【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 如圖A+）自溶液中擴(kuò)散到WA2樹(shù)脂表面，屬于外擴(kuò)散 （2）L異亮氨酸（如圖A+）從WA2樹(shù)脂表面再擴(kuò)散到樹(shù)脂內(nèi)部的活性中心，屬于內(nèi)擴(kuò)散 （3）L異亮氨酸（如圖A+）與樹(shù)脂中的B+在活性中心上發(fā)生離子交換，屬于交換反應(yīng) （4）解吸附離子B+自WA2樹(shù)脂內(nèi)部擴(kuò)散至樹(shù)脂表面，屬于內(nèi)擴(kuò)散 （5）B+離子再?gòu)腤A2樹(shù)脂表面擴(kuò)散到溶液中，屬于外擴(kuò)散， 且通常交換速度都比擴(kuò)散速度快很多，所以，離子交換反應(yīng)過(guò)程中的速度主要取決于擴(kuò)散速度，而非交換速度。 離子交換過(guò)程的機(jī)理 這里選用WA2陽(yáng)離子交換樹(shù)脂進(jìn)行L異亮氨酸分離。L異亮氨酸發(fā)酵液流經(jīng)WA2陽(yáng)離子交換柱時(shí)，由于各個(gè)物質(zhì)與樹(shù)脂的親和力大小不一樣，參照《氨基酸工藝學(xué)》可以總結(jié)出，最終被交換吸附的物質(zhì)由柱頂?shù)街状笾驴煞譃榱鶄€(gè)層次：第一層次：K+、Na+、Mg2+、Ca+等金屬離子；第二層次：NH4+離子；第三層次：中堿性氨基酸；第四層次：L異亮氨酸；第五層次：酸性氨基酸；第六層次：有機(jī)色素。交換的開(kāi)始階段，WA2樹(shù)脂柱的上層主要是金屬離子和銨離子，而下層則是L異亮氨酸離子。繼續(xù)進(jìn)行交換，則已交換到樹(shù)脂上的L異亮氨酸又被剛流入柱中的上柱液中含的金屬離子和銨離子置換下來(lái)，隨著上柱液不斷的向下流動(dòng)，它再次和下面一層還未交換過(guò)的樹(shù)脂發(fā)生交換，可是很快又被后加的上柱液中的金屬離子和銨離子置換下來(lái)。在上柱液不超量的下，金屬離子和銨離子在離交柱上的密度自上而下的減少。而L異亮氨酸離子的密度卻相反，是自上而下逐漸增加的。一旦上柱量控制不當(dāng)，如上柱量過(guò)多，就會(huì)出現(xiàn)L異亮氨酸的漏失的現(xiàn)象。（四）離子交換反應(yīng)和離子交換過(guò)程：[16]上柱交換：RSO3H+ + NH3+CHR39。COOH → H+ + RSO3NH3CHR39。COOH RSO3H + NH4Cl → RSO3 NH4 + HCl洗脫：RSO3NH3 CHR39。COOH + NaOH → RSO3Na + N H2 CHR39。COOH + H2O RSO3NH4 + NaOH → RSO3Na + NH4OH再生：RSO3Na + HCl → RSO3H + NaCl（五）樹(shù)脂的選擇：選擇合適的樹(shù)脂是離交的關(guān)鍵之一。通常，首先根據(jù)樹(shù)脂對(duì)目的產(chǎn)物的吸附規(guī)律，讓目的產(chǎn)物與雜質(zhì)在所選擇的樹(shù)脂上的吸附力有足夠大的差異，使它們得到分離；然后要考慮樹(shù)脂的來(lái)源、性能、成本等問(wèn)題。根據(jù)《生物工業(yè)下游技術(shù)》、《生物分離原理與技術(shù)》及《氨基酸發(fā)酵工藝學(xué)》我們可以總結(jié)出，被用于氨基酸提取用的樹(shù)脂應(yīng)具備這樣一些基本條件： （1）具有在水、堿、酸條件下不可溶性； （2）具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨性能好，反復(fù)使用而不易破碎； （3）好的耐熱性、穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)，溶液中的物質(zhì)不能將其破壞； （4）交聯(lián)度和膨脹度均要適中； （5）高的交換容量； （6）交換時(shí)具有快的平衡速度。