生物反应器3.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,生物反应器的设计,生物反应器设计的重要方面包括改善生物催化剂，更好的进行过程控制，有更好的无菌条件以及能克服速度限制因素（特别是热量和质量传递）等。,微生物反应器设计的基本要求,（1）避免将需蒸汽灭菌的部件与其它部件连接，因为即使阀门关闭，细菌也可在阀门内生长；,（2）尽量减少法兰连接，因为设备震动和热膨胀会引起连接处的移位，导致染菌。如有可能，应采用全部焊接结构，焊接部位一定要确实磨光，以消除积蓄耐灭菌的固体物质的场所；,（3）防止死角、裂缝等一类情况，以避免固体物质在此堆积，形成使杂菌获得热抗性的环境；,（4）发酵系统的某些部分应能单独灭菌；,（5）与反应器相通的任何连接都应采用蒸气加以密封，如取样口在不取样时也要一直通蒸气；,（6）所有阀门要易清洗、易使用、易灭菌，比较好的阀们有球阀、隔膜阀和截止阀等；,（7）反应器应始终保持正压以排除渗漏；,（8）为了便于清洗，反应器主体应尽量简单,。,生物反应器的类型:,微生物有厌氧和好氧两大类，培养这两大类微生物的发酵设备有很大的区别。,根据发酵类型和设备特点，反应器基本上可以分成两类：厌氧和好氧发酵设备。,厌氧发酵设备：,厌氧发酵也称静止培养，其发酵设备因不需供氧，所以设备和工艺都较好氧发酵简单。,厌氧发酵技术常用于部分固体发酵、液体发酵和固定化细胞发酵中。,酒精、丙酮、丁醇、乳酸和啤酒等都是采用液体厌氧发酵工艺生产的。,厌氧液体深层发酵几种除氧方法：,(1)在培养初期充入非氧气体（,如,N,2,或,CO,2,）,，,并维持轻微的正压。,(2)罐内的发酵液应尽量装满，以便减少上层气相的影响。,(3)使用大剂量接种（一般接种量为总操作体积的,1020,），使培养物迅速生长，减少培养物对外部氧渗入的敏感性。,(4)一旦厌氧培养物已经活跃生长起来，就不一定再向罐内充无氧气体了。此时，发酵罐的排气口要安装水封装置，以防氧气扩散进入罐内上部空间。,(5)厌氧发酵的培养基应先通过加热或喷入无氧气体来预还原。,第一节,酒精发酵设备,酒精发酵罐的结构必须首先满足工艺要求。此外，从结构上还应考虑有利于发酵液的排出、设备的清洗、维修以及设备制造安装方便等问题。,第二节 啤酒发酵设备,1、前发酵设备,传统的前发酵槽均置于发酵室内，发酵槽大部分为开口式。,前发酵槽可由钢板或钢筋混凝土制成，形式以长方形或方形为主。,了防止啤酒中有机酸对各种材质的腐蚀，前发酵槽内均要涂布一层特殊涂料作为保护层。,开放式前发酵槽,1.槽体 2.冷却水管 3.出酒阀,前发酵槽的计算：,（1）发酵槽数目的确定,N=n t,n,每日糖化次数；,t,前发酵时间。,（2）前发酵槽体积的确定,V=ZV,0,/(m,3,),V,0,糖化一次麦汁量，,m,3,；,Z ,容纳一次麦汁量的整倍数；,装液系数，取0.80.85。,（3）,前发酵槽冷却面积计算,Q=,sq/24t J/(,m,3,h),2、后发酵设备,后发酵槽又称贮酒罐，其设备主要完成嫩啤酒的继续发酵，并饱和二氧化碳，促进啤酒的稳定、沉清和成熟。,后发酵槽是金属的圆筒形密闭容器，有卧式和立式两种，大多数工厂采用卧式。,后发酵槽,A,卧式,1.人孔 2.连通接头（排二氧化碳等）,3.取样旋塞 4.啤酒放出阀,5.压力表和安全阀,B,立式,1.压力调节装置,2.取样口 3.人孔,4.啤酒放出口,3、新型啤酒发酵设备,圆筒体锥底立式发酵罐（简称锥形罐）,可单独用于前发酵或,后发酵，也可将前、后,发酵合并在该罐进行。