【正文】 膜分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)1，適用范圍廣； 2，膜分離過(guò)程為物理過(guò)程，不需加入化學(xué)藥劑； 3，膜分離技術(shù)分離裝置簡(jiǎn)單，占地面積小，系統(tǒng)集成容易 ；4，膜分離過(guò)程系統(tǒng)簡(jiǎn)單、操作容易，且易控制，便于維修，有利于生產(chǎn)自動(dòng)化的推廣與普及。四、離子交換的操作方式1，分批法2，固定床法3，流動(dòng)床法第六節(jié) 膜分離過(guò)程1748年法國(guó)學(xué)者Abbe Nollet首次提出了膜分離現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)近二個(gè)世紀(jì)的摸索、研究，20世紀(jì)50年代膜分離技術(shù)才逐漸發(fā)展成為一門新興高技術(shù)邊緣學(xué)科。2，陰離子交換劑：伯胺、(NH2)、仲胺(NHCH3)、叔胺[N（CH3）2]和季胺[N（CH3）2]。二、離子交換劑的分類1，陽(yáng)離子交換劑：磺酸(SO3H)、磷酸(PO3H2)、 羧酸（COOH）和酚羥基（OH）。吸附在離子交換劑上的物質(zhì)可以通過(guò)改變pH使吸附的物質(zhì)失去電荷而達(dá)到解離但更多的是通過(guò)增加離子強(qiáng)度，使加入的離子與被吸附物質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)離子交換劑上的電荷位置，使被吸附物質(zhì)與離子交換劑解開(kāi)。如果有兩種以上的成分被交換吸著在離子交換劑上，用洗脫液洗脫時(shí)，其被洗脫的能力則決定于各自洗脫反應(yīng)的平衡常數(shù)。一、基本原理離子交換劑通常是一種不溶性高分子化合物，它的分子中含有可解離的基團(tuán)，這些基因在水溶液中能與溶液中的其它陽(yáng)離子或陰離子起交換作用。這里溶液稱流動(dòng)相，而固體稱固定相。一般說(shuō)來(lái)，對(duì)混合物的吸附較純物質(zhì)的吸附為差。4，溫度的影響 吸附熱越大，則溫度對(duì)吸附的影響越大。如按極性減小的次序排列，次序越在后面的物質(zhì)，極性越差，因而越易為非極性吸附劑所吸附而越難為極性吸附劑所吸附。（3）極性吸附劑易吸附極性物質(zhì)，非極性吸附劑易吸附非極性物質(zhì)。2，吸附物的性質(zhì)有下列一些規(guī)則可用來(lái)預(yù)測(cè)吸附的相對(duì)量。孔徑適當(dāng)，有利于吸附物向空隙中擴(kuò)散。比表面大，空隙度高，吸附容量就越大。一般要求吸附容量大，吸附速度快和機(jī)械強(qiáng)度好。六、吸附劑的種類1，疏水或非極性吸附劑（活性炭）2，親水或極性吸附劑（硅膠、氧化鋁）3，離子交換樹(shù)脂吸附劑七、 影響吸附過(guò)程的因素1，吸附劑的性質(zhì) 吸附劑的理化性質(zhì)對(duì)吸附的影響很大。2，吸附劑的顆粒大小要均勻。這種吸附又稱為極性吸附。2，化學(xué)吸附化學(xué)吸附是由于吸附劑在吸附物之間的電子轉(zhuǎn)移，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的，屬于庫(kù)侖力 范圍。由于凝膠類吸附劑、大網(wǎng)格聚合物吸附劑的應(yīng)用，克服了以上缺點(diǎn)，近年吸附法又得到重視。無(wú)機(jī)吸附劑性能不穩(wěn)定，不能連續(xù)操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大。三、吸附法的優(yōu)缺點(diǎn)1，優(yōu)點(diǎn)可不用或少用有機(jī)溶劑；操作簡(jiǎn)便、安全、設(shè)備簡(jiǎn)單；生產(chǎn)過(guò)程中pH變化小，適用于穩(wěn)定性較差的生化物質(zhì)。