下萃取，則可降低至4％。另外，pH值還應儘量選擇在使產物穩定的範圍內。2005-3-219(2)溫度溫度會影響生化物質的穩定性。影響分配係數K。(3)鹽析無機鹽類如硫酸銨、氯化鈉等一般可降低產物在水中的溶解度而使其更易於轉入有機溶劑相中，另一方面還能減小有機溶劑在水相中的溶解度。如提取維生素B12時，加入硫銨，可促使維生素B12自水相轉移到有機相中；提取青黴素時加入NaCl，也有利於青黴素從水相轉移到有機溶劑相中。2005-3-2110(4)帶溶劑為提高分配係數K，常添加帶溶劑。帶溶劑是指能和產物形成複合物，促使產物更易溶於有機溶劑相中，在一定條件下又要容易分解的物質。青黴素作為一種酸，可用脂肪堿作為帶溶劑。青黴素能和正十二烷胺、四丁胺等形成複合物而溶於氯仿中。這樣萃取收率能夠提高，且可以在較有利的pH範圍內操作。這種正負離子結合成對的萃取，也稱為離子對萃取。檸檬酸在酸性條件下，可與磷氧鍵類萃取劑如磷酸三丁酯(TBP)形成中性絡合物而進入有機相(C6H8O7·3TBP·2H2O)，這種形成絡合物的萃取稱為反應萃取。2005-3-2111萃取方式和理論收得率工業上萃取操作通常包括三個步驟：混合—分離—溶劑回收因而工業萃取的流程中須有混合器(如攪拌混合器)、分離器(如碟片式離心機)和溶劑回收裝置(如蒸餾塔)。混合萃取和分離也可在同一臺設備內完成。一般萃取過程很快，如果接觸表面足夠大，則在15~60s之內就可完成。萃取操作流程可分為單級萃取和多級萃取。2005-3-2112單級萃取如圖2-2所示。

圖2-2單級萃取流程圖

2005-3-2113萃取操作理論收得率的計算須符合以下兩個假定：①萃取相和萃餘相很快達到平衡②兩相完全不互溶，在分離器中能完全分離。設K為分配係數，VF為料液體積，VS為萃取劑體積，E為萃取因數(extractionfactor)即萃取平衡後，溶質在萃取相與萃餘相中品質的比值，則：E＝K·VS／VF＝K／m(2-5)式中m＝VF／VS＝料液體積／萃取劑體積令未被萃取的體積分數為φ，則：φ＝1／(E＋1)(2-6)而理論收得率為：1－φ＝E／(E＋1)(2-7)2005-3-2114多級萃取為提高收率常常採用多級萃取，多級萃取又有多級逆流萃取和多級錯流萃取流程，如圖2-3和圖2-4所示。圖2-3多級錯流萃取流程圖2-4多級逆流萃取流程

2005-3-2115由理論推導，經n級萃取後，兩種多級萃取流程的產物收率分別為：多級錯流萃取流程：1－φ＝1－[1／(E1＋1)(E2＋1)…(En＋1)](2-8)多級逆流萃取流程：1－φ＝(En＋1－E)／(En＋1－1)(2-9)圖2-5三級逆流萃取設備流程2005-3-2116例1：赤黴素在10℃、pH值2.5時的分配係數(乙酸乙酯／水)為35，用等體積乙酸乙酯單級萃取一次問理論收得率為多少？解1：E＝35×1／1＝35理論收得率1－φ＝35／(35＋1)＝97.2％例2：赤黴素二級錯流萃取時，第一級用1/2體積乙酸乙酯，第二級用1/10體積乙酸乙酯，問理論收得率為多少？解2：E1＝35／2＝17.5E2＝35／10＝3.5理論收得率1－φ＝1－1／[(17.5＋1)×(35＋1)]＝98.79％2005-3-2117多級錯流萃取由於溶劑分別加入各級萃取器，故萃取推動力較大，萃取效果較好。缺點是需加入大量的溶劑，因而產品濃度稀，需消耗較多的能量回收溶劑。

例3：赤黴素進行二級逆流萃取，乙酸乙酯用量為1/2體積，問理論收得率為多少？解3：E＝35／2＝17.5n＝2理論收得率1－φ＝[17.53－17.5]／[17.53－1]＝99.7％由上可見三種萃取過程中，以逆流萃取收率最高，溶劑用量最少。因而也是工業上普遍採用的流程。2005-3-21185.2雙水相萃取

過濾和離心依賴於被分離顆粒的尺寸或密度的差異，當希望收集微生物的細胞器、分離去除細胞碎片、提取和濃縮胞內物質時，普通的過濾和離心技術就顯得力不從心了。溶劑萃取法難於應用於蛋白質分離。值得注意的是溶液的分相不一定完全依賴於有機溶劑，在一定條件下，水相也可以形成兩相甚至多相。於是有可能將水溶性的酶、蛋白質等生物活性物質從一個水相轉移到另一水相中，從而完成分離任務。2005-3-21191896年Beijerinck觀察到當把明膠與瓊脂或把明膠和可溶性澱粉的水溶液混合時，先得到一混濁不透明的溶液，隨後分成兩相，上相含有大部分明膠，下相含有大部分瓊脂(或可溶性澱粉)。再如圖2-6中，2.2％的葡聚糖水溶液與等體積的0.72％甲基纖維素鈉的水溶液相混合並靜置後，可得到兩個粘稠的液層。圖2-6葡聚糖與甲基纖維素鈉的雙水相體系

2005-3-2120上述現象稱為聚合物的不相溶性(incompatibility)。如果多種不相溶的聚合物混在一起，就可得到多相體系，如硫酸葡聚糖、葡聚糖、羥丙基葡聚糖和聚乙二醇相混時，可形成四相體系。聚合物的不相溶性主要是由於聚合物分子的空間阻礙作用，相互間無法滲透，當聚合物的濃度達到一定值時，就不能形成單一的水相，所以具有強烈的相分離傾向。某些聚合物的溶液與某些無機鹽的溶液相混合時，只要濃度達到一定值，也會形成兩相，即聚合物-鹽雙水相體系，成相機理尚不清楚，一種解釋為“鹽析”作用。2005-3-2121某些親水性高分子聚合物的水溶液超過一定濃度後可形成兩相，並且在兩相中水分均占很大比例，即形成雙水相系統(twoaqueousphasesystem)。利用親水性高分子聚合物的水溶液可形成雙水相的性質，Albertsson於50年代後期開發了雙水相萃取法(twoaqueousphaseextraction)，又稱雙水相分配法(twoaqueousphasepartitioning)。70年代以後，Kula，Hustedt和Johansson等發展了雙水相萃取技術在生物分離過程中的應用，為蛋白質特別是胞內蛋白質的分離與純化開闢了新的途徑。現在的研究已涉及到酶、核酸、生長激素、病毒等各種物質的分離和提純。2005-3-21222.2.1雙水相分離理論

