生物分离工程-第5章初级分离课件

生物分离工程-第5章初级分离课件1n初级分离初级分离：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。n初级分离的对象具有体积大、杂质含量高等体积大、杂质含量高等特点，因此初级分离技术应具有操作成本低、适合大规模生产操作成本低、适合大规模生产的优势。n初级分离方法初级分离方法：固液分离（离心、过滤）、膜分离、萃取、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。吸附、沉淀分级和泡沫分离等。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2第一节第一节 杂质种类杂质种类a.a.高价无机离子（高价无机离子（CaCa2+2+、MgMg2+2+、FeFe2+2+）b.b.杂蛋白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。在采用离子交换纯化时，会影响树脂对生化物质的交换容量。u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u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。u在常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞或受污染，影响过滤效率。在常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞或受污染，影响过滤效率。c.c.多糖多糖d.d.色素色素第一节 杂质种类高价无机离子（Ca2+、Mg2+、Fe2+3（一）高价无机离子的去除方法（一）高价无机离子的去除方法1.1.CaCa2+2+草酸、草酸钠，草酸、草酸钠，形成草酸钙沉淀形成草酸钙沉淀（注（注意回收草酸）意回收草酸）；2.2.MgMg2+2+三聚磷酸钠，三聚磷酸钠，形成三聚磷酸钠镁可溶形成三聚磷酸钠镁可溶性络合物；性络合物；3.3.FeFe2+2+黄血盐，黄血盐，普鲁士兰沉淀普鲁士兰沉淀（一）高价无机离子的去除方法Ca2+草酸、草酸钠，形4（二）杂蛋白的去除方法（二）杂蛋白的去除方法等电点沉淀等电点沉淀：蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中。蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中。l在酸性溶液中带正电荷；在酸性溶液中带正电荷；l在碱性溶液中带负电荷。在碱性溶液中带负电荷。在某一在某一pHpH下，净电荷为零，溶解度最小，称为等电点。下，净电荷为零，溶解度最小，称为等电点。1.1.沉淀法：等电点沉淀、酸碱沉淀沉淀法：等电点沉淀、酸碱沉淀（二）杂蛋白的去除方法等电点沉淀：1.沉淀法：等电点沉淀、5l在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子在酸性溶液中，蛋白质与一些阴离子，如三氯乙酸盐、水，如三氯乙酸盐、水杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等形成沉杨酸盐、钨酸盐、苦味酸盐、鞣酸盐、过氯酸盐等形成沉淀；淀；l在碱性溶液中，蛋白质与一些阳离子，在碱性溶液中，蛋白质与一些阳离子，如如Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+和和Pb2+等形成沉淀。等形成沉淀。酸碱沉淀：使蛋白质与盐或离子形成沉淀。酸碱沉淀：使蛋白质与盐或离子形成沉淀。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62.2.变性法变性法 加热；加热；大幅度调节大幅度调节pHpH值；值；加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。加酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂等。不足之处不足之处a.a.加热法只适合于对热较稳定的目的产物；加热法只适合于对热较稳定的目的产物；b.b.极端极端pHpH值也会导致某些目的产物失活，且要消耗大值也会导致某些目的产物失活，且要消耗大量酸碱；量酸碱；c.c.有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的有机溶剂法通常只适用于所处理的液体数量较少的场合。场合。2.变性法 加热；不足之处加热法只适合于对热较稳定的目的7加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。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；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。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，也可这些沉淀方法既可以作为除杂质的方法，也可以作为提取目标产物的技术手段。以作为提取目标产物的技术手段。3.3.吸附法吸附法加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。3.吸附法8 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（三）多糖的去除 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9 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，色色素素物物质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（四）有色物质的去除 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，10第二节第二节 沉淀分级沉淀分级n沉淀（沉淀（precipitationprecipitation）是指由于物理环境的变化，）是指由于物理环境的变化，使溶液中的溶质由液相变成使溶液中的溶质由液相变成固相析出固相析出的过程。