食品分离技术
1、食品分离的必要性？
社会进步导致了对分离技术的要求越来越高。
分离的难度越来越大导致了新的分离方法日益发展。
食品工业的重要化工单元操作。
对食品加工的科学化具有重要意义。
2、食品的原辅料也是多种成分组成的混合物，生产中要按人们的需要，对食品原辅料进行取舍，进行这种处理的过程，就是食品分离过程。
目的是排除某种特殊的组分，获得较高纯度的某组分，以便提升产品的价值。进而
1 获得需要的产品
2 满足食品安全性的要求
3食品为什么要分离？目的？
第一节 食品工业中的分离技术
一、分离的概念
分离过程是一个从无序到有序的过程，是一个熵减过程，需要环境做功来推动过程的进行。
①分离过程的基本原则
②分离方法
物理方法、化学方法及物理化学方法。
③分离对象
食品生产过程中的原料、废弃物、中间产物、产物等等
二、分离技术的分类 （一）机械分离
（二）传质分离
是指在分离过程中，有物质传递过程的发生。分为两大类：平衡分离过程和速率控制分离过程。
平衡分离过程为借助分离媒介（如热能、溶剂、吸附剂等）使均相混合物系统变为两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。
速率控制分离过程是指借助某种推动力，如浓度差、压力差、温度差、电位差等的作用，某些情况下在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速度的差异而实现混合物的分离操作。
（三）其他物理场辅助分离技术
1. 超声波萃取
2. 微波辅助萃取
3. 超声微波协同萃取
（四）传质设备
一般的要求：
① 单位体积中，两相的接触面积应尽可能大，两相分布均匀，避免或抑制短路及返混；
② 流体的通量大，单位设备体积的处理量大；
③ 流动阻力小，运转时动力消耗低；
④ 操作弹性大，对物料的适应性强；
⑤ 结构简单，造价低廉，操作调节方便，运行可靠安全 。
第二节 食品分离过程的特点及选择原则
一、食品分离技术的分类
食品分离技术按其分离规模可分为：实验室规模和工业生产规模。
食品分离技术按分离方法可分为：① 物理法。② 化学法。③ 物理化学法。
食品分离技术按分离性质可分为非传质分离和传质分离两大类 。
二、食品分离过程的特点
①分离对象种类多，性质复杂。
②产品质量与分离过程密切相关。
③产品要求食用安全。
④分离对象在分离过程的易腐败。
三、食品分离技术的选择原则
总的原则是先要确定分离的目的，了解待分离混合物中各组分的物理、化学、生物学方面的性质，并要充分关注分离的目标成分。根据目标成分的性质，确定分离工作的步骤。
分离工作的步骤
①选择和确定对目标成分的定性、定量方法，以便在分离过程中能对目标成分进行检测，对分离效果进行评价。 ②了解物料的性质。例如，物料的粘度、目标成分在物料中存在的部位、含量等。
③确定分离方法并进行实验。是否可利用自然的能量进行分离？是否为超高纯度的分离？分离规模的大小？按这些要求选择合适的分离技术。
④确定分离方法的评价指标。一般来说，评价指标有：回收率、截留率、选择性、经济性等。 ⑤中试或工业生产应用的放大设计。
分离方法的选择时要考虑的因素
产品纯度和回收率；产品价格；目标产物的特性；混合物中的分子性质；经济因素；
安全与环保
四、食品分离技术的评价
①回收率和产品纯度
②产品质量
③产品安全性
④简化生产工艺
⑤降低能耗、场地，节省成本 第三节 食品分离技术的重要性及其进展
一、食品分离技术在食品工业中的地位与作用
①分离技术作为食品工业的基础，是重要的食品工艺过程之一。
②利用分离技术可以提高农作物综合利用程度，生产高附加值的产品。
③利用分离技术可以改进食品的营养与风味。 ④使产品更加符合卫生、安全的要求。
⑤改变生产面貌。
研究分离技术在食品加工中的应用，对食品加工的科学化、现代化具有重要意义。
一方面为食品工业提供符合质量要求的原料；
另一方面对通过对食品原料、半成品进行分离提纯以得到合格的产品。
此外，分离操作在食品企业的环境保护和充分利用食物资源方面也起着重要的作用。
二、食品分离过程的开发
①基础研究开发 针对项目的应用性基础研究和工艺特征研究。以实验室研究为主体。
②过程研究 进行工艺、产品、设备等的工程放大试验，包括模型试验、微型中试、中间试验、原型装置试验及工业试验的全部过程或部分过程。
③工程研究 包括技术经济评价、概念设计、数学模型、放大技术及基础设计等。
三个关键环节：概念形成到课题的选定、技术与经济论证(可行性) 和工业放大技术。
三、食品分离技术的发展趋势
未来食品工业所关注的重点问题有：
①环境问题。减少温室气体的排放，消除水、土壤的污染。
②工艺改进。需要开发更好的食品工业分离技术。
③产品开发。产品多样化，新的及有高附加值的产品开发。
④能源问题。提高能源利用率，找到能替代高耗能的工艺。
⑤安全问题。有时这与新的分离技术关系密切。
思考题
1 分离过程有哪些基本原则？
2 简述分离技术的分类及其分离原理。
3 选择食品分离技术的原则有哪些？
4 食品分离过程有什么特点？
5 简述食品分离技术的开发过程。
6 简述食品分离技术在食品工业中的重要性。
第二章 膜分离技术
思考题
1 试述膜分离的原理。
2 什么是膜的浓差极化？影响浓差极化的因素有哪些？
3 什么是膜污染？如何减轻膜的污染？
4 比较液膜分离技术与普通的溶剂萃取技术的异同点。
5 请设计一个用于制备高纯水的电渗析分离技术方案。
6 试述超滤分离技术在酶制剂工业中的应用。
7 举一例说明反渗透技术在果汁加工中的应用。
二、膜种类
1. 按膜的性质分：天然膜和合成膜。
2. 按膜的结构分：多孔膜、致密膜和液膜。
3. 按膜的作用机理分：吸附性膜、扩散性膜、离子交换膜、选择渗透膜和非选择性膜等。
四、膜的制备方法
核径迹法 这种方法分2步进行：第一步是将厚为5~15 μm 薄膜用放射性粒子照射，使高分子主干的化学键断裂形成径迹。孔的密度由照射时间加以控制。第二步是将照射的膜用酸碱液进行腐蚀，使辐照受损的材料形成垂直孔道。适宜于聚碳酸酯和聚乙酯作微孔膜。
界面聚合法 在两种液体的相界面即发生聚合反应，形成活性层。最后在一定温度下使形成的凝胶层进行交联，改善与多孔支撑层的联结。
六、膜分离技术的原理
用天然的或人工合成的膜，以外加压力或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯或富集的方法，统称膜分离法。
七、膜分离的特点
（1）膜分离过程不发生相变，与有相变的分离法或其它分离法相比能耗要低。p46
（2）膜分离过程一般在常温下操作。
（3）膜分离技术应用范围广，不仅能分离有机和无机物，而且还能分离许多特殊溶液体系的中大分子与无机盐、一些共沸物或近沸点物质等。
（4）分离以压力作为推动力，具有装置简单、体积小、操作容易、易于控制和维修等优点，且在闭合回路中运转，减少了空气中氧的影响。
（5）分离实验易扩大，从小试到大规模生产易实现。
第二节 反渗透分离技术 一、反渗透基本概念
渗透：溶剂分子从纯溶剂侧经半透膜渗透到溶液侧。
渗透压：渗透一直进行到溶液侧的压强高到足以使溶剂分子不再渗透为止，此时即达平衡。平衡时膜两侧的压差。 反渗透：溶剂分子将从溶液侧向溶剂侧渗透。
二、反渗透膜的透过机理
（一）氢键和结合水－孔穴有序扩散模型
（二）优先吸附毛细管流模型 （三）溶解－扩散模型
（四）孔隙开闭机理
四、影响反渗透操作的因素 （一）浓度差极化 ：在边界层附近形成一种浓度梯度，紧靠于膜表面的溶质浓度最大，这种浓度梯度就称为浓差极化
影响浓差极化的主要因素
(1)透水速率 透水速率越大，溶质被带到界面处的数量越多，极化现象就越明显。
(2)溶液粘度 溶液粘度越大，被带到界面处的溶质越难反扩散回到主流中，因而极化现象越厉害。
(3)溶质在溶液中的扩散系数 这也是关系溶质向主流反扩散和浓差极化的一个因素。 (4)表面溶液的流动情况 这是关系扩散速率的流体动力学条件的问题。
控制浓差极化的措施
预过滤能去除微粒状物质，降低待阻留溶质的浓度。
采用逆洗
超声波处理膜或进料液 增加液体的湍流程度
震动和脉冲喂料
改善膜的性能
（二）膜的压实 当反渗透压力较高时，会使膜产生变形，不透过物在膜表面沉积而被压实，影响透过的通量。
改进的方法：提高膜的机械强度，减少膜的变形。同时定期对膜进行反冲洗，恢复膜原有的孔隙。
（三）膜的降解
化学降解：由于膜在碱性及强酸性液体影响下所造成膜材料的水解。
避免方法：pH 调节；选用化学性能稳定的膜材料
生物降解是微生物在膜上繁殖的结果，可用清洗或消毒的方法进行处理。
（四）膜的结垢
膜垢主要是由悬浮物、离子化合物或盐类物质构成。
悬浮物可通过预处理除去，离子化合物、盐类物质可通过螯合法除去。
五、反渗透所用的膜
对反渗透膜的基本要求是透水率大，脱除率高；膜耐压性能高，致密性好，化学稳定性好，能在较高温度下使用，以及抗污染性能好等。
（一）纤维素膜CA
（二）聚酰胺膜PS
（三）复合膜
六、反渗透膜组件
反渗透膜组件的结构有管式、平板式、中空纤维式和螺旋式四种。
第三节 超滤分离技术
一、基本原理
以压差为推动力作用下进行的筛孔分离过程。通常认为超滤截留溶质相对分子质量大于500。
二、超滤的操作特点
切向过滤
三、浓差极化与膜污染
边界层中的传质和浓差极化
膜渗透流率决定于边界层内的传质情况（D/L）。
膜污染是指料液中的某些组分在膜表面或膜孔中沉积导致膜渗透流率下降的现象。
控制措施：
①预先过滤除去料液中的大颗粒；
②增加流速，减薄边界层厚度，提高传质系数；
③选择适当的操作压力和料液黏度，避免增加沉淀层的厚度与密度；
④采用具有抗污染性的修饰膜；
⑤定期对膜进行清洗和反冲。
第四节 液膜分离技术
一、液膜的分类
液态膜，顾名思义是一层很薄的液体。它能够把两个组成而又互溶的溶液隔开，并通过渗透现象起着分离一种或一类物质的作用。这层液体可以是水溶液，也可以是有机溶液。当被隔开的两溶液是亲水相时，液膜应为油型，当被隔开的溶液是亲油相时，液膜应为水型。
液膜按其构型和操作方式的不同，主要分为支持液膜和乳化液膜。
乳化液膜的制备是首先将两个不互溶相即内相（回收液）和膜相（液膜溶液）充分乳化制成乳液，再将此乳液在搅拌条件下分散在第三相（即外相）中而成。
通常内相与外相互溶，而膜相既不溶于内相也不溶于外相。在液膜分离过程中，在膜的原料一侧（外相侧）界面上，欲提取的目标物质进入膜相，而在膜的接收相一侧（内相侧）同时释放出该物质，达到与原料中其他成分相分离的目的。
因此液膜分离法是膜的两侧同时进行萃取和反萃取（或吸收与解吸）的操作。
支持液膜是由溶解了载体的液膜，在表面张力的作用下，依靠聚合物凝胶层中的化学反应或带电荷材料的静电作用，浸没在多孔支持体的微孔内而制成的。由于液膜分布在多孔支持体上，能承受较大的压力，且具有更高的选择性，因此，它可以承担合成聚合物膜所不能胜任的分离要求。支持液膜的分离性能与支持体材质、膜厚度及微孔直径的大小有关。一般而言，支持体孔径越小液膜越稳定，但孔径过小将使空隙率下降，从而将降低透过速度。
二、液膜的组成
（一）膜溶剂
（二）表面活性剂
（三）流动载体
（四）膜增强剂
三、液膜分离机理
（一）无载体扩散迁移
（二）有载体扩散迁移
（二）有载体扩散迁移
五、液膜分离技术的工艺流程及影响因素 （一）液膜分离技术的工艺流程
液膜分离工艺流程一般由三个部分组成，即乳化液制备、分离浓缩和解乳化。
（二）影响液膜分离效果的因素
1. 液膜体系组成的影响
