生物工業(yè)下游加工技術(shù)

第九章膜分離技術(shù)第一節(jié)概論第二節(jié)乳化液膜的制備與分離機(jī)制第三節(jié)載體第四節(jié)乳化液膜分離技術(shù)的工藝流程及其應(yīng)用第五節(jié)關(guān)于液膜過程不利因素的討論第一節(jié)概述膜：膜是一種流動(dòng)相內(nèi)或兩種流動(dòng)相之間的一薄層凝聚相物質(zhì)?？砂蚜鲃?dòng)相分割成兩部分。液體膜（液膜）是膜技術(shù)的一個(gè)分支，是一種新興的節(jié)能型分離手段。液膜分離液體膜（液膜）：是以液體作為材料的膜。是從生物膜奇妙的選擇性輸送功能上得到啟發(fā)而模仿的一種人工膜。液膜是一層很薄的液體，由懸浮在液體中的一層很薄的乳液微粒構(gòu)成。它阻隔在兩個(gè)可互溶但組成不同的液相之間，一個(gè)液相中的待分離組分通過液膜的滲透作用傳遞到另一個(gè)液相中，從而實(shí)現(xiàn)分離的目的。液膜大致可分為三類：（1）整體液膜；（2）支持液膜；（3）乳化液膜。液膜分離技術(shù)原理液膜模擬生物膜的結(jié)構(gòu)，它利用選擇性透過原理，以膜兩側(cè)的溶質(zhì)化學(xué)濃度差為傳質(zhì)動(dòng)力，將膜分離與溶劑萃取相結(jié)合，使選擇性滲透、膜相萃取和膜內(nèi)相反萃取三個(gè)傳質(zhì)環(huán)節(jié)同時(shí)完成，以使料液中待分離溶質(zhì)在膜內(nèi)相富集濃縮，分離待分離物質(zhì)。簡而言之，液膜分離技術(shù)就是以液膜為分離介質(zhì)、以濃度差為推動(dòng)力的液-液萃取與反萃取過程結(jié)合為一體的分離過程。起分離作用的液膜通常為添加了表面活性劑的溶劑相，液膜兩邊的被萃相和反萃相通常都是可互溶相。液膜分離中的三相液膜分離涉及三種液體：通常將含有被分離組分的料液作為連續(xù)相，稱為外相；接受被分離組分的液體，稱為內(nèi)相；成膜的液體處于兩者之間，稱為膜相。在液膜分離過程中，被分離組分從外相進(jìn)入膜相，再轉(zhuǎn)入內(nèi)相，濃集于內(nèi)相。乳化液膜乳化液膜可看成一種“水-油-水”或“油-水-油”型的雙重乳狀液高分散體系。乳化液膜由三相組成：即膜相、外相和內(nèi)相。支撐液膜支撐液膜：是膜相溶液牢固地吸附在支撐體的微孔內(nèi)，在膜的兩側(cè)是與膜互不相溶的料液和反萃相，待分離的溶質(zhì)自液相經(jīng)多孔支撐體的膜相向反萃相傳遞。整體液膜整體液膜：主要用于載體的開發(fā)和基礎(chǔ)性研究上，如分離機(jī)制、傳遞速度和載體選擇性等。液膜技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，常用于濕法冶金工業(yè)、石油與化學(xué)工業(yè)、生化工業(yè)、制藥工業(yè)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。生物領(lǐng)域用于：氨基酸、有機(jī)酸、抗生素、脂肪酸、蛋白質(zhì)、生物活性物質(zhì)等分離。液膜的膜相組成膜相是一層很薄的液體，可以是水溶液或有機(jī)溶劑，膜相能把兩個(gè)互不相溶的溶液隔開，并通過這層液膜實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的選擇性分離。通常被隔開的兩個(gè)溶液是水溶液（內(nèi)外相），膜相則是與內(nèi)外水相都互不相溶的油性物質(zhì)。