分离是利用混合物中各组分在物理性质和化学性质上的差异,通过适当的装置或方法,是各组分分配至不同空间区域或者在不同的时间依次分配至同一空间区域的过程。通俗地讲,就是将某种或某类物质从复杂的混合物中分离出来,使之与其他物质分开,一相对纯的形式存在。分离主要包括两种形式:一种是组分离;另一种是单一分离。
分离技术根据不同的分类方法可以将其分类,其分类如下:(1)按照分离物质的性质分类:物理分离法(如离心分离、电磁分离)、化学分离法(如沉淀分离、溶剂萃取、色谱分离等)以及物理化学分离法(如蒸馏、挥发、膜分离等)。(2)按照分离过程的本质分类:平衡分离过程、速度差分离过程、反应分离过程。随着现代科技的发展,理化结合的分离方法越来越受到人们的欢迎。尤其是现在的膜分离技术运用越来越广泛。膜分离技术(Membrans Separation Technique)是利用天然或人工合成的,具有选择透过性的薄膜,以外界能量或化学位差为推动力,对双组分或多组分体系进行分离、分级、提纯或富集的技术。膜分离技术被公认为20世纪末至21世纪中期最有发展前途的高新技术之一。在本文中将主要介绍到反渗透、纳滤、超滤、微滤以及液膜分离的分离原理、运用及发展前景等。
要了解反渗透法原理,先要了解“渗透”的概念。渗透是一种物理现象,当两种含有不同浓度盐类的水,用一张半渗透性的薄膜分开时就会发现,含盐量少的一边的水分会透过膜渗到含盐量高的水中,而所含的盐分并不渗透,这样,逐渐把两边的含盐浓度融合到均等为止。然而,要完成这一过程需要很长时间,这一过程也称为自然渗透。
但如果在含盐量高的水侧,施加一个压力,其结果也可以使上述渗透停止,这时的压力称为渗透压力。如果压力再加大,可以使水向相反方向渗透,而盐分剩下。因此,反渗透除盐原理,就是在有盐分的水中(如原水),施以比自然渗透压力更大的压力,使渗透向相反方向进行,把原水中的水分子压到膜的另一边,变成洁净的水,从而达到除去水中盐分的目的,这就是反渗透除盐原理。
膜分离设备操作是一种压力驱动的膜分离过程,它是根据高分子溶质之间或高分子与小分子溶质之间分子量的差别进行分离的方法。具有被分离成分稳定、能耗低、无二次污染等优点。
膜分离设备组成:
1、膜分离设备是由卷式膜元件、不锈钢膜壳、品牌供料泵、不锈钢循环桶、耐震压力表、压力调节阀、插管接头、卫生级硅胶管等组成。
2、设备可以换装超滤、纳滤、反渗透等各类标准卷式膜元件。
膜分离设备特点:
1、在常温和低压下进行分离与浓缩,因而能耗低,从而使设备的运行费用低。
2、设备体积小、结构简单,故投资费用低。
3、膜分离过程只是简单的加压输送液体,工艺流程简单,易于操作管理。
4、膜作为过滤介质是由高分子材料制成的均匀连续体,纯物理方法过滤,物质在分离过程中不发生质的变化(即不影响物料的分子结构)。
全书共十章,包括发酵液的预处理、细胞的分离、沉淀、萃取、膜技术、吸附与离子交换、色谱技术、离心、生物产品的浓缩结晶与干燥等生物产品分离纯化过程所涉及的全部技术内容。本书通俗易懂、深入浅出,可读性较强。
本书可作为高等院校相关专业本科生的教材,也可供从事生物分离工程工作及研究的有关人员参考。
前言
第一章绪论
第一节生物分离工程的性质、内容与分类
一、生物分离工程的性质
二、生物分离工程的研究内容
三、生物分离过程的分类
第二节生物分离工程的一般流程
一、发酵液的预处理
二、产物的提取
三、产物的精制
四、成品的加工处理
五、生物分离纯化工艺过程的选择依据
第三节生物分离过程的特点
一、生物分离过程的体系特殊
二、生物分离过程的工艺流程特殊
三、生物分离过程的成本特殊
第四节生物分离工程的发展趋势