的过程。n采用沉淀的手段，主要是为了通过沉淀达到采用沉淀的手段，主要是为了通过沉淀达到浓缩浓缩的的目的，或者通过沉淀，固液分相后，除去留在液相目的，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，加以保存或进一步已纯化的产品由液态变成固态，加以保存或进一步处理。处理。n沉淀方法用于分离纯化是有选择性的，即沉淀方法用于分离纯化是有选择性的，即有选择地有选择地沉淀杂质沉淀杂质或或有有选择地选择地沉淀所需成分沉淀所需成分。第二节 沉淀分级沉淀（precipitation）是指由于11n生生物物分分子子在在水水中中形形成成稳稳定定的的溶溶液液是是有有条条件件的的，这这些些就就是是溶溶液液的的各各种种理理化化参参数数。任任何何能能够够影影响响这这些些条条件件的的因因素素都都会会破破坏坏溶溶液液的的稳定性。稳定性。n沉沉淀淀法法就就是是采采用用适适当当的的措措施施改改变变溶溶液液的的理理化化参参数数，控控制制溶溶液液的的各各种种成成分分的的溶溶解解度度，从从而而将将溶溶液液中中的的欲欲提提取取的的成成分分和和其其它它成成分分分开的技术。分开的技术。生物分子在水中形成稳定的溶液是有条件的，这些就是溶液的各种理12n沉淀和结晶的区别沉淀和结晶的区别:形态形态：不定形：不定形成分纯度成分纯度：纯度较低：纯度较低n操操作作方方式式可可分分连连续续法法或或间间歇歇法法两两种种，规规模较小时，常采用间歇法。模较小时，常采用间歇法。沉淀和结晶的区别:13n沉淀法操作步骤沉淀法操作步骤：加入沉淀剂。加入沉淀剂。沉淀剂的陈化，促进粒子生长；沉淀剂的陈化，促进粒子生长；离心或过滤，收集沉淀物。离心或过滤，收集沉淀物。n加沉淀剂的方式和陈化条件对产物的纯度、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。收率和沉淀物的形状都有很大影响。沉淀法操作步骤：14n沉沉淀淀技技术术分分离离生生化化产产物物的的典典型型例例子子是是蛋蛋白白质质的分离提取。的分离提取。n 优优点点：设设备备简简单单、成成本本低低、原原材材料料易易得得、便于小批量生产；便于小批量生产；n 缺缺点点：所所得得沉沉淀淀物物可可能能聚聚集集有有多多种种物物质质，或或含含有有大大量量的的盐盐类类，或或包包裹裹着着溶溶剂剂，产产品品纯纯度常比结晶法低，过滤也较困难。度常比结晶法低，过滤也较困难。沉淀技术分离生化产物的典型例子是蛋白质的分离提取。15eg.从从血血浆浆中中通通过过5步步沉沉淀淀生生产产纯纯度度高高达达99%的的免免疫球蛋白和疫球蛋白和96%99%的白蛋白。的白蛋白。图图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16n沉淀法分离蛋白质的特点沉淀法分离蛋白质的特点：生生产产前前期期可可使使原原料料液液体体体体积积很很快快减减小小1050倍倍，从而简化生产工艺、降低生产费用；从而简化生产工艺、降低生产费用；使中间产物保持在一个使中间产物保持在一个中性温和中性温和的环境；的环境；可可及及早早将将目目标标蛋蛋白白从从其其与与蛋蛋白白水水解解酶酶混混合合液液中中分分离离出出来来，避避免免蛋蛋白白质质的的降降解解，提提高高产产物物稳稳定定性；性；用用蛋蛋白白质质沉沉淀淀法法作作为为色色谱谱分分离离的的前前处处理理技技术术，可使色谱分离使用的限制因素降低到最少。可使色谱分离使用的限制因素降低到最少。沉淀法分离蛋白质的特点：17蛋白质的溶解特性蛋白质的溶解特性n蛋白质的溶解行为是一个独特的性质，由其蛋白质的溶解行为是一个独特的性质，由其组成、构象组成、构象以及分子周围的以及分子周围的环境环境所决定。所决定。n蛋白质在自然环境中通常是可溶的，所以其蛋白质在自然环境中通常是可溶的，所以其大部分是亲水的，但其大部分是亲水的，但其内部大部分是疏水的内部大部分是疏水的。n一般而言，小分子蛋白质比起在化学上类似一般而言，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。的大分子蛋白质更易溶解。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、18图图2 蛋白质分子表面的憎水区域和荷电区域蛋白质分子表面的憎水区域和荷电区域图2 蛋白质分子表面的憎水区域和荷电区域19表表1 影响蛋白质溶解度的参数影响蛋白质溶解度的参数表1 影响蛋白质溶解度的参数20蛋白质胶体溶液的稳定性蛋白质胶体溶液的稳定性蛋白质周围的蛋白质周围的水化层水化层（hydration shell)hydration shell)可以使可以使蛋白质形成稳定的胶体溶液。蛋白质形成稳定的胶体溶液。蛋白质分子间蛋白质分子间静电排斥静电排斥作用。（存在双电层）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因此，可通过降低蛋白质周围的水化层和双电层厚度（层厚度（电位）降低蛋白质溶液的稳定性，实电位）降低蛋白质溶液的稳定性，实现蛋白质的沉淀。现蛋白质的沉淀。蛋白质胶体溶液的稳定性蛋白质周围的水化层（hydratio21n蛋白质可以看作是一个表面分布有正、负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、负电荷是由氨基和电荷的球体，这种正、负电荷是由氨基和羧基的羧基的离子化形离子化形成的，换句话说，该球体成的，换句话说，该球体是带有均衡电荷分布的胶体颗粒是带有均衡电荷分布的胶体颗粒。因此，。因此，蛋白质的沉淀，实际上与胶体颗粒的凝聚蛋白质的沉淀，实际上与胶体颗粒的凝聚和絮凝现象相似。和絮凝现象相似。