一、吸附法的原理吸附法是利用吸附劑與雜質(zhì)、色素物質(zhì)、有毒物質(zhì)、產(chǎn)品之間分子引力的差異，從而起到分離的作用。第四節(jié) 吸附法在發(fā)酵工業(yè)的下游加工過(guò)程中，吸附法應(yīng)用于發(fā)酵產(chǎn)品的除雜、脫色、有毒物質(zhì)和抗生素的提純精制。同時(shí)，?？芍苯舆M(jìn)行其他純化操作，無(wú)需將殘余的酸除去。n兩性分子在處于等電點(diǎn)時(shí)的pH值，再加上其他沉淀因素，則很易沉淀析出。（9）少量中性鹽的存在能產(chǎn)生鹽溶作用，增加蛋白質(zhì)在有機(jī)溶劑水溶液的溶解度。（7）接近等電點(diǎn)時(shí)，以引起沉淀所需加入有機(jī)溶劑的量較少。（5）沉淀的蛋白質(zhì)如不能再溶解，就可能已經(jīng)變性。（3）蛋白質(zhì)的分子量越大，產(chǎn)生沉淀所需加入的有機(jī)溶劑量越少。7，有機(jī)溶劑沉淀應(yīng)注意的問(wèn)題（1）降低溫度，能增加收率和減少蛋白質(zhì)的變性。適宜的pH值可大大提高分離的分辨能力（4）金屬離子對(duì)有機(jī)溶劑沉淀的影響一些多價(jià)離子如Zn2 +和Ca 2+在一定的pH值下能與呈陰離子狀態(tài)的蛋白質(zhì)形成復(fù)合物，這種復(fù)合物在水中或有機(jī)溶劑中的溶解度都大大降低，而不影響蛋白質(zhì)的活性。（2）蛋白質(zhì)濃度對(duì)有機(jī)溶劑沉淀的影響低濃度樣品使用有機(jī)溶劑的量大但共沉作用小，利于提高分離的效果；高濃度樣品可以節(jié)省有機(jī)溶劑，減少變性危險(xiǎn)，但共沉作用大，分離效果較差。因此，加入的有機(jī)溶劑都必須預(yù)冷至較低溫度，操作要在冰浴中進(jìn)行，同時(shí)加入有機(jī)溶劑必須緩慢而又不斷攪拌以免溶劑局部過(guò)濃。 6，有機(jī)溶劑沉淀的影響因素影響有機(jī)溶劑沉淀的因素有：溫度、蛋白的濃度、pH、金屬離子、離子強(qiáng)度。這個(gè)順序還受溫度、pH、鹽離子濃度的影響。 5，有機(jī)溶劑的選擇 有機(jī)溶劑沉淀蛋白質(zhì)的能力隨蛋白質(zhì)種類及有機(jī)溶劑的種類而異。且有機(jī)溶劑易燃、易爆、安全要求較高。沉淀不用脫鹽，過(guò)濾比較容易。二、有機(jī)溶劑沉淀1，原理有機(jī)溶劑的沉淀作用主要是降低水溶液的介電常數(shù)，溶液的介電常數(shù)減少就意味著溶質(zhì)分子異性電荷庫(kù)侖引力的增加從而使溶解度減少。 在一般情況下，蛋白質(zhì)的鹽析溫度要求不嚴(yán)格，可以在室溫下進(jìn)行，只有某些對(duì)溫度比較敏感的酶，要求在低溫04C下操作。但必須指出這種溫度升高溶解度的下降現(xiàn)象只有在高離子強(qiáng)度下才能發(fā)生。許多蛋白質(zhì)在高離子強(qiáng)度溶液中25C時(shí)的溶解度比4C時(shí)溶解度明顯地減少。但對(duì)于蛋白質(zhì)、酶等生物大分子在高離子強(qiáng)度溶液中，溫度的升高，它們的溶解度有時(shí)不但不升高。需根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整pH值至蛋白質(zhì)溶解度最低處，才能使鹽析獲得更好效果。因此在鹽析時(shí)常選擇溶液pH值在該蛋白質(zhì)等電點(diǎn)附近。下圖是在不同pH的濃磷酸鹽緩沖液下血紅蛋白的溶解度曲線。10，pH對(duì)鹽析的影響一般地說(shuō)，蛋白質(zhì)所帶凈電荷越多，它的溶解度越大；如果所帶的電荷減少至接近于零時(shí)溶解度最少，我們稱此時(shí)的pH值為該蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)(PI)。