,操作清洗方便，无菌条,件高，又利于二氧化碳,气体的回收和酵母的收,集，所以，已广泛用于,啤酒生产。,联合罐,Universal,型的发酵罐（美国、日本）,结构：浅锥底的大直径、机械搅拌。既可用于前、后发酵，也能用于多罐法及一罐法生产。,图1-3-12,朝日罐,日本试制的前发酵、后发酵合一的大型室外发酵罐，斜底圆柱型，外部有冷却夹套、泡沫塑料保温。,图1-3-13,4、CIP清洗系统,清洗程序分7个步骤：,预冲洗：30,s，10,次；碱预洗：16分；中间清洗：清水4分；清水喷冲：3次，每次30,S,；,碱喷冲：15分；清水冲洗；酸性水冲洗。,图1-3-14,第三节 连 续 发 酵,定义：在发酵罐内连续不断地加入培养液，同时又连续不断地排出发酵液，使发酵罐中的微生物一直维持在生长加速期，同时降低代谢产物的积累，缩短了发酵周期，提高了设备利用率。,连续发酵时间的确定：,t2303 ,0,生长速率,0,、,发酵开始、发酵时间,t,后的发酵 基质液浓度,两罐连续发酵串联物料平衡图：,图1-3-15,连续发酵流程：,（一）酒精连续发酵流程,图1-3-17,图,1-3-18,（二）啤酒连续发酵流程,图1-3-19,（塔式）,图1-3-22,（多罐式）,第一节 植物细胞培养反应器,1、悬浮培养生物反应器,机械搅拌式反应器：,图1-4-2,非机械搅拌式（气体搅拌式）反应器：图,1-4-3,应用例子,2、固定化细胞生物反应器,填充床反应器：,图1-4-5,流化床反应器：(图1-4-6 见书),膜反应器：,图1-4-8,例子,第二节 动物细胞培养反应器,动物细胞培养方法：,1、贴壁培养成纤维细胞和上皮细胞等贴壁依赖性细胞在培养中要贴附于壁上，迅速铺展，有丝分裂，很快进入对数生长期。,2、悬浮培养在培养器中细胞自由悬浮生长的过程。主要用于非贴壁依赖性细胞培养。,3、固定化培养包埋培养对两类细胞都适应，细胞生长密度高，抗剪切力和抗污染能力强。,细胞培养的操作方法,1、分批式操作,2、流加式操作,3、半连续式操作,4、连续式操作,5、灌注培养,动物细胞大规模培养反应器,1、通气搅拌式细胞培养反应器,图,1-4-15,2、气升式动物细胞培养反应器图,1-4-16,3、中空纤维,(,聚矾和丙烯的聚合物,),细胞培养反应器,4、微囊培养系统,(,把活性物质或细胞包在薄的半透膜的技术,),5、大载体系统,(,海藻酸钠聚合细胞成,2.6mm,直径,),6、微载体培养系统,(,利用固体小颗粒,(,葡聚糖,),作载体,细胞附着在表面,),动物细胞大规模培养技术的应用,疫苗,干扰素,单克隆抗体,其他基因重组产品,第一节 固体物料的处理与粉碎设备,一、固体物料的筛选除杂设备,1、大麦粗选机：,图2-1-1,（,SZ,振动筛）,是带有风力除尘的振动筛，筛面倾斜作前后往复运动，称平摇倾斜筛。（,重点,）,2、磁力除铁器,固定形磁钢装置,永磁磁滚筒,（图2-1-2）,3、大麦精选机,4、大麦分级机（平板分级筛和圆筒分级筛）,（图2-1-7和2-1-8）,二、固体物料的粉碎设备,1、固体物料的粉碎种类（,重点,）,挤压、冲击、研磨、剪切、劈裂粉碎,（图2-1-9）,2、物料的粉碎度（粉碎比）,X=D,1,/D,2,3、,粉碎机械,锤式粉碎机、棍式粉碎机（,两棍图2-1-13,）多棍（,图2-1-14、15、16,）,圆盘钢磨,三、固体物料的加水粉碎（湿法粉碎）,采用一级或二级粉碎，主要部分：输料装置、加料器、粉碎机和加热器等。流程图见图,2-1-19,。