（六）離子交換的操作步驟及注意事項(xiàng)： （1）樹(shù)脂的預(yù)處理 樹(shù)脂在制造過(guò)程中，有進(jìn)行聚合反應(yīng)的低分子和進(jìn)行分解的高分子產(chǎn)物，及銅、鐵、鋁等金屬物質(zhì)。另外樹(shù)脂的表面還會(huì)有灰塵等污物。上述這些雜質(zhì)均會(huì)影響到交換效果和產(chǎn)品的質(zhì)量，嚴(yán)重的還會(huì)使樹(shù)脂失效，因此，新樹(shù)脂最好先進(jìn)行預(yù)處理再使用。 新樹(shù)脂裝柱后，用去離子水浸泡大約12h，使其充分吸水膨脹，然后用大概為樹(shù)脂體積的2~3倍的10%的鹽水浸泡4h以上。用水清洗殘留的NaCl，再根據(jù)樹(shù)脂的類型和使用所需的型號(hào)分別用酸和堿處理，然后調(diào)節(jié)PH值至所需的范圍。 這里用WA2陽(yáng)離子交換樹(shù)脂提取L異亮氨酸，樹(shù)脂先用適量的5％氨水處理浸泡4h左右，水洗至pH=8。這步需提前做好，處理過(guò)的樹(shù)脂裝好柱后，即可直接進(jìn)行離交。 （2）上柱交換 上柱交換是離交的關(guān)鍵所在，最好能將所需要吸附的離子完全吸附，且要求比較集中。 交換方式可以是順流進(jìn)行（正上柱），也就是原液自上而下流過(guò)樹(shù)脂層，也可以是逆流進(jìn)行（倒上柱），與順流進(jìn)行相反。本設(shè)計(jì)采用順流進(jìn)行。 A、上柱液pH值的控制 ：pH值對(duì)離交效果的影響主要體現(xiàn)為兩方面：一是對(duì)WA2樹(shù)脂的交換基團(tuán)離解的影響。pH值適宜范圍因樹(shù)脂的類型而變。二是對(duì)吸附物質(zhì)的離解度的影響，尤其是像L異亮氨酸這樣的兩性電解質(zhì)。B、上柱量的控制 ：一次性通過(guò)離交柱時(shí)達(dá)到的交換處理的最大容積量就是上柱量。它是離交效果的綜合性指標(biāo)，反映了樹(shù)脂的交換能力的大小。上柱量最好能與樹(shù)脂的交換能力相符合。一旦上柱量小于樹(shù)脂的交換能力，就會(huì)出現(xiàn)樹(shù)脂“吃不飽”的現(xiàn)象，使得洗脫劑和再生劑的浪費(fèi)，另外洗脫時(shí)L異亮氨酸峰不集中；反之則會(huì)出現(xiàn)樹(shù)脂“吃不下”的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致L異亮氨酸的流失。 交換量用單位體積濕樹(shù)脂或單位質(zhì)量干樹(shù)脂所吸附的1價(jià)離子的毫摩爾數(shù)表示。理論交換量就是樹(shù)脂具有的可完全被交換的離子（也稱為樹(shù)脂的全交換量）。工作交換量是指工作狀態(tài)時(shí)的實(shí)際交換量。事實(shí)上，樹(shù)脂的工作交換量卻比樹(shù)脂的理論交換量小的多，上柱量要根據(jù)上柱液中可交換的離子的多少和工作交換量來(lái)確定。在下文的設(shè)計(jì)計(jì)算中有具體的論證。C、上柱流速的控制： 這要根據(jù)上柱方式及交換柱的大小等定。在下文的設(shè)計(jì)計(jì)算中有具體的論證。 （3）正水洗和反沖 在洗脫之前，先用漏液或水進(jìn)行反沖排污，至液清為止。這樣做目的是除去柱中殘存殘?zhí)恰⒕w等雜質(zhì)，另外還能達(dá)到松散和平整樹(shù)脂的作用，接著再用合適的熱水反沖。