生物分离工程第5章-初级分离.ppt

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1、初级分离,第五章,初级分离：是指从菌体发酵液、细胞培养液、胞内提取液（细胞破碎液）及其他各种生物原料中，初步提取目标产物，使目标产物得到浓缩和初步分离的下游加工过程。初级分离的对象具有体积大、杂质含量高等特点，因此初级分离技术应具有操作成本低、适合大规模生产的优势。初级分离方法：固液分离（离心、过滤）、膜分离、萃取、吸附、沉淀分级和泡沫分离等。,第一节 杂质种类,高价无机离子（Ca2+、Mg2+、Fe2+）杂蛋白,在采用离子交换纯化时，会影响树脂对生化物质的交换容量。,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。在常规过滤

2、或膜过滤时，易使过滤介质堵塞或受污染，影响过滤效率。,c.多糖d.色素,（一）高价无机离子的去除方法,Ca2+草酸、草酸钠，形成草酸钙沉淀（注意回收草酸）；Mg2+三聚磷酸钠，形成三聚磷酸钠镁可溶性络合物；Fe2+黄血盐，普鲁士兰沉淀,（二）杂蛋白的去除方法,等电点沉淀：蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中。在酸性溶液中带正电荷；在碱性溶液中带负电荷。在某一pH下，净电荷为零，溶解度最小，称为等电点。,1.沉淀法：等电点沉淀、酸碱沉淀,在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子，如三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等形成沉淀；在碱性溶液中，蛋白质与一些阳离子，如Ag+、Cu2+、Zn

3、2+、Fe3+和Pb2+等形成沉淀。,酸碱沉淀：使蛋白质与盐或离子形成沉淀。,2.变性法,加热；大幅度调节pH值；加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。,不足之处,加热法只适合于对热较稳定的目的产物；极端pH值也会导致某些目的产物失活，且要消耗大量酸碱；有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。,加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。在四环素类抗生素中，采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成亚铁氰化锌钾的胶状沉淀来吸附蛋白质；在枯草杆菌发酵液中，加入氯化钙和磷酸氢二钠，两者生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其他不溶性粒子吸附并包裹在其中除去。这些沉淀方法既可以作为除杂质的方法，也可以作为提

4、取目标产物的技术手段。,3.吸附法,酶解法可将混合液中的不溶性多糖物质酶解，使其转化为溶解度较大的单糖，从而改变流体的流动特性，提高过滤速率。例如：万古霉素用淀粉作培养基，发酵完成后，发酵液中多余的淀粉使混合液粘度较大，当加入0.025的淀粉酶后，搅拌30min，再加2.5助滤剂（硅藻土），可使过滤速率提高5倍。,（三）多糖的去除,发酵液中有色物质可能是由于微生物生长代谢过程分泌的，也可能是培养基（如糖蜜、玉米浆等）带来的，色素物质化学性质的多样性增加了脱色的难度。色素物质的去除，一般以使用离子交换树脂、离子交换纤维、活性炭等材料的吸附法来脱色最为普遍。例如活性炭可用于柠檬酸发酵液的脱色，盐型

5、强碱性阴离子交换树脂可用于解朊酶和果胶酶溶液的脱色，磷酸型阴离子交换树脂被用于谷氨酸发酵液的脱色等。一般发酵液的脱色往往是在过滤除去菌体后进行。,（四）有色物质的去除,第二节 沉淀分级,沉淀（precipitation）是指由于物理环境的变化，使溶液中的溶质由液相变成固相析出的过程。采用沉淀的手段，主要是为了通过沉淀达到浓缩的目的，或者通过沉淀，固液分相后，除去留在液相或沉积在固体中的非必要成分；其次，沉淀可以将已纯化的产品由液态变成固态，加以保存或进一步处理。沉淀方法用于分离纯化是有选择性的，即有选择地沉淀杂质或有选择地沉淀所需成分。,生物分子在水中形成稳定的溶液是有条件的，这些就是溶液的各

6、种理化参数。任何能够影响这些条件的因素都会破坏溶液的稳定性。沉淀法就是采用适当的措施改变溶液的理化参数，控制溶液的各种成分的溶解度，从而将溶液中的欲提取的成分和其它成分分开的技术。,沉淀和结晶的区别:形态：不定形成分纯度：纯度较低操作方式可分连续法或间歇法两种，规模较小时，常采用间歇法。,沉淀法操作步骤：加入沉淀剂。沉淀剂的陈化，促进粒子生长；离心或过滤，收集沉淀物。加沉淀剂的方式和陈化条件对产物的纯度、收率和沉淀物的形状都有很大影响。,沉淀技术分离生化产物的典型例子是蛋白质的分离提取。优点：设备简单、成本低、原材料易得、便于小批量生产；缺点：所得沉淀物可能聚集有多种物质，或含有大量的盐类，或