,四、微细粉碎和超微细粉碎,图2-1-21、22,、,23、24,第二节 液体培养基的制备及杀菌设备,一、糖蜜原料的稀释与澄清,1、间歇式稀释设备,2、糖蜜连续稀释器（水平式,图2-1-25,，立式图,2-1-26、27、28、29,）,3、糖液的酸化澄清设备,酸化目的：在糖液中加入硫酸，灭菌，灰渣沉淀澄清，达到发酵需要。,二、淀粉质原料的蒸煮糖化设备,（一）目的,（二）蒸煮设备,连续性蒸煮设备（罐式和柱式）,图2-1-31,（三）真空冷却器（圆筒锥底，料液以切线进入，器内为真空，醪液产生自蒸发，大量二次蒸汽进冷凝器。锥底排醪液。）,图2-1-34,（四）糖化设备,连续糖化罐,图2-1-35,，真空糖化装置,三、啤酒生产中麦芽汁的制备,（一）啤酒糖化设备的组合方式,四器组合：糊化锅、糖化锅、过滤槽、煮沸锅。六器组合：糊化锅、糖化锅、过滤槽2个、煮沸锅2个。,（二）糊化锅,图2-1-37,（三）糖化锅,图2-1-39,（四）煮沸锅,图2-1-40,（五）过滤槽,图2-1-45,四、液体培养基的灭菌（重点）,连续灭菌流程,优点：,高产量，设备利用率高；质量好，耗能均衡，好操作；受热时间短，营养成分保留多；劳动强度低，自动控制。,流程：,图2-1-50、55、58。,第一节 过滤速度的强化,一、发酵液的预处理,加热、凝聚和絮凝、加入盐类、调节PH、加入助滤剂。,二、过滤介质选择和操作条件优化,第二节 过滤设备,分类：常压过滤机、加压过滤机和真空过滤机。,一、板框式压滤机,（图2-2-5、6）,二、真空过滤机,（图2-2-11、12,）,第三节 离心分离设备,分类：过滤式离心分离和沉降式离心分离,一、离心分离原理与分离因数（管式和碟式离心机）,分离因数：是指离心力与重力的比值或离心加速度与重力加速度的比值。,f=F/m=,a/gr,二、常用离心机结构及选型,1,、分类：,f,3000,（普通）,f,50000,（超速）,f=3000-50000,（高速）,1、结构图,（2-2-17、18）,第四节 膜分离设备,一、膜分离的方法（表2-2-11）,二、膜（表2-2-12）,三、膜分离过程,四、膜分离设备 板式、管式、中空纤维式螺旋卷式分离器等。,第一节 萃取分离原理及设备,一、溶剂萃取（单级、多级：错流和逆流。影响因素：萃取剂和PH、温度、盐析、带溶剂、去乳化）,二、双水相萃取,三、离心萃取机,第二节 离子交换分离原理及设备,一、离子交换树脂及其分离,原理,二、离子交换设备及计算,离子交换罐（,图2-3-13、14、15、16,、,18、19）,第三节 吸附分离原理与设备,(,略,),第四节 色谱分离原理及设备,(,略,),第五节,分子蒸馏原理,第,六,节,超临界流体,萃取的原理,糖蜜是甘蔗或甜菜糖厂的一种副产品，又称废糖蜜，俗称桔水。糖蜜含糖量较高，因其本身就含有相当数量的可发酵性糖，只须添加酵母便可直接发酵生产酒精，是大规模工业生产制造酒精的良好原料。随着我国制糖工业的发展，糖密的产量日益增加，我国不少糖厂都附设酒精车间，作为综合利用糖蜜生产酒精。从糖蜜酒精发酵的特点，可清楚看到糖密干物质浓度很大，糖分高，产酸细菌多，灰分与胶体物质很多，如果不预先进行处理，酵母是无法直接进行发酵的。因此必须进行预处理，糖密的处理程序包括稀释、酸化、灭菌、澄清和添加营养盐等过程。,薯类和谷类以及野生植物原料经过加压蒸煮，淀粉糊化成为溶解状态，但是还不能直接被酵母菌利用，发酵生成酒精。因此，经过蒸煮以后的糊化醪，在发酵前必须加入一定量的糖化剂，使溶解状态的淀粉，变为酵母能够发酵的糖类，这一个由淀粉转变为糖的过程，称为糖化。