反沖的作用有兩個(gè)：一是使樹(shù)脂被預(yù)熱，預(yù)防樹(shù)脂因溫度的升降驟冷驟熱而受到破壞；二是溫柱，以防L異亮氨酸在柱中析出。 ~ ，而反洗時(shí)WA2樹(shù)脂的膨脹度不應(yīng)小于50%。 （4）洗脫 對(duì)生物產(chǎn)品的分離純化用兩種方式：一是正吸附，它是指將產(chǎn)物離子化后，目的產(chǎn)物被交換到介質(zhì)上，而雜質(zhì)卻不被吸附，從樹(shù)脂柱中流出，目的產(chǎn)物經(jīng)洗脫即可收集。該法具有目的產(chǎn)物純度高，達(dá)到濃縮效果的優(yōu)點(diǎn)，適用于目的產(chǎn)物濃度低但工作液量大的溶液。二是負(fù)吸附，與正吸附相反，此法可除去大多數(shù)的雜質(zhì)，適宜處理目的產(chǎn)物濃度高的液體，但最終產(chǎn)物純度不高。 本設(shè)計(jì)采用氨水把L異亮氨酸從樹(shù)脂上洗脫下來(lái)。理論上，氨水的用量應(yīng)等于需要洗脫下來(lái)的L異亮氨酸的量，但事實(shí)上最好用過(guò)量的氨水才能將其洗脫完全，這是因?yàn)椋篈、離交反應(yīng)是可逆的過(guò)程；B、樹(shù)脂的未交換區(qū)，需要消耗部分氨水，且其他雜質(zhì)離子被洗脫下來(lái)也會(huì)消耗掉一定量的氨水。所以氨水不可能完全用于與L異亮氨酸的交換，這就是為什么氨水的實(shí)際用量比理論值多得多的原因。用氨水洗脫的優(yōu)點(diǎn)是洗脫液經(jīng)濃縮趕氨之后，含有比較少的雜質(zhì)，這有利于后序操作的進(jìn)行。其缺點(diǎn)就是樹(shù)脂吸附的Ca2+ 、Mg2+ 等陽(yáng)離子不易洗脫，且它們的量會(huì)隨操作次數(shù)的不斷增加而積累，這樣一來(lái)就會(huì)導(dǎo)致樹(shù)脂吸附L異亮氨酸的能力降低。所以，使用后的樹(shù)脂需用食鹽溶液或酸進(jìn)行再生處理。若是為了濃縮，則需要較高濃度的洗脫劑；若是為了分離，則只能用適當(dāng)濃度的洗脫劑。太高濃度的洗脫劑達(dá)不到純化目的；太低濃度的洗脫劑，收集不集中、洗脫時(shí)間長(zhǎng)且L異亮氨酸濃度低。通常情況下，洗脫流速應(yīng)比上柱流速慢，以便L異亮氨酸的高峰相對(duì)較集中。 （5）樹(shù)脂的再生 在工作過(guò)程中離子交換樹(shù)脂不斷地吸附處理液中的雜質(zhì)，一段時(shí)間后就接近“飽和”狀態(tài)，使得離子交換能力降低，這就需要對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行再生處理，再生過(guò)程是交換吸附的逆反應(yīng)。用再生劑再生后，用清水洗至所需的PH值。而再生劑的選擇應(yīng)根據(jù)樹(shù)脂的離子類型來(lái)進(jìn)行。 洗脫后的樹(shù)脂，絕大多數(shù)會(huì)變?yōu)镹a+型，而小部分則是NH4+型，這時(shí)就不能繼續(xù)吸附L異亮氨酸了，應(yīng)先將樹(shù)脂重新變?yōu)镠+型 。樹(shù)脂再生的一般操作步驟：需要處理的樹(shù)脂→用熱水正洗→再用熱水反洗→將液面降低→用HCl進(jìn)行再生處理→水洗→備用。這里選用鹽酸進(jìn)行再生，其流入交換柱內(nèi)的速度不宜太快，通常控制在上柱流速的1/2左右為宜，前期可略快，中后期就應(yīng)稍微減慢，從而達(dá)到用有限的鹽酸就可以使樹(shù)脂完全再生。且要注意各步的操作不應(yīng)出現(xiàn)“干柱”現(xiàn)象，不然柱內(nèi)就會(huì)進(jìn)入大量的空氣，從而出現(xiàn)短路現(xiàn)象，進(jìn)而形成死角，使得再生不完全，最終影響交換量、造成洗脫時(shí)嚴(yán)重脫峰現(xiàn)象，影響收率。