9 渗透蒸发

主要内容 1 2 3 4 渗透蒸发的原理和特点 渗透蒸发膜及膜材料的选择 影响渗透蒸发因素 渗透蒸发的应用

渗透蒸发 (Pervaporation，PV) ： 又称渗透汽化，即通过渗透蒸发膜，在膜两侧组分的蒸气分压差作用下，使液体混合物部分蒸发，从而达到分离目的的一种膜分离法。 图9.1 渗透蒸发过程

技术发展沿革： 1917年：“渗透蒸发”一词最早出现； 20世纪50～60年代：分离液体混合物，如水-乙醇-异 丙醇三元恒沸物； 20世纪70～80年代初：能源危机促进渗透蒸发的发展； 21世纪：生物技术产业中最重要的分离技术之一。

1 渗透蒸发的原理和特点 1.1 分离原理 适用范围：液体混合物（恒沸物）； 膜的类型：渗透蒸发膜； 推动力：蒸气分压差； 膜的选择性：物质在膜中的溶解度（热力学性质）和扩散速率（动力学性质）；

1 渗透蒸发的原理和特点 1.2 渗透蒸发的特点 渗透蒸发与常规分离结合，扬长避短。 选择性好，特别适合分离沸点接近和含量低的物质； 过程操作简单，但能耗较高； 分离过程中对膜不仅无损害，而且有利于提高膜的性能和寿命； 与反渗透等相比，通量非常小。 渗透蒸发与常规分离结合，扬长避短。

2 渗透蒸发膜及膜材料的选择 2.1 渗透蒸发膜的分类 （1）根据膜材料的化学性质和组成 亲水膜 用于有机溶液的脱水； 含氮原子的壳聚糖衍生物、聚烯丙基胺； 羟基、氨基 处理能力强，水通量可达2170 g/(m2.h)

亲油膜 对于乙醇-水体系，优先透过乙醇； 用于水的纯化、污染控制和有机物回收； 改性硅橡胶、改性聚三甲基硅基丙炔膜；

（2）根据膜结构的不同 对称均质无孔膜：孔径在1nm以下，结构致密，通量较小； 非对称膜：活性皮层和支撑层为同种材料； 复合膜：活性皮层和支撑层的材料不同； 浸涂法 界面聚合法 离心交换膜

2.2 膜材料的选择 影响分离组分对膜的渗透通量的主要作用力： 三维溶解度参数（δ） δ2 = δd2+ δp2+ δh2 吸引力 排斥力

组分与聚合物之间的溶解度差值： Δδm,i =[(δd,m-δd,i)2 + (δp,m-δp,i)2 + (δh,m-δh,i)2]

3 影响渗透蒸发的因素 温度 压力 膜后真空度 料液组成 流动状态

4 渗透蒸发的应用 从液体有机物中脱除水分

从水中除去有机物 有机物/有机物的分离 蒸气渗透

发酵液 加热；pH值; 凝聚和絮凝; 助滤剂 细胞的破碎 预处理 初步纯化 过滤、离心、膜分离、萃取 高度纯化 成品制备 生物产品

第十章 溶剂萃取

主要内容 1 2 3 4 5 概 述 理论基础 乳化和去乳化 萃取的过程和方式 离子对/反应萃取

1. 概述 1.1 萃取的概念 利用溶质在互不相溶的两相中溶解度(或分配系数）的不 同而使溶质得到纯化或浓缩的技术。

萃取剂：用于从原料中提取目标产物的流体（或萃取过程中加入的第三组分） 萃取液 : 以萃取剂为主，含有较多溶质的相。 萃余液：以原溶剂为主，且含有少量萃取剂和溶质的相。

1.2 萃取的步骤： 萃取剂与料液充分混合； 分离互不相容的两相； 脱除萃余液中残留的溶剂。

1.3 萃取分离的特点 （1）选择性 （2）能与其他需要的纯化步骤(如结晶、蒸馏)相配合 （3）减少由于降解(水解)引起的产品损失； （4）可从潜伏的降解过程中分离产物； （5）适合不同规模的生产 （6）传质速度快，生产周期短，便于连续操作

1.4 萃取在生物产品生产中的应用 根据萃取物的分子大小： 小分子类：抗生素、有机酸 方法：传统的萃取方法 大分子类：酶、抗体、蛋白质 方法：双水相萃取、反胶束萃取等

2 萃取过程的理论基础 2.1 分配定律 分配系数： a.定义：在恒温恒压条件下，溶质在互不相溶的两 相中达到分配平衡时，在两相中的平衡浓度之比为常数。 b.公式： c. 前提条件 （1） 稀溶液；（2） 溶质对溶剂互溶没有影响；（3） 必须是同一分子类型，不发生缔合或离解