糖化过程是淀粉酶或酸水解的作用，把淀粉糖化变成可发酵性糖。,蒸煮设备,:,为了提高蒸煮醪质量和减轻劳动强度，目前我国个酒精厂广泛采用连续蒸煮的方法，这是我国酒精生产中一项重大技术革新，常用的有罐式连续蒸煮，管式连续蒸煮，柱式连续蒸煮等三种方法，各有特点。,概述,生物工业中的下游加工工艺很大程度上取决于产品的性质及产品所要求的纯度。当制品为菌体本身时，则工艺比较筒单。一般来说，下游加工过程可分为,4,个阶段：发酵液的预处理和固液分离。产物提取。产物精制。成品加工。其中发酵液的预处理和固液分离，已在上一章讨论，产物的提取和精制过程通常采用萃取、离子交换、分子蒸馏、超临界萃取、吸附、色谱分离方法等。本章主要讨论这几种方法的分离原理及设备。,第一节 萃取分离原理及设备,1.,简介,萃取,(extraction),是利用液体或超临界流体为溶剂提取原料中目标产物的分离纯化操作，所以，萃取操作中至少有一相为流体，一般称该流体为萃取剂,(extractant),。以液体为萃取剂时，如果含有目标产物的原料也为液体，则称此操作为液,-,液萃取；如果含有目标产物的原料为固体，则称此操作为液,-,固萃取或浸取,(Leaching),。以超临界流体为萃取剂时，含有目标产物的原料可以是液体，也可以是固体，称此操作为超临界流体萃取。另外，在液,-,液萃取中，根据萃取剂的种类和形式的不同又分为有机溶剂萃取,(,简称 溶剂萃取,),、双水相萃取、液膜萃取和反胶束萃取等。溶剂萃取一般用于小分子物质的提取，双水相萃取常用于蛋白质等大分子物质的提取。,萃取分离的特点：1、比化学沉淀法分离程度高；2、比离子交换法选择性好、传质快；3、比蒸馏法能耗低，生产能力大，周期短，连续操作，可以自动化控制；4、和其他新型分离技术相结合，产生了一系列新型分离技术,单级萃取,单级萃取只包括一个混合器和一个分离器，如图,2,3,1,所示。料液,F,和溶剂,S,加入混合器中经接触达到平衡后，用分离器分离得到萃取液,L,和萃余液,R,。设料液体积为,VF,，溶剂的体积为,Vs,，则经过萃取后。溶质在萃取相中的浓度为山，在萃余相中的浓度为,C2,多级错流萃取,(,多级逆流,),离子交换法主要是基于一种合成的离子交换剂作为吸附剂，以吸附溶液中需要分离的离子。生物工业中最常用的交换剂为离子交换树脂，广泛用于提取氨基酸、有机酸、抗生素等小分子生物制品。在提取过程中，生物制品从发酵液中吸附在离子交换树脂上，然后在适宜的条件下用洗脱剂将吸附物从树脂上洗脱下来，达到分离、浓缩、提纯的目的。,离子交换法的特点是树脂无毒性且可反复再生使用，少用或不用有机溶剂，因而成本低，设备简单，操作方便。目前已成为生物制品提纯分离的主要方法之一。但离子交换法也有生产周期长，,PH,变化范围大，甚至影响成品质量等缺点。此外，离子交换树脂法还广泛用于脱色、硬水软化及制备无盐水等,.,离子交换树脂及其分离原理,离子交换树脂是一种具有网状立体结构、且不溶于酸、碱和有机溶剂的固体高分子化合物离子交换树脂的单元结构由两部分组成。一部分是不可移动且具有立体结构的网络骨架，另一部分是可移动的活性离子。活性离子可在网络骨架和溶液间自由迁移，当树脂处在溶液中时，其上的活性离子可与溶液中的同性离子产生交换过程。这种交换是等当量进行的。如果树脂释放的是活性阳离子，它就能和溶液中的阳离子发生交换，称阳离子交换树脂；如果释放的是活性阴离子，它就能交换溶液中的阴离子，称阴离子交换树脂。