2. 液膜分离工艺条件的影响
1. 液膜体系组成的影响
液膜体系的组成应根据处理体系的不同来选择适宜的配方，以保证液膜具有良好的稳定性、选择性和渗透速度，提高分离效率。
合理选择表面活性剂、载体、膜溶剂、外相电解质的种类和浓度，降低搅拌强度、乳水比和传质时间，有效控制温度，尽可能地减少渗透溶胀对膜强度的影响， 2. 液膜分离工艺条件的影响
①搅拌速度的影响：制乳时的搅拌速度一般控制在2000~3000 r/min。搅拌速度过高，会使液膜破裂，而搅拌速度过低，导致料液和乳液混合不均匀
②料液与乳液接触时间的影响：由于液膜的表面积大，渗透速度快，料液与乳液在最初接触的一端时间内，溶质会迅速渗透过膜而进入内相。若继续延长接触时间，连续相（料液）中的溶质浓度由于乳液滴的破裂又会回升。
③料液浓度和pH 的影响：料液的pH 会影响渗透物的存在状态，只有在一定pH 条件下，渗透物才能与液膜中的载体形成络合物而进入膜相而达到分离目的
④乳水比的影响：液膜乳化体积与料液体积之比称为乳水比。乳水比越大，渗透过程的接触面就越大，分离效果就越好。 ⑤操作温度的影响：提高温度虽可加快传质速率，但却降低了液膜的稳定性，反而不利于分离提取。
液膜技术的评价及其展望
与固态膜相比，它具有特效的选择性、高度的定向性、极大的渗透性、单位体积内的膜面积大、水处理更方便简易等优点。
与溶剂萃取相比，它具有节省工序、降低成本、操作温度范围广、操作浓度区间大等优点。与离子交换树脂相比，它具有设备简单、化学药品用量少、更具有选择性等优点。
液膜技术是一项简单、高效、专一、快速、经济节能、具有实现机械化、连续化、自动化潜力的多用途新型化学工艺。
第五节 电渗析分离技术
以钠型阳膜与NaCl 溶液形成的体系为例。
RSO3-是固定的，则膜上Na+和溶液中Na+，Cl-都可以移动，达到平衡时化学势相等。
根据质量作用定律，膜内外扩散离子浓度之积相等，即：
[Na+]膜内·[Cl-]膜内=[Na+]溶液·[Cl-]溶液 „[2-31]
由膜和溶液的电中性条件，有：
[Na+]膜内= [Cl-]膜内+[RSO-3]膜中 „„„[2-32]
[Na+]溶液=[Cl-]溶液 „„„„„. „„„[2-33]
比较式[2-31]和式[2-33]，得：
[Na+]膜内·[Cl-]膜内=[Na+]2溶液= [Cl-]2溶液 „. [2-34]
由式[2-34]、[2-32]，可得：
[Cl-]2溶液 = [Cl-]2膜内+ [RSO-3]膜中 ·[Cl-]膜内 .. [2-35]
[Na+]2膜内= [Na+]2溶液+[Na+]膜内·[RSO-3]膜中 [2-36]
由此可知，
[Na+]膜内> [Na+]溶液 „„„[2-37]
[Cl-]膜内
平衡时膜内、外电解质离子浓度的分配是不相等的。
Donnan 膜平衡
（1）平衡时膜内反离子浓度大于溶液中反离子浓度，同名离子浓度小于溶液中同名离子浓度。这说明阳膜对阳离子、阴膜对阴离子有选择透过性。
（2）当膜内固定基团浓度足够大时，膜内的同性离子浓度很低，即平衡态下膜具有很好的选择透过性，几乎达100%。但任何膜都不可以达到100%的选择透过性，因为总有一部分同名离子渗透入膜内。
（3）膜的选择透过性随膜外溶液浓度的下降而提高，因此，离子交换膜不宜在高浓度溶液中使用，否则容易发生泄漏现象。
避免极化现象发生的措施
（1）严格控制操作电流，使电渗析在低于极限电流密度条件下运行，一般取操作电流密度为极限电流密度的80%左右。
（2）采用湍流效果好的格网及提高渗析温度等措施来强化电渗析隔室中的传质过程。 （3）对膜定期进行酸洗，加入防垢剂，对料液进行预处理等来消除极化沉淀。
对离子交换膜的要求
（1）有良好的选择透过性。实际上此项性能不可能达到100%，通常在90%以上，最高可达99%。
（2 ）膜电阻低。膜电阻应小于溶液电阻。若膜电阻太大，则由膜本身引起的电压降相当大，减少了电流密度，对分离不利。
（3）有足够的化学稳定性和机械强度。
（4）有适当的孔隙度，一般要求孔隙度为50~100 nm。 （二）离子交换膜的性能指标
1. 膜电阻
2. 交换容量 指每克干膜所含活性基团的毫克当量数，一般膜的交换容量为2~3 mmol/g。
3. 含水量 膜内与活性基团结合的内在水，以每克干膜的含水克数来表示（%）。膜的含水量为20%~40%左右。
4. 反离子迁移数和选择透过度 选择透过度为反离子在膜内迁移的实际增值与理想增值之比。选择透过度应大于85%，反离子迁移数大于90%。
第三章
1 理解电泳、电渗、电渗流、电泳淌度等几个基本概念。
2 简述影响电泳分辨率的因素有哪些？
3 简述影响电泳淌度的因素有哪些？
4 简述常见的毛细管电泳的几种分离模型及各自的特点。
5 简述毛细管电泳装置的主要部件及其发展情况。
6 简述毛细管电泳技术在生化领域的应用进展。
毛细管电泳分离技术
第一节 概 述
电泳是基于两种或多种带电粒子或微粒，它们所在的介质受到外加直流电场的作用下，其迁移速率不同而得到分离的一类方法。（electrophoresis ）
第二节 毛细管电泳基本原理
一、毛细管电泳的理论基础
在毛细管电泳中带电粒子所受的驱动力：电泳力和电渗力。
（一）电泳和电渗
电泳(Electrophoresis)是指溶液中带电粒子(离子、胶团) 在电场中定向移动的现象。
电泳是驱动电解质运动的第一种动力，如此形成的粒子移动简称为泳流
电泳迁移速度Ve : Ve= μeE = μeV/L
μe:电泳迁移率(电泳淌度); E:电场强度; V－毛细管柱两端施加的电压；L －毛细管柱的长度。
电渗(Electro osmosis)是驱动电解质运动的第二种作用力，它使毛细管中的溶剂在直流电场作用下发生定向运动。 电渗流的产生
毛细管内壁表面上的硅醇基在pH>3的水溶液中，可电离而产生SiO-负离子，使毛细管内壁带上负电荷，因此，溶液中的一部分正离子(如H+离子) 就靠静电作用而吸附于毛细管内壁上，形成一个双电层(Electric double layer)。其中一层是带负电的内壁，一层是带正电的溶液离子吸附层。但溶液中的其余大部分正离子则是离内壁越远，越呈自由状态，于是在吸附层之外又存在着一个扩散层 。
(二) 分离速率
如果溶质纵向扩散是区带展宽的唯一因素，对于CE 来说，可以通过增大分离电压和缩短毛细管长度来提高速度，同时兼顾分离效率
在任何给定的时间内要获得最高的理论塔板数，分离电压与毛细管长度的比例应该最大，也就是说在只考虑溶质纵向扩散的前提下，采用尽可能高的分离电压和短的毛细管，可以实现高柱效和快速分离。高的电渗流同样可以提高分析速度和柱效。
要在维持高效情况下加快CE 的分离速度，可以采用以下几种方法：
①短而窄内径的分离毛细管；
②高分离电压；
③高电渗流。
另外，对于带负电荷的分离物，通常在缓冲溶液中加入阳离子表面活性剂，通过改变EOF(电渗流）的方向来提高分离速度。
(三) 分离效率和分辨率
提高分离电压是增加分离效率的主要途径，在相同的操作电压下，l/L =1，分离效率最高。此外，N 与溶质的扩散系数D 成反比，所以用毛细管电泳分离大分子时，可得到高的柱效。
提高毛细管电泳的分辨率有两条途径：
一是通过增大分离电压来提高柱效;
二是控制电渗流，当电渗流移动方向与分离组分的迁移方向相反，而速度大小相等时，分辨率将趋于无穷大。
（四）影响分辨率的因素
1. 毛细管电泳中的电解效应及缓冲溶液的选择。
2. 电压的影响。
3. 黏度。
4. 区域的畸变
（五）影响电泳淌度的因素
1. 带电分子的本质
2. 电泳系统的性质
（1）电泳缓冲液的离子构成
（2）温度
（3）电泳缓冲液的pH 值
（4）操作电压
（5）载体介质的选择，
二、毛细管电泳的分离模式
毛细管区带电泳(CZE)
胶束电动毛细管电泳(MECC)
毛细管凝胶电泳(CGE)
毛细管等电聚焦(CIEF)
毛细管等速电泳(CITP)
毛细管离子电泳(CIE)
毛细管电色谱
毛细管阵列电泳
亲和毛细管电泳
第三节 毛细管电泳装置
直流高压电源、毛细管、进样装置、检测器和记录仪等
一、毛细管电泳的进样技术
（一）直接在线进样
（二）近端进样及双向进样
（三）流动注射与毛细管电泳联用(FI-CE)
（四）液相色谱与毛细管电泳联用
（五）光学门进样
（六）流动门进样
二、毛细管电泳检测器
光学检测器
电化学检测器
质谱检测器
核磁共振检测器
一、毛细管电泳技术的应用
（一）糖类的分离与分析
（二）在天然中草药分析领域中的应用
（三）在基因工程研究方面的应用
（四）单细胞分析
（五）手性分离
（六）小分子离子分析
第四章 分子蒸馏分离技术
1 分子蒸馏的原理是什么？
2 分子蒸馏与传统精馏有什么区别？
3 简述分子蒸馏过程的数学模型研究进展。
4 分子蒸馏器有哪些？各有什么特点？
5 简述几种分子蒸馏的流程。
6 分子蒸馏过程中需要注意哪些安全生产措施？
7 简述分子蒸馏在食品工业中的应用。
第一节 概 述
分子蒸馏(molecular distillation)是一种在高真空度条件下进行非平衡分离操作的连续蒸馏过程，它是以液相中逸出的气相分子依靠气体扩散为主体的分离过程。
二、分子蒸馏技术与传统精馏的区别
① 分子蒸馏的蒸发面与冷凝面距离很小。
② 普通减压精馏是蒸发与冷凝的可逆过程。分子蒸馏过程是不可逆的。
③ 分子蒸馏的分离能力不但与各组分间的相对挥发度有关，而且与各组分的分子量有关。
④ 分子蒸馏是液膜表面的自由蒸发过程，没有鼓泡、沸腾现象。
第二节 分子蒸馏的原理
一、分子蒸馏分离的基本过程
物料分子从液相主体向蒸发表面扩散。
物料分子在液层上自由蒸发
分子从蒸发面向冷凝面飞射
轻分子在冷凝面上冷凝
二、分子蒸馏基本理论
分子蒸馏需要具备下列三个条件。
a 压力必须低，在0.1~40 Pa左右。确保分子之间不会发生碰撞。
b 蒸发面和冷凝面之间的距离要与分子运动平均自由程的大小在同一个数量级。自由移动的分子要没有机械阻碍。 c 冷凝器表面的温度应低于蒸发表面温度50~100℃。防止冷凝器表面分子的再次蒸发。
两种物质的相对挥发度
分离体系中物质的分子质量的影响很重要。
(一) 几个基本概念
1. 理论分子蒸发速率
Langmuir 研究了高真空下纯物质的蒸发现象，他从分子动力学出发，推导出纯物质理论分子蒸发速率只是表面温度和分子种类的函数。
2. 分离因数
分子蒸馏可以用来分离挥发度相近但分子量不同的混合物系。
分子蒸馏由于处于非平衡状态下操作及其设备的内部结构特点，使得分离效率远高于常规蒸馏，
(二) 分子运动平均自由程
依靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现物质分离的。
1. 分子碰撞
2. 分子有效直径
3. 分子运动自由程
4. 分子运动平均自由程
λm =Vm/f
1. 分子碰撞
分子与分子之间存在着相互作用力。
当两分子离得较远时，分子之间的作用力表现为吸引力，但当两分子接近到一定程度后，分子之间的作用力会改变为排斥力，并随其接近到一定程度，排斥力迅速增加。
当两分子接近到一定程度，排斥力的作用使两分子分开，这种由接近而至排斥分离的过程就是分子的碰撞过程。
2. 分子有效直径
分子在碰撞过程中，两个分子质心的最短距离，即发生斥离的质心距离，称为分子有效直径。
3. 分子运动自由程
一个分子相邻两次分子碰撞之间所走的路程，称为分子运动自由程。
4. 分子运动平均自由程
某一种分子在某时间间隔内自由程的平均值.