雙水相體系廣泛應用的雙水相體系是聚乙二醇(PEG)/葡聚糖(Dex)體系。聚合物與無機鹽的混合溶液，例如，PEG/磷酸鉀、PEG/磷酸銨、PEG/硫酸鈉等常用於生物產物的雙水相萃取。分離某一生物大分子，兩相系統的選擇原則，必須有利於目的物的萃取和分離，同時又要兼顧到聚合物的物理性質。如甲基纖維素和聚乙烯醇，因其粘度太高而限制了它們的應用。PEG和Dex因其無毒性和良好的可調性而得到廣泛應用。

2005-3-2123相圖

雙水相的形成條件和定量關係常用相圖表示，圖2-7是PEG／Dex體系的相圖。TCB稱為雙節線(binodal)，雙節線以上的區域為兩相區。上相組成用T(Top)表示，下相組成用B(Bottom)表示。連接T、B兩點的線段TB稱為系線(tieline)，系線上各點處系統的總濃度不同，但均分成組成相同而體積不同的兩相。兩相的體積近似服從杠杆規則。圖2-7PEG／Dex體系相圖2005-3-2124如點M為整個系統的組成，該系統實際上由T、B所代表的兩相組成，vT表示上相體積，vB表示下相體積，則：vT／vB＝BM／MT(2-10)系線的長度是衡量兩相間相對差別的尺度，系線越長，兩相間的性質差別越大。當點M向下移動時，系線長度縮短，兩相差別減小，到達C點時，系線長度為0，兩相間差別消失而成為一相，因此C點為系統臨界點(criticalpoint)。雙節線的位置和形狀與聚合物的相對分子品質有關。聚合物Dex的相對分子品質越高，相分離所需的濃度越低；兩種聚合物相對分子品質相差越大，雙節線的形狀越不對稱，見圖2-8。2005-3-2125PEG的相對分子品質固定(PEG6000)而Dex的相對分子品質如下：1.D5(Mn2800，Mr3400)2.D17(Mn23000，Mr30000)3.D24(Mn23000)4.D37(Mn88000，Mr179000)5.D43(Mn180000，Mr460000)6.D170(Mn630000，Mr2200000)Mn—數均分子量Mr—重均分子量圖2-8PEG／Dex體系的雙節線和臨界點2005-3-2126物質在兩相中的分配和溶劑萃取法一樣，物質在兩水相中的分配用分配係數K表示。K＝cT／cB

式中cT、cB分別代表上相、下相中溶質的濃度。K與溫度、壓力以及溶質和溶劑的性質有關，與溶質的濃度無關。影響分配係數的主要因素，可用Gerson公式表示：－lgK＝AΔγ＋δΔφ＋β(2-11)式中A——表面積；Δγ——兩相表面自由能之差δ——電荷數；Δφ——電位差；β——標準化學位和活度係數等組成的常數2005-3-2127表面自由能可用來量度表面的相對憎水性，改變成相聚合物的種類。聚合物的平均分子量和相對分子品質分佈，都能影響相的疏水性。一般地，大分子的表面積A都很大，Δγ的微小變化都會引起蛋白質大分子的分配係數產生很大變化；加入系統的鹽，以及體系的pH會影響相間電位差Δφ和蛋白質所帶的電荷數δ，因而也對分配係數產生大的影響。由於影響分配係數的因素很多，加上各因素間又互相影響，因此定量地將蛋白質的一些分子性質與分配係數關聯起來是困難的，最佳的雙水相操作條件還得依靠實驗來獲得。2005-3-21282.2.2影響分配平衡的參數

影響物質分配的因素主要有：聚合物及成相鹽的種類及濃度聚合物的平均分子量體系的pH值及其他鹽的種類及濃度菌體或細胞的種類及含量、體系溫度等。2005-3-2129聚合物及其分子量的影響

不同聚合物，水相系統顯示不同的疏水性，水溶液中聚合物的疏水性依下列次序遞增：葡萄糖硫酸鹽＜甲基葡萄糖＜葡萄糖＜羥丙基葡聚糖＜甲基纖維素＜聚乙烯醇＜聚乙二醇＜聚丙三醇，這種疏水性的差別對目的產物與相的相互作用是重要的。同一聚合物的疏水性隨分子量增加而增加，其大小的選擇依賴於萃取過程的目的方向，若想在上相獲得較高的蛋白質收率，對於PEG/鹽系統，應降低PEG聚合物的平均分子量，相反，若想在下相獲得較高的蛋白質收率則平均分子量應增加。2005-3-2130雙水相萃取糖化酶的結果(見表5-4)表明，PEG平均分子量增大，分配係數減少。當分子量為400時，K＞1，酶主要分佈於上相，當分子量大於400時，K＜1，酶主要分佈於下相。主要原因是隨著PEG分子量的增大，其端基數目減小，因而疏水性增加，使糖化酶在上相的表面張力增大，而使λ＜0，從而轉入下相，為了使酶分佈於上相，應選用分子量為400的PEG。表2-1PEG平均分子量對分配平衡的影響系統K相體積產率％PEG400(31.36％)—(NH4)2SO4(14.05％)6.284.7596.8PEG1000(21.77％)—(NH4)2SO4(12.76％)0.263.043.5PEG4000(12.67％)—(NH4)2SO4(12.14％)0.304.159.8PEG6000(15.76％)—(NH4)2SO4(12.34％)0.031.22.12005-3-2131在PEG/Dex雙水相系統中，PEG分子量的減少，會使蛋白質的K值明顯增大，如圖5-13。Dex水解程度的不同，對K值也有一定的影響。