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22n蛋白质粒子在水溶液中是带电的蛋白质粒子在水溶液中是带电的，带电的，带电的原因主要是吸附溶液中的离子或自身基团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。溶液中反离子的电荷构成双电层。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23图图3图324生物分离工程-第5章初级分离课件25吸引力n颗粒间的相互作用颗粒间的相互作用n颗粒间的相互作用的位能取决于颗粒间的相互作用的位能取决于离子强度离子强度。n Van der Waals Van der Waals 力力nKeeson Keeson 引力（偶极力）引力（偶极力）nDebye Debye 引力引力 （诱导力）（诱导力）nLondon London 引力引力 （色散力）是最重要的一种引力，（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，所以它是普因为所有分子都是可以被极化的，所以它是普遍存在的。遍存在的。吸引力颗粒间的相互作用26生物分离工程-第5章初级分离课件27oDLVO理论 颗颗粒粒间间的的相相互互作作用用的的位位能能取取决决于于离离子子强强度度。在在低低离离子子强强度度时时，颗颗粒粒距距离离处处在在中中间间状状态态，双双电电层层斥斥力力占占优优势势，可可看看为为一一个个凝凝聚聚的的势势垒垒；在在高高离离子子强强度度时时，吸吸引引力力超超过过排排斥斥力力，相相互互间间的的总总位位能能表表现现为为吸吸引引位位能能。虽虽然然这这个个理理论论所所假假定定的的条条件件并并不不完完全全适适合合于于蛋蛋白白质质分分子子，但但该该理理论论对对于于理理解解破破坏坏蛋蛋白白质质溶溶液液的的稳稳定定性性仍仍有有很很大大帮帮助助，同同时时还还有有助助于于针针对对具具体体蛋蛋白白质质选选择择最最合合适适的沉淀剂及技术。的沉淀剂及技术。DLVO理论 颗粒间的相互作用的位能取决于离子强28其他沉淀法其他沉淀法金属沉淀法金属沉淀法聚电解质沉淀法聚电解质沉淀法非离子型聚合物沉淀法非离子型聚合物沉淀法蛋白质沉淀方法蛋白质沉淀方法有机溶剂盐析法有机溶剂盐析法等电点沉淀法等电点沉淀法中性盐盐析法中性盐盐析法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29一、中性盐盐析法一、中性盐盐析法n当中性盐加入蛋白质分散体系时可能出现以下两当中性盐加入蛋白质分散体系时可能出现以下两种情况：种情况：（1 1）“盐溶盐溶”现象现象(salting-in)(salting-in)低盐浓度下，蛋白质溶解度增大。低盐浓度下，蛋白质溶解度增大。（2 2）“盐析盐析”现象现象(salting-out)(salting-out)高盐浓度下，蛋白质溶解度随之下降。高盐浓度下，蛋白质溶解度随之下降。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30中性盐盐析法：中性盐盐析法：破坏水化层、中和表面电荷破坏水化层、中和表面电荷图图4 中性盐盐析法机理示意图中性盐盐析法机理示意图中性盐盐析法：破坏水化层、中和表面电荷图4 中性盐盐析法机31离子强度对盐析过程的影响离子强度对盐析过程的影响nCohn经验公式经验公式nS蛋白质溶解度，蛋白质溶解度，mol/L;nI离子强度离子强度 c:离子浓度；离子浓度；Z：离子化合价：离子化合价，Ks常数常数离子强度对盐析过程的影响Cohn经验公式，Ks常数32和和KsKs的物理意义的物理意义n盐浓度为盐浓度为0 0时，蛋白质溶解度的对数值。时，蛋白质溶解度的对数值。与蛋白质种类、温度、与蛋白质种类、温度、pHpH值有关，与盐无关；值有关，与盐无关；nKsKs盐析常数，与蛋白质和无机盐的种类有盐析常数，与蛋白质和无机盐的种类有关，与温度、关，与温度、pHpH值无关。值无关。和Ks的物理意义盐浓度为0时，蛋白质溶解度的对数值。与33生物分离工程-第5章初级分离课件34n 常常数数KsKs代代表表图图中中直直线线的的斜斜率率；代代表表截截距距，即当离子强度为零，也就是纯水中的假想即当离子强度为零，也就是纯水中的假想n溶溶解解度度的的对对数数。从从一一些些实实验验结结果果表表明明，KsKs与与温温度度和和pHpH无关，但和蛋白质与盐的种类有关。无关，但和蛋白质与盐的种类有关。n但但这这种种变变化化不不是是很很大大，例例如如以以硫硫酸酸铵铵作作为为沉沉淀淀剂剂时时，KsKs值值对对不不同同的的蛋蛋白白质质来来说说，其其变变化化不不会会超超过过1 1倍倍。组组成成相相近近的的蛋蛋白白质质，分分子子量量越越大大，沉沉淀淀所所需需盐盐的的量量越越少少；蛋蛋白白质质分分子子不不对对称称性性越越大大，也也越越易易沉淀。沉淀。常数Ks代表图中直线的斜率；代表截距，即当离子强度为零35影响盐析的因素影响盐析的因素n溶质溶质种类种类的影响：的影响：Ks和和值值n溶质溶质浓度浓度的影响：的影响：蛋白质浓度大，盐的用量小，但共沉作用明显，分蛋白质浓度大，盐的用量小，但共沉作用明显，分辨率低；辨率低；蛋白质浓度小，盐的用量大，分辨率高；蛋白质浓度小，盐的用量大，分辨率高；npH值值：影响蛋白质表面净电荷的数量：影响蛋白质表面净电荷的数量通常调整体系通常调整体系pH值，使其在值，使其在pI附近；附近；n盐析盐析温度温度：一般在一般在高盐浓度下，温度升高，其溶解度反而下降高盐浓度下，温度升高，其溶解度反而下降影响盐析的因素溶质种类的影响：Ks和值36用盐析法分离蛋白质的二种方法用盐析法分离蛋白质的二种方法在一定的在一定的 pH pH值及温度条件下，改变盐的浓度（即离子强值及温度条件下，改变盐的浓度（即离子强度）达到沉淀的目的，称为度）达到沉淀的目的，称为“s”s”分级盐析法。分级盐析法。（KsKs盐析盐析：固定：固定pH,pH,温度，温度，改变盐浓度改变盐浓度）在在一一定定的的离离子子强强度度下下，改改变变溶溶液液的的pHpH值值及及温温度度，达达到到沉沉淀淀的目的，称为的目的，称为“”“”分级盐析法。