一、生物分离工程的发展趋势
二、生物分离工程研究应注意的问题
思考题
第二章发酵液的预处理
第一节发酵液预处理的方法
一、发酵液的一般特征
二、发酵液预处理的目的和要求
三、发酵液预处理的方法
第二节发酵液的过滤,
一、发酵液过滤的目的
二、影响发酵液过滤的因素
三、发酵液过滤的方法
四、提高过滤性能的方法
五、过滤介质的选择
六、过滤操作条件优化
七、过滤设备
思考题
第三章细胞分离技术
第一节细胞分离
一、过滤
二、离心沉降
第二节细胞破碎
一、细胞壁的结构
二、细胞破碎动力学
三、细胞破碎的方法
第三节胞内产物的溶解及复性
一、包含体及其形成
二、包含体的分离和溶解
三、蛋白质复性
思考题
第四章沉淀技术
第一节概述
第二节蛋白质表面性质
一、蛋白质表面的亲水性和疏水性
二、蛋白质表面的电荷
三、蛋白质胶体的稳定性
第三节蛋白质沉淀方法
一、盐析法
二、有机溶剂沉淀法
三、等电点沉淀法
四、非离子多聚物沉淀法
五、变性沉淀
六、生成盐类复合物的沉淀
七、亲和沉淀
八、SIS聚合物与亲和沉淀
第四节沉淀技术应用
一、蛋白质
二、多糖
三、茶皂甙纯化工艺研究
四、杜仲水提液中氯原酸的提取
思考题
第五章萃取技术
第一节基本概念
一、萃取的概念、特点及分类
二、分配定律
三、分配系数、相比、分离系数
第二节液液萃取的基本理论与过程
一、液液萃取的基本原理
二、液液萃取类型及工艺计算
第三节有机溶剂萃取
一、有机溶剂萃取分配平衡
二、影响有机溶剂萃取的因素
三、有机溶剂萃取的设备及工艺过程
第四节双水相萃取
一、双水相体系的形成
二、相图
三、双水相中的分配平衡
四、影响双水相分配系数的主要因素
五、双水相萃取的设备及工艺过程
第五节液膜萃取
一、液膜及其分类
二、液膜萃取机理
三、液膜分离操作
四、乳化液膜分离技术的工艺流程
五、液膜分离过程潜在问题
六、液膜分离技术的应用
第六节反胶团萃取
一、胶团与反胶团
二、反胶团萃取
三、反胶团制备
四、反胶团萃取的应用
第七节液固萃取
一、液固萃取过程
二、液固萃取类型
三、浸取的影响因素
四、浸取的其他问题
五、浸取的工业应用
第八节超临界流体萃取
一、超临界流体
二、超临界流体萃取
三、超临界萃取的实验装置与萃取方式
四、超临界流体萃取条件的选择
五、超临界流体萃取的基本过程
六、超临界流体萃取的应用实例
第九节萃取技术应用及研究进展6686
一、双水相萃取技术应用及研究进展
二、液膜萃取技术应用及研究进展
三、反胶团萃取技术应用及研究进展
四、超临界流体萃取技术应用及研究进展
思考题
第六章膜分离过程
第一节概述
一、膜分离过程的概念和特征
二、膜过程分类
三、分离膜
第二节压力驱动膜过程
一、反渗透和纳滤
二、超滤和微滤
第三节电推动膜过程——电渗析
一、电渗析的基本原理
二、电渗析传递过程及影响因素
三、电渗析膜
四、应用
第四节膜接触器——膜萃取
一、膜萃取的基本原理
二、膜萃取的传质过程
三、膜萃取过程影响因素
四、应用
第五节其他膜分离过程
一、浓差推动膜过程——渗透蒸发
二、温差推动膜过程——膜蒸馏
第六节膜分离过程装置
一、滤筒式膜组件
二、板框式膜组件
三、螺旋卷式膜组件
四、管式膜组件
五、毛细管式膜组件
六、中空纤维式膜组件
思考题
第七章吸附与离子交换
第一节概述
一、吸附过程
二、吸附与离子交换的特点
第二节吸附分离介质
一、吸附剂
二、离子交换剂
第三节吸附与离子交换的基本理论
一、吸附平衡理论
二、影响吸附的主要因素
三、离子交换平衡理论
第四节基本设备与操作
一、固定床吸附操作
二、移动床吸附器
三、膨胀床吸附操作