○普魯蘭酶(12％PEG，1％DexT500，100mmol／LNa3PO4，pH7.5)□1,4-α-葡聚糖磷酸酶(9.3％PEG，7％DexT500，50mmol／LNa3PO4，pH7.8)●亮氨醯基-tRNA合成酶9.2％PEG，6.3％DexT500，73mmol／LNa3PO4，pH7.8)圖2-9PEG平均分子量對分配率的影響2005-3-2132系線長度對分配平衡的影響相圖中系線長度由組成的總濃度決定，在臨界點附近，系線長度趨向於零，上相和下相的組成相同，因此，分配係數應該是1，隨著聚合物和成相鹽濃度增大，系線長度增加，上相和下相相對組成的差別就增大，產物如酶在兩相中的表面張力差別也增大，這將會極大地影響分配係數，使酶富集於上相。仍以PEG—(NH4)2SO4系統雙水相萃取糖化酶為例，增加PEG400的濃度有利於酶在上相的分配，當PEG400濃度在25％～27％時，分配係數高達47.3，濃度過高則不利於酶的分配；在PEG400濃度固定為26％時，增加(NH4)2SO4的濃度，糖化酶的分配係數也增大，這主要是由於(NH4)2SO4鹽析作用影響增強的緣故，最適濃度為16％，過高也不好，酶蛋白會因鹽析作用過強而產生沉澱。

2005-3-2133體系中無機鹽離子的影響在PEG/Dex中，無機鹽離子在兩相中也有不同的分配(見表2-2)，因此在兩相間形成電位差。由於各相要保持電中性，這對帶電生物大分子，如蛋白質和核酸等的分配，產生很大的影響。表2-2一些無機離子的分配係數正離子分配係數K＋

負離子分配係數K－K＋0.824I－1.42Na＋0.889Br－1.21NH4＋0.92Cl－1.12Li＋0.996F－0.9122005-3-2134在體系中加入適當的鹽類，會大大促進帶相反電荷的兩種蛋白質的分離。當pH6.9時，溶菌酶帶正電，卵蛋白帶負電。在PEG/Dex體系中加入NaCl，產生電位差，上相電位小於下相電位，導致帶正電荷的溶菌酶大量遷移到上相，其K值增大，而帶負電荷的卵蛋白遷移到下相，從而使溶菌酶和卵蛋白得以較好地分離。圖2-10加入NaCl對卵蛋白和溶菌酶分配的影響相系統：8％Dex500；8％PEG4000，0.5mmol／LNa3PO4；pH6.92005-3-2135體系pH的影響pH會影響蛋白質中可離解基團的離解度，因而改變蛋白質所帶電荷和分配係數；另外，pH還影響系統緩衝物質磷酸鹽的離解程度，從而影響分配係數。pH微小的變化有時會使蛋白質的K改變2～3個數量級。對一種特定的蛋白質，在不同鹽系統中，pH和其分配係數之間的關係應不同，而在等電點時，得到的均為不帶電時分子的分配係數。對不同的鹽系統，其等電點時的分配係數應相等，兩條pH和分配係數關係的曲線必交於一點，該點所對應的pH值即為該特定蛋白質的等電點。根據這一原則測定蛋白質等電點的方法，稱為交錯分配法(Crosspartitioning)，如圖2-11所示。2005-3-2136圖2-11血清蛋白在兩種鹽系統中分配係數K與pH的關係(交錯分配)2005-3-2137體系溫度的影響溫度影響相圖，同時影響分配率和蛋白質的生物活性。一般地，臨界點附近，溫度對分配率的影響較大，遠離臨界點時，影響較小。在考慮溫度對分配率的影響時，必須考慮到過程的冷量消耗和分離過程中蛋白質的停留時間。由於親水聚合物的多元醇或多糖結構保護了蛋白質，蛋白質在雙水相中的穩定性增加，所以一般都可在室溫下操作。從省掉冷卻系統的室溫操作過程中各相前後溫度的變化可知，分離後上、下相的溫度上升不多，說明無冷卻系統的室溫操作是可行的。2005-3-21382.2.3雙水相萃取技術的應用

雙水相萃取技術目前較多地應用於胞內酶的提取和精製上。用雙水相萃取技術處理細胞勻漿液，既可方便地除去細胞碎片，還可使酶得到精製。要成功地運用雙水相萃取方法，應滿足下列條件①欲提取的酶和細胞碎片應分配在不同的相中；②酶的分配係數應足夠大，使在一定的相體積比時一次萃取，就能得到較高的收率；③兩相用離心機很容易分離。2005-3-2139在雙水相體系中，通常將目的蛋白質分配在上相(PEG)，而細胞碎片分配在下相(鹽)。表5-6中蛋白質在多數情況下收率能達到90％；分配係數K在2～20之間，一般能大於3；很多雜蛋白也能同時除去。PEG／鹽系統應用得很廣泛，主要由於PEG價格低廉以及該系統選擇性。萃取操作時單位重量相系統中勻漿液的加入量一般每1kg萃取相系統以處理200～400g濕菌體為宜。使用PEG／鹽系統提取胞內酶時，使細胞碎片分配到下相中是比較容易的，如用18%的PEG1550、7％磷酸鉀系統處理20％濕細胞碎片時，細胞碎片能全部轉入下相(鹽相)。2005-3-2140圖2-12三步萃取流程示意圖2005-3-2141分配在上相中的蛋白質可通過加入適量的鹽(有時也補充適量的PEG)，進行第二次雙水相萃取，目的是除去核酸和多糖，它們的親水性較強，因而易分配在鹽相中，蛋白質就停留在上相PEG中在第三次萃取中，應使蛋白質分配在鹽相(如調節pH)，以便和主體PEG分離，色素因其憎水性而通常分配在上相；鹽相中的蛋白質可用超濾法棄除殘餘的PEG，主體PEG可迴圈使用。雙水相萃取法另一優點為易於放大，分配係數K值重複性好，故可直接放大。下麵以甲酸脫氫酶(FDH)的分步提取和純化來進一步說明雙水相在胞內酶提取中的應用。2005-3-2142