7、包裹着溶剂，产品纯度常比结晶法低，过滤也较困难。,eg.从血浆中通过5步沉淀生产纯度高达99%的免疫球蛋白和96%99%的白蛋白。,图1 利用蛋白质沉淀大规模提纯白蛋白与免疫球蛋白的工艺流程图,沉淀法分离蛋白质的特点：生产前期可使原料液体体积很快减小1050倍，从而简化生产工艺、降低生产费用；使中间产物保持在一个中性温和的环境；可及早将目标蛋白从其与蛋白水解酶混合液中分离出来，避免蛋白质的降解，提高产物稳定性；用蛋白质沉淀法作为色谱分离的前处理技术，可使色谱分离使用的限制因素降低到最少。,蛋白质的溶解特性,蛋白质的溶解行为是一个独特的性质，由其组成、构象以及分子周围的环境所决定。蛋白质在自然环

8、境中通常是可溶的，所以其大部分是亲水的，但其内部大部分是疏水的。一般而言，小分子蛋白质比起在化学上类似的大分子蛋白质更易溶解。,图2 蛋白质分子表面的憎水区域和荷电区域,表1 影响蛋白质溶解度的参数,蛋白质胶体溶液的稳定性,蛋白质周围的水化层（hydration shell)可以使蛋白质形成稳定的胶体溶液。蛋白质分子间静电排斥作用。（存在双电层）因此，可通过降低蛋白质周围的水化层和双电层厚度（电位）降低蛋白质溶液的稳定性，实现蛋白质的沉淀。,蛋白质可以看作是一个表面分布有正、负电荷的球体，这种正、负电荷是由氨基和羧基的离子化形成的，换句话说，该球体是带有均衡电荷分布的胶体颗粒。因此，蛋白质的沉

9、淀，实际上与胶体颗粒的凝聚和絮凝现象相似。,蛋白质粒子在水溶液中是带电的，带电的原因主要是吸附溶液中的离子或自身基团的电离。因溶液是电中性的，水中应有等当量的反离子存在。蛋白质表面的电荷与溶液中反离子的电荷构成双电层。,图3,吸引力,颗粒间的相互作用颗粒间的相互作用的位能取决于离子强度。Van der Waals 力Keeson 引力（偶极力）Debye 引力（诱导力）London 引力（色散力）是最重要的一种引力，因为所有分子都是可以被极化的，所以它是普遍存在的。,DLVO理论,颗粒间的相互作用的位能取决于离子强度。在低离子强度时，颗粒距离处在中间状态，双电层斥力占优势，可看为一个凝聚的势垒

10、；在高离子强度时，吸引力超过排斥力，相互间的总位能表现为吸引位能。虽然这个理论所假定的条件并不完全适合于蛋白质分子，但该理论对于理解破坏蛋白质溶液的稳定性仍有很大帮助，同时还有助于针对具体蛋白质选择最合适的沉淀剂及技术。,其他沉淀法,金属沉淀法,聚电解质沉淀法,非离子型聚合物沉淀法,蛋白质沉淀方法,有机溶剂盐析法,等电点沉淀法,中性盐盐析法,一、中性盐盐析法,当中性盐加入蛋白质分散体系时可能出现以下两种情况：（1）“盐溶”现象(salting-in)低盐浓度下，蛋白质溶解度增大。（2）“盐析”现象(salting-out)高盐浓度下，蛋白质溶解度随之下降。,中性盐盐析法：破坏水化层、中和表面电

11、荷,图4 中性盐盐析法机理示意图,离子强度对盐析过程的影响,Cohn经验公式S蛋白质溶解度，mol/L;I离子强度 c:离子浓度；Z：离子化合价,，Ks常数,和Ks的物理意义,盐浓度为0时，蛋白质溶解度的对数值。与蛋白质种类、温度、pH值有关，与盐无关；Ks盐析常数，与蛋白质和无机盐的种类有关，与温度、pH值无关。,常数Ks代表图中直线的斜率；代表截距，即当离子强度为零，也就是纯水中的假想溶解度的对数。从一些实验结果表明，Ks与温度和pH无关，但和蛋白质与盐的种类有关。但这种变化不是很大，例如以硫酸铵作为沉淀剂时，Ks值对不同的蛋白质来说，其变化不会超过1倍。组成相近的蛋白质，分子量越大，沉淀