再生劑用量在下文有相關(guān)的計(jì)算。 （6）樹(shù)脂保藏 若是短時(shí)間存放的話，可將樹(shù)脂浸泡于堿液，定期反洗，防止微生物的滋生繁殖；如果是長(zhǎng)時(shí)間保存的話，應(yīng)先將其洗滌干凈再轉(zhuǎn)成Na+型，然后在其處于濕樹(shù)脂的狀態(tài)下進(jìn)行密封保存。保藏溫度不小于0℃，且要注意防止它接觸到氧化劑、油污和K+、Na+、Mg2+、Ca+ 等金屬離子，還要注意避光。 三、活性炭脫色 活性炭的優(yōu)點(diǎn)是分離效果好、吸附力強(qiáng)、價(jià)格便宜、來(lái)源容易等。但其選擇性較差，且采用不同生產(chǎn)原料和制備方法得到的活性炭其吸附力也不同。氨基酸工業(yè)中，活性炭一般只用于氨基酸溶液、葡萄糖液的脫色。 而其脫色除雜主要是利用它表面的吸附作用，它的表面有無(wú)數(shù)微小的孔隙，所以表面積很大，具有非常強(qiáng)的吸附色素的作用?；钚蕴课綍r(shí)同時(shí)存在物理和化學(xué)吸附這兩種作用。物理吸附的機(jī)理為：由吸附劑表面與被吸附物的分子之間的范德華力所引起。它的選擇性非常差，嚴(yán)重的話甚至連選擇性都沒(méi)有。但是有較快的吸附過(guò)程，低溫時(shí)吸附量大，高溫時(shí)吸附量反而降低。整個(gè)吸附過(guò)程能量的變動(dòng)很小，所以很容易解吸。而化學(xué)吸附的機(jī)理則是：由于吸附劑表面存在一些不飽和的價(jià)鍵，這些鍵可以和被吸附物分子的極性基團(tuán)形成相應(yīng)的副價(jià)鍵，進(jìn)而產(chǎn)生吸附作用；它的特點(diǎn)是有一定的選擇性，且適當(dāng)升溫能加快吸附速度，整個(gè)吸附過(guò)程還會(huì)發(fā)生能量的變化，解吸較物理吸附困難。從形狀上看，活性炭有兩種：粉末炭和顆粒炭。粉末炭的顆粒非常細(xì)，為粉末狀，而吸附力、表面積、吸附量都特別大，屬于活性炭中吸附力最強(qiáng)的一類。但是因其顆粒太細(xì)，使得過(guò)濾分離時(shí)流速太慢，這就需要減壓或加壓進(jìn)行操作。顆粒炭的顆粒較粉末炭的大，它的總表面積也相應(yīng)減小，且吸附量和吸附力均較前者小，但過(guò)濾速度比粉末活性炭快。 粉末狀活性炭通常用于中和液的第一步脫色，是進(jìn)行顆粒炭脫色應(yīng)有的前處理工序。而顆粒脫色主要用于最后一次脫色。 活性炭脫色法是一個(gè)使用廣泛而經(jīng)典的脫色方法?，F(xiàn)在我國(guó)氨基酸工業(yè)大體上都會(huì)采用活性炭進(jìn)行脫色的工藝。 顆?；钚蕴康奈侥芰﹄m小，但裝填在脫色柱內(nèi)卻可實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作，也可再生，這就是它常被用于最后一道脫色工序的原因。將經(jīng)過(guò)前處理的L異亮氨酸液注入顆粒活性炭脫色柱，并控制ph、流量、溫度等條件，這樣得到的脫色柱流出液就是脫色液。一旦吸附飽和了，就需要對(duì)顆粒炭進(jìn)行再生，可以先用堿液作為洗脫劑進(jìn)行洗脫，解吸吸附的色素，然后再用食鹽溶液作為再生劑。 四、濃縮濃縮是工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程提取與精制中常用的單元操作之一，它的目的主要是通過(guò)除去溶劑而將低濃度的溶液轉(zhuǎn)變?yōu)楦邼舛鹊娜芤骸饪s的方法有：蒸發(fā)濃縮法、吸收濃縮法、冰凍濃縮法、反滲透法、超濾法等。 （一）、 反滲透反滲透法較其他方法所具有的顯著優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)需加熱、相態(tài)不變、效率高、操作方便、占地小、能量消耗少等。