分级盐析法。（盐析：盐析：固定离子强度，固定离子强度，改变改变pHpH及温度及温度。）。）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，37 其中，其中，K Ks s盐析法（盐析法（改变盐浓度改变盐浓度）由于）由于蛋白质对离子强度的变化非常敏感，易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产生共沉淀现象，因此常用于提取液的前处理前处理。而而盐析法（盐析法（改变改变pHpH及温度及温度）由于溶）由于溶质溶解度变化缓慢，且变化幅度小，因质溶解度变化缓慢，且变化幅度小，因此分辨率更高，常用于此分辨率更高，常用于初步的纯化初步的纯化。其中，Ks盐析法（改变盐浓度）由于蛋白质对离子强度的38盐析用盐的选择盐析用盐的选择n在相同离子强度下，盐的种类对蛋白质溶解度的在相同离子强度下，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：影响有一定差异，一般的规律为：半径小的高价半径小的高价离子的盐析作用较强，半径大的低价离离子的盐析作用较强，半径大的低价离子作用较弱子作用较弱 磷酸钾磷酸钾硫酸钠硫酸钠硫酸铵硫酸铵柠檬酸钠柠檬酸钠硫酸镁硫酸镁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39选用盐析用盐的几点考虑选用盐析用盐的几点考虑n盐析作用要强盐析作用要强n盐析用盐需有较大的溶解度，能配制高浓度盐析用盐需有较大的溶解度，能配制高浓度n盐析用盐必须是惰性的盐析用盐必须是惰性的n来源丰富、经济来源丰富、经济选用盐析用盐的几点考虑盐析作用要强40 常常用用于于蛋蛋白白质质沉沉淀淀的的盐盐为为硫硫酸酸铵铵、硫硫酸酸钠钠和和氯化钠氯化钠。硫硫酸酸铵铵在在水水中中的的溶溶解解度度很很高高但但具具腐腐蚀蚀性性，偏偏酸酸性性，溶溶解解后后溶溶液液pHpH下下降降，高高pHpH会会释释放放氨氨。后后处处理理困困难难，残残留留在在食食品品中中影影响响风风味味，在在临临床床医医疗疗上上有毒性，必须完全去除。有毒性，必须完全去除。硫硫酸酸钠钠虽虽无无腐腐蚀蚀性性但但低低于于40400 0C C就就不不易易溶溶解解，因因此只适用于热稳定性较好的蛋白质的沉淀过程。此只适用于热稳定性较好的蛋白质的沉淀过程。氯化钠氯化钠需要高浓度，需要高浓度，1.5-2M1.5-2M。常用于蛋白质沉淀的盐为硫酸铵、硫酸钠和氯化钠。41 Hofmeister对一系列离子沉淀蛋白质的能对一系列离子沉淀蛋白质的能力进行排序，称力进行排序，称Hofmeister序列，或感序列，或感胶离子序。胶离子序。阴离子阴离子：柠檬酸根：柠檬酸根-3酒石酸根酒石酸根-3 F-I03-H2P04-S04-CH3C00-Cl-Cl03-Br-N03-Cl04-I-CNS-；阳离子阳离子：Th4+Al3+H+Ba2+Sr2+Ca2+Cs+Rb+NH4+K+Na+Li+。Hofmeister对一系列离子沉淀蛋白质的能力进行排42图图5 碳血红蛋白在不同盐溶液中的盐溶和盐析碳血红蛋白在不同盐溶液中的盐溶和盐析图5 碳血红蛋白在不同盐溶液中的盐溶和盐析43 左左图图表表示示对对卵卵清清蛋蛋白白和和碳碳氧氧血血红红蛋蛋白白进进行行盐盐析析时时，随随pHpH的的变变化化。由由于于代代表表溶溶解解度度的的对对数数，故故 变变化化一一个个单单位位，溶溶解解度度就就变变化化 1010倍倍。通通常常在在等等电电点点附附近近有有极极小小值值。两两种种蛋蛋白白质质的的相相对对溶溶解解度度会会随随pHpH而而变变化化很很大大；例例如如从从图图上上可可见见，当当 pHpH从从5 5变变到到6 6时时，在在一一定定盐盐浓浓度度下下，两两种种蛋蛋白白质质溶溶解解度度之之比比的的变变化化可可达达几几千倍千倍。pH的影响的影响 左图表示对卵清蛋白和碳氧血红蛋白进行盐析时，随pH的44生物分离工程-第5章初级分离课件45n盐析后得到的产物，一般需要脱盐（透析、脱盐（透析、凝胶过滤等）凝胶过滤等）处理，才能进行后续的分离操作。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46二、等电点沉淀法二、等电点沉淀法 蛋蛋白白质质等等电电点点沉沉淀淀法法是是基基于于不不同同蛋蛋白白质质离离子子具具有有不不同同等等电电点点这这一一特特性性，依依次次改改变变溶溶液液pHpH值值的的办办法法，将将杂杂蛋蛋白白沉沉淀淀除除去去，最最后后获获得目标产物。得目标产物。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47n机理：机理：较低离子强度的溶液中，蛋白质溶较低离子强度的溶液中，蛋白质溶解度较低；在等电点处，蛋白质所带静电解度较低；在等电点处，蛋白质所带静电荷为零，蛋白质间静电排斥力最小，溶解荷为零，蛋白质间静电排斥力最小，溶解度最低。度最低。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48（1）适用于）适用于疏水性强疏水性强的蛋白质。而亲水性的蛋白质溶解度高，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。在等电点处不容易沉淀出来。（2）采用）采用低离子强度低离子强度。中性盐浓度增大时，等电点向偏酸方。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。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）蛋白的等电点通常在酸性范围内，所以主要是加入无无机酸（盐酸、硫酸、磷酸等）进行调节，机酸（盐酸、硫酸、磷酸等）进行调节，价格便宜，无毒价格便宜，无毒（4）pH不能过低，因为蛋白质对低不能过低，因为蛋白质对低pH 敏感，易失活敏感，易失活（5）与盐析法相比，不需要进行后续的脱盐操作。）