它們的減少順序是：磷酸鉀＞硫酸鈉＞硫酸銨＞檸檬酸鈉＞硫酸鎂。單價(jià)鹽如KCl，NaCl的鹽析效果一般比較差。下圖所示是幾種不同電解質(zhì)下，一氧化碳血紅蛋白溶解度曲線。離子強(qiáng)度的大小對(duì)蛋白質(zhì)的溶解度起著決定性的影響。每一組份被鹽析出來(lái)后。所以用不同離子強(qiáng)度分步鹽析的方法，就可以分離混合物中各種組份。 幾種蛋白質(zhì)在不同離子強(qiáng)度下的鹽析效應(yīng)見(jiàn)上圖，從圖中可以看出，當(dāng)硫酸按飽和度達(dá)到20%時(shí)，纖維蛋白原首先析出，飽和度增至28—33%時(shí)，血紅蛋白析出，飽和度再增至33—35%時(shí)，擬球蛋白析出，飽和度至50%以上，清蛋白析出，飽和度最后達(dá)到80%時(shí)，肌紅蛋白析出。一般來(lái)說(shuō)離子強(qiáng)度越大，蛋白質(zhì)的溶解度越低。 但如果這種蛋白質(zhì)在溶液中含量較低(設(shè)其濃度為C2)，則需要加人較多的中性鹽，蛋白質(zhì)才開(kāi)始沉淀。 LogC1＝226。7，鹽濃度的表示法鹽析法中的鹽濃度通常以鹽溶液的飽和度表示，飽和的溶液成為100%飽和度。廢水處理容易。對(duì)酶無(wú)毒性，應(yīng)用不受影響。5，鹽析用中性鹽的選擇（1）常用的中性鹽常用的中性鹽有MgSO(NH4)2SONa2SONaH2PO4。3，鹽析法的優(yōu)點(diǎn)成本低，不需要什么特別昂貴的設(shè)備；操作簡(jiǎn)單，安全；對(duì)許多生物活性物質(zhì)具有穩(wěn)定作用。一、鹽析法1，鹽析的定義在蛋白質(zhì)溶液中加入中性鹽使其沉淀析出的過(guò)程。沉淀法由于成本低、收率高(不會(huì)使蛋白質(zhì)等大分子失活)、濃縮倍數(shù)高和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是下游加工過(guò)程中應(yīng)用廣泛的值得注意的方法。 第三節(jié) 沉淀法沉淀法是最古老的分離和純化生物物質(zhì)的方法。但是，這些試劑容易引起生化物質(zhì)破壞，還會(huì)帶來(lái)分離和回收化學(xué)物質(zhì)的問(wèn)題。（10）化學(xué)法用酸堿及表面活性劑處理，可以使蛋白質(zhì)水解，細(xì)胞溶解或使某些組分從細(xì)胞內(nèi)滲漏出來(lái)。冷凍干燥適用于較不穩(wěn)定的生化物質(zhì)?？諝飧稍镏饕m用于酵母菌。另外，還可能引起對(duì)凍融敏感的某些蛋白質(zhì)的變性。對(duì)于細(xì)胞壁較脆弱的菌體，可采用此法。 （8）凍結(jié)融化法將細(xì)胞放在低溫下突然冷凍和室溫下融化，反復(fù)多次而達(dá)到破壁作用。 （7）滲透壓沖擊是較溫和的一種破碎方法，將細(xì)胞放在高滲透壓的介質(zhì)中(如一定濃度的甘油或蔗糖溶液)，入達(dá)到平衡后，介質(zhì)被突然稀釋，或者將細(xì)胞轉(zhuǎn)入水或緩沖液中，由于滲透壓的突然變化，水迅速進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，引起細(xì)胞壁的破裂。影響自溶過(guò)程的因素有溫度、時(shí)間、pH緩沖液濃度、細(xì)胞代謝途徑等。溶菌酶是應(yīng)用最多的酶，它能專一地分解細(xì)胞壁上糖蛋白分子的α1，4糖苷鍵，使脂多糖解離，經(jīng)溶菌酶處理后的細(xì)胞移至低滲溶液中使細(xì)胞破裂。優(yōu)點(diǎn)：專一性強(qiáng)，發(fā)生酶解的條件溫和。該法不適于大規(guī)模操作，因?yàn)榉糯蠛?，要輸入很高的能量?lái)提供必要的冷卻，這是困難的。 （4）超聲波法細(xì)胞的破碎是由于超聲波的空穴作用，從而產(chǎn)生一個(gè)極為強(qiáng)烈的沖擊波壓力，由它引起的粘滯性旋渦在介質(zhì)中的懸浮細(xì)胞上造成了剪切應(yīng)力，促使細(xì)胞內(nèi)液體發(fā)生流動(dòng)，從而使細(xì)胞破碎。細(xì)胞破碎是由于冰晶體的磨損，包埋在冰中的微生物的變形所引起的。這些裝置的主要缺點(diǎn)是在破碎期間樣品溫度迅速升高，通過(guò)用二氧化碳來(lái)冷卻容器可得到部分解決。對(duì)于胞外產(chǎn)物只需直接將發(fā)酵液預(yù)處理及過(guò)濾，獲得澄清的濾液，作為進(jìn)一步純化的出發(fā)原液，對(duì)于胞內(nèi)產(chǎn)物，則需首先收集菌體進(jìn)行細(xì)胞破碎，使代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)入液相中，然后，再進(jìn)行細(xì)胞碎片的分離。 三、微生物細(xì)胞的破碎微生物的代謝產(chǎn)物有的分泌到細(xì)胞或組織之外，例如細(xì)菌產(chǎn)生的堿性蛋白酶，霉菌產(chǎn)生的糖化酶等，稱為胞外產(chǎn)物。 （3）離心分離 ①優(yōu)點(diǎn)：②分離速度快，效率高； ③操作時(shí)衛(wèi)生條件好等優(yōu)點(diǎn)； ④適合于大規(guī)模的分離過(guò)程。放線菌發(fā)酵液可采用這種方式過(guò)濾。而對(duì)菌體較細(xì)或粘稠的發(fā)酵液不太適用。 （2）鼓式真空過(guò)濾機(jī)鼓式真空過(guò)濾機(jī)能連續(xù)操作，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，但是壓差較小，主要適用于霉菌發(fā)酵液的過(guò)濾。其優(yōu)缺點(diǎn)概括如下：優(yōu)點(diǎn)：①板框壓濾機(jī)的過(guò)濾面積大；②過(guò)濾推動(dòng)力(壓力差)能較大幅度地進(jìn)行調(diào)整，并能耐受較高的壓力差；③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低；④動(dòng)力消耗少等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于難過(guò)濾的枯草桿菌發(fā)酵液，可設(shè)計(jì)一種特別薄的板框以減小濾餅的阻力。自動(dòng)板框過(guò)濾機(jī)是一種較新型的壓濾設(shè)備，它使板框的拆裝，濾渣的脫落卸出和濾布的清洗等操作都能自動(dòng)進(jìn)行，大大縮短了非生產(chǎn)的輔助時(shí)間和減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。常用于發(fā)酵液的分離設(shè)備有：板框壓濾機(jī)、鼓式真空過(guò)濾機(jī)、離心沉降分離機(jī) （1）板框壓濾機(jī)板框壓濾機(jī)的過(guò)濾面積大，過(guò)濾推動(dòng)力(壓力差)能較大幅度地進(jìn)行調(diào)整，并能耐受較高的壓力差，故對(duì)不同過(guò)濾特性的發(fā)酵液適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低，動(dòng)力消耗少等優(yōu)點(diǎn)，因此，目前，國(guó)內(nèi)廣泛被采用。例如萬(wàn)古霉素用淀粉作培養(yǎng)基，加入淀粉酶后，能使過(guò)濾速度加快。正確選擇反應(yīng)劑和反應(yīng)條件，能使過(guò)濾速度提高3~10倍。多余的磷酸根離子，還能除去鈣、鎂離子。一方面作為助濾劑，另一方面還可使某些蛋白質(zhì)凝固。（2）填充凝固劑 改善過(guò)濾性能較好的方法是加入一些反應(yīng)劑，它們能相互作用，或和某些溶解性鹽類發(fā)生反應(yīng)生成不溶解的沉淀(CaSO4，AlPO4等)。