反滲透的基本性能通常包括：透鹽率、透水率、抗壓密性等，他們都可以用來(lái)衡量反滲透膜特性。反滲透從結(jié)構(gòu)上分為：均質(zhì)膜、非對(duì)稱膜、動(dòng)態(tài)膜、復(fù)合膜；從材料上分為：芳香聚酰胺膜、醋酸纖維膜、無(wú)機(jī)質(zhì)膜、高分子電解質(zhì)膜等。，它可截留無(wú)機(jī)物的小分子，截留分子量大概為3050。根據(jù)《生物工業(yè)下游技術(shù)》一書(shū)我們了解到，它在生物工業(yè)中的主要應(yīng)用于這些方面： （1）生物堿、疫苗、激素、抗生素等的分離濃縮。 （2）部分發(fā)酵飲料的脫鹽。 （3）白酒除濁和凈化。 （4）啤酒的不加熱濃縮過(guò)程等。 反滲透技術(shù)所分離的產(chǎn)物的分子量一般都不大于500，而操作壓力為2～100MPa。不管是微孔過(guò)濾、反滲透、超濾都是以壓力差為推動(dòng)力，使得溶劑通過(guò)膜而達(dá)到分離過(guò)程，上面三者形成了分離溶液中固體微粒、離子、分子的三級(jí)膜分離過(guò)程。反滲透膜用于分離處理液中分子量小于500的物質(zhì)；超濾膜用于分子量大于500的大分子，也可用于極細(xì)的膠體粒子的分離；～10μm的粒子。但微孔膜、超濾膜、反滲透膜這三者之間并沒(méi)有非常嚴(yán)格的分界，根據(jù)氨基酸工藝學(xué)課堂上老師的講解，我們可以將它們之間還會(huì)存在一些范圍大致分為這樣（如下圖所示）： 各膜分離法起作用的范圍（二）、 減壓濃縮 要使溶液表面的溶劑分子獲得的動(dòng)能要明顯超過(guò)其內(nèi)溶劑分子的吸引力，而脫離液面逸向空間的過(guò)程就是蒸發(fā)。溫度、液面蒸汽分子密度、蒸發(fā)面積均會(huì)影響到蒸發(fā)速度，溫度升高，蒸發(fā)速度也會(huì)變快；液體的表面積越大，蒸發(fā)速度就越快；而液面蒸汽分子密度越小，則蒸發(fā)速度就越快。蒸發(fā)過(guò)程有兩個(gè)必要的組成部分，它們是：一是加熱使溶液沸騰汽化，二是不斷排除水蒸汽。而由蒸發(fā)器和冷凝器這兩個(gè)部分組成相應(yīng)的蒸發(fā)系統(tǒng)。蒸發(fā)器是一個(gè)由氣液分離器和加熱室兩部分組成的換熱器，加熱后沸騰產(chǎn)生的二次蒸汽可以經(jīng)過(guò)氣液分離器引出達(dá)到與溶液分離的效果。冷凝器也是一個(gè)換熱器，且它有間歇式和直接接觸式兩種類型，在冷凝器內(nèi)二次蒸汽被冷凝后排出系統(tǒng)。冷凝器的冷凝速度和蒸發(fā)器的蒸發(fā)速度一起決定了蒸發(fā)系統(tǒng)總的蒸發(fā)速度，一旦蒸發(fā)速度發(fā)生變化，就會(huì)使系統(tǒng)總的蒸發(fā)速度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。由于操作壓力的不同，可將蒸發(fā)過(guò)程分為減壓蒸發(fā)（真空蒸發(fā)）和常壓蒸發(fā)。常壓蒸發(fā)是指蒸發(fā)器和冷凝器側(cè)的操作壓力為大氣壓或稍微高于大氣壓，不凝性氣體只能依靠自身壓力從冷凝器中排出。而真空蒸發(fā)反之，不凝性氣體只能用真空泵抽出。真空蒸發(fā)的目的是降低溶液的沸點(diǎn)，參照《生物工程設(shè)備》和《生物工業(yè)下游技術(shù)》這兩本書(shū)，我們可以知道較常壓蒸發(fā)它有這樣一些優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)： （1）由于溶液的沸點(diǎn)低，所以可用溫度較低的低壓蒸汽加熱蒸汽，