与盐析法相比，不需要进行后续的脱盐操作。（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49生物分离工程-第5章初级分离课件50 许许多多能能与与水水互互溶溶的的有有机机溶溶剂剂如如乙乙醇醇、丙丙酮酮、甲甲醇醇和和乙乙腈腈，常常用用于于低低盐盐浓浓度度下下沉淀蛋白质沉淀蛋白质。三、有机溶剂沉淀法三、有机溶剂沉淀法图图7 pH4.8时人白蛋白在乙醇时人白蛋白在乙醇-水溶液中的溶解度水溶液中的溶解度 许多能与水互溶的有机溶剂如乙醇、丙酮、甲醇和乙511加入溶剂后会使水溶液的加入溶剂后会使水溶液的介电常数降低介电常数降低，而使，而使蛋白质分子间的蛋白质分子间的静电引力增大静电引力增大，导致凝集和沉，导致凝集和沉淀。淀。2蛋白质的溶剂化，使原来和蛋白质结合的蛋白质的溶剂化，使原来和蛋白质结合的水被水被溶剂所取代溶剂所取代，从而降低了它们的溶解度。，从而降低了它们的溶解度。3有机溶剂可能破坏了蛋白质的某种键如氢键，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原来包在内部的疏水基团暴露疏水基团暴露于表面，并与有于表面，并与有机溶剂的疏水基团结合形成疏水层，从而使蛋机溶剂的疏水基团结合形成疏水层，从而使蛋白质沉淀。白质沉淀。机理分析进展机理分析进展加入溶剂后会使水溶液的介电常数降低，而使蛋白质分子间的静电引52 不不同同有有机机溶溶剂剂沉沉淀淀蛋蛋白白质质的的效效率率受受多多方方面面的的影影响响，需需通通过过试试验验加加以以选选择择。大大致致上上以以丙酮最佳，乙醇次之，甲醇更次丙酮最佳，乙醇次之，甲醇更次。蛋蛋白白质质分分子子量量越越高高，越越容容易易沉沉淀淀出出来来，所所需有机溶剂也越少。需有机溶剂也越少。在低离子强度和等电点附近，容易沉淀。在低离子强度和等电点附近，容易沉淀。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53有机溶剂沉析的特点有机溶剂沉析的特点n分辨率高；分辨率高；n溶剂容易分离，并可回收使用；溶剂容易分离，并可回收使用；n产品洁净，不需要脱盐处理；产品洁净，不需要脱盐处理；n容易使蛋白质等生物大分子失活容易使蛋白质等生物大分子失活；应注意在应注意在低温下低温下操作；操作；n成本高成本高有机溶剂沉析的特点分辨率高；54运用有机溶剂沉淀蛋白质应注意的因素：运用有机溶剂沉淀蛋白质应注意的因素：n 温度：低温温度：低温n 乙醇浓度；乙醇浓度；n pH值：等电点值：等电点n 蛋白质浓度。蛋白质浓度。运用有机溶剂沉淀蛋白质应注意的因素：55 20世世纪纪60年年代代非非离离子子型型聚聚合合物物开开始始用用于于分分离离血血纤纤维维蛋蛋白白原原和和免免疫疫球球蛋蛋白白，从从此此高高相相对对分分子子质质量量非非离离子子聚聚合合物物沉沉淀淀蛋蛋白白质质的的 方方 法法 被被 广广 泛泛 使使 用用，如如：聚聚 乙乙 二二 醇醇（PEG）、聚聚乙乙烯烯吡吡咯咯烷烷酮酮（PVP）、葡葡聚糖等。聚糖等。四、非离子型聚合物沉淀法四、非离子型聚合物沉淀法 20世纪60年代非离子型聚合物开始用于分56图图8 蛋白质浓度对用蛋白质浓度对用PEG6000沉淀酵母醇脱氢酶时的影响沉淀酵母醇脱氢酶时的影响图8 蛋白质浓度对用PEG6000沉淀酵母醇脱氢酶时的影响57 基基于于体体积积不不相相容容性性，即即PEG分分子子从从溶溶剂剂中中空空间间排排斥斥蛋蛋白白质质，优优先先水水合合作作用用的的程程度度取取决决于于所所用用PEG的的分分子子大大小小和和浓浓度度，排排斥体积与斥体积与PEG分子大小的平方根有关。分子大小的平方根有关。PEG沉淀作用的机理沉淀作用的机理 基于体积不相容性，即PEG分子从溶剂中58 体系的温度只需控制在室温条件下；体系的温度只需控制在室温条件下；沉沉淀淀的的颗颗粒粒较较大大，产产物物易易收收集集；PEG非非但但不不会会使使大大多多数数蛋蛋白白质质变变性性，且且可可提提高高其稳定性。其稳定性。优点优点缺点缺点PEG难从蛋白质溶液中除去。难从蛋白质溶液中除去。体系的温度只需控制在室温条件下；优点缺点P59 聚聚电电解解质质是是含含有有重重复复离离子子化化基基团团的的水水溶溶性性聚聚合合物物，可可用用于于蛋蛋白白质质沉沉淀淀的的聚聚电电解解质质有有聚聚丙丙烯烯酸酸、聚聚乙乙烯烯亚亚胺胺、羧羧甲甲基基纤纤维维素素和和离离子子型型多多糖糖如如肝肝素素等。等。机机理理：蛋蛋白白质质分分子子的的相相反反电电荷荷与与聚聚电电解解质质结结合合，形形成成一一个个多多分分子子络络合合物物，类类似似于于絮絮凝凝，起起架架桥桥作作用用，当当络络合合物物超超过过游游离离蛋蛋白白质质的的溶溶解解度度极极限限值值时时，就就发发生生沉沉淀淀。另另外外，还还有有盐盐析析和和降降低低水水化化程程度度的的作用。作用。五、聚电解质沉淀法五、聚电解质沉淀法 聚电解质是含有重复离子化基团的水溶性聚合物601.能能与与羧羧基基、胺胺基基等等含含氮氮化化合合物物以以及及含含氮氮杂杂环环化化合合物物强强烈烈结结合合的的金金属属离离子子，如如：Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+；六、金属沉淀法六、金属沉淀法沉沉淀淀机机理理：金金属属离离子子与与蛋蛋白白质质分分子子中中的的特特殊殊部位起反应造成的。部位起反应造成的。金属离子沉淀蛋白质可分为三类：金属离子沉淀蛋白质可分为三类：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612.能与能与羧酸羧酸结合而不与含氮化合物结合的结合而不与含氮化合物结合的金属离子，如：金属离子，如：Ca2+、Ba2+、Mg2+、Pb2+；3.与与巯基巯基化合物强烈结合的金属离子，如：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实际使用时，金属离子的浓度常为0.02 mol/L。2.