圖2-13連續萃取流程示意圖2005-3-21432.2.4雙水相萃取技術的進展進一步提高目的蛋白的純度

目的物還含有少量的核酸和多糖，進一步提高目的蛋白的純度，可從雙水相體系和萃取操作方式兩方面進行改進。近年來發展起來的PEG衍生物。如在PEG上引入親和基團或離子基團：(CH3)3N＋-PEG-N＋(CH3)3，ConA-PEG-ConA等。目的蛋白的得率和純度都有很大的提高。可採用多級萃取。2005-3-2144廉價雙水相體系的開發生物工程中得到應用的兩種雙水相體系，即高聚物／高聚物和高聚物/鹽體系。兩種體系比較見表2-3。表2-3兩種雙水相體系的比較體系優點缺點PEG/dextran鹽濃度低，活性損失小價格貴，粘度大，分相困難PEG/鹽成本低、粘度小鹽濃度高，活性損失大，介面吸附多從表可見，高聚物/高聚物體系對活性物質變性作用小，介面吸附少，但價格高。因而尋找廉價的高聚物/高聚物雙水相體系是雙水相萃取技術應用的一個重要發展方向。2005-3-2145目前比較成功的是用變性澱粉PPT（hydroxypropylderivativeofstarch）代替昂貴的Dextran。PPT/PEG體系比PEG/鹽體系穩定。和PEG/dextran體系相圖非常相似：①蛋白質溶解度大。蛋白質在PPT濃度到15％以前沒有沉澱，而在PEG濃度大於5％時，溶解度顯著地減小。②粘度小。PPT的動力粘度只是粗Dextran的1/2，因而可以大大改善傳質效果。③價格便宜。2005-3-2146雙水相萃取技術同其他分離技術結合①雙水相體系同生物轉化相結合將雙水相萃取同生物轉化結合在一起，可解決在許多生物轉化中存在的兩個問題：一是由於雙水相體系對菌體及酶沒有毒性，同時又可將產物萃入上相，所以可消除產物抑制效應；二是使分佈在下相的細胞(酶)迴圈使用，從而為固定化細胞及酶的應用開闢了新路。②雙水相萃取同膜分離技術結合可解決雙水相體系容易乳化和生物大分子在兩相介面的吸附等問題並能加快萃取速率。2005-3-2847

反膠團萃取

反膠團（reversedmicelles）是兩性表面活性劑在非極性有機溶劑中親水性基團自發地向內聚集而成的，內含微小水滴的，空間尺度僅為納米級的集合型膠體。是一種自我組織和排列而成的，並具熱力學穩定的有序構造。2005-3-2848反膠團的微小介面和微小水相具有兩個特異性功能：①具有分子識別並允許選擇性透過的半透膜的功能；②在疏水性環境中具有使親水性大分子如蛋白質等保持活性的功能。因此，反膠團可作為生物膜的簡化模型；作為顯示酶類性質的一種模型進行基礎性研究；作為具有新型功能的疏水性反應場；作為酶和微生物的一種新型的固定化方法；作為微小型的生物反應器；在生物技術領域中作為生理活性物質以及生物活性大分子的特異性分離場（分離、濃縮等方法）。2005-3-28492.3.1反膠團萃取技術的特點反膠團萃取技術的突出優點①有很高的萃取率和反萃取率並具有選擇性；②分離、濃縮可同時進行，過程簡便；③能解決蛋白質（如胞內酶）在非細胞環境中迅速失活的問題；④表面活性劑往往具有細胞破壁功效，可直接從完整細胞中提取具有活性的蛋白質和酶；⑤成本低，溶劑可反復使用等。2005-3-28502.3.2反膠團的形成反膠團的構造當向水溶劑中加入表面活性劑時，如表面活性劑的濃度超過一定的數值時，形成正膠團（normalmicelle）。當向非極性溶劑中加入一定量的表面活性劑時，會形成反膠團或反向膠團（reversedmicelles）。在反膠團中有一個極性核心，它包括由表面活性劑極性端組成的內表面、平衡離子和水，被稱之為“水池”（waterpool）。這個“水池”具有極性，可以溶解具有極性的分子和親水性的生物大分子。2005-3-2851常用的表面活性劑AOT（AerosolOT），其化學名稱是琥珀酸二（2-乙基己基）酯磺酸鈉（Sodiumdi-2-ethyl-hexylsulfosuccinate），結構式下CTAB（溴代十六烷基三甲銨）、TOMAC（氯化三辛基甲銨）、PTEA（磷脂醯乙醇胺）。常用的非極性有機溶劑有環己烷、庚烷、辛烷、異辛烷、己醇、矽油等。2005-3-2852反膠團的物理化學特性CMC（criticalmicelleconcentration）0.1～1.0mmol/L的範圍內。反膠團含水率WW用水和表面活性劑的濃度之比來定義，即W＝c水／c表W是個非常重要的參數，W越大，反膠團的半徑越大。反膠團“水池”中的水與普通水差異大。當W＜6～8時，微水相中的水分子被表面活性劑親水性基團強烈地束縛，其表觀粘度可增大到普通水粘度的50倍，且疏水性非常強。另外，其冰點通常低於0℃。這一部分水實際上起著使表面活性劑的親水性基團水合化的作用。因為這一部分水被牢固地束縛著，所以粘度很大，流動性很差。2005-3-2853在AOT反膠團中，水合化一分子AOT需要6～8個水分子，而其他水分子則不受束縛，可與普通水一樣自由流動，所以當W＞16時，“水池”中的水逐漸接近主體水相粘度，膠團內也形成雙電層。圖2-14膠團變化示意圖2005-3-2854反膠團的製備1.液液接觸法即將含蛋白質的水相與含表面活性劑的有機相接觸。2.注入法將含有蛋白質的水溶液直接注入到含有表面活性劑的非極性有機溶劑中去。這種方法的過程較快並可控制反膠團的平均直徑和含水量。3.溶解法對非水溶性蛋白質可用該法。將含有反膠團（W＝3～30）的有機溶液與蛋白質固體粉末一起攪拌，使蛋白質進入反膠團中，該法所需時間較長。含蛋白質的反膠團也是穩定的。2005-3-2855圖2-15蛋白質溶解方式示意圖2005-3-28562.3.3反膠團萃取蛋白質的基本原理