12、所需盐的量越少；蛋白质分子不对称性越大，也越易沉淀。,影响盐析的因素,溶质种类的影响：Ks和值溶质浓度的影响：蛋白质浓度大，盐的用量小，但共沉作用明显，分辨率低；蛋白质浓度小，盐的用量大，分辨率高；pH值：影响蛋白质表面净电荷的数量通常调整体系pH值，使其在pI附近；盐析温度：一般在高盐浓度下，温度升高，其溶解度反而下降,用盐析法分离蛋白质的二种方法,在一定的 pH值及温度条件下，改变盐的浓度（即离子强度）达到沉淀的目的，称为“s”分级盐析法。（Ks盐析：固定pH,温度，改变盐浓度）在一定的离子强度下，改变溶液的pH值及温度，达到沉淀的目的，称为“”分级盐析法。（盐析：固定离子强度，改变pH及

13、温度。）,其中，Ks盐析法（改变盐浓度）由于蛋白质对离子强度的变化非常敏感，易产生共沉淀现象，因此常用于提取液的前处理。而盐析法（改变pH及温度）由于溶质溶解度变化缓慢，且变化幅度小，因此分辨率更高，常用于初步的纯化。,盐析用盐的选择,在相同离子强度下，盐的种类对蛋白质溶解度的影响有一定差异，一般的规律为：半径小的高价离子的盐析作用较强，半径大的低价离子作用较弱 磷酸钾硫酸钠硫酸铵柠檬酸钠硫酸镁,选用盐析用盐的几点考虑,盐析作用要强盐析用盐需有较大的溶解度，能配制高浓度盐析用盐必须是惰性的来源丰富、经济,常用于蛋白质沉淀的盐为硫酸铵、硫酸钠和氯化钠。硫酸铵在水中的溶解度很高但具腐蚀性，偏酸性，

14、溶解后溶液pH下降，高pH会释放氨。后处理困难，残留在食品中影响风味，在临床医疗上有毒性，必须完全去除。硫酸钠虽无腐蚀性但低于400C就不易溶解，因此只适用于热稳定性较好的蛋白质的沉淀过程。氯化钠需要高浓度，1.5-2M。,Hofmeister对一系列离子沉淀蛋白质的能力进行排序，称Hofmeister序列，或感胶离子序。阴离子：柠檬酸根-3酒石酸根-3 F-I03-H2P04-S04-CH3C00-Cl-Cl03-Br-N03-Cl04-I-CNS-；阳离子：Th4+Al3+H+Ba2+Sr2+Ca2+Cs+Rb+NH4+K+Na+Li+。,图5 碳血红蛋白在不同盐溶液中的盐溶和盐析,左图表

15、示对卵清蛋白和碳氧血红蛋白进行盐析时，随pH的变化。由于代表溶解度的对数，故 变化一个单位，溶解度就变化 10倍。通常在等电点附近有极小值。两种蛋白质的相对溶解度会随pH而变化很大；例如从图上可见，当 pH从5变到6时，在一定盐浓度下，两种蛋白质溶解度之比的变化可达几千倍。,pH的影响,盐析后得到的产物，一般需要脱盐（透析、凝胶过滤等）处理，才能进行后续的分离操作。,二、等电点沉淀法,蛋白质等电点沉淀法是基于不同蛋白质离子具有不同等电点这一特性，依次改变溶液pH值的办法，将杂蛋白沉淀除去，最后获得目标产物。,机理：较低离子强度的溶液中，蛋白质溶解度较低；在等电点处，蛋白质所带静电荷为零，蛋白质

16、间静电排斥力最小，溶解度最低。,（1）适用于疏水性强的蛋白质。而亲水性的蛋白质溶解度高，在等电点处不容易沉淀出来。（2）采用低离子强度。中性盐浓度增大时，等电点向偏酸方向移动，同时最低溶解度会有所增大。（3）蛋白的等电点通常在酸性范围内，所以主要是加入无机酸（盐酸、硫酸、磷酸等）进行调节，价格便宜，无毒（4）pH不能过低，因为蛋白质对低pH 敏感，易失活（5）与盐析法相比，不需要进行后续的脱盐操作。,许多能与水互溶的有机溶剂如乙醇、丙酮、甲醇和乙腈，常用于低盐浓度下沉淀蛋白质。,三、有机溶剂沉淀法,图7 pH4.8时人白蛋白在乙醇-水溶液中的溶解度,加入溶剂后会使水溶液的介电常数降低，而使蛋白