能与羧酸结合而不与含氮化合物结合的金属离子，如：Ca262ZnZn2+2+沉淀尿激酶沉淀尿激酶Zn2+沉淀尿激酶63 近近来来，对对于于金金属属离离子子沉沉淀淀蛋蛋白白质质的的概概念念有有所所扩扩大大，开开始始使使用用金金属属的的螯螯合合物物来来进进行行沉沉淀淀，如如：用用锌锌的的螯螯合合物物与与基因工程的聚组胺酸肽段相结合，从而使蛋白质沉淀。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。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。金属离子可以通过离子交换或者螯合剂除去。近来，对于金属离子沉淀蛋白质的概念有所扩大，64其它沉淀方法其它沉淀方法1.亲和沉淀亲和沉淀 亲亲和和沉沉淀淀是是利利用用蛋蛋白白质质与与特特定定的的生生物物的的或或合合成成的的分分子子(免免疫疫配配位位体体、基基质质、辅辅酶酶等等)之之间间高高度度专专一一性性的的相相互互作作用用而而设设计计出出来来的的一一种种特特殊殊选选择择性性的的分分离离技技术术。该该方方法法提提供供了了一一个个从从复复杂杂混混合合物物中中分分离离提提取取出单一产品的有效方法。出单一产品的有效方法。其其沉沉淀淀原原理理不不是是依依据据蛋蛋白白质质溶溶解解度度的的差差异异，而而是是依依据据“吸吸附附”有有特特殊殊蛋蛋白白质质的的聚聚合合物物的的溶溶解解度度的大小。的大小。其它沉淀方法1.亲和沉淀 亲和沉淀是利65初初始始阶阶段段：将将一一个个目目标标蛋蛋白白质质与与键键合合在在可溶性载体上的亲和配体络合成可溶性载体上的亲和配体络合成沉淀沉淀；所所得得沉沉淀淀物物用用一一种种适适当当的的缓缓冲冲溶溶液液进进行行洗涤洗涤，洗去可能存在的杂质；，洗去可能存在的杂质；用用一一种种适适当当的的试试剂剂将将目目标标蛋蛋白白质质从从配配体体中中离解离解出来。出来。该技术的三个步骤：该技术的三个步骤：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66表表2 亲和沉淀纯化蛋白质的实例亲和沉淀纯化蛋白质的实例表2 亲和沉淀纯化蛋白质的实例67生物分离工程-第5章初级分离课件682.选择性变性沉淀法选择性变性沉淀法n选择一定的条件使溶液中存在的某些杂蛋白选择一定的条件使溶液中存在的某些杂蛋白等等杂质变性沉淀杂质变性沉淀下来，而与目的物分开，这下来，而与目的物分开，这种分离方法就称为种分离方法就称为选择性变性沉淀法。选择性变性沉淀法。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69（1）例如对于）例如对于-淀粉酶等热稳定性好的酶，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。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）根据欲分离物质所含杂质的特性，通过改变过改变pH值或加进某些金属离子等使杂蛋值或加进某些金属离子等使杂蛋白变性沉淀而被除去。白变性沉淀而被除去。（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703.选择性溶剂沉淀法选择性溶剂沉淀法n核酸的沉淀分离，可以选择适宜的溶剂进行处核酸的沉淀分离，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，这理，使蛋白质等杂质变性沉淀而获得核酸，这种方法又称为种方法又称为选择性溶剂沉淀法选择性溶剂沉淀法。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71n（1）在核酸提取液中加入氯仿）在核酸提取液中加入氯仿-戊醇或氯仿戊醇或氯仿-辛醇，振荡辛醇，振荡一段时间、使一段时间、使蛋白质在氯仿蛋白质在氯仿-水的界面上形成沉淀而被除水的界面上形成沉淀而被除去，去，核酸仍然留在水溶液中。核酸仍然留在水溶液中。n（2）在对氨基水杨酸等阴离子化合物存在的条件下，用）在对氨基水杨酸等阴离子化合物存在的条件下，用苯酚苯酚-水溶液提取核酸，水溶液提取核酸，DNA、RNA存在于水溶液中，存在于水溶液中，而而蛋白质在苯酚层中形成沉淀而被除去蛋白质在苯酚层中形成沉淀而被除去；n（3）在）在DNA、RNA混合溶液中，用混合溶液中，用异丙醇选择性地沉异丙醇选择性地沉淀淀DNA，而，而RNA留在溶液中。留在溶液中。（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72选择沉淀方法的依据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：选择沉淀方法时，应从以下几方面综合考虑：n沉淀剂是否会引起蛋白质分子破坏；沉淀剂是否会引起蛋白质分子破坏；n沉淀剂本身的性质；沉淀剂本身的性质；n沉淀操作的成本、难易程度；沉淀操作的成本、难易程度；n残残留留沉沉淀淀剂剂的的去去除除难难度度，最最终终产产品品的的产产率率及及纯纯度度的要求等。的要求等。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：73沉淀法应用沉淀法应用n利用蛋白质沉淀大规模提纯蛋白与免疫球蛋利用蛋白质沉淀大规模提纯蛋白与免疫球蛋白的工艺白的工艺n柠檬酸的生产柠檬酸的生产n萃取萃取-沉淀法提取分离茶多酚沉淀法提取分离茶多酚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74标准沉淀法回收柠檬酸流程图标准沉淀法回收柠檬酸流程图加热到加热到7070度度标准沉淀法回收柠檬酸流程图加热到70度75新工艺的主要种类新工艺的主要种类 n我我国国从从上上世世纪纪6060年年代代就就开开始始研研究究非非钙钙盐盐法法的的提提取取工工艺艺，近近三三、五五年年取取得得了了实实质质性性突突破破。