反膠團萃取是有機相-水相間的分配萃取。是從主體水相向溶解於有機溶劑相中反膠團微水相中的分配萃取。同時也是一個濃縮操作。改變水相條件可實現反萃取。圖2-16反膠團萃取蛋白質的示意圖2005-3-2857“水殼”模型（water-shellmode））蛋白質向非極性溶劑中反膠團的納米級水池中的溶解，有圖2-17所示的四種可能。①大分子蛋白質被封閉在“水池”中②蛋白質中的親脂部分直接與非極性溶劑的碳氫化合物相接觸③蛋白質被吸附在微膠團的“內壁”上④蛋白質被幾個微膠團所溶解，圖2-17蛋白質向反膠團溶解的可能模型2005-3-2858酶、蛋白質萃取特性分離場（膠團）-分離目標物質（蛋白質））間的相互作用及其影響因素等見表2-4。表2-4決定分配係數K的分離場-分離物質間相互作用相互作用分離場分離物質靜電性相互作用pH、鹽的種類和離子強度pI、表面電荷液狀離子交換體濃度、膠團內雙重電荷層立體性相互作用膠團尺度、含水率W、表分子量面活性劑濃度疏水性相互作用溶劑、膠團親水疏水基、親水疏水殘基含水率特異性相互作用親和配體構象2005-3-2859下麵以研究得較多的AOT／異辛烷體系為對象，以立體性、靜電性、疏水性相互作用的分離特性及效果作以下的歸納。酶、蛋白質等生物大分子的空間尺度與反膠團的大小相接近。因而包括立體性相互作用在內，表5-11中所有的相互作用關係雖都很重要，但在多數場合下，是它們之間的複合作用占主導地位。有些蛋白質其構象很小的變化就可能對這些相互作用的結果產生很大的影響。2005-3-28601.靜電性相互作用以細胞色素C、溶菌酶、核糖核酸酶a為例，考察它們從主體水相向反膠團內微水相中的萃取或反方向的反萃取時靜電性相互作用以及pH對這種作用的影響。①對於Mr＜20000小分子蛋白質，pH＞pI時，蛋白質不能溶入膠團內，但在等電點附近，急速變為可溶。當pH＜pI時，即在蛋白質帶正電荷的pH範圍內，它們幾乎完全溶入膠團內。2005-3-2861圖2-18pH對蛋白質萃取率的影響

2005-3-2862②蛋白質相對分子品質增大到一定程度，即使將pH向酸性一側偏離pI，萃取率也會降低（即立體性相互作用效果增大）。③相對分子品質更大的BSA，全pH範圍內幾乎都不能萃取（即靜電相互作用效果無限小，可忽略不計）。此時，AOT濃度如較通常條件（50～100mmol/L）增加到200～500mmol/L，逐漸變為可萃取。④降低pH，正電荷量增加，似乎有利於萃取率的提高。事實上，緩慢減小pH，萃取率從某一pH開始，急速減小。這被認為是蛋白質的pH變性所造成的。蛋白質和微量的AOT在靜電、疏水性等的相互作用下，在水相中生成了複合體而變性。2005-3-2863⑤添加KCl等無機鹽，萃取率下降（圖2-19）。圖2-19鹽濃度對蛋白質溶解率的影響

2005-3-2864而且，它對有機相具有脫水作用（W減小，見下圖），使立體性相互（排斥）作用增大。圖2-20鹽濃度對反膠團含水率的影響

AOT（mmol／L）＝（○）50（△）100，（□）200，（

）3002005-3-28652.立體性相互作用隨著蛋白質分子量的增大，蛋白質分子和膠團間的立體性相互作用增加，萃取率有下降趨勢。用動態光散射法測定，發現反膠糰粒徑存在一粒徑分佈，膠團的粒徑分佈（分離場）隨鹽濃度和AOT濃度的增加而發生顯著的變化。與蛋白質溶入與否沒有關係。分離場不受蛋白質種類的影響，可通過控制反膠糰粒徑，高效分離純化蛋白質。隨著蛋白質分子量的增加，分配係數KpI迅速下降，相對分子品質20000左右的蛋白質的高效分離是可能的。萃取溶入膠團的蛋白質的種類和相對分子品質不同，分離場的特性（膠團平均直徑和含水率）幾乎不變。2005-3-28663.其他的相互作用疏水性相互作用對蛋白質分配特性的影響不大2005-3-28672.3.4反膠團萃取過程多步間歇混合／澄清萃取過程

圖2-21是在pH9時，核糖核酸酶的溶解率很小，保留在水相而與其他兩種蛋白質分離；相分離得到的反膠團相（含細胞色素C和溶菌酶）與0.5mol/L的KCl水溶液接觸後，細胞色素C被反萃到水相，而溶菌酶的保留在反膠團相。此後，含有溶菌酶的反膠團相與2.0mol/LKCl，pH11.5的水相接觸，將溶菌酶反萃回收到水相中。2005-3-2868圖2-21反膠團萃取分離蛋白質的工藝過程2005-3-2869連續迴圈萃取-反萃取過程

圖2-22為連續迴圈萃取-反萃取過程，該過程由兩個混合／澄清單元構成，左側單元用於反膠團萃取，經沉降澄清器後反膠團相進入右側單元的混合器進行反萃取。圖2-22連續迴圈萃取與反萃取過程示意圖2005-3-28702.4超臨界流體萃取

超臨界流體萃取supercriticalfluidextraction，SCFE，也叫氣體萃取gasextraction、流體萃取fluidextraction、稠密氣體萃取（densegasextraction）或蒸餾萃取（destraction），由於萃取中的一個重要因素是壓力，有效的溶劑萃取過程也可以在非臨界狀態下實現，因此廣義地也稱之為壓力流體萃取pressurefluidextraction。它是利用超臨界流體（supercriticalfluid，SCF），即其溫度和壓力略超過或靠近臨界溫度（Tc）和臨界壓力（pc），介於氣體和液體之間的流體作為萃取劑，從固體或液體中萃取出某種高沸點或熱敏性成分，以達到分離和提純的目的。2005-3-2871作為一個分離過程，超臨界流體萃取過程介於蒸餾和液-液萃取過程之間。即此過程同時利用了蒸餾和萃取的現象——蒸汽壓和相分離均在起作用。超臨界流體萃取，是適用面很廣的一門新型分離技術。超臨界流體萃取的操作需在高壓下運行，但因萃取溶劑是“氣體”，操作中可以方便地改變其壓力和溫度，還可改變超臨界流體的組成，因此能自由地改變它對物質的溶解能力。萃取、分離和溶劑回收都能在很低的溫度下進行。2005-3-28722.4.1超臨界CO2的溶劑特徵

超臨界CO2的相圖利用不同密度下的CO2對物質溶解能力的差異就可以實現萃取和分離的操作，即通過壓力或溫度的改變就可能有效地萃取和分離溶質。圖2-23CO2的相圖2005-3-2873萃取溶劑CO2的性質

表2-5一些超臨界萃取溶劑的臨界點性質溶劑臨界溫度臨界壓力臨界密度

(℃)(MPa)(kg/m3)乙烷32.34.88203丙烷96.94.26220丁烷152.03.80228乙烯9.95.12227氨132.411.28235

