吸附一种物质从一相移动到另外一相的现象解读.docx

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吸附一种物质从一相移动到另外一相的现象解读

第二节吸附

一、概述

吸附：

一种物质从一相移动到另外一相的现象。

吸附法的特点：

（1）处理能力较小

（2）对溶质的作用较小

（3）可直接从发酵液中分离所需的产物

（4）溶质和吸附剂之间的相互作用及吸附平衡关系通常为非线形关系

二、吸附的原理及目的

原理：

利用吸附剂与杂质、色素物质、有毒物质、抗生素之间的分子引力而吸附在吸附剂上

目的：

吸附发酵产品、除去发酵液中的杂质或色素物质、有毒物质等

优点：

操作简单、原料易得，便于土法生产

缺点：

吸附性能不稳定、选择性不高、吸附剂的容量有限、收率不稳定、不能连续操作，强度大

三、吸附平衡

吸附平衡是指在一定温度和压力下，气固或液固两相充分接触，最后吸附质在两相中达到动态平衡；也可以是含有一定量的吸附质的惰性流体通过吸附剂固定床层，吸附质流动相和固定相中反复分配，最后在动态下达到稳定的动态平衡

吸附等温线：

在一定T下，q（吸附质浓度）随平衡浓度C变化的曲线（q=f（C））叫吸附等温线。

用数学公式描述则叫吸附等温式。

四、吸附剂的种类

吸附剂必须具备的条件：

（1）颗粒密度小，表面积大

（2）颗粒大小均匀

（3）吸附能力大，但要容易洗脱下来

1、疏水或非极性吸附剂

活性炭是疏水性的物质、它最适宜从极性溶媒，尤其是水溶液中吸附非极性物质。

吸附芳香族化合物的能力大于无环化合物。

由于活性炭作为吸附剂的选择件差。

故应用抗生素的提取和精制时，单级吸附不能使抗生素纯度提高很多，只是用于抗生素的初步提炼，除去溶液中的色素。

2、亲水或极性吸附剂

适用于非极性或极性较小的溶媒。

如硅胶、氧化铝，活性土皆属此类。

另外，吸附剂可以是中性、酸性或碱性。

碳化钙、硫酸镁等属中性吸附剂。

氧化铝、氧化镁等属碱性吸附剂。

酸性硅胶、铝硅酸属酸性吸附剂。

碱性的吸附剂适宜于吸附酸性的物质，而酸性的吸附剂适宜干吸附碱性的物质。

氧化铝及某些活性土为两性化合物，因为经酸或碱处理后很容易获得另外的性质。

3、各种离子交换树脂吸附剂

各种有机离子交换树脂也是属于极性吸附剂，因为它是两性化合物，具有离子交换剂的性质。

工业发酵中常用于发酵产品的脱色和分离杂质。

五、吸附操作方式

静态吸附

被处理液与吸附剂搅拌混合，而被处理液没有自上而下流过吸附剂的流动，这种吸附操作叫静态吸附。

动态吸附

被处理液通过吸附剂自上向下流动而进行吸附。

第三节离子交换法

一、基本原理

树脂的活性基团能与溶液中的相同电性基团相交换，该交换是经过一系列的物理、化学过程完成的，包括吸附、吸收、穿透、扩散、离子交换、离子亲和等过程，有关理论介绍如下。

1、物理吸附

物体表面具有表面自由能，其自由能变化的趋势是向减少方向进行的。

当表面因吸附某些物质后，其表面自由能降低，体系趋于稳定状态。

树脂具有巨大的比表面积，其进行离子交换时，首先是吸附作用，将交换物吸附到树脂表面。

2、晶格理论

3、双电层理论

4、膜理论

可理解为分子筛，能对分子、离子进行大小分级。

离子交换树脂根据交联度大小不同，具有大小不同的孔隙，对进入树脂颗粒内部的离子起到从离子大小上进行限制的筛分作用。

根据静电作用规律，能进入树脂内部的离子是能穿过树脂孔隙的带电与树脂可交换离子带同号电荷的离子。

二、离子交换树脂的结构

1、化学结构：

不具活性的网络骨架和分布于这种网络骨架上的单分子活性基团构成

2、立体交联结构：

3、孔结构：

三、分类

1、阳离子交换剂

强酸型、中酸型、弱酸型

2、阴离子交换剂

强碱性、中强碱性、弱碱性

3、两性离子交换剂

4、选择性离子交换树脂（螯合型离子交换树脂）

5、吸附树脂

6、电子交换树脂（氧化还原树脂）

四、离子交换树脂的理化性能

1、颗粒度：

颗粒小，交换速度大

2、含水量：

树脂通常是亲水的

树脂交联度小，内部空隙率大，含水量大