根根据据行行业业科科技技交交流流刊刊物物的的报报道道，已已进进行行过过中中试试或或生生产产规规模模试验的技术有三类：试验的技术有三类：（1 1）是是中中国国科科学学院院和和阜阜阳阳柠柠檬檬酸酸厂厂合合作作的的“工工业业离子色谱法离子色谱法（ILCSILCS）法）法”（离色法）；（离色法）；（2 2）另另一一种种是是江江南南大大学学的的“连连续续变变温温逆逆流流色色谱谱分离法分离法”（色谱法）；（色谱法）；（3 3）还还有有天天津津科科技技大大学学的的“吸吸附附交交换换分分离离法法”（吸交法）。（吸交法）。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76沉淀法生产茶多酚的一般工艺路线沉淀法生产茶多酚的一般工艺路线沉淀法生产茶多酚的一般工艺路线77萃取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法生产茶多酚的一般工艺路线78萃取萃取-沉淀法提取茶多酚工艺图沉淀法提取茶多酚工艺图萃取-沉淀法提取茶多酚工艺图79n采用萃取采用萃取-沉淀法由茶叶中分离提取茶多酚的收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率较之于单纯的萃取法或沉淀法都要好。n提取处理时比较适宜条件为：提取处理时比较适宜条件为：80 80乙醇作为浸提溶剂，萃取回流时间在乙醇作为浸提溶剂，萃取回流时间在2h2h左左右，萃取介质的右，萃取介质的pHpH值在值在3 34 4，以，以ZnCl2ZnCl2作为沉淀作为沉淀剂处理浓缩液，剂处理浓缩液，6mol/L HCl6mol/L HCl对沉淀进行转溶处理对沉淀进行转溶处理。最后得到的茶多酚粗品中含量约在。最后得到的茶多酚粗品中含量约在7070，呈棕，呈棕色结晶性粉末；精茶多酚中茶多酚含量在色结晶性粉末；精茶多酚中茶多酚含量在8585 以上，呈浅黄色结晶。以上，呈浅黄色结晶。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80n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气泡为载体，对液相中的溶质或颗粒进行分离。第三节第三节 泡沫分离法泡沫分离法泡沫分离（foam separation）：是根据表面吸附的81n19151915年用于矿物浮选；年用于矿物浮选；n5050年代用于分离金属离子的研究；年代用于分离金属离子的研究；n6060年代采用泡沫分离法脱除洗涤剂工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；厂污水中的表面活性剂获得成功；n19771977年报道泡沫分离法用于年报道泡沫分离法用于DNADNA、蛋白、蛋白质及液体卵磷脂等生物活性物质的分质及液体卵磷脂等生物活性物质的分离。离。1915年用于矿物浮选；82泡沫分离是以泡沫分离是以气泡为介质气泡为介质，利用组分的，利用组分的表面表面活性差活性差进行分离的一种分离方法进行分离的一种分离方法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83n泡沫分离：按分离对象是溶液还是含有泡沫分离：按分离对象是溶液还是含有固体离子的悬浮液、胶体溶液，泡沫分固体离子的悬浮液、胶体溶液，泡沫分离可分成：离可分成：泡沫分馏泡沫分馏（Foam FractionationFoam Fractionation）泡沫浮选泡沫浮选（Foam FlotationFoam Flotation）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84n泡沫分馏泡沫分馏用于分离用于分离溶解物质溶解物质，它们可以是，它们可以是表面活性剂，或者可与表面活性剂结合的表面活性剂，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。沫层而与液相主体分离。n泡沫浮选泡沫浮选用于分离用于分离不溶解的物质不溶解的物质，按照被，按照被分离对象是分子还是胶体，是大颗粒还是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、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、沉淀浮微粒浮选、粒子浮选、分子浮选、沉淀浮选和吸附胶体浮选。选和吸附胶体浮选。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85n无泡沫分离：无泡沫分离：是指用鼓泡进行分离，但不是指用鼓泡进行分离，但不一定形成泡沫层，可分为一定形成泡沫层，可分为鼓泡分馏鼓泡分馏和和溶媒溶媒浮选浮选。n鼓泡分馏鼓泡分馏是从它设备底部通气鼓泡，表面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，液相主相主体分离，使得溶质得到浓缩，液相主体被净化。体被净化。n溶媒浮选溶媒浮选是在溶液顶部设置有一种与其互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。鼓出的气泡所吸附的表面活性物质。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86 泡沫分离过程是利用待分离物质本身具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。到净化主体液、浓缩待分离物质的目的。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87 泡沫分离作用主要取决于组份在泡沫分离作用主要取决于组份在气气液液界面上吸附的选择性和程度界面上吸附的选择性和程度，本质是各本质是各种物质在溶液中的表面活性的差异种物质在溶液中的表面活性的差异。