17、质分子间的静电引力增大，导致凝集和沉淀。蛋白质的溶剂化，使原来和蛋白质结合的水被溶剂所取代，从而降低了它们的溶解度。有机溶剂可能破坏了蛋白质的某种键如氢键，使其空间结构发生某种程度的变化，致使一些原来包在内部的疏水基团暴露于表面，并与有机溶剂的疏水基团结合形成疏水层，从而使蛋白质沉淀。,机理分析进展,不同有机溶剂沉淀蛋白质的效率受多方面的影响，需通过试验加以选择。大致上以丙酮最佳，乙醇次之，甲醇更次。蛋白质分子量越高，越容易沉淀出来，所需有机溶剂也越少。在低离子强度和等电点附近，容易沉淀。,有机溶剂沉析的特点,分辨率高；溶剂容易分离，并可回收使用；产品洁净，不需要脱盐处理；容易使蛋白质等生物大

18、分子失活；应注意在低温下操作；成本高,运用有机溶剂沉淀蛋白质应注意的因素：温度：低温 乙醇浓度；pH值：等电点 蛋白质浓度。,20世纪60年代非离子型聚合物开始用于分离血纤维蛋白原和免疫球蛋白，从此高相对分子质量非离子聚合物沉淀蛋白质的方法被广泛使用，如：聚乙二醇（PEG）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、葡聚糖等。,四、非离子型聚合物沉淀法,图8 蛋白质浓度对用PEG6000沉淀酵母醇脱氢酶时的影响,基于体积不相容性，即PEG分子从溶剂中空间排斥蛋白质，优先水合作用的程度取决于所用PEG的分子大小和浓度，排斥体积与PEG分子大小的平方根有关。,PEG沉淀作用的机理,体系的温度只需控制在室温条件下；

19、沉淀的颗粒较大，产物易收集；PEG非但不会使大多数蛋白质变性，且可提高其稳定性。,优点,缺点,PEG难从蛋白质溶液中除去。,聚电解质是含有重复离子化基团的水溶性聚合物，可用于蛋白质沉淀的聚电解质有聚丙烯酸、聚乙烯亚胺、羧甲基纤维素和离子型多糖如肝素等。机理：蛋白质分子的相反电荷与聚电解质结合，形成一个多分子络合物，类似于絮凝，起架桥作用，当络合物超过游离蛋白质的溶解度极限值时，就发生沉淀。另外，还有盐析和降低水化程度的作用。,五、聚电解质沉淀法,1.能与羧基、胺基等含氮化合物以及含氮杂环化合物强烈结合的金属离子，如：Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+；,六、金

20、属沉淀法,沉淀机理：金属离子与蛋白质分子中的特殊部位起反应造成的。,金属离子沉淀蛋白质可分为三类：,2.能与羧酸结合而不与含氮化合物结合的金属离子，如：Ca2+、Ba2+、Mg2+、Pb2+；3.与巯基化合物强烈结合的金属离子，如：Hg2+、Ag+、Pb2+。实际使用时，金属离子的浓度常为0.02 mol/L。,Zn2+沉淀尿激酶,近来，对于金属离子沉淀蛋白质的概念有所扩大，开始使用金属的螯合物来进行沉淀，如：用锌的螯合物与基因工程的聚组胺酸肽段相结合，从而使蛋白质沉淀。优点：可使浓度很低的蛋白质沉淀出来。金属离子可以通过离子交换或者螯合剂除去。,其它沉淀方法1.亲和沉淀,亲和沉淀是利用蛋白质