膜相主要由膜溶劑、表面活性劑、流動(dòng)載體和膜增強(qiáng)劑構(gòu)成。膜溶劑使用較多的膜溶劑是高分子烷烴、異烷烴類物質(zhì)，它是膜相的基體物質(zhì)。較理想的膜溶劑通常有以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：（1）能保持操作過程中的穩(wěn)定性。有一定的粘度，又不溶解于內(nèi)外水相。（2）良好的溶解性。希望它優(yōu)先溶解預(yù)提取的物質(zhì)，而對(duì)雜質(zhì)的溶解越少越好，同時(shí)對(duì)膜相中的其它組分也有較好的互溶性。（3）膜溶劑與水相應(yīng)有一定的相對(duì)密度差，以利于操作后期膜相與料液的分離。表面活性劑與流動(dòng)載體表面活性劑：它是液膜技術(shù)中穩(wěn)定油水分界面的最重要的組分，對(duì)液膜的穩(wěn)定性、滲透速度、分離效率和膜相與內(nèi)水相分離后的循環(huán)使用有直接關(guān)系。流動(dòng)載體：合適的載體是液膜分離技術(shù)的關(guān)鍵之一。它能對(duì)欲提取的物質(zhì)進(jìn)行選擇性搬運(yùn)遷移，因此對(duì)選擇性和膜的通量（或分離速度）起決定作用。起到萃取劑的作用。膜增強(qiáng)劑起到增加膜的穩(wěn)定性作用。在液膜的分離操作時(shí)要求膜不過早破裂；而在破乳工藝中液膜層又容易破碎，以利于膜相與內(nèi)水相的分離。一般而言，膜相中表面活性劑占1%-5%，流動(dòng)載體1%-5%，90%左右是膜溶劑。生物膜的結(jié)構(gòu)示意圖細(xì)胞膜主體是由磷脂雙分子層、蛋白質(zhì)構(gòu)成的。磷脂分子的極性親水端向外形成雙分子層，非極性親油端則互相聚集。膜中央近似液體，膜表面則近似晶體。蛋白質(zhì)分子以各種方式聯(lián)結(jié)在膜上，這些蛋白質(zhì)有“識(shí)別”和“輸送”物質(zhì)的功能，即選擇性地將一個(gè)物質(zhì)分子或者離子從膜的一側(cè)輸送到膜的另一側(cè)。生物膜中的蛋白質(zhì)相當(dāng)于液膜中的載體。液膜與生物膜的相似性液膜與生物膜在結(jié)構(gòu)上有許多相似之處。含有表面活性劑的膜溶劑相當(dāng)于生物膜的類脂體，而液膜中的流動(dòng)載體即相當(dāng)于生物膜中的蛋白質(zhì)載體。第二節(jié)乳化液膜的制備與

分離機(jī)制在一個(gè)強(qiáng)烈的剪切力（率）下，緩慢添加水相（內(nèi)水相）于一個(gè)含有表面活性劑的油相中，形成動(dòng)力學(xué)上穩(wěn)定的油包水（W/O）乳化液，再通過一個(gè)溫和的攪拌將油包水乳化液分散于一個(gè)連續(xù)水相（外水相）中，膜相充當(dāng)了兩水相的隔離層，因而內(nèi)相中不含有外相水溶液。假定乳化小球不聚集，在分離過程中，能保持它們的完整性。另外，由于表面活性劑的存在，乳化小球內(nèi)部是靜止而不活潑的，乳化小球內(nèi)部反水性微水滴不存在循環(huán)。二、乳化液膜的分離機(jī)制液膜的分離機(jī)制分為兩大類：無載體擴(kuò)散遷移和載體促進(jìn)傳遞機(jī)制。1、無載體擴(kuò)散遷移：（1）單純擴(kuò)散遷移：該分離機(jī)制的液膜中不含流動(dòng)載體，內(nèi)、外水相中也沒有與待分離物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的試劑。只依賴待分離組分在膜中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)的差異，導(dǎo)致透過膜的速度不同而實(shí)現(xiàn)的一種液膜分離過程。單純的擴(kuò)散遷移液膜相中的A、B兩種溶質(zhì)要分離，必須一種溶質(zhì)A透過膜的速度大于B，而通過速度正比于該溶質(zhì)在膜相中的分配系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)。