四、流化床吸附操作
五、吸附器净化效率的计算与选择
思考题
第八章色谱分离技术
第一节色谱分离技术概述
一、色谱技术的基本概念
二、色谱法的分类
三、色谱系统的操作方法
第二节吸附色谱法
一、吸附色谱基本原理
二、吸附薄层色谱法
三、吸附柱色谱法
第三节分配色谱法
一、基本原理
二、分配色谱条件
三、分配色谱基本操作
四、分配色谱法的应用
第四节离子交换色谱法
一、离子交换色谱技术的基本原理
二、离子交换剂的类型与结构
三、离子交换剂的理化性能
四、离子交换色谱基本操作
五、离子交换色谱的应用
第五节亲和色谱
一、亲和色谱概述
二、亲和色谱原理
三、亲和色谱介质
四、亲和色谱介质的制备
五、亲和色谱的操作过程
六、影响亲和色谱的因素
第六节色谱分离技术的应用
一、亲和色谱的应用
二、离子交换色谱的应用
三、吸附色谱的应用
四、分配色谱的应用
五、多种色谱技术的组合应用
思考题
第九章离心技术
第一节离心分离原理
一、离心沉降原理
二、离心过滤原理
第二节离心分离设备
一、离心分离设备概述
二、离心沉降设备
三、离心过滤设备
四、离心分离设备的放大
第三节超离心技术
一、超速离心技术原理
二、超速离心技术分类
三、超速离心设备
第四节离心技术在生物分离中的应用
一、离心技术在生物分离应用中的注意事项
二、离心分离的优缺点
三、离心机的选择
四、离心在生物分离中的应用
思考题
第十章浓缩、结晶与干燥
第一节蒸发浓缩工艺原理与设备
一、蒸发浓缩工艺
二、蒸发浓缩设备
第二节结晶工艺原理和设备
一、结晶操作工艺原理
二、结晶设备
第三节干燥工艺原理与设备
一、干燥工艺原理
二、干燥设备
思考题
分离,意为分开、离开、隔离、分别之意。即可用于人物感情之间,也可以用于物物之间的隔离。
从科学角度来看,分离(separation)是利用混合物中各组分在物理性质或化学性质上的差异,通过适当的装置或方法,使各组分分配至不同的空间区域或在不同的时间依次分配至同一空间区域的过程。
从心理学角度来看,是一种会让人的心情突然由高潮跌到低谷的感觉。它可能包括神游、癔症性转换反映、一种突然的毫无根据的优越感或漫不经心的态度,以及短期地否认自己的行为或感情。
分离的形式主要有两种:一种是组分离;另一种是单一物质的分离。组分离有时也称为族分离,它是将性质相近的一类组分从复杂的混合物体系中分离出来。例如,石油炼制过程中将轻油和重油等一类物质进行分离就属于族分离。单一物质的分离是将某种物质以纯物质的形式从混合物中分离出来,比如从乳酸发酵液中获得纯度较高的乳酸lactic acid,以及生物制药中从混合物中获得特定的目标物等都属于这一类。
1在分离中常常涉及如下几个概念:
(1)富集(enrichment)是指在分离过程中使目标化合物在某空间区域的浓度增加。
(2)浓缩(concentration)指将溶液中的一部分溶剂蒸发掉,使溶液中存在的所有溶质的浓度都同等程度的提高的过程。
(3)纯化(purification)是通过分离操作使目标产物纯度提高的过程,是进一步从目标产物中除去杂质的过程。
实际分离过程中,是多种操作方式或者同一分离方法的反复使用的过程。
2常用的分离方法
分离方法开始主要用于化工行业中化工产品的分离,但是随着生物工程技术下游技术的不断发展,结合传统的化工分离方法,新的高效的分离方法被人们高度重视起来。
常用到得分离方法:盐析、萃取分离法(包括溶剂萃取、胶团萃取、双水相萃取、超临界流体萃取、固相萃取、固相微萃取、溶剂微萃取等)、膜分离方法(包括渗析、微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、膜萃取、膜吸收、渗透汽化、膜蒸馏等)、层析方法(离子交换层析、尺寸排阻层析、疏水层析、固定离子交换层析IMAC、亲和层析等)。在这些方法中膜分离的方法和层析技术越来越受到人们的重视。