3、密度

干真密度：

即干燥状态下树脂合成材料本身的密度

湿真密度：

树脂充分膨胀后，树脂颗粒本身的密度

湿真密度＝树脂湿重/树脂颗粒所占体积

视密度：

树脂充分吸水膨胀后的堆积密度

视密度＝树脂湿重/树脂层的体积

4、膨胀性

交联度小的树脂，膨胀性大

5、耐磨损强度

6、耐热性

7、交换容量

（1）理论交换容量

单位重量或单位体积树脂中所含有可交换离子的物质的量，mmoL/g干树脂mmol/mL湿树脂表示

（2）工作交换量在一定操作条件下，离子交换树脂所能利用的交换容量

工作交换量受柱长度、树脂颗粒度、离子性质、浓度、流速及交换基团等影响

五、离子交换树脂的选择性

1、晶体解离的难易决定了组成晶体的离子间引力的大小

2、取代交换剂中离子的难易又取决于溶液中可交换离子的浓度

3、离子和树脂间亲和力越大，就越容易被吸附

电性越大越容易交换：

Na＋

在常温、常压下低浓度溶液中的离子、原子价相同，则交换量随交换离子的原子序数的增加而增大

4、在低温和普通温度时，离子的化合价越高，就越易吸附

二价金属离子比一价金属离子容易吸附、三价的又比二价的容易

5、溶液的pH值对各种树脂的影响是不同的

六、影响离子交换速度的主要因素

（1）树脂颗粒：

越小，交换速度越快

（2）树脂的交联度：

越低，扩散越容易，速度越快

（3）溶液中离子浓度

（4）温度：

提高温度加快交换速度

（5）离子的大小：

小离子的交换速度快

（6）离子价

（7）树脂的强弱

（8）树脂层装填的松紧度

七、离子交换操作方式

1、静态法

2、动态法

考察上样量、pH、速度、洗脱剂的种类、流速等的影响

八、应用举例

谷氨酸的提取

第四节膜分离

膜分离法实际上是一般过滤法的发展和延续。

一般过滤法不是分子级水平的，它是利用相的不同将固体从液体或气体中分离出来；而膜分离是分子级水平的分离方法，该法关键在于过程中使用的过滤介质：

膜。

一、膜分离法的分类及原理

透析、超滤及反渗透、微滤、电渗析、液膜技术、气体渗透、渗透蒸发

分离范围

1、透析

利用具有一定孔径大小、高分子溶质不能透过的亲水膜将含有高分子溶质和其他小分子溶质的溶液（左侧）与纯水或缓冲液（右侧）分隔，由于膜两侧的溶质浓度不同，在浓差的作用下，左侧高分子溶液中的小分子溶质透向右侧，右侧中的水透向左侧，这就是透析

2、超滤和微滤：

超滤和微滤都是利用膜的筛分性质，以压差微传质推动力，用于截留高分子溶质或固体微粒。

超滤：

处理不含固形成分的料液，它是根据高分子溶质间或高分子与小分子溶质之间相对分子质量的差别机械分离的方法

微滤：

用于悬浮粒的过滤，主要用于菌体的分离和浓缩

3、反渗透

促使水分子透过的推动力称为渗透压

操作压力：

几十个大气压

适用于1nm以下小分子的浓缩

4、电渗析

利用分子的荷电性质荷分子大小的差别进行分离的膜分离法，可用于小分子电解质（例如氨基酸、有机酸）的分离和溶液的脱盐

5、渗透气化

疏水膜的一侧通入料液，另一侧抽真空或通入惰性气体，使膜两侧产生溶质分压差。

在分压差的作用下，料液中的溶质溶于膜内，扩散通过膜，在透过侧发生气化，气化的溶质被膜装置外设置的冷凝器冷凝回收。

发生了相变

适用于：

高浓度混合物的分离，特别适用于共沸物和挥发度相差较小的双组分溶液的分离

6、液膜分离技术

液膜通常由膜溶剂、表面活性剂、流动载体、膜增强添加剂组成。

膜溶剂：

成膜的基体物质、一般为水或有机溶剂

表面活性剂：

降低液膜的表面张力，对液膜的稳定性、渗透速度、分离效率和膜的重复使用有直接影响

流动载体：

选择性迁移指定溶质或离子，常为某种萃取剂

二、膜的种类及特性

1、膜的种类

选择膜应考虑的因素：

分离能力；分离速度；抵抗化学、细菌和机械力的稳定性；膜材料的成本

（1）均质膜或致密膜

（2）微孔膜

（3）非对称膜

（4）复合膜

（5）离子交换膜

2、膜的结构特性

（1）孔道结构：

不对称膜（表面活性层和惰性层）

（2）膜的孔道特性：

孔径、孔径分布、空隙率

（3）水通量:

在一定条件下（一般压力为0.1MPa，温度为20℃）通过测量透过一定量纯水所需的时间来测定

三、膜分离设备

四、影响膜分离速度的因素

1、操作形式2、流速3、压力4、料液浓度

五、膜的污染与清洗

1、膜污染的原因

（1）凝胶极化引起的凝胶层

（2）溶质在膜表面的吸附层

（3）膜孔堵塞

（4）膜孔内的溶质吸附

2、常用的清洗剂

水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、络合剂、氧化剂、酶液

六、应用举例

超滤用于除去葡萄酒中热变性蛋白质、

微滤除去葡萄汁中的细菌和各种固体颗粒

第五节层析法

又叫凝胶过滤、凝胶层析、凝胶渗透层析、排阻渗透层析、分子筛过滤等

一、凝胶层析的原理

将具有分子大小网状结构（孔隙）的凝胶粒子浸渍于某种溶液中时，溶液中的溶质分子凡是比网络孔隙小的都能自由进入凝胶粒子内，大的分子由于不能潜入网格便残留在溶液中，所以将分子大小不同的溶液（如蛋白质和硫酸铵）加入到分离柱中，只有小分子物质（硫酸铵）完全能进入凝胶粒子内，而大分子（蛋白质）则被排阻于粒子外，彼此互相筛分，加入洗液后，溶液在分离柱内向下移动，先流出的洗液中，全部含有大分子物质（蛋白质），后流出的洗液中含有小分子物质（硫酸铵），从而达到分离和提纯的目的。

二、凝胶层析法常用的凝胶

1、天然凝胶

琼脂和琼脂糖凝胶（Sepharose）：

能分离较大相对分子质量的物质，但它带有大量的电荷，层析时需使用较高离子强度的洗脱液

2、人工合成凝胶

（1）聚丙稀酰胺凝胶（Bio－GelP）

（2）交联葡聚糖凝胶（Sephedex）

三、凝胶层离技术

1、凝胶柱的制备

（1）凝胶的预处理

（2）凝胶的装填

（3）层析床的检查

（4）柱的平衡

2、样品和洗脱剂的准备

洗脱剂：

试剂是分析纯、水是纯水

固体样品溶于洗脱剂中，无颗粒

3、加样

（1）加样量的选择

脱盐、缓冲液交换等组分分离时加样体积为床体积的30％，如果要求较高的回收率，则为15％～20％。

（2）加样方法和注意事项

进样器或注射器、排干法、液面下加样

4、洗脱技术

洗脱流速高速涡流扩散严重，导致区带变宽

5、样品的检测、收集和处理

6、凝胶过滤介质的再生、清洗和储存

再生：

用1.5～2个柱体积的洗脱剂完成洗脱过程

清洗：

碱液清洗（0.1～0.5moL/L的NaOH）、乙醇、非离子型去污剂

保存：

浸泡在抑菌剂的溶液中，比如：

20％乙醇、0.02％～0.05％的叠氮化钠、0.01moL/L的NaOH，0.05％的三氯丁醇，0.01～0.02％的可乐酮

四、层离设备

1.分离柱2.恒压储液瓶3.恒流泵4.洗脱液收集器5.恒温设备

五、凝胶层析法在发酵中的应用

1、脱盐

2、凝胶层析法去除热源物质

3、凝胶浓缩高分子溶液

4、测定高分子物质的相对分子质量

5、分析

第六节沉淀法

一、沉淀法概述

利用某些发酵产品能与某些酸、碱或盐类形成不溶性的盐或复合物而从发酵滤液或浓缩滤液中沉淀下来或结晶析出的一种提取方法

1、氨基酸沉淀法：

等电点法盐酸盐法金属盐法有机溶剂沉淀法；

2、酶制剂沉淀法：

盐析法有机溶剂沉淀法；

3、抗生素沉淀法：

如四环素与钙形成沉淀；

二、等电点法

两性电解质在溶液中可解离为阳离子和阴离子，在一定pH条件下，两种离子浓度相等时，溶液静电荷为零，此时电解质溶解度最小而发生沉淀。

三、盐析法

中性盐沉淀法。

添加中性盐析剂，破坏酶蛋白的胶体性质，消除微粒周围的水化膜和微粒上的电荷，促使酶蛋白沉淀。

（一）盐析原理

（1）破坏水膜层

（2）中和电荷

（二）影响酶制剂盐析的主要因素

1、盐析剂的种类：

不同的盐，盐析效果不同MgSO4>Na2SO4>NH4SO4、NaH2PO4

2、盐析剂的用量3、盐析的温度4、盐析的pH值5、酶液中的杂质

四、有机溶剂沉淀法

1、有机溶剂沉淀法的原理

破坏蛋白质的水化层

2、有机溶剂沉淀法提取酶制剂的影响因素

（1）有机溶剂的种类和用量

（2）温度（3）pH（4）时间

（5）溶液中的盐等杂质

五、热沉淀

六、其他沉淀法

非离子型聚合物：

聚乙二醇

聚电解质：

酸性多糖、羧甲基纤维素、海藻酸钠、果胶酸盐、卡拉胶

多价金属离子：

Ca2＋、Mg2+