實(shí)際上，大多數(shù)溶質(zhì)在膜相中的擴(kuò)散系數(shù)幾乎相同，所以溶質(zhì)透過液膜的速度實(shí)際上取決于分配系數(shù)K。（2）內(nèi)相化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)遷移為實(shí)現(xiàn)高效分離，可采用在溶質(zhì)的接受相（如內(nèi)相）添加與溶質(zhì)能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的試劑，通過化學(xué)反應(yīng)來促使溶質(zhì)高效快速遷移。乙酸的單純擴(kuò)散分離機(jī)制外水相中的未解離的分子態(tài)乙酸，由分配關(guān)系萃入乳化小球的油相，然后擴(kuò)散穿過膜層到達(dá)內(nèi)水相。該液膜體系中，內(nèi)水相通常是溶酸或濃堿，外相是需要分離的弱酸或弱堿。分離乙酸時(shí)，內(nèi)相通常是NaOH水溶液，當(dāng)乙酸從膜相進(jìn)入到內(nèi)水相，便迅速轉(zhuǎn)化為乙酸根負(fù)離子。因乙酸根帶有電荷，故不能逆向回到非極性的油相。1、乙酸的單純擴(kuò)散分離機(jī)制在特定的微小內(nèi)水相中幾乎不存在未離解的酸，故分離和分配進(jìn)入微水相的推動(dòng)力很大，當(dāng)堿性試劑被耗盡，則分配推動(dòng)力就消失。乳化小球中未離解的乙酸分子就必須繼續(xù)擴(kuò)散、進(jìn)入到其它含有足夠堿性試劑的微水滴。此時(shí)，分離時(shí)間增加，乙酸的液膜分離過程逐漸被乙酸分子在膜相的擴(kuò)散速率所控制。從廢水中去除酚乳狀液分散到含酚廢水中，外相中的酚透過膜相進(jìn)入內(nèi)水相，與內(nèi)水相中的NaOH反應(yīng)生成酚鈉，酚鈉不溶于膜相因而不能反向滲透，于是在內(nèi)水相中富集。將乳狀液與料液分相后，即將廢水中的酚除去。2、載體促進(jìn)傳遞機(jī)制在膜相中加入一種可自由流動(dòng)被稱為“載體”的化合物，它能選擇性地與外相中的待分離物質(zhì)結(jié)合后透過膜相并將它送入內(nèi)水相。乳化液膜載體促進(jìn)傳遞機(jī)制：乳化液膜載體促進(jìn)傳遞機(jī)制乳化液膜載體促進(jìn)傳遞機(jī)制待分離物質(zhì)苯丙氨酸負(fù)離子（Phe-）存在于外水相中。液膜油相中已事先溶解了這樣一種物質(zhì)C+。C+帶有的正電荷與外相中的Phe-電荷相反，所以能和它結(jié)合并自由游離在膜相中。C+即為載體，它能選擇性的把外相中的Phe-運(yùn)載到內(nèi)相。存在于內(nèi)水相中的Cl-為載體的另一反離子物質(zhì)。載體特征載體通常為一種離子型表面活性劑，它有一個(gè)常常的憎水親油性的烴類“尾部”，而其“頭部”為一價(jià)電荷的親水性基團(tuán)。“頭部”的電荷使得這個(gè)載體總是結(jié)合一帶有相反電荷的物質(zhì)，以便在油相中保持電中性而溶于油相。