λm =vm/f
f 为分子间的碰撞频率
对于球形分子:
λm = kT/(21/2πd2p)
d －分子的有效直径，p －分子所处空间的压强，T －分子所处环境的温度，k －波尔兹曼常数
理想气体
压力、温度及分子有效直径是影响分子运动平均自由程的三个主要因素。
当压力一定时，特定物质的分子运动平均自由程随空间温度增加而增大;
当温度一定时，平均自由程λ与空间压力P 成反比，真空度越高(空间压力越小) λ越大，分子之间碰撞几率越小。(表4-1)
即使物系空间的压力和温度相同，对于不同的物质由于分子有效直径不同，其分子平均自由程也存在差异。
(三) 分子蒸馏需具备的条件
1. 蒸发面与冷凝面之间应保证较高的温度差
2. 蒸发面与冷凝面应保持较短的距离
3. 分子蒸馏分离系统中应保持较高的真空度
4. 蒸发面上的液体膜应尽可能的薄
5. 分子蒸馏装置应有必要的设备系统
5. 分子蒸馏装置应有必要的设备系统
分子蒸馏装置包括缸体、刮膜器、变速器、接收瓶等；
抽真空系统包括真空泵、扩散泵等；
加热温控系统包括热油泵、导热油炉、控温仪表、油路等；
冷却系统包括冷阱、降温水泵、冷却水管路等。
密封结构
脱水、脱溶剂和脱氧处理
三、分子蒸馏技术的特点
1. 操作温度低，可大大节省能耗
2. 蒸馏压强低，要求在高真空度下操作
3. 受热时间短，降低热敏性物质的热损伤
4. 分离效率高
分子蒸馏技术的优势
1. 对于高沸点、热敏及易氧化物料的分离，分子蒸馏提供了最佳分离方法。
2. 对于混合液中的低分子物质(如有机溶剂、臭味物等) 的脱除。
3. 分子蒸馏可以通过真空度的调节，有选择地蒸出目的产物，去除其它杂质，通过多级分离可同时分离多种物质。
4. 分子蒸馏的分馏过程是物理过程。
分子蒸馏的缺点
1. 由于分子蒸馏的加热面积受设备结构的限制，生产能力不大。
2. 若混合物内各组分的分子平均自由程相近时，则可能分离不开。
3. 由分子蒸馏的工作条件决定了其需要高真空排气装置、高真空动静密封结构等辅助系统，这就导致生产技术难度大、整体机组设备费用较高、维修费用较高，生产成本随着相应增加。
二、分子蒸馏设备
(二) 分子蒸发器
分子蒸馏装置的核心部分
静止式蒸发器、降膜式蒸发器、刮膜式蒸发器和离心式蒸发器。 (三) 各种蒸发器的优缺点比较 离心式：由于转盘高速旋转，可得到极薄的液膜且液膜分布更均匀，分离效率很高，且几乎没有压力损失，蒸发速率和分离效率更好；料液紧贴着蒸发面，产生气泡的可能性较小。物料在蒸发面上的受热时间更短，降低了热敏物质热分解的危险；物料的处理量更大，更适合工业上的连续生产。同时，料液薄膜在离心力作用下沿蒸发面自由向外移动，使蒸发面得到不断的更新，因而传质速率较高，料液受热时间较短，这就克服了转子刮膜式结构的一些缺点。
刮膜分子蒸馏器：采用机械搅拌刮膜，克服了布膜不均及较高的温度梯度；而同离心式相比，结构较为简单，更容易受热与控制。
缺点是：液体分配装置难以完善，这种设备成膜性相对较差，液膜不均匀，且相对较厚，蒸馏效率较低；液体流动时常发生翻滚现象，所产生的雾沫也常溅到冷凝面上；从塔顶至塔底的压力损失相当大，所以有加热温度变高的缺点。 降膜式装置其优点是液膜厚度小，蒸馏物料可沿蒸发表面流动，停留时间短，热分解的危险性较小，蒸馏过程可以连续进行，生产能力大。
缺点是很难保证所有的蒸发表面都被液膜均匀覆盖，在蒸发面上形成的液膜较厚，液体流动时常发生翻滚现象，产生的雾沫也常溅到冷凝面上，影响分离效果效率差。
四、分子蒸馏操作过程中防火措施
分子蒸馏过程需要高真空、加热、冷却等操作，过程中存在火灾危险。
分子蒸馏设备采用真空操作，一旦设备出现腐蚀问题或密封部位产生缝隙，吸入空气后形成爆炸性混气在热源作用下极易发生爆炸事故。
如果加热速度过快，液体升温速度也过快，或者物料受热不均都可能造成液体局部过热，引起易燃液体和蒸气着火爆炸烧坏设备。
分子蒸馏过程中的冷却操作也存在安全问题，通常表现为制冷速率不足时引起液体蒸气扩散而发生的火灾爆炸。
措施
1. 真空蒸馏设备应具有很好的密闭性
2. 严格遵守真空蒸馏操作顺序
3. 蒸馏完毕时要注意正确消除真空
4. 不同加热方式的防火措施
5. 冷却操作的防火措施
第五章 亲和层析分离技术
思考题
1 试比较亲和色谱与亲和膜色谱分离生物大分子的特征及优缺点。
2 亲和色谱分离基于哪些作用力，在什么场合下，亲和色谱剂需要手臂？
3 免疫亲和层析在食品工业中有哪些应用？
4 亲和色谱法如何分离、纯化溶菌酶？
第一节 亲和层析概述
利用生物分子间专一的亲和力而进行分离的一种层析技术
第二节 亲和层析基本原理及理论基础
亲和力
配体
固定相
原理：将具有亲和力的两个分子中一个固定在不溶性基质上，利用分子间亲和力的特异性和可逆性，对另一个分子进行分离纯化。
一、亲和层析基本原理
分离原理
将制备的亲和吸附剂装柱平衡，
当样品溶液通过亲和层析柱的时候，待分离的生物分子就与配体发生特异性的结合，从而留在固定相上；
而其它杂质不能与配体结合，仍在流动相中，并随洗脱液流出，这样层析柱中就只有待分离的生物分子。
通过适当的洗脱液将其从配体上洗脱下来，就得到了纯化的待分离物质
二、亲和层析的特点
分辨率很高
分离速度快
操作简便
对设备要求不高
亲和吸附剂通用性较差
洗脱条件较苛刻
与其他层析技术比较
三、亲和层析的类型
生物亲和层析
免疫亲和层析
固定化金属离子亲和层析
拟生物亲和层析
四、亲和层析载体
（一）亲和层析对载体的要求
载体要具有足够数量的功能基团
有较好的理化稳定性和生物惰性
有高度的水不溶性和亲水性
有多孔的立体网状结构
载体在亲和层析中的作用：
使配基固定化、空间环境
五、亲和配基
配基与待分离的物质有适当的亲和力
配基与待分离的物质之间的亲和力要有较强的特异性
配基要能够与基质稳定的共价结合
配基自身应具有较好的稳定性
（二）配基的浓度
（三）配基偶联的位置
（四）配基分子的大小
（五）配基的类型
配基偶联的位置
在一般情况下，亲和结合时配体分子与配基分子仅有一部分发生相互作用。
为了保证亲和吸附剂有足够大的亲和能力，我们希望配基固定化时，其不参与亲和结合的部位与载体进行偶联。 配基分子的大小
制备亲和柱时，应首先选用大分子配基，因为小分子配基可供识别、互补的特殊结构较少，一旦偶联到载体上后，这种识别的结构更少。
小分子配基时，由于酶的活性中心常是埋藏在结构的内部，它们与介质的空间障碍影响其与亲和配基的结合作用。 为了改变这种情况可在载体和配基间插入一个“手臂” 以消除空间障碍，手臂的长度是有限的，太短不能起消除空间障碍的作用。太长往往使非特异性的作用如疏水作用增强。
脂肪族二胺类化合物与琼脂糖偶联。
配基的类型
根据配基对待分离物质的亲和性的不同，可以将其分为两类：特异性配基（specific ligand）和通用性配基（general ligand）。 特异性配基一般是指只与单一或很少种类的蛋白质等生物大分子结合的配体。Eg:抗原和抗体、酶和它的抑制剂、激素－受体
通用性配基一般是指特异性不是很强，能和某一类的蛋白质等生物大分子结合的配基， eg:凝集素、核酸
第三节 亲和层析的操作过程
一、基质的活化
对基质进行一定的化学处理
（一）多糖基质的活化：溴化氰活化 、环氧乙烷基活化
（二） 聚丙烯酰胺的活化：甲酰胺基的修饰
（三） 多孔玻璃珠的活化 ：硅烷化试剂与玻璃反应生成烷基胺－玻璃
二、间隔臂分子（手臂）
空间位阻效应
加入一段有机分子，使基质上的配体离开基质的骨架向外扩展伸长
三、配基偶联的方法
（一）碳二亚胺缩合法
（二）酸酐法
（三）叠氮化法
（四）重氮化法
碳二亚胺缩合法
四、用于固定化配基的凝胶衍生物
Sepharose
CNBr 活化的Sepharose 4B
AH-Sepharose 4B和CH-Sepharose 4B
环氧活化型Sepharose 6B
五、影响吸附剂亲和力的几个因素
微环境的影响
空间障碍的影响
配基浓度对亲和力的影响
配基与载体的结合位点的影响
载体孔径的影响
载体和“手臂”的存在会引起离子交换作用的发生，影响亲和吸附剂的吸附特异性。
极性很低或无极性的基团则由于疏水作用的存在，也会引起非特异性吸附作用。有时则有助于亲和力的提高，加强了亲和层析的效果；
配基与载体和“手臂”氢键的相互作用可能会使其强烈缔合，从而妨碍了与配体的亲和结合。
（二）空间障碍的影响
有的亲和对两物质间原有很高的亲和力，但当其一方制成亲和吸附剂时，与相应配体的亲和力可能完全丧失。 这种现象对于亲和力低的或分子量特大的亲和 对以及小分子配基更明显。
需要在载体与配基之间插入一段适当长度的“手臂”
（三）配基浓度对亲和力的影响
对于低亲和力系统，为了取得较好的配体分离效果，必须提高载体上配基的有效浓度。
较高的配体浓度在亲和层析时呈现“累增效应”，即提高了亲和吸附剂的吸附能力。
（四）配基与载体的结合位点的影响
在多肽或蛋白质等大分子作配基时，由于它们具有数个可供偶联的功能基团，必须控制偶联反应的条件，使它以最少的键与载体连接，这样有利于保持蛋白质原有的高级结构，从而使亲和吸附剂具有较大的亲和能力。
（五）载体孔径的影响
载体的孔隙是配体向配基接近的运动通道。所以载体的孔径大小对吸附剂的亲和能力有决定性影响。
当配基和大分子对象的亲和力十分高(如抗原与抗体) ，或是配体是很大的颗粒(如细胞器和完整细胞) ，载体的多孔性就显得不很重要了，那是因为配体与配基的作用仅发生在凝胶表面。
六、亲和层析的基本操作
亲和吸附剂选择制备
上样
洗脱
亲和吸附剂的再生和保存
第六章 结晶分离法
思考题
结晶的过程可分为几步？
何谓过饱和度？饱和度形成有那几种方法？
影响晶体的大小、形状和纯度有那些因素？
结晶法与沉淀法相比较有何区别？
二、结晶的过程
过饱和溶液的形成→晶核形成→晶体生长
三、过饱和溶液的形成
冷却法
蒸发法
真空蒸发冷却法
化学反应结晶法
盐析法
四、晶核形成
一次成核是从纯液体或纯溶液中形成新的相，它又可细分为均相成核和非均相成核。
非均相成核 当微不可见的杂质像灰尘或含杂微粒存在溶液中时，将出现成核现象，它是利用固态物质促进宏观晶体的长大，可不经过晶簇和晶胚步骤。
均相成核中则无此类杂质，它是溶质分子通过布朗运动，形成分子簇，再聚结成晶胚，然后长大为晶核。
二次成核是通过溶液中已有的晶化剂结晶成晶体而产生晶核。
一次成核发生于当蒸发结晶或冷却结晶的初相从较易溶变为极易溶的化合物时，晶体长到足够大后开始发生二次成核，且成为低过饱和度时的最重要的成核方式。
五、晶体生长
晶体长大的机理，一是溶质向晶体表面扩散传递，一是溶质进入晶面的表面反应作用。
一个晶体的不同晶面（b,k,l ）的生长率存在明显的差异。晶面生长率决定晶体外形、生长机制和晶体表面结构。
晶体生长单元向晶体表面的扩散和聚合
六、提高晶体质量的途径
晶体大小
晶体形状
晶体纯度
晶体结块
重结晶
第七章 离子交换分离技术
思考题
1 离子交换分离技术的原理是什么？
2 常用的离子交换树脂类型有哪些？
3 影响离子交换速度的因素有哪些？
4 影响离子交换树脂选择性的因素有哪些？
5 离子交换法分离的分哪几个步骤？各步骤操作要点是什么？
第一节 概 述
第二节 离子交换剂
离子交换剂是由基质、荷电基团和反离子构成
一、离子交换剂基质
离子交换剂基质是一类不溶于水和电解质溶液的大分子物质：
通用型聚合树脂类：以聚合树脂作为基质(基体，matrix) 的离子交换剂。
多糖类基质：以多糖材料为基体，通过接枝引入交换基团而制成的离子交换材料。
离子交换树脂的命名
命名规定：由分类名称，骨架(或基团) 名称，基本名称排列组成。
对大孔型离子交换树脂，在型号的前面加“D ”表示，凝胶型离子交换树脂在型号的后面用“×”接阿拉伯数字。
（二）多糖类基质
以多糖材料为基体，通过接枝引入交换基团而制成的离子交换材料。
特点：有开放性支持骨架，大分子可以自由进入和迅速扩散，因而交换空间大；亲水性强，吸附力弱，洗脱时不需要剧烈的条件，对生物大分子物质变性作用小。
以葡聚糖凝胶为基质：Sephadex G25和Sephadex G50
琼脂糖凝胶：Sepharose ，
命名：交换活性基团+骨架+原骨架编号
CM-sephadex C-25、DEAE-sephadex A-25
二、离子交换基团
根据可交换离子的种类分 ：
阳离子交换剂、阴离子交换剂
三、其他类型的树脂
含有一种以上的活性基团。
Eg:同时含羧基和酚羟基的树脂、既含有酸性基团，又含有碱性基团的两性树脂
离子交换容量：每克干树脂或每毫升湿树脂所能交换的离子的毫克当量数
6. 离子交换容量
每克干树脂或每毫升湿树脂所能交换的离子的毫克当量数，meq/g(干) 或 meq/mL(湿) ；当离子为一价时，毫克当量数即是毫克分子数(对二价或多价离子，前者为后者乘离子价数) 。
总交换容量 表示每单位数量(重量或体积) 树脂能进行离子交换反应的化学基团的总量。
工作交换容量 表示树脂在某一定条件下的离子交换能力，它与树脂种类和总交换容量，以及具体工作条件（溶液的组成、流速、温度等因素）有关。
再生交换容量 表示在一定的再生剂量条件下所取得的再生树脂的交换容量，表明树脂中原有化学基团再生复原的程度。
再生交换容量为总交换容量的50~90%(一般控制70~80%)，而工作交换容量为再生交换容量的30~90%(对再生树脂而言) ，后一比率亦称为树脂的利用率。
离子树脂交换容量的测定一般以无机离子进行。
测定方法：可先将树脂处理成氢型。称几克树脂，测其含水量，同时称取若干克树脂，加入一定量的标准NaOH 溶液静置一昼夜(强酸性树脂) 或数昼夜(弱酸性树脂) 后，测定剩余NaOH 的毫摩尔数，就可求得总交换容量。
7. 离子交换树脂的吸附选择性
离子受树脂交换吸附作用的强弱程度有一般的规律。其影响因素主要有：
离子的水化半径
离子的化合价
溶液的酸碱度
树脂的交联度和孔隙率
树脂与离子的辅助作用力
有机溶剂等。
(一）离子交换过程
①A+离子由溶液中扩散到树脂表面
②A+离子从树脂表面再扩散到树脂内部的活性中心
③A+离子与RB 在活性中心上发生复分解反应
④解吸离子B+自树脂内部的活性中心扩散到树脂表面
⑤B+离子从树脂表面扩散到溶液中
扩散是控制步骤
（二）影响交换速度的因素
颗粒大小、交联度 、温度 、离子的化合价 、离子的大小 、搅拌速度 、溶液浓度
1. 颗粒大小 颗粒减小无论对内部扩散控制或外部扩散控制的场合，都有利于交换速度的提高，但对内扩散的场合，影响更为显著。
2. 交联度 交联度越低树脂越易膨胀，其内部孔隙率越高，离子在树脂内部扩散就较容易。
3. 温度 温度越高，离子运动越剧烈，互相碰撞和交换的几率增大。
4. 离子的化合价 离子在树脂中扩散时，与树脂骨架(和扩散离子的电荷相反) 间存在库仑引力；离子的化合价越大，这种引力越大，因此，扩散速度就愈小。
5. 离子的大小 小离子的交换速度比较快。主要是因为大分子会和树脂骨架碰撞，因而在树脂中的扩散速度慢，有时甚至使骨架变形。（分子筛 ）
6. 搅拌速度 当液膜控制时，增加搅拌速度会使交换速度增加，但增大到一定程度后再继续增加转速，影响就比较小。
7. 溶液浓度 当溶液浓度为0.001 mol/L时，一般为外扩散控制。当浓度增加时，交换速度也按比例增加。当浓度达到0.01 mol/L 左右时，浓度再增加，交换速度就增加得较慢。此时内扩散和外扩散同时起作用。当浓度再继续增加，交换速度达到极限值后就不再增大，此时已转变为内扩散控制。
第四节 离子交换过程与设备
选用树脂首先决定于目标物质的性质。如果目标物质是非离子型的，那就不能用离子交换法来进行分离；反之，如能在水中离解，就可考虑用离子交换法来分离提取
一、树脂的选择的一般原则
交换剂的基质是疏水性还是亲水性
选择阴离子抑或阳离子交换剂
对强碱性物质宜采用弱酸性树脂
树脂还应有一定的交联度
交换剂对各种反离子的结合力
弱酸性物质宜用强碱性树脂，强酸性物质宜用弱碱性树脂。
二、离子交换过程
正吸附：选择适当的条件使目的产物离子化，被交换到介质上，杂质不被交换而从柱流出，然后采用洗脱液将被吸附物质洗脱的方法。
负吸附：在选择的条件下，目的物质不带电或带上与离子交换剂上可交换离子相反的电荷（即与骨架所带电荷相同），而一些杂质溶质（即不需要的物质）带上与可交换离子相同电荷，则上柱操作时目的物质随溶液流出，杂质被吸附。 (a)正吸附 (b)负吸附
四、离子交换操作工艺
①料液与离了交换剂进行交换反应
②目标物质的洗脱
③离子交换剂的再生及清洗。
第八章 双水相萃取技术
思考题
名词解释：聚合物的不相容性；相图。
双水相体系的是怎样形成的？其组成是什么？
影响双水相萃取的因素有哪些？
双水相萃取技术有什么优越性？
第一节 概 述
一、基本概念及分类
双水相系统:某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后可形成两相.