二氧化碳31.37.38460二氧化硫157.67.88525水374.322.11326氟里昂-1328.833.95782005-3-2874CO2在工業上應用廣泛。它無毒，無腐蝕性，不可燃燒，純度高且價格低。又有優良的傳質性能，擴散係數大，粘度低，而且和其他用做超臨界流體的溶劑相比，CO2具有相對較低的臨界壓力和臨界溫度，適合於處理某些熱敏性生物製品和天然物產品。在超臨界流體萃取技術的應用中，某些場合的目的是得到萃取物，而在另一些場合下，是為獲得萃取後的餘留物質，萃取物則為其次。超臨界CO2（supercriticalcarbondioxide，SC-CO2）萃取技術適用於上述兩種情況。2005-3-2875將1≤Tr≤1.4，1＜pr＜5的區域作為SC-CO2的工作區。圖2-24SC-CO2對比壓力、對比溫度、對比密度關係2005-3-2876溶質在SC-CO2中的分配平衡及萃取動力學與溶質在SC-CO2中的擴散係數及SC-CO2的粘度有關。如圖2-25所示，SC-CO2中溶質的擴散係數為溫度和壓力的函數。溶質在SC-CO2中的擴散係數比在通常液體中高出50～100倍。因此，對動物或植物組織中有效成分進行萃取時，具有相當高的品質傳遞速率。2005-3-2877圖2-25SC-CO2中溶質的擴散係數2005-3-2878SC-CO2的粘度在（0.03～0.09）×10-3

Pa·s的範圍內，與通常的有機溶劑粘度（0.2～3.0）×10-3

Pa·s相比，僅為後者的幾十分之一。這使得SC-CO2萃取有可能在相對較短的時間內完成。2005-3-28792.4.2SC-CO2萃取以及拖帶劑的作用添加拖帶劑即輔助溶劑（entrainer）以增加物質的溶解度和萃取選擇性，是實際運行中常用的方法之一。如在CO2中添加約14%的丙酮後，甘油酯的溶解度增加了22倍。純CO2幾乎不能從咖啡豆中萃取咖啡因，但在加濕（水）的SC-CO2中，因為生成了具有極性的H2CO3，在一定的條件下，能選擇性地溶解萃取極性的咖啡因。2005-3-28802.4.3SC-CO2萃取流程

SC-CO2萃取基本工藝流程

超臨界萃取工藝過程主要由萃取釜和分離釜二部分組成，並適當配合壓縮裝置和熱交換設備所構成。對於原料為固體的萃取過程可歸納為3種基本工藝流程——等溫法、等壓法和吸附法。圖2-26表示基本流程示意圖。2005-3-2881圖2-26超臨界CO2流體萃取的三種基本流程（a）等溫法T1＝T2

p1＞p21—萃取釜；2—減壓閥；3—分離釜；4—壓縮機（b）等壓法T1＜T2

p1＝p21—萃取釜；2—加熱器；3—分離釜；4—高壓泵；5—冷卻器（c）吸附法T1＝T2

p1＝p21—萃取釜；2—吸附劑；3—分離釜；4—高壓泵2005-3-2882上述工藝過程原理可以用萘的溶解度與超臨界CO2溫度和壓力關係圖加以說明。圖2-27萘在超臨界CO2中溶解度等壓線圖2005-3-2883對比等溫、等壓和吸附3種基本流程的能耗可見，吸附法理論上不需壓縮能耗和熱交換能耗，應是最省能的過程。但該法只適用於可使用選擇性吸附方法分離目標組分的體系，絕大多數天然產物分離過程很難通過吸附劑來收集產品，所以吸附法只能用於少量雜質脫除過程。溫度變化對CO2流體的溶解度影響遠小於壓力變化的影響。等壓法實用價值較少。通常超臨界CO2萃取過程大多採用改變壓力的等溫法流程。2005-3-2884固相物料超臨界CO2萃取工藝過程1.固相物料的萃取過程圖2-28固體物料超臨界CO2萃取工業化流程

2005-3-28852.超臨界CO2萃取與其他分離技術的聯用超臨界萃取工藝流程可通過多級分離釜將產品分成若干部分。但傳統分離釜只是一個空的高壓容器，利用不同分離壓力來達到分步解析結果，所以產品往往是不同餾分的混合物。由於天然產物組成複雜，近似化合組分多，因此單獨採用超臨界萃取（SFE）技術常常滿足不了對產品純度要求。為此，人們開發了SFE與其他分離手段的聯用工藝技術。2005-3-2886①超臨界萃取和精餾聯用

是將超臨界萃取與精密分餾相結合，在萃取的同時將產物按其性質和沸程分成若干不同的產品。具體工藝流程是將填有多孔不銹鋼填料的高壓精餾塔代替分離釜，沿精餾塔高度有不同控溫段（見圖2-29）。萃取產物在分離解析的同時，利用塔中的溫度梯度，改變CO2流體的溶解度，使較重組分凝析而形成內回流，產品各餾分沿塔高進行氣—液平衡交換，分餾成不同性質和沸程的化合物。通過這種聯用技術，可大大提高分離效率，如在魚油精製中，採用該技術可得二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）純度達到90％以上的產品。在日本該聯用技術應用於辛香料的萃取—分離也有多篇專利技術。2005-3-2887圖2-29超臨界CO2萃取與精密分餾塔聯用示意圖

2005-3-2888②超臨界萃取與尿素包合技術聯用

又稱超臨界萃取結晶法。利用尿素可與脂肪酸化合物形成包合物，而且分子結構和不飽和度不同的化合物與尿素的包合程度不同這一特性來實現組分的分離，可用於從魚油中提純EPA和DHA。③超臨界萃取與色譜分離聯用

如從向日葵種子中提取維生素E時同矽膠吸附柱聯用；從美麗豬屎豆種子中萃取單豬屎豆堿時同離子交換柱聯用。2005-3-2889液相物料的超臨界CO2流體萃取

固相物料的超臨界CO2萃取只能採用間歇式操作，即萃取過程中萃取釜需要不斷重複裝料-充氣，升壓-運轉-降壓，放氣-卸料-再裝料的操作。因此，裝置處理量少，萃取過程中能耗和CO2氣耗較大，以至產品成本較高。液相物料超臨界CO2萃取有下列特點。①萃取過程可以連續操作②實現萃取過程和精餾過程一體化，可以連續獲得高純度和高附加值的產品。2005-3-2890圖2-30液相物料連續逆流萃取塔

該裝置有效利用於超臨界CO2萃取和精餾分離過程，達到進一步分離、純化的目的。2005-3-28912.4.4SC-CO2萃取技術的應用

生物活性物質和生物製品的提取

SC-CO2萃取技術主要應用於有害成分成分的脫除、有效成分的提取、食品原料的處理等幾個方面。例如：用SFE從咖啡、茶中脫咖啡因；啤酒花萃取；從植物中萃取風味物質；從各種動植物中萃取各種脂肪酸、提取色素；從奶油和雞蛋中去除膽固醇等。