,离子交换设备,根据离子交换的操作方式不同，可分为静态和动态交换设备两大类。静态设备为一带有搅拌器的反应罐，反应罐仅作静态交换用，交换后利用沉降、过滤或水力旋风将树脂分离，然后装入解吸罐（柱）中洗涤和解吸。这种设备目前较少采用，生产中多采用动态离子交换罐或交换柱。,按操作方式不同分间歇操作的固定床和连续操作的流动床两类。固定床有单床（单柱或单罐操作）见图、多床（多柱或多罐串联）见图、复床（阳柱、阴柱）及混合床（阳、阴树脂混合在一个柱或罐中）。根据溶液进入交换柱（罐）的方向又有正吸附（溶液在柱中至上而下流动）和反吸附（溶液至下而上流过）两种。连续流动床是指溶液及树脂以相反方向均连续不断流入和离开交换设备，一般也有单床、多床之分。,图是一个最常见的离子交换柱，,A,、单柱,双柱串联,1,、什么是分子蒸馏,分子蒸馏技术不同于一般蒸馏技术,它是一种利用不同物质分子运动自由程的差别,对含有不同物质的物料在液,-,液状态下进行分离的技术。它能使液体在远低于其沸点的温度下将其所含的不同物质分离,鉴于其在高真空下运行,且因其特殊的结构型式,因而它又具备蒸馏压强低、受热时间短、分离程度高等特点,能大大降低高沸点物料的分离成本,极好地保护热敏性物质的品质。从而能解决大量常规蒸馏技术所不能解决的问题。,为了实现分子蒸馏,各国研制了多种结构的分子蒸馏体系,主要表现三种类型：一是降膜式,二是刮膜式,三是离心式。降膜式装置为早期形式,结构简单,但由于液膜厚,效率差,现在世界各国很少采用。刮膜式分子蒸馏装置,形成液膜薄,分离效率高,但较降膜式结构复杂。离心式分子蒸馏装置离心力成膜,膜薄,蒸发效率高。但结构复杂,制造及操作难度大。为了提高分离效率,往往需要采用多级串联使用。即离心薄膜式和转子刷膜式,前一种体系的处理量大,适用于工业,;,实验室用的多为刮,(,刷,),膜蒸发器。不管何种形式的分子蒸馏,其原理都是相同的。,分子蒸馏技术的特点,鉴于分子蒸馏在原理上根本区别于常规蒸馏,因而它具备着许多常规蒸馏无法比拟的优点。,操作温度低。常规蒸馏是靠不同物质的沸点差进行分离的,而分子蒸馏是靠不同物质分子运动自由程的差别进行分离的,因此,后者是在远离,(,远低于,),沸点下进行操作的。,蒸馏压强低。由于分子蒸馏装置独特的结构形式,其内部压强极小,可以获得很高的真空度。同时,由分子运动自由程公式可知,要想获得足够大的平均自由程,可以通过降低蒸馏压强来获得,一般为,X10-1Pa,数量级。,3,受热时间短。鉴于分子蒸馏是基于不同物质分子运动自由程的差别而实现分离的因而受加热面与冷凝面的间距要小于轻分子的运动自由程,(,即距离很短,),这样由液面逸出的轻分子几乎未碰撞就到达冷凝面,所以受热时间很短。另外,若采用较先进的分子蒸馏结构,使混合液的液面达到薄膜状,这时液面与加热面的面积几乎相等,那么,此时的蒸馏时间则更短。假定真空蒸馏受热时间为,1h,则分子蒸馏仅用十几秒。,4,分离程度高。分子蒸馏常常用来分离常规蒸馏不易分开的物质,然而就这两种方法均能分离的物质而言,分子蒸馏的分离程度更高。分子蒸馏的挥发度一般用下式表示,:,=,p,1/,p,2(,M,2/,M,1)1/2,。式中,M,1,为轻组分分子量；,M,2,为重组分分子量；,p,1,、,p,2,分别是组分,1,和,2,的蒸气压。