主要有两大类：
1、聚合物-聚合物-水系统:聚合物分子的空间阻碍作用使相互间无法渗透 ，从而在一定条件下分为两相。
2、聚合物-无机盐-水系统:主要是由于盐析作用，只要浓度达到一定的值后，也会产生两相。
双水相体系分类
双聚合物体系：主要体系很多，如聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)/葡聚糖（dextran ，Dx ）；聚丙二醇（polypropylene glycol ）/聚乙二醇；甲基纤维素（methylcellulose ）/葡聚糖等。
聚合物和无机盐体系：PEG/磷酸钾（略作KPi ）、PEG/磷酸铵、PEG/硫酸钠等
三、双水相萃取技术的基本特点
两相的性质差别（如密度和折射率等）较小
两相间的界面张力也很小，由此及产生基本特点：
（一）条件温和，体系具有生物亲和性
（二）所需溶液少，操作方便
（三）分离迅速，步骤简便
（四）操作易于控制
（五）可简化分离步骤
（六）能进行萃取性的生物转化
（七）亲和萃取（亲和分配）可大大提高分配系数和萃取专一性
（八）易于工艺的连续化生产
第二节 双水相分配原理及其理论基础
一、双水相系统分配原理
是否会形成双水相，取决于混合熵增和分子间作用力两个因素。
混合是自发的熵增过程，而分子间相互作用力则随分子量的变大而增强。
当两种高分子聚合物之间互不相溶时，由于相对分子质量较大，分子间的相互排斥作用与混合过程的熵增加相比占主导地位，一种聚合物分子的周围将聚集同种分子而排斥异种分子，当达到平衡时，即形成富含两种不同聚合物的两相。 相图
双水相形成条件和定量关系可用相图表示。 曲线把均相区和两相区域分隔开，称为双结点线。下区为均相区，上区为两相区。
连接双结点线上两点的直线叫系线。
临界点：当系线长度趋向于零时，即在图中的K 点，两相差别消失，任何溶质在两相中的分配系数均为1，成为单相
体系。
二、双水相中的分配平衡
与溶剂萃取相同，溶质在双水相中的分配系数也用K=cT/cB表示。
分配系数是各种相互作用的和.
lnKP=lnKE+lnKS+lnKA
总分配系数KP: lnKE、lnKS 、lnKA 分别为静电作用、疏水作用、亲和作用对溶质分配系数的贡献。
在系线上各点处系统的总浓度不同，但均分成组成相同而体积不同的两相，在同一条系线上的不同点，物质的分配系数相同。
四、影响物质分配平衡的因素
除了静电作用、疏水作用及界面张力等各种相互作用因素外，影响物质在双水相系统中分配的因素主要还有: 双水相系统的聚合物组成(包括聚合物类型、平均分子量、浓度)
盐类(包括离子的类型和浓度、离子强度、pH 值)
溶质的物理化学性质(包括分子量、等电点)
体系的温度等。
通气和搅拌等。
二、双水相萃取工艺设计
工艺流程
目的产物的萃取
PEG 的循环
无机盐的循环。
（二）PEG 循环
在大规模双水相萃取过程中，成相材料的回收和循环使用，不仅可以减少废水处理的费用，还可以节约化学试剂，降低成本。
PEG 的回收有两种方法：
①加入盐使目标产物转入富盐相来回收PEG ；
②将PEG 相通过离子交换树脂，用洗脱剂先洗去PEG ，再洗出蛋白质。
（三）无机盐的循环
一种方法使将含磷酸钠的盐相冷却到6℃，使盐结晶析出，然后用离心机分离收集；
另一种方法是用电渗析法、膜分离法回收盐类或除去PEG 相的盐。
实验（设计型）
设计一个PEG/磷酸盐的双水相体系，并从番木瓜中初步萃取木瓜蛋白酶。
第九章 超临界流体萃取技术
第一节 概 述
二、SCF 技术简介
纯物质在临界状态下有其固有的临界温度(Tc)和临界压力(Pc)
当温度大于临界温度且压力大于临界压力时，便处于超临界状态
SCF 就是指处于超过物质本身的临界温度和临界压力状态时的流体
在超临界状态下，SCF 可从混合物中有选择性地溶解其中的某些组分，称为SFE 技术
supercritical fluid; supercritical fluid extraction
三、超临界CO2流体萃取技术的特点
①分离过程有可能在接近室温(35~40℃) 下完成
②萃取物无残留有机溶剂
③萃取和分离合二为一
④CO2是一种不活泼的气体
⑤CO2价格便宜，纯度高，容易取得
⑥压力和温度都可以成为调节萃取过程的参数
第二节 超临界流体萃取技术原理
一、超临界流体的基本概念
利用超临界条件下的流体作为萃取剂，从流体或固体中萃取出特定成分，以达到某种分离目的的一种化工新技术。
五、超临界CO2流体萃取技术基本原理
（一）超临界CO2流体萃取基本过程
1. 萃取釜 2. 减压阀 3. 分离釜 4. 加压泵
(二) 超临界CO2流体萃取的特点
①超临界CO2流体的萃取能力取决于流体的密度 （从0.15 g/cm3到0.9 g/cm3之间 ）
②CO2无味、无臭、无毒、不燃、不腐蚀、价格便宜、易于精制、易于回收等优点
③操作温度接近室温
④超临界CO2流体还具有抗氧化灭菌作用
⑤超临界CO2流体萃取集萃取、分离于一体
⑥检测、分离分析方便 ，联用技术
(三) 影响超临界CO2流体萃取的因素
1. 物质性质的影响 ：相对分子质量大小和分子极性强弱,why?
2. 萃取压力的影响 ：增加压力将提高超临界CO2流体的密度,
3. 萃取温度的影响 ：温度增加, 溶解度会有最低值,A,CO2流体密度下降; B,蒸气压增大
4. 萃取时间的影响：as “溶解互助”效应, 设法让多组分“同时出来”比分步出来将更加容易. 增加萃取强度，用尽量短的时间
5.CO2流量的影响 ：成本和效率的原则来确定
6. 夹带剂的影响：为提高单一组分的超临界溶剂对溶质的萃取能力，依待萃取溶质的不同，适量加入适当的非极性或极性溶剂做共同试剂，即夹带剂（entrainer ，又称改性剂，modifier ）
7. 物质状态的影响:物理形态、粒度、黏度等
8. 传质性能的强化:微波强化、超声波强化、电场强化、磁场强化、搅拌等
第五节 超临界流体技术的展望
一、超临界CO2流体技术发展趋势
问题
①对极性大，相对分子质量超过500的物质萃取效果较差，
②对于成分复杂的原料，单独采用超临界CO2流体往往满足不了纯度的要求
③超临界CO2流体的临界压力偏高，增大了设备的固定投资
发展趋势
新型超临界技术的发展迅速
选择合适的改性剂和寻求适宜的超临界流体势在必行
超临界流体技术与其他高新技术联用
第十章 超声波辅助萃取技术
思考题
1、超声波辅助萃取技术的工作机理是什么？与传统的萃取技术相比，超声波辅助萃取技术有什么特点？而与现代的萃取技术如微波辅助萃取、超临界萃取相比有哪些优势？
2、超声波辅助萃取技术目前在食品工业、医药工业主要有哪些应用？
3、为什么超声波辅助萃取技术目前只限于实验室小规模上？要想实现大规模工业化的应用还需要解决哪些问题？
4、超声波辅助萃取技术在实际应用中还存在哪些问题？其发展趋势如何？
5、浴槽式超声波辅助萃取装置和探针式超声波辅助萃取装置在结构上有什么不同？在使用中各有什么优缺点？
第一节 概 述
声波:人耳只能感受频率高于16 Hz，而低于两万赫兹的弹性振动
超声波:人耳听不到的两万赫兹以上的弹性振动
次声波:低于16 Hz的弹性振动
二、超声波的应用特点
1）超声波具有较好的指向性:探伤和水下通讯等
2）波长趋短:厚度尺寸很小的测量/高分辨率的探伤
3）超声波用起来很安静:
第二节 超声波辅助萃取技术的原理及特点
基本原理
压电换能器产生快速机械振动波；含有能量的超声振动引起的与媒质的相互作用；减少目标萃取物与样品基体之间的作用力、增大物质分子运动频率和速度、增加溶剂穿透力
1）热作用
2）机械作用
3）空化作用
1）热作用
声能被吸收可引起媒质中的整体加热、边界外的局部加热和空化形成激波时波前处的局部加热。 加热能增强物质在溶剂中溶解能力。
2）机械作用
超声波作用都可使介质的质点交替压缩伸张，产生线形或非线形交变振动，引起相互作用的柏努利力、粘滞力等，从而增强介质的质点运动，加速质量传递作用。
由于介质质点将超声波能量作用于目标成分质点上而使之获得巨大的加速度和动能，目标成分能迅速逸出基体而游离于水中。
3）空化作用
当超声波穿过介质时，形成包括膨胀和压缩的全过程。
在液体中，膨胀过程形成负压，如果超声波能量足够强，膨胀过程就会在液体中生成气泡或将液体撕裂成很小的空穴。 空穴瞬间即闭合，闭合时产生高达3000 MPa的瞬间压力，称为空化作用或“空化效应”
“空化效应”不断产生无数内部压力达到上千个大气压的微气穴并不断“爆破”，产生微观上的强大冲击波作用在天然植物和中药材上，使其中的目标成分物质被“轰击”逸出，并使得原材料基体被不断剥蚀，
超声波的空化现象
气泡或空穴里的气体和蒸汽快速绝热压缩产生极高的温度和压力。Suslick 等估计热点的温度高达5000℃，压强约100 MPa
在纯液体中，空穴破裂时，由于它周围条件相同，因此总保持球形；
紧靠固体边界处，空穴的破裂是非均匀的，从而产生高速液体喷流，使膨胀气泡的势能转化成液体喷流的动能，在气泡中运动并穿透气泡壁。
强大的冲击流能够有效地减小、消除溶剂与水相之间的阻滞层，从而加大了传质速率。
冲击流对动植物细胞组织产生一种物理剪切力，使之变形、破裂，并释放出内含物.