自1978年德國HAG公司第一套超臨界CO2萃取咖啡因工業化裝置問世以來，世界各國紛紛推出各具特色的實用化裝置，萃取釜規模從200L到7m3不等，主要以食品工業的應用為主。2005-3-28921.脫咖啡因超臨界流體萃取技術得到最早大規模的工業化應用的是天然咖啡豆的脫咖啡因。圖2-31用SF-CO2法從咖啡豆中脫出咖啡因工藝流程

2005-3-28932.啤酒花萃取圖2-32為啤酒花萃取流程。普通的有機溶劑萃取法制取的啤酒花萃取液為暗綠色膏狀（即啤酒花浸膏），含有許多不純物質，而且還殘留有機溶劑。液體CO2和SC-CO2抽提的酒花萃取物顏色為微欖綠，在20～25MPa，40℃萃取4h，浸膏得率可14％，α-酸提取率近99%，硬樹脂萃取率僅為5.2%，而且不萃取農藥，芳香成分不氧化。2005-3-2894圖2-32SC-CO2萃取啤酒花的生產裝置流程示意圖

2005-3-2895表2-6萃取物的分析結果（％）成分原料萃餘物萃取液萃取率水分6.05.47.0樹脂含量30.34.390.089.9軟樹脂26.61.384.896.5α-酸12.60.241.298.9β-酸14.01.143.694.4硬樹脂3.73.05.22005-3-28963.其他從工業性應用的萃取分離角度，SC-CO2萃取技術在醫藥、食品、化妝品等工業領域中有較寬的應用面①醫藥工業

酶、維生素等的精製回收動植物中藥效成分的萃取（生物鹼、生育酚、EPA、DHA、鴉片、嗎啡、精油等）醫藥品原料的濃縮、精煉、脫溶劑脂質棍合物的分離、精製（甘抽酯、脂肪酸、卵磷脂）酵母、菌體產物的萃2005-3-2897②食品工業

植物油脂的萃取（大豆、向日葵、棕櫚、可哥豆、咖啡豆等）動物油脂的萃取（魚油、肝油等）奶脂中脫除膽固醇等食品脫脂（炸土豆片、油炸食品、無脂澱粉）咖啡、紅茶脫咖啡因、酒花萃取香辛料萃取（胡椒、肉豆蔻、肉桂等）植物色素的萃取（辣椒、梔子等）共沸混合物分離，含醇飲料的軟化脫色、脫臭，煙草脫尼古丁2005-3-2898③化妝品及香料工業天然香料萃取，合成香料的分離和精製化妝品原料萃取，精製（介面活性劑、脂肪酸脂、甘油單酯等）2005-3-2899超臨界狀態下的酶促反應

除了用SC-CO2作萃取劑外，作為特殊的非水相的酶反應溶劑，近年來受到越來越多的關注。許多酶蛋白在SC-CO2中不失去活性，且有催化功能。由於在自然界中酶的催化反應是在水相介質中進行的，所以酶在SC-CO2介質中的催化行為，引起人們的強烈興趣。根據目前的工作，SC-CO2作為酶催化反應的介質有以下優點：2005-3-28100①脂溶性底物和產物可溶於SC-CO2中，酶蛋白不溶解，有利於三者的分離。②產品回收時，不需要處理大量的稀水溶液，因而不產生廢水污染問題。③與其他非水相有機溶劑中的酶催化反應相比，SC-CO2更適合與生物、食品相關的產品體系，產物分離簡單。④與萃取一樣，SO-CO2中的品質傳遞速度快，在臨界點附近，溶解能力和介電常數對溫度和壓力敏感，可控制反應速度和反應平衡。目前研究的有酯化反應、酯水解反應等。反應條件溫和，部分反應如表5-14所示。2005-3-28101SC-CO2的細胞破壁技術SC-CO2滲透力強，能快速滲入細胞內並達到細胞內外壓力平衡。此時如突然降壓，由於細胞內外壓差較大，細胞劇烈膨大而發生脹裂。SC-CO2的以下一些性質有利於細胞破碎：①在近臨界點，SC-CO2的微小壓力變化導致其體積變化很大，其能量變化很大，所以SC-CO2可破壞較厚的細胞壁，如常見的酵母等。②SC-CO2對細胞壁中的少量脂類有萃取作用，會破壞細胞壁的化學結構，造成細胞壁在某些位置上的損壞。這種方式破壞的細胞壁碎片較大，使下游分離過程易於進行。③CO2節流膨脹是吸熱降溫過程，這個性質可防止通常破碎過程的升溫而引起的熱敏性物質的破壞。2005-04-04膜分離102

膜分離Membraneseparation是利用特殊製造的、具有選擇透過性能的膜，在外力推動下對混合物進行分離、提純、濃縮的一種分離方法。

主要內容3.1膜分離概述

3.2膜分離的基本理論

3.3膜組件的結構和特點3.4膜分離在生物工程中的的應用3.5液膜分離

3.6膜萃取

3.1膜分離概述膜的定義在一種流體相間有一薄層凝聚相物質，把流體相分隔開來成為兩部分，這一薄層物質稱為膜。是均勻的一相或是由兩相以上凝聚物質所構成的複合體，厚度應在0.5mm以下，具有兩個介面；膜還必須具有高度的滲透選擇性；面積可以很大，也可以非常微小。膜分離的基礎①根據物理性質的不同根據品質、體積和幾何形態差異進行分離。如過濾（Fitration，F）、微濾（Microfiltration，MF）和超濾（Ultrafiltration，UF）。圖3-1②根據化學性質的不同物質通過分離膜的速度取決於溶解速度（從膜表面接觸的混合物中進入膜內的速度）和進入膜內後從膜的表面擴散到膜的另一表面的擴散速度。溶解速度完全取決於被分離物與膜材料之間化學性質的差異，擴散速度除化學性質外還與物質的分子量有關。例如反滲透（ReverseOsmosis，RO）可用於海水淡化。是因為反滲透膜是親水性的高聚物，水分子很容易進入膜內，而水中的無機鹽離子則較難進入。膜分離過程的推動力表3-1主要膜分離過程的推動力