(1)膜分离方法:
中药提取,生物医药产品的功效需要以目标提取物的活性为基础保障,传统的提取罐工艺首先要将动植物物质高温蒸发干燥粉碎,然后有机溶剂浸提,高温干燥浓缩成粉,两次高温基本破坏了目标产物的活性,使产品丧失理论功效,开元生物的生物膜提取罐是将动植物物质原浆粉碎,通过超滤膜纳滤膜进行高精度提取,
在确保目标提取物的高活性.高纯度.高质量前提下:
以反渗透膜技术对大小在50-400分子量的小分子,酸性,碱性有机溶液的净化分离浓缩;
以纳滤膜技术对200-2000分子量的免疫球蛋白,生物肽,羊胎素,氨基酸,蛋白质.....目标产物;
以超滤膜技术对500-50000分子量的目标产物;
实现广义的精确提取.浓缩.提纯.结晶的工艺研发能力。
相较于传统的动态提取罐.浓缩罐,开元膜式提取罐具有以下特点:
(1)分离过程无相变化
(2)分离过程在常温下进行,尤其适用于热敏物质的分离和浓缩;
(3)仅用压力作为膜的动力,自动化控制,方便维修;
(4)有效面积大,滤速快,分离效率高;
(5)适用范围广,工艺流程短
采用膜式生物分离提纯.浓缩工艺比传统生产工艺节约:蒸汽90%以上,电力60%以上,厂房、场地70%以上,有机溶剂或水80%以上,排污90%以上,目标产物回收率达到95%以上,具有巨大的经济效益和社会效益。
x机组是以膜分离为中心,整合物质及细胞破碎、匀浆过滤、超滤、纳滤、反渗透、溶剂蒸馏回收、液体蒸馏浓缩、纯水制造、膜的反冲洗、柱冲洗、精提纯、真空干燥等任意组合,可连续自动化生产。
x机组主要用于海洋生物、动植物药材、发酵微生物、生化产品、果汁、奶类制品,化妆品等的浓缩、分离、提纯。还可针对企业污水的酸、碱及有机物质的提纯、分离、浓缩,并达到中水标准。
反渗透技术是什么?
反渗透是60年代发展起来的一项新的膜分离技术,是依靠反渗透膜在压力下使溶液中的溶剂与溶质进行分离的过程.
反渗透的英文全名是“REVERSE OSMOSIS”,缩写为“RO”.
为什么叫反渗透:
首先要了解“渗透”的概念.渗透是一种物理现象.当两种不同浓度盐类的水,如用一张半渗透性的薄膜分开就会发现,含盐量少的一边的水分会透过膜渗到含盐量高的水中,而其中的盐分并不渗透,这样,逐渐把两边的含盐浓度融合到均等为止.然而,要完成这一过程需要很长时间,这一过程也称为渗透.但如果在含盐量高的水侧,施加一个压力,其结果可以使上述渗透停止,.如果压力再加大,可以使水向相反的方向渗透,而盐分剩下.因此,反渗透除盐原理,就是在有盐分的水中(如原水),施以比自然渗透压力更大的压力,使渗透向相反方向进行,把原水中的水分子压到膜的另一边,变成洁净的水,从而达到除去水中杂质、盐分的目的.
反渗透膜的技术特点:
1.反渗透是在室温条件下,采用无相变的物理方法使水得以淡化、纯化。
2.水的处理仅依靠压力作为推动力,其能耗在许多处理方法中低。
3.不用大量的化学药剂和酸、碱再生处理。
4.无化学废液及废酸、碱排放、无废酸、碱的中和处理过程,无环境污染。
5.系统简单,操作方便,产品水质稳定,可以取得较高的纯水。
6.适用于较大范围的原水水质,既适用于苦咸水、海水及污水的处理,又适用于低含盐量的淡水处理。
7.设备占地面积小,需要的空间少。
8.运行维护和设备维修量极低。
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