超声波产生的效应
①力学效应。如搅拌作用、分散效应、破碎作用、除气作用、成雾作用、凝聚作用、定向作用；
②热学效应。如媒质吸收热引起的整体加热、边界处的局部高温高压等；
③光学效应。如引起光的衍射、折射、声致发光；
④电学效应。如超声电镀、压电；
⑤化学效应。如加速化学反应，产生新的化学反应物。
施加超声波，在有机溶剂(或水) 和固体基质接触面上产生的高温(增大溶解度和扩散系数) 高压(提高渗透率和传输率) ，加之超声波分解产生的游离基的氧化能等，从而提供了高的萃取能。
二、 超声波辅助萃取技术的特点
特点
1. 无需高温
2. 常压萃取
3. 萃取效率高
4. 具有广谱性
5. 对溶剂和目标萃取物的性质关系不大
6. 减少能耗
7. 原料处理量大
8. 萃取工艺成本低
9. 声波具有一定的杀菌作用
10. 萃取得率高
二、超声波辅助萃取技术的分类
（一）按萃取设备结构的不同分
1. 浴槽式超声波辅助萃取系统
2. 探针式超声波辅助萃取系统
（二）按操作方式的不同分
间歇式
连续式：
(1)敞开系统：新鲜的萃取剂连续流过样品，因此传质平衡转变为分析物进入液相的溶解平衡。
(2)密闭系统：一定体积的萃取剂连续循环使用。萃取载流的方向在萃取过程中保持一致，或者通过驱动系统的预设程序在一定的时间段进行变换。
第五节 超声波辅助萃取技术的应用前景
1）关于超声波辅助萃取的强化机理的研究
2）大规模工业化应用的研究
3）超声波辅助萃取对容器壁的厚薄及容器放置位置要求较高
4）超声波在萃取过程中会产生很强的噪音
5）超声波辅助萃取的效果受诸多因素的影响
6）萃取技术的改进和创新
三、超声波辅助萃取技术的发展趋势
1）超声波辅助萃取突破“放大”瓶颈
2）优化部分萃取工艺
3）节能环保降本增效
4）研制出功率大、低噪音的超声波辅助萃取装置
5）超声提取工艺从间歇式向连续式发展
6） 超声波辅助萃取技术的研究由单频率向复频或双频超声萃取发展
四、超声波辅助萃取技术与其他技术的联用
（一）超声波－微波协同萃取
（二）超声辅助微波消解
（三）超声波－超临界萃取联用
第十一章 微波辅助萃取
第一节 概 述
微波是一种波长在1~1000 mm，频率为3×108~3×1011 Hz之间的电磁波
第二节 微波辅助萃取的基本原理 一、微波加热原理
离子传导和偶极子转动
离子传导是在微波场作用下，离解物质产生的离子定向流动形成离子电流，并在流动过程中与周围的分子或离子发生高速摩擦和碰撞，使微波能转为热能
偶极子转动是极性分子存在一定的偶极矩，当它们处于一定的静电场中时，偶极分子就有呈方向性排列的趋势, 当电磁场方向变化时，偶极子的取向也随之改变，分子发生摆动
微波在传输过程中依介质性质不同，会产生反射、吸收和穿透现象
二、微波辅助萃取原理
微波射线自由透过透明的萃取介质，深入到生物材料的内部维管束和腺胞系统。物料内部温度突然升高, 细胞壁膨胀, 细胞破裂
不同物质的tan δ值不同，对微波能的吸收程度也不同，微波可以对体系中不同组分进行选择性加热，从而使被萃取物质从基体或体系中分离出来, 进入到萃取溶剂中
第三节 微波辅助萃取的工艺及设备
一、微波辅助萃取工艺流程
原料预处理 → 萃取溶剂与样品混合 → 微波萃取 → 冷却 → 过滤 → 滤液 → 萃取溶剂与萃取组分分离 → 萃取组分
二、微波辅助萃取工艺条件
（一）原料预处理
（二）萃取溶剂的选择
（三）微波辐射条件的选择
（四）微波萃取温度的选择
（五）萃取时间
（六）食品水分含量的影响
（七）冷却
（八）萃取溶剂与萃取组分分离
三、微波萃取工艺的特点
传统热萃取是以热传导、热辐射等方式由外向里进行
微波萃取里外同时加热
不同萃取方法的比较
微波萃取具有以下技术特点
1. 快速高效
2. 加热均匀
3. 选择性
4. 生物效应（非热特性）
5. 高效
第五节 微波萃取分离技术展望
微波萃取技术在保健功能因子的研究、食品有效成分提取以及食品分析中有良好的应用前景 1 把萃取与后续处理结合起来，将简化样品处理的步骤
2 提取过程的参数，如物理形状及尺寸，自由水或结合水的含量等对提取率的影响等方面
思考题
1、微波辅助萃取原理是什么？
2、简述微波辅助萃取的工艺过程。
3、微波辅助萃取有什么特点？
4、简述微波辅助萃取的主要设备。
5、简述微波辅助萃取在食品工业中的应用进展。
食品分离技术
1、食品分离的必要性？
社会进步导致了对分离技术的要求越来越高。
分离的难度越来越大导致了新的分离方法日益发展。
食品工业的重要化工单元操作。
对食品加工的科学化具有重要意义。
2、食品的原辅料也是多种成分组成的混合物，生产中要按人们的需要，对食品原辅料进行取舍，进行这种处理的过程，就是食品分离过程。
目的是排除某种特殊的组分，获得较高纯度的某组分，以便提升产品的价值。进而
1 获得需要的产品
2 满足食品安全性的要求
3食品为什么要分离？目的？
第一节 食品工业中的分离技术
一、分离的概念
分离过程是一个从无序到有序的过程，是一个熵减过程，需要环境做功来推动过程的进行。
①分离过程的基本原则
②分离方法
物理方法、化学方法及物理化学方法。
③分离对象
食品生产过程中的原料、废弃物、中间产物、产物等等
二、分离技术的分类 （一）机械分离
（二）传质分离
是指在分离过程中，有物质传递过程的发生。分为两大类：平衡分离过程和速率控制分离过程。
平衡分离过程为借助分离媒介（如热能、溶剂、吸附剂等）使均相混合物系统变为两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。
速率控制分离过程是指借助某种推动力，如浓度差、压力差、温度差、电位差等的作用，某些情况下在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速度的差异而实现混合物的分离操作。
（三）其他物理场辅助分离技术
1. 超声波萃取
2. 微波辅助萃取
3. 超声微波协同萃取
（四）传质设备
一般的要求：
① 单位体积中，两相的接触面积应尽可能大，两相分布均匀，避免或抑制短路及返混；
② 流体的通量大，单位设备体积的处理量大；
③ 流动阻力小，运转时动力消耗低；
④ 操作弹性大，对物料的适应性强；
⑤ 结构简单，造价低廉，操作调节方便，运行可靠安全 。
第二节 食品分离过程的特点及选择原则
一、食品分离技术的分类
食品分离技术按其分离规模可分为：实验室规模和工业生产规模。
食品分离技术按分离方法可分为：① 物理法。② 化学法。③ 物理化学法。
食品分离技术按分离性质可分为非传质分离和传质分离两大类 。
二、食品分离过程的特点
①分离对象种类多，性质复杂。
②产品质量与分离过程密切相关。
③产品要求食用安全。
④分离对象在分离过程的易腐败。
三、食品分离技术的选择原则
总的原则是先要确定分离的目的，了解待分离混合物中各组分的物理、化学、生物学方面的性质，并要充分关注分离的目标成分。根据目标成分的性质，确定分离工作的步骤。
分离工作的步骤
①选择和确定对目标成分的定性、定量方法，以便在分离过程中能对目标成分进行检测，对分离效果进行评价。 ②了解物料的性质。例如，物料的粘度、目标成分在物料中存在的部位、含量等。
③确定分离方法并进行实验。是否可利用自然的能量进行分离？是否为超高纯度的分离？分离规模的大小？按这些要求选择合适的分离技术。
④确定分离方法的评价指标。一般来说，评价指标有：回收率、截留率、选择性、经济性等。 ⑤中试或工业生产应用的放大设计。
分离方法的选择时要考虑的因素
产品纯度和回收率；产品价格；目标产物的特性；混合物中的分子性质；经济因素；
安全与环保
四、食品分离技术的评价
①回收率和产品纯度
②产品质量
③产品安全性
④简化生产工艺
⑤降低能耗、场地，节省成本 第三节 食品分离技术的重要性及其进展
一、食品分离技术在食品工业中的地位与作用
①分离技术作为食品工业的基础，是重要的食品工艺过程之一。
②利用分离技术可以提高农作物综合利用程度，生产高附加值的产品。
③利用分离技术可以改进食品的营养与风味。 ④使产品更加符合卫生、安全的要求。
⑤改变生产面貌。
研究分离技术在食品加工中的应用，对食品加工的科学化、现代化具有重要意义。
一方面为食品工业提供符合质量要求的原料；
另一方面对通过对食品原料、半成品进行分离提纯以得到合格的产品。
此外，分离操作在食品企业的环境保护和充分利用食物资源方面也起着重要的作用。
二、食品分离过程的开发
①基础研究开发 针对项目的应用性基础研究和工艺特征研究。以实验室研究为主体。
②过程研究 进行工艺、产品、设备等的工程放大试验，包括模型试验、微型中试、中间试验、原型装置试验及工业试验的全部过程或部分过程。
③工程研究 包括技术经济评价、概念设计、数学模型、放大技术及基础设计等。
三个关键环节：概念形成到课题的选定、技术与经济论证(可行性) 和工业放大技术。
三、食品分离技术的发展趋势
未来食品工业所关注的重点问题有：
①环境问题。减少温室气体的排放，消除水、土壤的污染。
②工艺改进。需要开发更好的食品工业分离技术。
③产品开发。产品多样化，新的及有高附加值的产品开发。
④能源问题。提高能源利用率，找到能替代高耗能的工艺。
⑤安全问题。有时这与新的分离技术关系密切。
思考题
1 分离过程有哪些基本原则？
2 简述分离技术的分类及其分离原理。
3 选择食品分离技术的原则有哪些？
4 食品分离过程有什么特点？
5 简述食品分离技术的开发过程。
6 简述食品分离技术在食品工业中的重要性。
第二章 膜分离技术
思考题
1 试述膜分离的原理。
2 什么是膜的浓差极化？影响浓差极化的因素有哪些？
3 什么是膜污染？如何减轻膜的污染？
4 比较液膜分离技术与普通的溶剂萃取技术的异同点。
5 请设计一个用于制备高纯水的电渗析分离技术方案。
6 试述超滤分离技术在酶制剂工业中的应用。
7 举一例说明反渗透技术在果汁加工中的应用。
二、膜种类
1. 按膜的性质分：天然膜和合成膜。
2. 按膜的结构分：多孔膜、致密膜和液膜。
3. 按膜的作用机理分：吸附性膜、扩散性膜、离子交换膜、选择渗透膜和非选择性膜等。
四、膜的制备方法
核径迹法 这种方法分2步进行：第一步是将厚为5~15 μm 薄膜用放射性粒子照射，使高分子主干的化学键断裂形成径迹。孔的密度由照射时间加以控制。第二步是将照射的膜用酸碱液进行腐蚀，使辐照受损的材料形成垂直孔道。适宜于聚碳酸酯和聚乙酯作微孔膜。
界面聚合法 在两种液体的相界面即发生聚合反应，形成活性层。最后在一定温度下使形成的凝胶层进行交联，改善与多孔支撑层的联结。
六、膜分离技术的原理
用天然的或人工合成的膜，以外加压力或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯或富集的方法，统称膜分离法。
七、膜分离的特点
（1）膜分离过程不发生相变，与有相变的分离法或其它分离法相比能耗要低。p46
（2）膜分离过程一般在常温下操作。
（3）膜分离技术应用范围广，不仅能分离有机和无机物，而且还能分离许多特殊溶液体系的中大分子与无机盐、一些共沸物或近沸点物质等。
（4）分离以压力作为推动力，具有装置简单、体积小、操作容易、易于控制和维修等优点，且在闭合回路中运转，减少了空气中氧的影响。
（5）分离实验易扩大，从小试到大规模生产易实现。
第二节 反渗透分离技术 一、反渗透基本概念
渗透：溶剂分子从纯溶剂侧经半透膜渗透到溶液侧。
渗透压：渗透一直进行到溶液侧的压强高到足以使溶剂分子不再渗透为止，此时即达平衡。平衡时膜两侧的压差。 反渗透：溶剂分子将从溶液侧向溶剂侧渗透。
二、反渗透膜的透过机理
（一）氢键和结合水－孔穴有序扩散模型
（二）优先吸附毛细管流模型 （三）溶解－扩散模型
（四）孔隙开闭机理
四、影响反渗透操作的因素 （一）浓度差极化 ：在边界层附近形成一种浓度梯度，紧靠于膜表面的溶质浓度最大，这种浓度梯度就称为浓差极化
影响浓差极化的主要因素
(1)透水速率 透水速率越大，溶质被带到界面处的数量越多，极化现象就越明显。
(2)溶液粘度 溶液粘度越大，被带到界面处的溶质越难反扩散回到主流中，因而极化现象越厉害。
(3)溶质在溶液中的扩散系数 这也是关系溶质向主流反扩散和浓差极化的一个因素。 (4)表面溶液的流动情况 这是关系扩散速率的流体动力学条件的问题。
控制浓差极化的措施
预过滤能去除微粒状物质，降低待阻留溶质的浓度。
采用逆洗
超声波处理膜或进料液 增加液体的湍流程度
震动和脉冲喂料
改善膜的性能
（二）膜的压实 当反渗透压力较高时，会使膜产生变形，不透过物在膜表面沉积而被压实，影响透过的通量。
改进的方法：提高膜的机械强度，减少膜的变形。同时定期对膜进行反冲洗，恢复膜原有的孔隙。
（三）膜的降解
化学降解：由于膜在碱性及强酸性液体影响下所造成膜材料的水解。
避免方法：pH 调节；选用化学性能稳定的膜材料
生物降解是微生物在膜上繁殖的结果，可用清洗或消毒的方法进行处理。
（四）膜的结垢
膜垢主要是由悬浮物、离子化合物或盐类物质构成。
悬浮物可通过预处理除去，离子化合物、盐类物质可通过螯合法除去。
五、反渗透所用的膜
对反渗透膜的基本要求是透水率大，脱除率高；膜耐压性能高，致密性好，化学稳定性好，能在较高温度下使用，以及抗污染性能好等。
（一）纤维素膜CA
（二）聚酰胺膜PS
（三）复合膜
六、反渗透膜组件
反渗透膜组件的结构有管式、平板式、中空纤维式和螺旋式四种。
第三节 超滤分离技术
一、基本原理
以压差为推动力作用下进行的筛孔分离过程。通常认为超滤截留溶质相对分子质量大于500。
二、超滤的操作特点
切向过滤
三、浓差极化与膜污染
边界层中的传质和浓差极化