加入助濾劑可以解決這一問(wèn)題常用的過(guò)濾助劑有：硅藻土、珍珠巖、磨碎的木漿、淀粉助濾劑的加入有兩種方法：①在濾布上預(yù)先鋪一層助濾劑(1~2mm)，該方法，會(huì)使濾速降低，但濾液透明度②直接加入發(fā)酵液中（助濾劑的用量，有一條經(jīng)驗(yàn)規(guī)則可供參考，即助濾劑用量若等于懸浮液中固體含量時(shí)，濾速最快。過(guò)濾助劑可解決兩個(gè)問(wèn)題①濾餅的可壓縮性問(wèn)題②小粒子如菌絲碎片和細(xì)菌細(xì)胞，會(huì)滲入到轉(zhuǎn)鼓真空過(guò)濾預(yù)覆蓋層內(nèi)部。2，改善過(guò)濾性能的方法發(fā)酵工業(yè)中用于改善發(fā)酵液過(guò)濾性能的方法通常有：等電點(diǎn)、蛋白質(zhì)變性、吸附、凝聚和絮凝、加入助濾劑、直接在發(fā)酵液中形成填充凝固劑、酶解作用。在菌體絲自溶前必須放罐，因?yàn)榧?xì)胞自治后的 分解產(chǎn)物一股很難過(guò)濾。（2）培養(yǎng)基的組成對(duì)過(guò)濾速度影響用黃豆粉、花生粉作氮源、淀粉作碳源會(huì)使過(guò)濾困難；發(fā)酵后期加消泡油或剩余大量末用完的培養(yǎng)基也會(huì)使過(guò)濾困難。~，還含有很多多糖類物質(zhì)，粘性強(qiáng)，過(guò)濾較困難，一般需經(jīng)預(yù)處理，以凝固蛋白質(zhì)等膠體。其濾渣呈緊密餅狀物，很容易從濾布上刮下來(lái)，故可采用鼓式真空過(guò)濾機(jī)過(guò)濾。（1）菌種對(duì)過(guò)濾速度影響真菌的菌絲比較粗大，如青霉菌的菌絲直徑可達(dá)10236。在過(guò)濾操作中，要求濾速快，濾液澄清并且有高的收率。絮凝技術(shù)預(yù)處理發(fā)酵液的優(yōu)點(diǎn)不僅在于過(guò)濾速度的提高，還在于能有效地去除雜蛋白質(zhì)和固體雜質(zhì)，如菌體、細(xì)胞和細(xì)胞碎片等，提高了濾液質(zhì)量二、 發(fā)酵液的過(guò)濾微生物發(fā)酵液中含有大量菌體、細(xì)胞或細(xì)胞碎片以及殘余的固體培養(yǎng)基成分。例如，采用堿式氯化鋁和陰離子聚丙烯酰胺搭配使用的混凝方法處理2709堿性蛋白酶發(fā)酵液，發(fā)酵液pH對(duì)陰離子聚丙烯酰胺絮凝效果的影響如下圖所示。適宜的加量通常由實(shí)驗(yàn)得出，雖然高分子絮凝劑分子量提高，鏈增長(zhǎng)，可使架橋效果明顯，但是，分子量不能超過(guò)一定的限度，因?yàn)殡S分子量提高，高分子絮凝 劑的水溶性降低，因此分子量的選擇應(yīng)適當(dāng)溶液pH的變化常會(huì)影響離子型絮凝劑中功能團(tuán)的電離度，從而影響分子鏈的伸展形態(tài)。料液中，絮凝劑濃度增加有助于架橋充分，但是過(guò)多的加量反而會(huì)引起吸附飽和，在每個(gè)膠粒上形成覆蓋層而使膠粒產(chǎn)生再次穩(wěn)定現(xiàn)象。（3）常用的絮凝劑聚丙烯酰胺、聚乙烯亞胺、聚胺衍生物、氯化鈣、磷酸氫二鈉（4）影響絮凝的因素雖然絮凝的機(jī)理目前還不十分清楚，但是已知道絮凝效果與絮凝劑的加量、分子量和類型，溶液的pH，攪拌速度和時(shí)間等因素有關(guān)。（2）方法在稀溶液中加入電解質(zhì)以促進(jìn)凝聚和絮凝。（1）機(jī)理電解質(zhì)將膠體粒子表面上的電荷中和，減少存在于膠體粒子間的靜電斥力，使倫敦凝聚是在中性鹽作用下，由于雙電層排斥電位的降低，而使膠體體系不穩(wěn)定的現(xiàn)象。（3）鐵離子，可加入黃血鹽，使形成普魯士藍(lán)沉淀。（2）鎂離子，可用三聚磷酸鈉它和鎂離子形成可溶性絡(luò)合物，用磷酸鹽處理，也能大大降低鈣離子和鎂離子的濃度。如四環(huán)類抗生素廢液中，加入硫酸鉛，在60℃下反應(yīng)生成草酸鉛。反應(yīng)生成的草酸鈣還能促使