21、与特定的生物的或合成的分子(免疫配位体、基质、辅酶等)之间高度专一性的相互作用而设计出来的一种特殊选择性的分离技术。该方法提供了一个从复杂混合物中分离提取出单一产品的有效方法。其沉淀原理不是依据蛋白质溶解度的差异，而是依据“吸附”有特殊蛋白质的聚合物的溶解度的大小。,初始阶段：将一个目标蛋白质与键合在可溶性载体上的亲和配体络合成沉淀；所得沉淀物用一种适当的缓冲溶液进行洗涤，洗去可能存在的杂质；用一种适当的试剂将目标蛋白质从配体中离解出来。,该技术的三个步骤：,表2 亲和沉淀纯化蛋白质的实例,2.选择性变性沉淀法,选择一定的条件使溶液中存在的某些杂蛋白等杂质变性沉淀下来，而与目的物分开，这种分离

22、方法就称为选择性变性沉淀法。,（1）例如对于-淀粉酶等热稳定性好的酶，可以通过加热进行热处理，使大多数杂蛋白受热变性沉淀而被除去。（2）根据欲分离物质所含杂质的特性，通过改变pH值或加进某些金属离子等使杂蛋白变性沉淀而被除去。,3.选择性溶剂沉淀法,核酸的沉淀分离，可以选择适宜的溶剂进行处理，使蛋白质等杂质变性沉淀而获得核酸，这种方法又称为选择性溶剂沉淀法。,（1）在核酸提取液中加入氯仿-戊醇或氯仿-辛醇，振荡一段时间、使蛋白质在氯仿-水的界面上形成沉淀而被除去，核酸仍然留在水溶液中。（2）在对氨基水杨酸等阴离子化合物存在的条件下，用苯酚-水溶液提取核酸，DNA、RNA存在于水溶液中，而蛋白质

23、在苯酚层中形成沉淀而被除去；（3）在DNA、RNA混合溶液中，用异丙醇选择性地沉淀DNA，而RNA留在溶液中。,选择沉淀方法的依据,选择沉淀方法时，应从以下几方面综合考虑：沉淀剂是否会引起蛋白质分子破坏；沉淀剂本身的性质；沉淀操作的成本、难易程度；残留沉淀剂的去除难度，最终产品的产率及纯度的要求等。,沉淀法应用,利用蛋白质沉淀大规模提纯蛋白与免疫球蛋白的工艺柠檬酸的生产萃取-沉淀法提取分离茶多酚,标准沉淀法回收柠檬酸流程图,加热到70度,新工艺的主要种类,我国从上世纪60年代就开始研究非钙盐法的提取工艺，近三、五年取得了实质性突破。根据行业科技交流刊物的报道，已进行过中试或生产规模试验的技术有

24、三类：（1）是中国科学院和阜阳柠檬酸厂合作的“工业离子色谱法（ILCS）法”（离色法）；（2）另一种是江南大学的“连续变温逆流色谱分离法”（色谱法）；（3）还有天津科技大学的“吸附交换分离法”（吸交法）。,沉淀法生产茶多酚的一般工艺路线,萃取法生产茶多酚的一般工艺路线,萃取-沉淀法提取茶多酚工艺图,采用萃取-沉淀法由茶叶中分离提取茶多酚的收率较之于单纯的萃取法或沉淀法都要好。提取处理时比较适宜条件为：80乙醇作为浸提溶剂，萃取回流时间在2h左右，萃取介质的pH值在34，以ZnCl2作为沉淀剂处理浓缩液，6mol/L HCl对沉淀进行转溶处理。最后得到的茶多酚粗品中含量约在70，呈棕色结晶性粉末

25、；精茶多酚中茶多酚含量在85 以上，呈浅黄色结晶。,泡沫分离（foam separation）：是根据表面吸附的原理，利用通气鼓泡在液相中形成的气泡为载体，对液相中的溶质或颗粒进行分离。,第三节 泡沫分离法,1915年用于矿物浮选；50年代用于分离金属离子的研究；60年代采用泡沫分离法脱除洗涤剂工厂污水中的表面活性剂获得成功；1977年报道泡沫分离法用于DNA、蛋白质及液体卵磷脂等生物活性物质的分离。,概述,泡沫分离法的分类,泡沫分离是以气泡为介质，利用组分的表面活性差进行分离的一种分离方法,泡沫分离：按分离对象是溶液还是含有固体离子的悬浮液、胶体溶液，泡沫分离可分成：泡沫分馏（Foam Fr