2.2 分离因子α 同一萃取体系中，同一萃取条件下，两种组分分配系数之比。

例题： 反应液中含A和B两种溶质，25℃条件下，用正丁醇进行萃取，KA为0.1，KB为2.0; 用二氯甲烷萃取时，KA为5.0，KB为2.0。想一下哪种萃取剂更适合A和B的分离？为什么？

2.3 萃取剂的选择 （1）利用溶解度参数理论 （2）根据相似相溶原理 极性物质易溶于极性溶剂中，非极性物质易溶于 低极性 或非极性溶剂中； 物质的极性可以测定介电常数进行评价。

2.4 弱电解质的萃取过程与水相的特性 （1）离子对改变溶质 四丁基胺的氯化物用氯仿萃取时，K=1.3； 将乙酸钠加入后，K=132

（2）调节pH值来改变溶质的性质 青霉素在水相和有机相中分配的三个特点： 仅游离酸可在水相和有机相间发生分配； 萃取时不发生青霉素的电离； 在有机溶剂中青霉素不发生离解；

1 K = K0 1 + 10pH-pKa 分配系数与电离平衡常数间的关系： 已知Ka=10-2.75: 当 pH < 1.0 时，K = K0 ; 当 pH介于1-5之间时，K值由上式计算得出； 当 pH > 5.0时，K随着pH值的下降而下降。

3 乳化和去乳化 乳化： 一种液体以细小液滴（分散相）的形式分散在另一互不相容的液体（连续相）中，这种现象称为乳化现象，形成的液体称为乳状液或乳浊液。

3.1 乳化的本质 表面活性剂的存在； 表面张力下降； 自发过程 思考： 乳浊液和悬浮液的区别？

3.2 乳状液的类型及其消除 （1）类型 水包油（O/W）：表面活性剂的亲水基团大于亲油基团； 油包水（W/O）：亲油基团大于亲水基团； 工业上常用亲憎平衡值（HLB）表示。

（2）乳状液的消除方法 加热、稀释、吸附 离心或过滤（乳化现象不严重 ） 加入电解质，破坏乳状液双电层 顶替法 凝聚或絮凝等预处理

4 萃取的方式 4.1 操作步骤 （1）混合：分液漏斗和搅拌罐； （2）分离：离心机； （3）溶剂回收：蒸馏设备。

4.2 萃取的方式 （1）单级萃取 特点： 操作简单、快速； 但对分配系数不大的产物分离时回收率低

（2）多级错流萃取 特点： 混合分离器1 混合分离器2 混合分离器n 料液 溶剂 萃余液 ….. 萃取液 回收率较高； 但溶剂用量大，产物浓度低、能耗较大 。

（3）多级逆流萃取 特点：萃取效率高，萃取相中目标产物浓度高；溶剂用量少。

（4）分馏萃取 料液从中间位置引入，进料部位将萃取流程分为萃取段（左边）和洗涤段（右边）。 特点：萃取效率高，目标物纯度高

（5）离子对/反应萃取 a. 概念 离子对/反应萃取就是使目标溶质与溶剂通过配位反应、酸碱反应或离子交换反应生成可溶性的配合物，易从水相转移到有机溶剂中。

b. 萃取剂的类型： 有机磷类萃取剂： 磷酸三丁酯（TBP）； 氧化三辛基膦（TOPO） 胺类萃取剂： 三辛胺（TOA）； 二辛胺（DOA）

c. 稀释剂的要求 分配系数：萃取时1.0，反萃取时0.1； 选择性： 毒性 水溶性 黏度和密度 第三相的形成

5 液-固萃取 5.1 定义： 用萃取剂S自固体中溶解某一种溶质的单元操作。 5.2 浸取条件： 溶液相的溶质浓度小于固体相溶液中溶质的浓度 5.3 浸取机理－分子在固体相和溶液相的扩散 （1）S：固液界面→扩散至固体内部 （2）A：固体内溶质溶解→液相 （3）A：固体相内部溶液→扩散固液界面 （4）A：固液界面→液相主体扩散

5.4 影响浸提的因素 （1）固体物质的颗粒度－适中 ：粒度越小，接触面大，扩散速率大，浸出效果好；但粒度太小，流体阻力大，不利浸取 （2）溶剂的用量及浸取次数－少量多次 （3）温度：T升高，溶解度增加，粘度低，浸取率高；T太高，杂质浸出量增高 （4）浸取的时间－适当 （5）搅拌 （6）溶剂的pH：

思考题： 概念： 分配系数，分离因素，HLB值；乳化。 2. pH对弱电解质的萃取有何影响？ 3. 发酵液乳化产生的原因和影响，如何去除乳化？