,分子蒸馏工艺流程图,D,冷阱,TKi,物料泵,H,预热器,Pi,进料泵,BM,薄膜蒸发器,ML,分子蒸馏器,分子蒸馏设备装置图,变速机组,2,、刷膜蒸发器缸,3,、重组分接收瓶,4,、轻组分接收瓶,5,、恒温水泵,6,、导热油炉,7,、旋转真空计,8,、液氮冷阱,9,、油扩散泵,10,、导热油控温计,11,、热油泵,12,、前级真空泵,13,、刮膜转子,14,、进料阀,15,、原料瓶,16,、冷凝柱,17,、旁路阀,分子蒸馏技术的应用,分子蒸馏技术作为一种新型、有效的分离手段，自,20,世纪,30,年代出现以来，得到了世界各国的重视。至,20,世纪,60,年代，已成功地应用于从鱼肝油中提取维生素的工业化生产。如今，美、日、德、苏,(,前,),等发达国家相继设计制造出多套工业化分子蒸馏装置。随着人们对天然物质的青睐，回归自然的潮流兴起，新产品的不断出现，分子蒸馏技术得到了迅速发展。,1,、石油化工生产低蒸汽压油,(,如真空泵油等,);,蒸馏制取高粘度润滑油,;,碳氢化合物的分离,;,原油的渣油及其类似物质的分离,;,表面活性剂的提纯及化工中间体的精制等,如高碳醇及烷基多苷、乙烯基吡咯烷酮等的纯化,羊毛酸酯、羊毛醇酯等的制取，等等。利用分子蒸馏可以制取高纯烷基多苷。经三级分子蒸馏可达到残留脂肪醇,0.5%,的高纯产品。,2,、食品工业混合油脂的分离,可获得纯度达,90%,95%,以上的单脂肪酸酯,如硬脂酸单甘油酯、月桂酸单甘油酯、丙二醇酯等,;,从动植物中提取天然产物,如精制鱼油、米糠油、小麦胚芽油等。,3,、在天然药物分离纯化中的应用，可用以蒸馏天然鱼肝油，浓缩维生素,;,提取浓缩药用级合成及天然维生素及,-,胡萝卜素等；通过分子蒸馏获得激素缩体,;,制取氨基酸及葡萄糖衍生物等；制备天然药物标品，脱除中药制剂中的有害重金属等。,4,、农药的精制。如氯菊酯、增效醚、氧乐果的提纯。,在天然产物分离过程中，常用的分离技术有：水蒸气蒸馏法、吸附树脂法、超临界流体萃取法和分子蒸馏法。前两种方法适合产品的粗制，而后两种方法都是利用特殊条件下的物性进行分离的，超临界流体萃取法适合于分离过程的前阶段，即从天然原料中将所需成分提取出来，而分子蒸馏适合于把粗产品中高附加值的成分进行分离和提纯，并且这种分离是其它常用分离手段难以完成的,分子蒸馏技术国内外发展现状,上世纪的三十年代至六十年代，是分子蒸馏技术的研发时代，至六十年代，日、英、美、德、法及前苏联均有多套大型工业化装置投入工业应用。但由于相关技术的发展还很落后，致使当时分子蒸馏技术及装备在总体上还不够完善。例如，分子蒸馏蒸发器的分离效率还有待提高、密封及真空获得技术还有待改进、应用领域还有待拓展、分离成本还有待降低等。所有这些都是后来的研究者改进的方向。从上世纪六十年代至今的五十多年来，各国研究者均十分重视这一领域的研究，不断有新的专利和文献出现。同时，也出现了一些专业的技术公司专门从事分子蒸馏器的开发制造，使分子蒸馏技术的工业应用得到了进一步发展。,目前，世界各国特别是发达国家的分子蒸馏技术工业化应用开发十分活跃，据报导，应用分子蒸馏技术纯化分离的产品达,150,余种，特别是对于一些高难度物质的分离方面，该项技术显示了十分理想的效果。,1,、什么是超临界流体（,Supercritical Fluid,简称,SCF,）,任何一种物质都存在三种相态,-,气相、液相、固相。,事实上当温度和压力达到一定值时，物质就会出现超临界状态。物质的临界状态是指其气态与液态共存的一种边缘状态。在此状态中，液体的密度与其饱和蒸汽的密度相同，因此界面消失。,液、气两相成平衡状态的点叫临界点。在临界点时的温度和压力分别称为临界温度,Tc,临界压力,Pc,。不同的物质其临界点所要求的压力和温度各不相同，图,1,为二氧化碳超临界流体的,P,T,性质。