膜渗透流率决定于边界层内的传质情况（D/L）。
膜污染是指料液中的某些组分在膜表面或膜孔中沉积导致膜渗透流率下降的现象。
控制措施：
①预先过滤除去料液中的大颗粒；
②增加流速，减薄边界层厚度，提高传质系数；
③选择适当的操作压力和料液黏度，避免增加沉淀层的厚度与密度；
④采用具有抗污染性的修饰膜；
⑤定期对膜进行清洗和反冲。
第四节 液膜分离技术
一、液膜的分类
液态膜，顾名思义是一层很薄的液体。它能够把两个组成而又互溶的溶液隔开，并通过渗透现象起着分离一种或一类物质的作用。这层液体可以是水溶液，也可以是有机溶液。当被隔开的两溶液是亲水相时，液膜应为油型，当被隔开的溶液是亲油相时，液膜应为水型。
液膜按其构型和操作方式的不同，主要分为支持液膜和乳化液膜。
乳化液膜的制备是首先将两个不互溶相即内相（回收液）和膜相（液膜溶液）充分乳化制成乳液，再将此乳液在搅拌条件下分散在第三相（即外相）中而成。
通常内相与外相互溶，而膜相既不溶于内相也不溶于外相。在液膜分离过程中，在膜的原料一侧（外相侧）界面上，欲提取的目标物质进入膜相，而在膜的接收相一侧（内相侧）同时释放出该物质，达到与原料中其他成分相分离的目的。
因此液膜分离法是膜的两侧同时进行萃取和反萃取（或吸收与解吸）的操作。
支持液膜是由溶解了载体的液膜，在表面张力的作用下，依靠聚合物凝胶层中的化学反应或带电荷材料的静电作用，浸没在多孔支持体的微孔内而制成的。由于液膜分布在多孔支持体上，能承受较大的压力，且具有更高的选择性，因此，它可以承担合成聚合物膜所不能胜任的分离要求。支持液膜的分离性能与支持体材质、膜厚度及微孔直径的大小有关。一般而言，支持体孔径越小液膜越稳定，但孔径过小将使空隙率下降，从而将降低透过速度。
二、液膜的组成
（一）膜溶剂
（二）表面活性剂
（三）流动载体
（四）膜增强剂
三、液膜分离机理
（一）无载体扩散迁移
（二）有载体扩散迁移
（二）有载体扩散迁移
五、液膜分离技术的工艺流程及影响因素 （一）液膜分离技术的工艺流程
液膜分离工艺流程一般由三个部分组成，即乳化液制备、分离浓缩和解乳化。
（二）影响液膜分离效果的因素
1. 液膜体系组成的影响
2. 液膜分离工艺条件的影响
1. 液膜体系组成的影响
液膜体系的组成应根据处理体系的不同来选择适宜的配方，以保证液膜具有良好的稳定性、选择性和渗透速度，提高分离效率。
合理选择表面活性剂、载体、膜溶剂、外相电解质的种类和浓度，降低搅拌强度、乳水比和传质时间，有效控制温度，尽可能地减少渗透溶胀对膜强度的影响， 2. 液膜分离工艺条件的影响
①搅拌速度的影响：制乳时的搅拌速度一般控制在2000~3000 r/min。搅拌速度过高，会使液膜破裂，而搅拌速度过低，导致料液和乳液混合不均匀
②料液与乳液接触时间的影响：由于液膜的表面积大，渗透速度快，料液与乳液在最初接触的一端时间内，溶质会迅速渗透过膜而进入内相。若继续延长接触时间，连续相（料液）中的溶质浓度由于乳液滴的破裂又会回升。
③料液浓度和pH 的影响：料液的pH 会影响渗透物的存在状态，只有在一定pH 条件下，渗透物才能与液膜中的载体形成络合物而进入膜相而达到分离目的
④乳水比的影响：液膜乳化体积与料液体积之比称为乳水比。乳水比越大，渗透过程的接触面就越大，分离效果就越好。 ⑤操作温度的影响：提高温度虽可加快传质速率，但却降低了液膜的稳定性，反而不利于分离提取。
液膜技术的评价及其展望
与固态膜相比，它具有特效的选择性、高度的定向性、极大的渗透性、单位体积内的膜面积大、水处理更方便简易等优点。
与溶剂萃取相比，它具有节省工序、降低成本、操作温度范围广、操作浓度区间大等优点。与离子交换树脂相比，它具有设备简单、化学药品用量少、更具有选择性等优点。
液膜技术是一项简单、高效、专一、快速、经济节能、具有实现机械化、连续化、自动化潜力的多用途新型化学工艺。
第五节 电渗析分离技术
以钠型阳膜与NaCl 溶液形成的体系为例。
RSO3-是固定的，则膜上Na+和溶液中Na+，Cl-都可以移动，达到平衡时化学势相等。
根据质量作用定律，膜内外扩散离子浓度之积相等，即：
[Na+]膜内·[Cl-]膜内=[Na+]溶液·[Cl-]溶液 „[2-31]
由膜和溶液的电中性条件，有：
[Na+]膜内= [Cl-]膜内+[RSO-3]膜中 „„„[2-32]
[Na+]溶液=[Cl-]溶液 „„„„„. „„„[2-33]
比较式[2-31]和式[2-33]，得：
[Na+]膜内·[Cl-]膜内=[Na+]2溶液= [Cl-]2溶液 „. [2-34]
由式[2-34]、[2-32]，可得：
[Cl-]2溶液 = [Cl-]2膜内+ [RSO-3]膜中 ·[Cl-]膜内 .. [2-35]
[Na+]2膜内= [Na+]2溶液+[Na+]膜内·[RSO-3]膜中 [2-36]
由此可知，
[Na+]膜内> [Na+]溶液 „„„[2-37]
[Cl-]膜内
平衡时膜内、外电解质离子浓度的分配是不相等的。
Donnan 膜平衡
（1）平衡时膜内反离子浓度大于溶液中反离子浓度，同名离子浓度小于溶液中同名离子浓度。这说明阳膜对阳离子、阴膜对阴离子有选择透过性。
（2）当膜内固定基团浓度足够大时，膜内的同性离子浓度很低，即平衡态下膜具有很好的选择透过性，几乎达100%。但任何膜都不可以达到100%的选择透过性，因为总有一部分同名离子渗透入膜内。
（3）膜的选择透过性随膜外溶液浓度的下降而提高，因此，离子交换膜不宜在高浓度溶液中使用，否则容易发生泄漏现象。
避免极化现象发生的措施
（1）严格控制操作电流，使电渗析在低于极限电流密度条件下运行，一般取操作电流密度为极限电流密度的80%左右。
（2）采用湍流效果好的格网及提高渗析温度等措施来强化电渗析隔室中的传质过程。 （3）对膜定期进行酸洗，加入防垢剂，对料液进行预处理等来消除极化沉淀。
对离子交换膜的要求
（1）有良好的选择透过性。实际上此项性能不可能达到100%，通常在90%以上，最高可达99%。
（2 ）膜电阻低。膜电阻应小于溶液电阻。若膜电阻太大，则由膜本身引起的电压降相当大，减少了电流密度，对分离不利。
（3）有足够的化学稳定性和机械强度。
（4）有适当的孔隙度，一般要求孔隙度为50~100 nm。 （二）离子交换膜的性能指标
1. 膜电阻
2. 交换容量 指每克干膜所含活性基团的毫克当量数，一般膜的交换容量为2~3 mmol/g。
3. 含水量 膜内与活性基团结合的内在水，以每克干膜的含水克数来表示（%）。膜的含水量为20%~40%左右。
4. 反离子迁移数和选择透过度 选择透过度为反离子在膜内迁移的实际增值与理想增值之比。选择透过度应大于85%，反离子迁移数大于90%。
第三章
1 理解电泳、电渗、电渗流、电泳淌度等几个基本概念。
2 简述影响电泳分辨率的因素有哪些？
3 简述影响电泳淌度的因素有哪些？
4 简述常见的毛细管电泳的几种分离模型及各自的特点。
5 简述毛细管电泳装置的主要部件及其发展情况。
6 简述毛细管电泳技术在生化领域的应用进展。
毛细管电泳分离技术
第一节 概 述
电泳是基于两种或多种带电粒子或微粒，它们所在的介质受到外加直流电场的作用下，其迁移速率不同而得到分离的一类方法。（electrophoresis ）
第二节 毛细管电泳基本原理
一、毛细管电泳的理论基础
在毛细管电泳中带电粒子所受的驱动力：电泳力和电渗力。
（一）电泳和电渗
电泳(Electrophoresis)是指溶液中带电粒子(离子、胶团) 在电场中定向移动的现象。
电泳是驱动电解质运动的第一种动力，如此形成的粒子移动简称为泳流
电泳迁移速度Ve : Ve= μeE = μeV/L
μe:电泳迁移率(电泳淌度); E:电场强度; V－毛细管柱两端施加的电压；L －毛细管柱的长度。
电渗(Electro osmosis)是驱动电解质运动的第二种作用力，它使毛细管中的溶剂在直流电场作用下发生定向运动。 电渗流的产生
毛细管内壁表面上的硅醇基在pH>3的水溶液中，可电离而产生SiO-负离子，使毛细管内壁带上负电荷，因此，溶液中的一部分正离子(如H+离子) 就靠静电作用而吸附于毛细管内壁上，形成一个双电层(Electric double layer)。其中一层是带负电的内壁，一层是带正电的溶液离子吸附层。但溶液中的其余大部分正离子则是离内壁越远，越呈自由状态，于是在吸附层之外又存在着一个扩散层 。
(二) 分离速率
如果溶质纵向扩散是区带展宽的唯一因素，对于CE 来说，可以通过增大分离电压和缩短毛细管长度来提高速度，同时兼顾分离效率
在任何给定的时间内要获得最高的理论塔板数，分离电压与毛细管长度的比例应该最大，也就是说在只考虑溶质纵向扩散的前提下，采用尽可能高的分离电压和短的毛细管，可以实现高柱效和快速分离。高的电渗流同样可以提高分析速度和柱效。
要在维持高效情况下加快CE 的分离速度，可以采用以下几种方法：
①短而窄内径的分离毛细管；
②高分离电压；
③高电渗流。
另外，对于带负电荷的分离物，通常在缓冲溶液中加入阳离子表面活性剂，通过改变EOF(电渗流）的方向来提高分离速度。
(三) 分离效率和分辨率
提高分离电压是增加分离效率的主要途径，在相同的操作电压下，l/L =1，分离效率最高。此外，N 与溶质的扩散系数D 成反比，所以用毛细管电泳分离大分子时，可得到高的柱效。
提高毛细管电泳的分辨率有两条途径：
一是通过增大分离电压来提高柱效;
二是控制电渗流，当电渗流移动方向与分离组分的迁移方向相反，而速度大小相等时，分辨率将趋于无穷大。
（四）影响分辨率的因素
1. 毛细管电泳中的电解效应及缓冲溶液的选择。
2. 电压的影响。
3. 黏度。
4. 区域的畸变
（五）影响电泳淌度的因素
1. 带电分子的本质
2. 电泳系统的性质
（1）电泳缓冲液的离子构成
（2）温度
（3）电泳缓冲液的pH 值
（4）操作电压
（5）载体介质的选择，
二、毛细管电泳的分离模式
毛细管区带电泳(CZE)
胶束电动毛细管电泳(MECC)
毛细管凝胶电泳(CGE)
毛细管等电聚焦(CIEF)
毛细管等速电泳(CITP)
毛细管离子电泳(CIE)
毛细管电色谱
毛细管阵列电泳
亲和毛细管电泳
第三节 毛细管电泳装置
直流高压电源、毛细管、进样装置、检测器和记录仪等
一、毛细管电泳的进样技术
（一）直接在线进样
（二）近端进样及双向进样
（三）流动注射与毛细管电泳联用(FI-CE)
（四）液相色谱与毛细管电泳联用
（五）光学门进样
（六）流动门进样
二、毛细管电泳检测器
光学检测器
电化学检测器
质谱检测器
核磁共振检测器
一、毛细管电泳技术的应用
（一）糖类的分离与分析
（二）在天然中草药分析领域中的应用
（三）在基因工程研究方面的应用
（四）单细胞分析
（五）手性分离
（六）小分子离子分析
第四章 分子蒸馏分离技术
1 分子蒸馏的原理是什么？
2 分子蒸馏与传统精馏有什么区别？
3 简述分子蒸馏过程的数学模型研究进展。
4 分子蒸馏器有哪些？各有什么特点？
5 简述几种分子蒸馏的流程。
6 分子蒸馏过程中需要注意哪些安全生产措施？
7 简述分子蒸馏在食品工业中的应用。
第一节 概 述
分子蒸馏(molecular distillation)是一种在高真空度条件下进行非平衡分离操作的连续蒸馏过程，它是以液相中逸出的气相分子依靠气体扩散为主体的分离过程。
二、分子蒸馏技术与传统精馏的区别
① 分子蒸馏的蒸发面与冷凝面距离很小。
② 普通减压精馏是蒸发与冷凝的可逆过程。分子蒸馏过程是不可逆的。
③ 分子蒸馏的分离能力不但与各组分间的相对挥发度有关，而且与各组分的分子量有关。
④ 分子蒸馏是液膜表面的自由蒸发过程，没有鼓泡、沸腾现象。
第二节 分子蒸馏的原理
一、分子蒸馏分离的基本过程
物料分子从液相主体向蒸发表面扩散。
物料分子在液层上自由蒸发
分子从蒸发面向冷凝面飞射
轻分子在冷凝面上冷凝
二、分子蒸馏基本理论
分子蒸馏需要具备下列三个条件。
a 压力必须低，在0.1~40 Pa左右。确保分子之间不会发生碰撞。
b 蒸发面和冷凝面之间的距离要与分子运动平均自由程的大小在同一个数量级。自由移动的分子要没有机械阻碍。 c 冷凝器表面的温度应低于蒸发表面温度50~100℃。防止冷凝器表面分子的再次蒸发。
两种物质的相对挥发度
分离体系中物质的分子质量的影响很重要。
(一) 几个基本概念
1. 理论分子蒸发速率
Langmuir 研究了高真空下纯物质的蒸发现象，他从分子动力学出发，推导出纯物质理论分子蒸发速率只是表面温度和分子种类的函数。
2. 分离因数
分子蒸馏可以用来分离挥发度相近但分子量不同的混合物系。
分子蒸馏由于处于非平衡状态下操作及其设备的内部结构特点，使得分离效率远高于常规蒸馏，
(二) 分子运动平均自由程
依靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现物质分离的。
1. 分子碰撞
2. 分子有效直径
3. 分子运动自由程
4. 分子运动平均自由程
λm =Vm/f
1. 分子碰撞
分子与分子之间存在着相互作用力。
当两分子离得较远时，分子之间的作用力表现为吸引力，但当两分子接近到一定程度后，分子之间的作用力会改变为排斥力，并随其接近到一定程度，排斥力迅速增加。
当两分子接近到一定程度，排斥力的作用使两分子分开，这种由接近而至排斥分离的过程就是分子的碰撞过程。
2. 分子有效直径
分子在碰撞过程中，两个分子质心的最短距离，即发生斥离的质心距离，称为分子有效直径。
3. 分子运动自由程
一个分子相邻两次分子碰撞之间所走的路程，称为分子运动自由程。
4. 分子运动平均自由程
某一种分子在某时间间隔内自由程的平均值.