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88（1 1）表面活性剂及其界面）表面活性剂及其界面特性特性表面活性剂溶入溶液后表现出两个基表面活性剂溶入溶液后表现出两个基本性质：本性质：1 1 水溶液中溶解行为是很快地聚集在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，使基伸向气相的定向单分子排列，使空气和水的接触面减小，从而使表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；集体胶束，并分布在液相主体内；2 2 超过表面活性剂形成胶束的最低浓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度后，溶液表面张力不再降低,但但在相界面上，由于上述定向排列的在相界面上，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，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泡沫分离就是充分利用表面活性剂的界面作用的界面作用发展起来的一种新型的发展起来的一种新型的分离方法。分离方法。（1）表面活性剂及其界面特性89（2 2）、）、Gibbs(Gibbs(吉布斯吉布斯)等温吸附方程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，可通对于稀溶液即为溶质的表面浓度，可通过过 (溶液的表面张力溶液的表面张力)与浓度与浓度c(溶质在主体溶液中的平衡浓溶质在主体溶液中的平衡浓度度)来求得；来求得；/c为吸附分配因子。为吸附分配因子。如果溶液中含离子如果溶液中含离子型表面活性剂，则型表面活性剂，则（2）、Gibbs(吉布斯)等温吸附方程为吸附溶质的表面过90（2 2）、）、Gibbs(Gibbs(吉布斯吉布斯)等温吸附方程等温吸附方程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；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溶液中表面活性剂浓度c和表面过剩量和表面过剩量的的相互关系可用右图表示。在相互关系可用右图表示。在b点之前，随着点之前，随着溶液中表面活性剂浓度溶液中表面活性剂浓度c增加，增加，成直线增加：成直线增加：=Kcb点后溶液饱和，多余的表面活点后溶液饱和，多余的表面活性剂分子开始在溶液内部形成性剂分子开始在溶液内部形成“胶束胶束”，b点的浓度称为临界浓度点的浓度称为临界浓度(CMC)，此值，此值一般为一般为0.010.02mol/L左右，分离最好在低于左右，分离最好在低于CMC下进行。对于非离子型表面下进行。对于非离子型表面活性剂，上图曲线更接近于活性剂，上图曲线更接近于Langmuir等温方程：等温方程：=K/K（2）、Gibbs(吉布斯)等温吸附方程n为与离子型表面活性91（3 3）、泡沫的形成与性质）、泡沫的形成与性质泡沫的形成和组成部分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。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，首先在液体内部液中发泡时，首先在液体内部形成被气裹的气泡，与此瞬时，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，亲油基泡表面排成单分子膜，亲油基指向气泡内部，亲水基指向溶指向气泡内部，亲水基指向溶液。液。（3）、泡沫的形成与性质泡沫的形成和组成部分当气体在含表面92气泡借助浮力上升，气泡借助浮力上升，冲击溶液表面的单冲击溶液表面的单分子膜。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，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。体的单个气泡。许多气泡聚集成大小不同的球状气泡集合体，更多的集合体聚集在一起形成许多气泡聚集成大小不同的球状气泡集合体，更多的集合体聚集在一起形成泡沫。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。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。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93（3 3）、泡沫的形成与性质）、泡沫的形成与性质泡沫的稳定及层内排液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、溶液沫单体大小、压力、溶液pHpH值有关。表面活性剂的浓度愈是接近值有关。表面活性剂的浓度愈是接近临界浓度，气泡愈小，气泡的寿命愈长。临界浓度，气泡愈小，气泡的寿命愈长。（3）、泡沫的形成与性质泡沫的稳定及层内排液94（1 1）泡沫分离的操作方式）泡沫分离的操作方式泡沫分离的操作是由两个基泡沫分离的操作是由两个基本过程组成：本过程组成：1 1 待分离的溶待分离的溶质被吸附到气液界面上；质被吸附到气液界面上；2 2 对被泡沫吸附的物质进行对被泡沫吸附的物质进行收集并用化学、热或机械的收集并用化学、热或机械的方法破坏泡沫，将溶质提取方法破坏泡沫，将溶质提取出来。因此它的主要设备为出来。因此它的主要设备为泡沫塔和破沫器泡沫塔和破沫器。（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：95生物分离工程-第5章初级分离课件96（2 2）影响泡沫分离的因素）影响泡沫分离的因素待分离物质的种类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，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一种方法是把溶液调节至适当的PHPH值，使待分离物质值，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形成沉淀