典型的內(nèi)水相為一無機(jī)鹽溶液，它提供傳遞推動(dòng)力。載體促進(jìn)傳遞機(jī)制類似生物膜的“離子泵”作用，能將某種物質(zhì)（離子）從低濃度區(qū)向高濃度區(qū)傳遞運(yùn)輸。其促進(jìn)傳遞有三種不同的表現(xiàn)形式（1）載體促進(jìn)擴(kuò)散傳遞（10-6a）；（2）載體促進(jìn)并流傳遞（10-6b）；（3）載體促進(jìn)逆流傳遞（10-5）。第三節(jié)載體載體分為兩大類，即螯合物載體和非螯合物載體。螯合物載體如：（1）羥基肟（wo）（2）8-羥基喹啉（3）磺胺喹啉；（4）

-二酮。非螯合物類：（1）酸性磷酸酯；（2）酸性膦酸酯；（3）三級(jí)胺；（4）四級(jí)銨鹽。第四節(jié)乳化液膜分離技術(shù)的工藝流程及其應(yīng)用液膜技術(shù)在工業(yè)上應(yīng)用時(shí)更多地使用乳化液膜，因?yàn)樗幸韵乱恍﹥?yōu)點(diǎn)：（1）具有選擇性；（2）較高的濃縮能力；（3）連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的可能性；（4）前處理方便或無需前處理；膜相成分的要求（1）要求W/O乳化小球在適當(dāng)?shù)臄嚢鑿?qiáng)度下能保持穩(wěn)定；（2）在解乳化工藝中破乳容易，內(nèi)相容易和膜相分開；（3）有一定的抑制外相的水滲入內(nèi)相的作用；（4）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、價(jià)廉且易獲得。破乳化為了重新使用已用過的乳液，必須將已形成的并經(jīng)過分離操作的乳液破壞，從中分離出膜相和內(nèi)相，以分別處理，這一操作稱為破乳。破乳方法通常有：（1）高速離心法；（2）加熱法；（3）相轉(zhuǎn)移法；（4）電破乳法；電破乳法最適合工業(yè)規(guī)模：膜相能循環(huán)使用、節(jié)能、分離效率高。其機(jī)理很復(fù)雜，有幾種假說。二、工業(yè)上的應(yīng)用在冶金工業(yè)上的應(yīng)用：奧地利一家粘膠人造絲工程最早于工業(yè)規(guī)模上應(yīng)用乳化液膜回收抽絲工段排放廢水中的鋅取得成功。其流程如下圖：三、在生物化學(xué)上的應(yīng)用1、酶固定化液膜技術(shù)：（1）將酶/細(xì)胞固定在乳化液膜的內(nèi)水相中，作為酶反應(yīng)器，可以進(jìn)行氨基酸的生成和分離工作；（2）用乳化液膜對(duì)活性酶包封，可以使酶不失活或活性損失很少。這是其他固定技術(shù)難以做到的。酶固定化液膜技術(shù)將酶的水溶液分散于溶有膜材料的有機(jī)相中形成乳化液體膜。一般用脂質(zhì)體，如卵磷脂作為膜材料。該膜的特點(diǎn)是可通過分子狀態(tài)物質(zhì)，而不是通過離子狀態(tài)物質(zhì)。酶固定化液膜的優(yōu)點(diǎn)：可避免底物抑制、產(chǎn)物抑制或其它抑制劑對(duì)酶反應(yīng)的影響；價(jià)格低廉；操作系統(tǒng)調(diào)節(jié)方便等。在酶固定化液膜技術(shù)中，酶溶液和膜相（有機(jī)相）接觸時(shí)，有時(shí)候酶會(huì)失活。但在烷烴溶劑和非離子型表面活性劑Span80組合時(shí)，失活很小。酶固定化液膜體系的酶反應(yīng)總速度與液膜中物質(zhì)的擴(kuò)散以及內(nèi)相酶催化反應(yīng)相關(guān)，與單純的酶反應(yīng)有較大的差異。基于流式細(xì)胞分選系統(tǒng)的纖維素酶基因高通量篩選及功能研究