λm =vm/f
f 为分子间的碰撞频率
对于球形分子:
λm = kT/(21/2πd2p)
d －分子的有效直径，p －分子所处空间的压强，T －分子所处环境的温度，k －波尔兹曼常数
理想气体
压力、温度及分子有效直径是影响分子运动平均自由程的三个主要因素。
当压力一定时，特定物质的分子运动平均自由程随空间温度增加而增大;
当温度一定时，平均自由程λ与空间压力P 成反比，真空度越高(空间压力越小) λ越大，分子之间碰撞几率越小。(表4-1)
即使物系空间的压力和温度相同，对于不同的物质由于分子有效直径不同，其分子平均自由程也存在差异。
(三) 分子蒸馏需具备的条件
1. 蒸发面与冷凝面之间应保证较高的温度差
2. 蒸发面与冷凝面应保持较短的距离
3. 分子蒸馏分离系统中应保持较高的真空度
4. 蒸发面上的液体膜应尽可能的薄
5. 分子蒸馏装置应有必要的设备系统
5. 分子蒸馏装置应有必要的设备系统
分子蒸馏装置包括缸体、刮膜器、变速器、接收瓶等；
抽真空系统包括真空泵、扩散泵等；
加热温控系统包括热油泵、导热油炉、控温仪表、油路等；
冷却系统包括冷阱、降温水泵、冷却水管路等。
密封结构
脱水、脱溶剂和脱氧处理
三、分子蒸馏技术的特点
1. 操作温度低，可大大节省能耗
2. 蒸馏压强低，要求在高真空度下操作
3. 受热时间短，降低热敏性物质的热损伤
4. 分离效率高
分子蒸馏技术的优势
1. 对于高沸点、热敏及易氧化物料的分离，分子蒸馏提供了最佳分离方法。
2. 对于混合液中的低分子物质(如有机溶剂、臭味物等) 的脱除。
3. 分子蒸馏可以通过真空度的调节，有选择地蒸出目的产物，去除其它杂质，通过多级分离可同时分离多种物质。
4. 分子蒸馏的分馏过程是物理过程。
分子蒸馏的缺点
1. 由于分子蒸馏的加热面积受设备结构的限制，生产能力不大。
2. 若混合物内各组分的分子平均自由程相近时，则可能分离不开。
3. 由分子蒸馏的工作条件决定了其需要高真空排气装置、高真空动静密封结构等辅助系统，这就导致生产技术难度大、整体机组设备费用较高、维修费用较高，生产成本随着相应增加。
二、分子蒸馏设备
(二) 分子蒸发器
分子蒸馏装置的核心部分
静止式蒸发器、降膜式蒸发器、刮膜式蒸发器和离心式蒸发器。 (三) 各种蒸发器的优缺点比较 离心式：由于转盘高速旋转，可得到极薄的液膜且液膜分布更均匀，分离效率很高，且几乎没有压力损失，蒸发速率和分离效率更好；料液紧贴着蒸发面，产生气泡的可能性较小。物料在蒸发面上的受热时间更短，降低了热敏物质热分解的危险；物料的处理量更大，更适合工业上的连续生产。同时，料液薄膜在离心力作用下沿蒸发面自由向外移动，使蒸发面得到不断的更新，因而传质速率较高，料液受热时间较短，这就克服了转子刮膜式结构的一些缺点。
刮膜分子蒸馏器：采用机械搅拌刮膜，克服了布膜不均及较高的温度梯度；而同离心式相比，结构较为简单，更容易受热与控制。
缺点是：液体分配装置难以完善，这种设备成膜性相对较差，液膜不均匀，且相对较厚，蒸馏效率较低；液体流动时常发生翻滚现象，所产生的雾沫也常溅到冷凝面上；从塔顶至塔底的压力损失相当大，所以有加热温度变高的缺点。 降膜式装置其优点是液膜厚度小，蒸馏物料可沿蒸发表面流动，停留时间短，热分解的危险性较小，蒸馏过程可以连续进行，生产能力大。
缺点是很难保证所有的蒸发表面都被液膜均匀覆盖，在蒸发面上形成的液膜较厚，液体流动时常发生翻滚现象，产生的雾沫也常溅到冷凝面上，影响分离效果效率差。
四、分子蒸馏操作过程中防火措施
分子蒸馏过程需要高真空、加热、冷却等操作，过程中存在火灾危险。
分子蒸馏设备采用真空操作，一旦设备出现腐蚀问题或密封部位产生缝隙，吸入空气后形成爆炸性混气在热源作用下极易发生爆炸事故。
如果加热速度过快，液体升温速度也过快，或者物料受热不均都可能造成液体局部过热，引起易燃液体和蒸气着火爆炸烧坏设备。
分子蒸馏过程中的冷却操作也存在安全问题，通常表现为制冷速率不足时引起液体蒸气扩散而发生的火灾爆炸。
措施
1. 真空蒸馏设备应具有很好的密闭性
2. 严格遵守真空蒸馏操作顺序
3. 蒸馏完毕时要注意正确消除真空
4. 不同加热方式的防火措施
5. 冷却操作的防火措施
第五章 亲和层析分离技术
思考题
1 试比较亲和色谱与亲和膜色谱分离生物大分子的特征及优缺点。
2 亲和色谱分离基于哪些作用力，在什么场合下，亲和色谱剂需要手臂？
3 免疫亲和层析在食品工业中有哪些应用？
4 亲和色谱法如何分离、纯化溶菌酶？
第一节 亲和层析概述
利用生物分子间专一的亲和力而进行分离的一种层析技术
第二节 亲和层析基本原理及理论基础
亲和力
配体
固定相
原理：将具有亲和力的两个分子中一个固定在不溶性基质上，利用分子间亲和力的特异性和可逆性，对另一个分子进行分离纯化。
一、亲和层析基本原理
分离原理
将制备的亲和吸附剂装柱平衡，
当样品溶液通过亲和层析柱的时候，待分离的生物分子就与配体发生特异性的结合，从而留在固定相上；
而其它杂质不能与配体结合，仍在流动相中，并随洗脱液流出，这样层析柱中就只有待分离的生物分子。
通过适当的洗脱液将其从配体上洗脱下来，就得到了纯化的待分离物质
二、亲和层析的特点
分辨率很高
分离速度快
操作简便
对设备要求不高
亲和吸附剂通用性较差
洗脱条件较苛刻
与其他层析技术比较
三、亲和层析的类型
生物亲和层析
免疫亲和层析
固定化金属离子亲和层析
拟生物亲和层析
四、亲和层析载体
（一）亲和层析对载体的要求
载体要具有足够数量的功能基团
有较好的理化稳定性和生物惰性
有高度的水不溶性和亲水性
有多孔的立体网状结构
载体在亲和层析中的作用：
使配基固定化、空间环境
五、亲和配基
配基与待分离的物质有适当的亲和力
配基与待分离的物质之间的亲和力要有较强的特异性
配基要能够与基质稳定的共价结合
配基自身应具有较好的稳定性
（二）配基的浓度
（三）配基偶联的位置
（四）配基分子的大小
（五）配基的类型
配基偶联的位置
在一般情况下，亲和结合时配体分子与配基分子仅有一部分发生相互作用。
为了保证亲和吸附剂有足够大的亲和能力，我们希望配基固定化时，其不参与亲和结合的部位与载体进行偶联。 配基分子的大小
制备亲和柱时，应首先选用大分子配基，因为小分子配基可供识别、互补的特殊结构较少，一旦偶联到载体上后，这种识别的结构更少。
小分子配基时，由于酶的活性中心常是埋藏在结构的内部，它们与介质的空间障碍影响其与亲和配基的结合作用。 为了改变这种情况可在载体和配基间插入一个“手臂” 以消除空间障碍，手臂的长度是有限的，太短不能起消除空间障碍的作用。太长往往使非特异性的作用如疏水作用增强。
脂肪族二胺类化合物与琼脂糖偶联。
配基的类型
根据配基对待分离物质的亲和性的不同，可以将其分为两类：特异性配基（specific ligand）和通用性配基（general ligand）。 特异性配基一般是指只与单一或很少种类的蛋白质等生物大分子结合的配体。Eg:抗原和抗体、酶和它的抑制剂、激素－受体
通用性配基一般是指特异性不是很强，能和某一类的蛋白质等生物大分子结合的配基， eg:凝集素、核酸
第三节 亲和层析的操作过程
一、基质的活化
对基质进行一定的化学处理
（一）多糖基质的活化：溴化氰活化 、环氧乙烷基活化
（二） 聚丙烯酰胺的活化：甲酰胺基的修饰
（三） 多孔玻璃珠的活化 ：硅烷化试剂与玻璃反应生成烷基胺－玻璃
二、间隔臂分子（手臂）
空间位阻效应
加入一段有机分子，使基质上的配体离开基质的骨架向外扩展伸长
三、配基偶联的方法
（一）碳二亚胺缩合法
（二）酸酐法
（三）叠氮化法
（四）重氮化法
碳二亚胺缩合法
四、用于固定化配基的凝胶衍生物
Sepharose
CNBr 活化的Sepharose 4B
AH-Sepharose 4B和CH-Sepharose 4B
环氧活化型Sepharose 6B
五、影响吸附剂亲和力的几个因素
微环境的影响
空间障碍的影响
配基浓度对亲和力的影响
配基与载体的结合位点的影响
载体孔径的影响
载体和“手臂”的存在会引起离子交换作用的发生，影响亲和吸附剂的吸附特异性。
极性很低或无极性的基团则由于疏水作用的存在，也会引起非特异性吸附作用。有时则有助于亲和力的提高，加强了亲和层析的效果；
配基与载体和“手臂”氢键的相互作用可能会使其强烈缔合，从而妨碍了与配体的亲和结合。
（二）空间障碍的影响
有的亲和对两物质间原有很高的亲和力，但当其一方制成亲和吸附剂时，与相应配体的亲和力可能完全丧失。 这种现象对于亲和力低的或分子量特大的亲和 对以及小分子配基更明显。
需要在载体与配基之间插入一段适当长度的“手臂”
（三）配基浓度对亲和力的影响
对于低亲和力系统，为了取得较好的配体分离效果，必须提高载体上配基的有效浓度。
较高的配体浓度在亲和层析时呈现“累增效应”，即提高了亲和吸附剂的吸附能力。
（四）配基与载体的结合位点的影响
在多肽或蛋白质等大分子作配基时，由于它们具有数个可供偶联的功能基团，必须控制偶联反应的条件，使它以最少的键与载体连接，这样有利于保持蛋白质原有的高级结构，从而使亲和吸附剂具有较大的亲和能力。
（五）载体孔径的影响
载体的孔隙是配体向配基接近的运动通道。所以载体的孔径大小对吸附剂的亲和能力有决定性影响。
当配基和大分子对象的亲和力十分高(如抗原与抗体) ，或是配体是很大的颗粒(如细胞器和完整细胞) ，载体的多孔性就显得不很重要了，那是因为配体与配基的作用仅发生在凝胶表面。
六、亲和层析的基本操作
亲和吸附剂选择制备
上样
洗脱
亲和吸附剂的再生和保存
第六章 结晶分离法
思考题
结晶的过程可分为几步？
何谓过饱和度？饱和度形成有那几种方法？
影响晶体的大小、形状和纯度有那些因素？
结晶法与沉淀法相比较有何区别？
二、结晶的过程
过饱和溶液的形成→晶核形成→晶体生长
三、过饱和溶液的形成
冷却法
蒸发法
真空蒸发冷却法
化学反应结晶法
盐析法
四、晶核形成
一次成核是从纯液体或纯溶液中形成新的相，它又可细分为均相成核和非均相成核。
非均相成核 当微不可见的杂质像灰尘或含杂微粒存在溶液中时，将出现成核现象，它是利用固态物质促进宏观晶体的长大，可不经过晶簇和晶胚步骤。
均相成核中则无此类杂质，它是溶质分子通过布朗运动，形成分子簇，再聚结成晶胚，然后长大为晶核。
二次成核是通过溶液中已有的晶化剂结晶成晶体而产生晶核。
一次成核发生于当蒸发结晶或冷却结晶的初相从较易溶变为极易溶的化合物时，晶体长到足够大后开始发生二次成核，且成为低过饱和度时的最重要的成核方式。
五、晶体生长
晶体长大的机理，一是溶质向晶体表面扩散传递，一是溶质进入晶面的表面反应作用。
一个晶体的不同晶面（b,k,l ）的生长率存在明显的差异。晶面生长率决定晶体外形、生长机制和晶体表面结构。
晶体生长单元向晶体表面的扩散和聚合
六、提高晶体质量的途径
晶体大小
晶体形状
晶体纯度
晶体结块
重结晶
第七章 离子交换分离技术
思考题
1 离子交换分离技术的原理是什么？
2 常用的离子交换树脂类型有哪些？
3 影响离子交换速度的因素有哪些？
4 影响离子交换树脂选择性的因素有哪些？
5 离子交换法分离的分哪几个步骤？各步骤操作要点是什么？
第一节 概 述
第二节 离子交换剂
离子交换剂是由基质、荷电基团和反离子构成
一、离子交换剂基质
离子交换剂基质是一类不溶于水和电解质溶液的大分子物质：
通用型聚合树脂类：以聚合树脂作为基质(基体，matrix) 的离子交换剂。
多糖类基质：以多糖材料为基体，通过接枝引入交换基团而制成的离子交换材料。
离子交换树脂的命名
命名规定：由分类名称，骨架(或基团) 名称，基本名称排列组成。
对大孔型离子交换树脂，在型号的前面加“D ”表示，凝胶型离子交换树脂在型号的后面用“×”接阿拉伯数字。
（二）多糖类基质
以多糖材料为基体，通过接枝引入交换基团而制成的离子交换材料。
特点：有开放性支持骨架，大分子可以自由进入和迅速扩散，因而交换空间大；亲水性强，吸附力弱，洗脱时不需要剧烈的条件，对生物大分子物质变性作用小。
以葡聚糖凝胶为基质：Sephadex G25和Sephadex G50
琼脂糖凝胶：Sepharose ，
命名：交换活性基团+骨架+原骨架编号
CM-sephadex C-25、DEAE-sephadex A-25
二、离子交换基团
根据可交换离子的种类分 ：
阳离子交换剂、阴离子交换剂
三、其他类型的树脂
含有一种以上的活性基团。
Eg:同时含羧基和酚羟基的树脂、既含有酸性基团，又含有碱性基团的两性树脂
离子交换容量：每克干树脂或每毫升湿树脂所能交换的离子的毫克当量数
6. 离子交换容量
每克干树脂或每毫升湿树脂所能交换的离子的毫克当量数，meq/g(干) 或 meq/mL(湿) ；当离子为一价时，毫克当量数即是毫克分子数(对二价或多价离子，前者为后者乘离子价数) 。
总交换容量 表示每单位数量(重量或体积) 树脂能进行离子交换反应的化学基团的总量。
工作交换容量 表示树脂在某一定条件下的离子交换能力，它与树脂种类和总交换容量，以及具体工作条件（溶液的组成、流速、温度等因素）有关。
再生交换容量 表示在一定的再生剂量条件下所取得的再生树脂的交换容量，表明树脂中原有化学基团再生复原的程度。
再生交换容量为总交换容量的50~90%(一般控制70~80%)，而工作交换容量为再生交换容量的30~90%(对再生树脂而言) ，后一比率亦称为树脂的利用率。
离子树脂交换容量的测定一般以无机离子进行。
测定方法：可先将树脂处理成氢型。称几克树脂，测其含水量，同时称取若干克树脂，加入一定量的标准NaOH 溶液静置一昼夜(强酸性树脂) 或数昼夜(弱酸性树脂) 后，测定剩余NaOH 的毫摩尔数，就可求得总交换容量。
7. 离子交换树脂的吸附选择性
离子受树脂交换吸附作用的强弱程度有一般的规律。其影响因素主要有：
离子的水化半径
离子的化合价
溶液的酸碱度
树脂的交联度和孔隙率
树脂与离子的辅助作用力
有机溶剂等。
(一）离子交换过程
①A+离子由溶液中扩散到树脂表面
②A+离子从树脂表面再扩散到树脂内部的活性中心
③A+离子与RB 在活性中心上发生复分解反应
④解吸离子B+自树脂内部的活性中心扩散到树脂表面
⑤B+离子从树脂表面扩散到溶液中
扩散是控制步骤
（二）影响交换速度的因素
颗粒大小、交联度 、温度 、离子的化合价 、离子的大小 、搅拌速度 、溶液浓度
1. 颗粒大小 颗粒减小无论对内部扩散控制或外部扩散控制的场合，都有利于交换速度的提高，但对内扩散的场合，影响更为显著。
2. 交联度 交联度越低树脂越易膨胀，其内部孔隙率越高，离子在树脂内部扩散就较容易。
3. 温度 温度越高，离子运动越剧烈，互相碰撞和交换的几率增大。
4. 离子的化合价 离子在树脂中扩散时，与树脂骨架(和扩散离子的电荷相反) 间存在库仑引力；离子的化合价越大，这种引力越大，因此，扩散速度就愈小。
5. 离子的大小 小离子的交换速度比较快。主要是因为大分子会和树脂骨架碰撞，因而在树脂中的扩散速度慢，有时甚至使骨架变形。（分子筛 ）
6. 搅拌速度 当液膜控制时，增加搅拌速度会使交换速度增加，但增大到一定程度后再继续增加转速，影响就比较小。
7. 溶液浓度 当溶液浓度为0.001 mol/L时，一般为外扩散控制。当浓度增加时，交换速度也按比例增加。当浓度达到0.01 mol/L 左右时，浓度再增加，交换速度就增加得较慢。此时内扩散和外扩散同时起作用。当浓度再继续增加，交换速度达到极限值后就不再增大，此时已转变为内扩散控制。
第四节 离子交换过程与设备
选用树脂首先决定于目标物质的性质。如果目标物质是非离子型的，那就不能用离子交换法来进行分离；反之，如能在水中离解，就可考虑用离子交换法来分离提取
一、树脂的选择的一般原则
交换剂的基质是疏水性还是亲水性
选择阴离子抑或阳离子交换剂
对强碱性物质宜采用弱酸性树脂
树脂还应有一定的交联度
交换剂对各种反离子的结合力
弱酸性物质宜用强碱性树脂，强酸性物质宜用弱碱性树脂。
二、离子交换过程
正吸附：选择适当的条件使目的产物离子化，被交换到介质上，杂质不被交换而从柱流出，然后采用洗脱液将被吸附物质洗脱的方法。
负吸附：在选择的条件下，目的物质不带电或带上与离子交换剂上可交换离子相反的电荷（即与骨架所带电荷相同），而一些杂质溶质（即不需要的物质）带上与可交换离子相同电荷，则上柱操作时目的物质随溶液流出，杂质被吸附。 (a)正吸附 (b)负吸附
四、离子交换操作工艺
①料液与离了交换剂进行交换反应
②目标物质的洗脱
③离子交换剂的再生及清洗。
第八章 双水相萃取技术
思考题
名词解释：聚合物的不相容性；相图。
双水相体系的是怎样形成的？其组成是什么？
影响双水相萃取的因素有哪些？
双水相萃取技术有什么优越性？
第一节 概 述
一、基本概念及分类
双水相系统:某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一定浓度后可形成两相.