,超临界流体是指超过临界温度与临界压力状态的流体。如果某种流体处于临界温度之上（即TTc），无论压力多高（即PPc），也不能液化，这个状态的物质常常不称为气体或液体，而被称为超临界流体（Supercritical Fluid 简称SCF）。,二氧化碳是使用较多的超临界流体，在较高温度的超临界区内，压力较小的变化会引起密度的较大变化，使超临界流体的密度接近于液体的密度,二氧化碳超临界流体的,P,T,性质,超临界流体的存在并具有溶解性。在容器中只有两种物质：,CO2,和固体萘（事先通过预备性实验对萘进行定量）。我们都知道气态,CO2,几乎不溶解固体萘。当容器内的压力增大到,1920 PSI,左右（即,13.3 MPa,）时，我们却看到萘完全溶解在流体,CO2,中，这说明此时的流体,CO2,具有了气体,CO2,所没有的性质,溶解性，同时它还具有气体的流动性和扩散性。从此时的,CO2,的性质来看，它既不同于气态的,CO2,，也不同于液态,CO2,，我们称此时的二氧化碳为超临界流体。,在实际生产中往往并不采用等温，而是将萃取后的超临界流体导入到分离器降压的同时，也进行降温，使溶解在超临界流体中的溶解物（被萃取物）溶解度更低，从超临界流体中析出，便于分离。被萃取物在分离器中分离并从下部取出；气体经升温、加压，恢复超临界状态后再循环操作。图为变压变温萃取的工艺流程图,超临界流体萃取技术的应用,(,一,).,超临界流体技术在国内天然药物研制中的应用,目前，国内外采用,CO2,超临界萃取技术可利用的资源有：紫杉、黄芪、人参叶、大麻、香獐、青蒿草、银杏叶、川贝草、桉叶、玫瑰花、樟树叶、茉莉花、花椒、八角、桂花、生姜、大蒜、辣椒、桔柚皮、啤酒花、芒草、香茅草、鼠尾草、迷迭香、丁子香、豆蔻、沙棘、小麦、玉米、米糠、鱼、烟草、茶叶、煤、废油等。在超临界流体技术中，超临界流体萃取技术,(Supercritical fluid extraction,，,SFE),与天然药物现代化关系密切。,SFE,对非极性和中等极性成分的萃取，可克服传统的萃取方法中因回收溶剂而致样品损失和对环境的污染，尤其适用于对温热不稳定的挥发性化合物提取；对于极性偏大的化合物，可采用加入极性的夹带剂如乙醇、甲醉等，改变其萃取范围提高抽提率。,(,(,二,).,超临界流体技术在其他方面的应用,超临界萃取技术除了在中药有效成分的提取方面有着明显的优势之外，它还在食品、化工和生物工程方面有着广泛的应用。,1.,在食品方面的应用 目前已经可以用超临界二氧化碳从葵花籽、红花籽、花生、小麦胚芽、可可豆中提取油脂，这种方法比传统的压榨法的回收率高，而且不存在溶剂法的溶剂分离问题。,2.,在医药保健品方面的应用在抗生素药品生产中，传统方法常使用丙酮、甲醇等有机溶剂，但要将溶剂完全除去，又不是要变质非常困难。若采用,SCFE,法则完全可符合要求。另外，用,SCFE,法从银杏叶中提取的银杏黄酮，从鱼的内脏，骨头等提取的多烯不饱和脂肪酸（,DHA,，,EPA,），从沙棘籽提取的沙棘油，从蛋黄中提取的卵磷脂等对心脑血管疾病具有独特的疗效,3.,天然香精香料的提取 用,SCFE,法萃取香料不仅可以有效地提取芳香组分，而且还可以提高产品纯度，能保持其天然香味，如从桂花、茉莉花、菊花、梅花、米兰花、玫瑰花中提取花香精，从胡椒、肉桂、薄荷提取香辛料，从芹菜籽、生姜，莞荽籽、茴香、砂仁、八角、孜然等原料中提取精油，不仅可以用作调味香料，而且一些精油还具有较高的药用价值。,啤酒花是啤酒酿造中不可缺少的添加物，具有独特的香气、清爽度和苦味。