在488nm波長的熒光激發(fā)下，其內(nèi)部水相顯示出相應(yīng)的綠光（520nm）。水\油\水雙層微囊外部無明顯的熒光信號(hào)，此現(xiàn)象說明重組酵母細(xì)胞已成功包埋于水\油\水雙層乳化微囊中。包埋在微囊內(nèi)的纖維素酶酵母表面展示重組菌株成功的水解CMC底物釋放出熒光基團(tuán)，并且反應(yīng)體系中的各反應(yīng)成分以及熒光染料等無明顯外滲現(xiàn)象，水\油\水雙層微囊結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，可以用于后繼的基于流式細(xì)胞分選系統(tǒng)的高通量篩選。2、乳化液膜萃取蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)通過膜相時(shí)，易失活，故一般不能直接用乳液膜技術(shù)來分離蛋白質(zhì)。但將乳化液膜技術(shù)與反膠團(tuán)結(jié)合，可以分離蛋白質(zhì)。存在于膜相中的反膠團(tuán)可作為蛋白質(zhì)的載體，在膜相中往返運(yùn)送蛋白質(zhì)。該系統(tǒng)兼有乳化液膜和反膠團(tuán)的優(yōu)點(diǎn)：分離迅速，處理能力大，可連續(xù)操作，兼有分離和濃縮蛋白質(zhì)的能力。五、在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用不需破乳化等復(fù)雜操作，作為藥物口服用量不大。（1）液膜人工肺：實(shí)際上是一種“油包氣”液膜。內(nèi)相為O2，膜相為氟代烴，外相即血液。內(nèi)相中O2可較好地溶解并透過膜相，進(jìn)入血液，而血液中的CO2可反向溶解于氟代烴并擴(kuò)散投入內(nèi)相，使血液變得新鮮。（2）液膜人工肝酚在正常狀態(tài)下是通過肝臟解毒的，但病人在肝昏迷時(shí)，酚是最主要的毒素，而肝的解毒功能下降，血液中的酚迅速增加。將脲啶二磷酸葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶液作為內(nèi)相，石蠟油作為膜相制成乳化液膜分散到血液中，在酶的作用下脲啶二磷酸葡萄糖醛酸與酚結(jié)合成為親水性物質(zhì)，可被腎排出體外。液膜人工腎腎臟病變會(huì)積累尿素，液膜人工腎可將尿素有效地從體內(nèi)排出。先通過液膜內(nèi)相包裹的外加脲酶，將尿素分解成CO2和NH3，CO2易從肺中排出體外，NH3則在液膜內(nèi)包裹著的某種酸的作用下生產(chǎn)NH4+并最終排出體外。4、液膜解毒及緩釋藥物有很多液膜技術(shù)幫助體內(nèi)解毒或清除血液中沉積物的研究。液膜用于各種原因的中毒包括服毒自殺者的急救。例如巴比妥酸等有機(jī)酸藥物可被內(nèi)相是堿的液膜捕捉并收集。液膜法比通常采用的催吐、洗胃、引瀉等方法有很多優(yōu)點(diǎn)：易于制備和施用，潛在效率高，病人反應(yīng)小等。此外，易被胃酸作用失效但又必須到腸道中才能起到功效的微生物制劑和某些功能活性因子（如胰島素、疫苗）能否采用液膜技術(shù)也是個(gè)值得探討的課題。第五節(jié)關(guān)于液膜過程不利因素的討論一、膜破裂：乳化液膜破裂帶來的有害影響主要是：（1）內(nèi)相包含的內(nèi)容物釋放進(jìn)入外相，從而降低了分離的效率。(2)內(nèi)相中含有的試劑隨著膜破裂進(jìn)入外相后，造成外相的污