26、actionation）泡沫浮选（Foam Flotation）,泡沫分离法的分类,泡沫分馏用于分离溶解物质，它们可以是表面活性剂，或者可与表面活性剂结合的物质，当料液鼓泡时能进入液层上方的泡沫层而与液相主体分离。泡沫浮选用于分离不溶解的物质，按照被分离对象是分子还是胶体，是大颗粒还是小颗粒等，又可分为矿物浮选、粗粒浮选、微粒浮选、粒子浮选、分子浮选、沉淀浮选和吸附胶体浮选。,泡沫分离法的分类,无泡沫分离：是指用鼓泡进行分离，但不一定形成泡沫层，可分为鼓泡分馏和溶媒浮选。鼓泡分馏是从它设备底部通气鼓泡，表面活性物质被气泡富集并上升至塔顶，和液相主体分离，使得溶质得到浓缩，液相主体被净化。溶媒浮

27、选是在溶液顶部设置有一种与其互不相溶的溶剂，用它来萃取或富集有塔底鼓出的气泡所吸附的表面活性物质。,泡沫分离法的分类,泡沫分离过程是利用待分离物质本身具有表面活性或能与表面活性剂结合在一起，在鼓泡塔中被吸附在气泡表面，得以富集，借气泡上升带出溶剂主体，达到净化主体液、浓缩待分离物质的目的。,泡沫分离技术的基本原理,泡沫分离作用主要取决于组份在气液界面上吸附的选择性和程度，本质是各种物质在溶液中的表面活性的差异。,泡沫分离技术的基本原理,（1）表面活性剂及其界面特性表面活性剂溶入溶液后表现出两个基本性质：1 水溶液中溶解行为是很快地聚集在水面并形成亲水基团在水中，亲油基伸向气相的定向单分子排列，

28、使空气和水的接触面减小，从而使表面张力急剧下降，同时，多余的分子则在溶液内部形成分子状态的聚集体胶束，并分布在液相主体内；2 超过表面活性剂形成胶束的最低浓度后，溶液表面张力不再降低,但在相界面上，由于上述定向排列的单分子层的作用，具有选择性的定向吸附作用，会显著地改变原溶液的界面的性质，造成各种界面作用，泡沫分离就是充分利用表面活性剂的界面作用发展起来的一种新型的分离方法。,泡沫分离技术的基本原理,（2）、Gibbs(吉布斯)等温吸附方程,为吸附溶质的表面过剩量，即单位面积上吸附溶质的摩尔数与主体溶液浓度之差,对于稀溶液即为溶质的表面浓度，可通过(溶液的表面张力)与浓度c(溶质在主体溶液中的

29、平衡浓度)来求得；/c为吸附分配因子。如果溶液中含离子型表面活性剂，则,泡沫分离技术的基本原理,（2）、Gibbs(吉布斯)等温吸附方程,n为与离子型表面活性剂的类型有关的常数。例如为完全电离的电解质类型n2；在电解质类型溶液中还添加过量无机盐时n1。,溶液中表面活性剂浓度c和表面过剩量的相互关系可用右图表示。在b点之前，随着溶液中表面活性剂浓度c增加，成直线增加：,=Kc,b点后溶液饱和，多余的表面活,性剂分子开始在溶液内部形成“胶束”，b点的浓度称为临界浓度(CMC)，此值一般为0.010.02mol/L左右，分离最好在低于CMC下进行。对于非离子型表面活性剂，上图曲线更接近于Langmu

30、ir等温方程：,=K/K,泡沫分离技术的基本原理,（3）、泡沫的形成与性质,泡沫的形成和组成部分泡沫是由被极薄的液膜所隔开的许多气泡所组成的。,当气体在含表面活性剂的水溶液中发泡时，首先在液体内部形成被气裹的气泡，与此瞬时，溶液表面活性剂分子立即在气泡表面排成单分子膜，亲油基指向气泡内部，亲水基指向溶液。,泡沫分离技术的基本原理,气泡借助浮力上升，冲击溶液表面的单分子膜。,某些情况下，气泡可以跳出液体表面，此时，该气泡表面的水膜外层上，形成与液体内部单分子膜的分子排列完全相反的单分子膜，从而构成了较为稳定的双分子层气泡体，在气相空间形成接近于球体的单个气泡。,许多气泡聚集成大小不同的球状气泡集