推動力膜過程壓力差反滲透、超濾，微濾、氣體分離電位差電滲析濃度差透析、控制釋放濃度差（分壓差）滲透氣化濃度差加化學反應液膜、膜感測器膜分離的特點①分離效能高。②膜分離過程都不發生相變，能耗低。③膜分離過程的工作溫度在室溫附近，膜分離設備本身沒有運動的部件，結構緊湊、維修費用低，易於自動化。④設備體積小，占地少。⑤膜分離設備可以直接插入已有的生產工藝流程。

膜分離存在的問題①在操作中膜面會發生污染，使膜性能降低；②膜的耐壓性、耐熱性、耐溶劑是有限的，故應用範圍受限制；③僅採用膜分離技術分離效果有限，往往需要與其他分離工藝組合起來使用。膜分離的應用及市場1950年與膜分離技術相關的工業產品年銷售量為500萬美元。1981年增加到5億美元。現在已經超過100億美元。在大多數企業膜的費用占設備費用的25～40％。根據1990年的統計：美國占55％，日本占18％，西歐占23％。膜分離的種類繁多，它涉及不同的過程和眾多的應用領域，要想在應用和市場上取得成功，不僅要有優良的膜及膜組件，而且還需要許多週邊部件，包括泵和監控設備這類專門的硬體以及工程、工藝設計和特殊應用技術等軟體。圖3-2膜分離市場份額膜的分類

按膜結構分類對稱膜

symmetricmembrane非對稱膜

asymmetricmembrane由Loeb-Sourirajan浸沉相轉移法制得。複合膜complexmembrane按膜孔徑大小分類微濾膜0.025～20µm超濾膜0.001～0.02µm（1～20nm）反滲透膜0.0001～0.001µm（0.1～1nm）納米過濾膜平均直徑2nm。按材料分類合成高分子材料主要有聚碸、聚丙烯腈、聚醯亞胺、聚醯胺、聚烯類和含氟聚合物等。聚碸膜的耐高溫，適用pH範圍廣，耐氯能力強，可調節孔徑為1～20nm。但操作壓力極限為0.5～1.0MPa。聚醯胺膜的耐壓能力較高，對溫度和pH都有很好的穩定性，使用壽命較長，常用於反滲透。天然高分子材料醋酸纖維膜的截鹽能力強，常用作反滲透膜。一般使用溫度低於45～50℃，pH3～8。無機材料主要有陶瓷、微孔玻璃等。目前實用化的無機膜主要有孔徑0.1μm以上的微濾膜和截留分子量10kD以上的超濾膜，其中以陶瓷材料的微濾膜最為常用。多孔陶瓷膜主要利用氧化鋁、矽膠、氧化鋯和鈦等陶瓷微粒燒結而成，膜厚方向不對稱。特點是機械強度高，耐高溫、耐化學試劑和耐有機溶劑，但造價較高。動態膜（dynamicmembrane）為一類無機微孔濾膜，是氧化鋯等膠體微粒沉積在陶瓷管等多孔介質表面形成的膜。動態膜透過通量大，通過改變pH值容易形成或除去沉積層，因此清洗比較容易，但穩定性差。其他分類荷電膜

即離子交換膜。液膜

將在3.5中討論。3.2膜的基本理論在膜分離過程中，通過膜相際有三種基本傳質形式。圖3-3通過膜相際傳質過程基本形式示意圖膜過程中的物質傳遞過程

以非對稱膜為例溶質或溶劑在膜中的滲透率取決於膜兩邊溶液的條件和膜本身的化學和物理性質，傳質總阻力為邊界層和膜層阻力之和。圖3-4物質經過非對稱膜的傳遞示意圖孔模型用來描繪微孔過濾、超濾等過程所用的高孔率膜。溶劑的滲透流率取決於膜的孔隙率、孔徑、溶液的粘度、溶劑在膜中的擴散曲折途徑和膜上、下游壓力差，可表達為：J=εd2Δp/（32﹡µ﹡L）式中J——溶液通量[m3/（m2·s）]ε——膜的孔隙率d

——圓柱型孔道的直徑（m）L——膜的有效厚度，為擴散曲折率×膜厚（m）Δp——膜兩側壓力差（kPa）

µ——溶液的粘度（Pa·s）溶解—擴散模型反滲透膜的表皮層沒有孔道。物質的滲透能力，取決於它在膜中的溶解度和擴散係數。對於稀溶液，總體積通量J=A（Δp－Δp滲）式中A——總滲透係數（A=A1Mr/ρ）A1——溶劑滲透係數[kmol/（m2·s·kPa）]ρ——溶液密度（kg/m3）Mr——溶劑分子量由上式可知，當壓力升高時，溶劑品質通量線性增加，但溶質通常與壓力無關，因而透過液濃度降低。優先吸附-毛細管流動模型Sourirajan等人提出。膜的表面如對某一組分的吸附能力較強，則該組分就在膜面上形成一層吸附層。高壓側常壓側圖3-5優先吸附—毛細管流動模型示意圖

膜的性能參數

膜孔道參數membraneporosityparameters孔道特徵包括孔徑（poresize）、孔徑分佈和孔隙度。孔徑分佈（poresizedistribution）是指膜中一定大小的孔的體積占整個孔體積的百分數。孔隙度（effectivenumberofpores）是指整個膜中孔所占的體積百分數。0.5µm0.5µm3µm20µm圖3-6膜的電鏡照片水通量waterfluxpermeateflux水通量為每單位時間內通過單位膜面積的水體積流量，也叫透水率，即水透過膜的速率。水通量的大小取決於膜的物理特性（如厚度、化學成分、孔隙度）和系統的條件（如溫度、膜兩側的壓力差、接觸膜的溶液的鹽濃度及料液平行通過膜表面的速度）。在實際使用中，水通量將很快降低，在處理蛋白質溶液時，水通量通常為純水的10％。截留率和截斷分子量截留率（rejectioncoefficient）是指對一定相對分子品質的物質，膜能截留的程度，定義為：δ=1－cP/cB式中cP——某一瞬間透過液濃度（kmol/m3）cB——截留液濃度（kmol/m3）如δ=1，則cP=0，表示溶質全部被截留；如δ=0，則cP=cB，表示溶質能自由透過膜。用已知相對分子品質的各種物質進行試驗，測定其截留率，得到的截留率與相對分子品質之間的關係稱為截斷曲線。較好的膜應該有陡直的截斷曲線。截斷分子量（molecularweightcut-off，MWCO）定義為相當於一定截留率（通常為90％或95％）的相對分子品質。圖3-7

截斷曲線

截留率