传统方法生产的啤酒花浸膏不含或仅含少量的香精油，破坏了啤酒的风味，而且残存的有机溶剂对人体有害。超临界萃取技术为酒花浸膏的生产开辟了广阔的前景。,4.,在化工方面的应用 在美国超临界技术还用来制备液体燃料。以甲苯为萃取剂，在,Pc=100atm,Tc=400-440,条件下进行萃取，在,SCF,溶剂分子的扩散作用下，促进煤有机质发生深度的热分解，能使三分之一的有机质转化为液体产物。此外，从煤炭中还可以萃取硫等化工产品。美国最近研制成功用超临界二氧化碳既作反应剂又作萃取剂的新型乙酸制造工艺。俄罗斯、德国还把,SCFE,法用于油料脱沥青技术。,此外，超临界萃取还可以用于提取茶叶中的茶多酚；提取银杏黄酮、内酯；提取桂花精和米糖油。,一、膜分离原理,1,、膜分离的方法,常见的膜分离过程有,1.,微滤,(MF),、,2.,超滤,(UF),、,3.,反渗透,(RO),、,4.,渗析,(D),、,5.,电渗析,(ED),、,6.,气体分离,(GS),、,7.,渗透汽化,(PV),、,8.,乳化液膜,(ELM),等，其分离性能列于表,1,中。,表,1,膜分离方法,渗透是一个扩散过程，在渗透中只有溶剂透过膜，溶质及固体粒子被阻挡，可用于溶液的浓缩。透析透析过程除溶剂透过膜外，尚有小分子溶质透过，而大分子的溶质被阻挡。常用于从溶液中除去低分子质量物质。,渗透,渗透是一个扩散过,渗透 渗透是一个扩散过程，在渗透中只有溶剂透过膜，溶质及固体粒子被阻挡，可用于溶液的浓缩。,浓度差,水,溶质,透析,透析过程除溶剂透过膜外，尚有小分子溶质透过，而大分子的溶质被阻挡。常用于从溶液中除去低分子质量物质。,浓度差,离子和小分子有机化合物,(,尿素等,),相对分子质量,1000,的溶质或悬浮物,电渗析,电渗析是基于离子交换膜能选择性地使阴离子或阳离子通过的性质，在直流电场的作用下使阴阳离子分别透过相应的膜以达到从溶液中分离电解质,电位差通常每一电池对为,12V,离子,非离子和大分子化合物,反渗透,反渗透是利用反渗透膜选择性地只能透过溶剂,(,通常是水,),的性质，对溶液施加压力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而从溶液中分离出来的过程。,压力差，通常为,1,8MPa,水,溶解或悬浮物质,微过滤,应用微孔过滤膜来过滤含有悬浮物质,(,硅石、细菌等,),的溶液，使悬浮物和微细粒子从溶液中分离的过程称之为微过滤,压力差，通常为,0.1MPa,水和溶解物质,悬浮物质如硅石、细菌等。截断粒子大小可以变化,超滤,应用孔径为,10,到,200,的超过滤膜来过滤含有大分子或微细粒子的溶液，使大分子或微细粒子从溶液中分离的过程称之为超滤。,压力差，通常量可以变化,水和盐为,0,1,0,6MPa,生物大分子，胶体物质，截断分子,气体膜分离,气体膜分离是利用气体组分在膜内溶解和扩散性能的不同，即渗透速率的不同来实现分离的技术。,压力差，通常为,0.1,一,1OMPa,气体和蒸汽,不透过膜的气体和蒸汽,注,1,：,(1,),膜分离设备,膜片是膜分离设备的核心，良好的膜分离设备应具备以下条件：膜面切向速度快，以减少浓差极化。单位体积中所含膜面积比较大。容易拆洗和更换新膜。保留体积小，且无死角。具有可靠的膜支撑装置。,目前膜分离设备主要有许多种形式：其中最常用的有：板式、管式、折叠筒式、中空纤维式和螺旋卷式。,（）板式膜过滤器,（二）管式膜过滤器,（三）、折叠筒式膜过滤器,（四）中空纤维膜分离器,（五）螺旋卷式膜分离器,