31、合体，更多的集合体聚集在一起形成泡沫。形成泡沫的气泡集合体包括两个部分：一是泡，两个或两个以上的气泡；二是泡与泡之间以及少量液体构成的隔膜（液膜），是泡沫的骨架。,泡沫分离技术的基本原理,（3）、泡沫的形成与性质,泡沫的稳定及层内排液 泡沫不是很稳定的体系，气泡与气泡之间仅以薄膜隔开，此隔膜也会因彼此压力不均或间隙液的流失等原因而发生破裂，导致气泡间的合并现象，或由于小气泡的压力比大气泡高，因此气体可以从小气泡通过液膜向大气泡扩散，导致大气泡变大，小气泡变小，以至消失。泡沫的稳定性一般与溶质的化学性质和浓度，系统温度和泡沫单体大小、压力、溶液pH值有关。表面活性剂的浓度愈是接近临界浓度，气泡愈

32、小，气泡的寿命愈长。,泡沫分离操作方式及其影响因素,（1）泡沫分离的操作方式,泡沫分离的操作是由两个基本过程组成：1 待分离的溶质被吸附到气液界面上；2 对被泡沫吸附的物质进行收集并用化学、热或机械的方法破坏泡沫，将溶质提取出来。因此它的主要设备为泡沫塔和破沫器。,泡沫分离操作方式及其影响因素,泡沫分离操作方式及其影响因素,（2）影响泡沫分离的因素,待分离物质的种类例如对金属离子的分离：一种方法是加入表面活性剂，使其与待分离离子一起被气泡带到液面予以分离；另一种方法是把溶液调节至适当的PH值，使待分离物质形成沉淀，并与表面活性剂一起被气泡带到泡沫层而分离。,泡沫分离操作方式及其影响因素,（2）

33、影响泡沫分离的因素,溶液PH值溶液PH值对分离效果影响很大。对于天然表面活性物质，如蛋白质的泡沫分离，在等电点时效率最高；对于非表面活性物质，可控制在某一PH下使其/c（吸附分配因子）最大，这样可从离子混合物中分离个别离子。,泡沫分离操作方式及其影响因素,（2）影响泡沫分离的因素,表面活性剂浓度 表面活性剂的浓度不宜超过CMC，但也不能太低，使泡沫层不稳定，太高使分离效率下降。温度 首先温度应达到表面活性剂的起泡温度，保持泡沫的稳定性；其次，还要根据吸附平衡的类型来选择温度的高低。,泡沫分离操作方式及其影响因素,（2）影响泡沫分离的因素,气流速度 气流速度上升，泡沫形成速度上升，则单位时间的去

34、除率也上升，但泡沫中间歇液的含量也上升，因而降低了塔顶泡沫液的浓度。气流速度过大时，泡沫中气液分离则易形成乳化气体，对操作不利。离子强度 很多泡沫体系对离子强度很敏感，离子强度增加，效率很快下降，这是由于相同电荷离子的竞争吸附引起的。,泡沫的性质泡沫层高排沫方式搅拌,泡沫分离操作方式及其影响因素,（2）其他因素,泡沫分离在表面活性物质存在的条件下进行。表面活性强的物质优先吸附于分散相（气相）与连续相（液相）的界面处，被气泡带出连续相而达到浓缩。日常生活中的洗涤作用就是根据泡沫分离的原理。蛋白质、细胞和细胞碎片是天然的表面活性物质，所以可以利用泡沫吸附进行分离和浓缩。,1）细胞收集或去除 用鼓泡

35、法从发酵液或细胞悬浮液分离细菌和酵母的细胞有较多的研究，还有一些从培养液中收集孢子、藻类细胞或从废水中除去微生物细胞的报道。2）蛋白质和多肽、酶的提取分离 处于研究阶段，未见应用报道3）中药有效成分的分离提取 中药含有多种表面活性物质，如蛋白质高分子物质和皂苷类小分子物质。研究表明甘草中的甘草酸可用泡沫分离法加以浓缩。植物细胞培养液中的次生代谢产物可用泡沫分离法进行分离浓缩。,应用：在生物技术领域主要用于细胞收集或去除、蛋白质和酶的提取及天然产物的浓缩和分离。,优点：设备和操作比较简单、能耗低、投资少、成本低。尤其适合低浓度（如ppm级）条件下表面活性物质的分离回收。,表面活性剂大多是高分子化合物，消耗量大，有时难以回收；泡沫分离塔中的返混严重影响分离的效率；能维持稳定泡沫层的表面活性剂较少，且难以控制其在溶液中的浓度。,缺点,思考:1、蛋白质的溶解特性如何？2、中性盐盐析法的机理是什么？影响盐析的主要因素有哪些？3、蛋白质沉淀的方法有哪些？4、初级分离的方法有哪些？,