主要有两大类：
1、聚合物-聚合物-水系统:聚合物分子的空间阻碍作用使相互间无法渗透 ，从而在一定条件下分为两相。
2、聚合物-无机盐-水系统:主要是由于盐析作用，只要浓度达到一定的值后，也会产生两相。
双水相体系分类
双聚合物体系：主要体系很多，如聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)/葡聚糖（dextran ，Dx ）；聚丙二醇（polypropylene glycol ）/聚乙二醇；甲基纤维素（methylcellulose ）/葡聚糖等。
聚合物和无机盐体系：PEG/磷酸钾（略作KPi ）、PEG/磷酸铵、PEG/硫酸钠等
三、双水相萃取技术的基本特点
两相的性质差别（如密度和折射率等）较小
两相间的界面张力也很小，由此及产生基本特点：
（一）条件温和，体系具有生物亲和性
（二）所需溶液少，操作方便
（三）分离迅速，步骤简便
（四）操作易于控制
（五）可简化分离步骤
（六）能进行萃取性的生物转化
（七）亲和萃取（亲和分配）可大大提高分配系数和萃取专一性
（八）易于工艺的连续化生产
第二节 双水相分配原理及其理论基础
一、双水相系统分配原理
是否会形成双水相，取决于混合熵增和分子间作用力两个因素。
混合是自发的熵增过程，而分子间相互作用力则随分子量的变大而增强。
当两种高分子聚合物之间互不相溶时，由于相对分子质量较大，分子间的相互排斥作用与混合过程的熵增加相比占主导地位，一种聚合物分子的周围将聚集同种分子而排斥异种分子，当达到平衡时，即形成富含两种不同聚合物的两相。 相图
双水相形成条件和定量关系可用相图表示。 曲线把均相区和两相区域分隔开，称为双结点线。下区为均相区，上区为两相区。
连接双结点线上两点的直线叫系线。
临界点：当系线长度趋向于零时，即在图中的K 点，两相差别消失，任何溶质在两相中的分配系数均为1，成为单相
体系。
二、双水相中的分配平衡
与溶剂萃取相同，溶质在双水相中的分配系数也用K=cT/cB表示。
分配系数是各种相互作用的和.
lnKP=lnKE+lnKS+lnKA
总分配系数KP: lnKE、lnKS 、lnKA 分别为静电作用、疏水作用、亲和作用对溶质分配系数的贡献。
在系线上各点处系统的总浓度不同，但均分成组成相同而体积不同的两相，在同一条系线上的不同点，物质的分配系数相同。
四、影响物质分配平衡的因素
除了静电作用、疏水作用及界面张力等各种相互作用因素外，影响物质在双水相系统中分配的因素主要还有: 双水相系统的聚合物组成(包括聚合物类型、平均分子量、浓度)
盐类(包括离子的类型和浓度、离子强度、pH 值)
溶质的物理化学性质(包括分子量、等电点)
体系的温度等。
通气和搅拌等。
二、双水相萃取工艺设计
工艺流程
目的产物的萃取
PEG 的循环
无机盐的循环。
（二）PEG 循环
在大规模双水相萃取过程中，成相材料的回收和循环使用，不仅可以减少废水处理的费用，还可以节约化学试剂，降低成本。
PEG 的回收有两种方法：
①加入盐使目标产物转入富盐相来回收PEG ；
②将PEG 相通过离子交换树脂，用洗脱剂先洗去PEG ，再洗出蛋白质。
（三）无机盐的循环
一种方法使将含磷酸钠的盐相冷却到6℃，使盐结晶析出，然后用离心机分离收集；
另一种方法是用电渗析法、膜分离法回收盐类或除去PEG 相的盐。
实验（设计型）
设计一个PEG/磷酸盐的双水相体系，并从番木瓜中初步萃取木瓜蛋白酶。
第九章 超临界流体萃取技术
第一节 概 述
二、SCF 技术简介
纯物质在临界状态下有其固有的临界温度(Tc)和临界压力(Pc)
当温度大于临界温度且压力大于临界压力时，便处于超临界状态
SCF 就是指处于超过物质本身的临界温度和临界压力状态时的流体
在超临界状态下，SCF 可从混合物中有选择性地溶解其中的某些组分，称为SFE 技术
supercritical fluid; supercritical fluid extraction
三、超临界CO2流体萃取技术的特点
①分离过程有可能在接近室温(35~40℃) 下完成
②萃取物无残留有机溶剂
③萃取和分离合二为一
④CO2是一种不活泼的气体
⑤CO2价格便宜，纯度高，容易取得
⑥压力和温度都可以成为调节萃取过程的参数
第二节 超临界流体萃取技术原理
一、超临界流体的基本概念
利用超临界条件下的流体作为萃取剂，从流体或固体中萃取出特定成分，以达到某种分离目的的一种化工新技术。
五、超临界CO2流体萃取技术基本原理
（一）超临界CO2流体萃取基本过程
1. 萃取釜 2. 减压阀 3. 分离釜 4. 加压泵
(二) 超临界CO2流体萃取的特点
①超临界CO2流体的萃取能力取决于流体的密度 （从0.15 g/cm3到0.9 g/cm3之间 ）
②CO2无味、无臭、无毒、不燃、不腐蚀、价格便宜、易于精制、易于回收等优点
③操作温度接近室温
④超临界CO2流体还具有抗氧化灭菌作用
⑤超临界CO2流体萃取集萃取、分离于一体
⑥检测、分离分析方便 ，联用技术
(三) 影响超临界CO2流体萃取的因素
1. 物质性质的影响 ：相对分子质量大小和分子极性强弱,why?
2. 萃取压力的影响 ：增加压力将提高超临界CO2流体的密度,
3. 萃取温度的影响 ：温度增加, 溶解度会有最低值,A,CO2流体密度下降; B,蒸气压增大
4. 萃取时间的影响：as “溶解互助”效应, 设法让多组分“同时出来”比分步出来将更加容易. 增加萃取强度，用尽量短的时间
5.CO2流量的影响 ：成本和效率的原则来确定
6. 夹带剂的影响：为提高单一组分的超临界溶剂对溶质的萃取能力，依待萃取溶质的不同，适量加入适当的非极性或极性溶剂做共同试剂，即夹带剂（entrainer ，又称改性剂，modifier ）
7. 物质状态的影响:物理形态、粒度、黏度等
8. 传质性能的强化:微波强化、超声波强化、电场强化、磁场强化、搅拌等
第五节 超临界流体技术的展望
一、超临界CO2流体技术发展趋势
问题
①对极性大，相对分子质量超过500的物质萃取效果较差，
②对于成分复杂的原料，单独采用超临界CO2流体往往满足不了纯度的要求
③超临界CO2流体的临界压力偏高，增大了设备的固定投资
发展趋势
新型超临界技术的发展迅速
选择合适的改性剂和寻求适宜的超临界流体势在必行
超临界流体技术与其他高新技术联用
第十章 超声波辅助萃取技术
思考题
1、超声波辅助萃取技术的工作机理是什么？与传统的萃取技术相比，超声波辅助萃取技术有什么特点？而与现代的萃取技术如微波辅助萃取、超临界萃取相比有哪些优势？
2、超声波辅助萃取技术目前在食品工业、医药工业主要有哪些应用？
3、为什么超声波辅助萃取技术目前只限于实验室小规模上？要想实现大规模工业化的应用还需要解决哪些问题？
4、超声波辅助萃取技术在实际应用中还存在哪些问题？其发展趋势如何？
5、浴槽式超声波辅助萃取装置和探针式超声波辅助萃取装置在结构上有什么不同？在使用中各有什么优缺点？
第一节 概 述
声波:人耳只能感受频率高于16 Hz，而低于两万赫兹的弹性振动
超声波:人耳听不到的两万赫兹以上的弹性振动
次声波:低于16 Hz的弹性振动
二、超声波的应用特点
1）超声波具有较好的指向性:探伤和水下通讯等
2）波长趋短:厚度尺寸很小的测量/高分辨率的探伤
3）超声波用起来很安静:
第二节 超声波辅助萃取技术的原理及特点
基本原理
压电换能器产生快速机械振动波；含有能量的超声振动引起的与媒质的相互作用；减少目标萃取物与样品基体之间的作用力、增大物质分子运动频率和速度、增加溶剂穿透力
1）热作用
2）机械作用
3）空化作用
1）热作用
声能被吸收可引起媒质中的整体加热、边界外的局部加热和空化形成激波时波前处的局部加热。 加热能增强物质在溶剂中溶解能力。
2）机械作用
超声波作用都可使介质的质点交替压缩伸张，产生线形或非线形交变振动，引起相互作用的柏努利力、粘滞力等，从而增强介质的质点运动，加速质量传递作用。
由于介质质点将超声波能量作用于目标成分质点上而使之获得巨大的加速度和动能，目标成分能迅速逸出基体而游离于水中。
3）空化作用
当超声波穿过介质时，形成包括膨胀和压缩的全过程。
在液体中，膨胀过程形成负压，如果超声波能量足够强，膨胀过程就会在液体中生成气泡或将液体撕裂成很小的空穴。 空穴瞬间即闭合，闭合时产生高达3000 MPa的瞬间压力，称为空化作用或“空化效应”
“空化效应”不断产生无数内部压力达到上千个大气压的微气穴并不断“爆破”，产生微观上的强大冲击波作用在天然植物和中药材上，使其中的目标成分物质被“轰击”逸出，并使得原材料基体被不断剥蚀，
超声波的空化现象
气泡或空穴里的气体和蒸汽快速绝热压缩产生极高的温度和压力。Suslick 等估计热点的温度高达5000℃，压强约100 MPa
在纯液体中，空穴破裂时，由于它周围条件相同，因此总保持球形；
紧靠固体边界处，空穴的破裂是非均匀的，从而产生高速液体喷流，使膨胀气泡的势能转化成液体喷流的动能，在气泡中运动并穿透气泡壁。
强大的冲击流能够有效地减小、消除溶剂与水相之间的阻滞层，从而加大了传质速率。
冲击流对动植物细胞组织产生一种物理剪切力，使之变形、破裂，并释放出内含物.
超声波产生的效应
①力学效应。如搅拌作用、分散效应、破碎作用、除气作用、成雾作用、凝聚作用、定向作用；
②热学效应。如媒质吸收热引起的整体加热、边界处的局部高温高压等；
③光学效应。如引起光的衍射、折射、声致发光；
④电学效应。如超声电镀、压电；
⑤化学效应。如加速化学反应，产生新的化学反应物。
施加超声波，在有机溶剂(或水) 和固体基质接触面上产生的高温(增大溶解度和扩散系数) 高压(提高渗透率和传输率) ，加之超声波分解产生的游离基的氧化能等，从而提供了高的萃取能。
二、 超声波辅助萃取技术的特点
特点
1. 无需高温
2. 常压萃取
3. 萃取效率高
4. 具有广谱性
5. 对溶剂和目标萃取物的性质关系不大
6. 减少能耗
7. 原料处理量大
8. 萃取工艺成本低
9. 声波具有一定的杀菌作用
10. 萃取得率高
二、超声波辅助萃取技术的分类
（一）按萃取设备结构的不同分
1. 浴槽式超声波辅助萃取系统
2. 探针式超声波辅助萃取系统
（二）按操作方式的不同分
间歇式
连续式：
(1)敞开系统：新鲜的萃取剂连续流过样品，因此传质平衡转变为分析物进入液相的溶解平衡。
(2)密闭系统：一定体积的萃取剂连续循环使用。萃取载流的方向在萃取过程中保持一致，或者通过驱动系统的预设程序在一定的时间段进行变换。
第五节 超声波辅助萃取技术的应用前景
1）关于超声波辅助萃取的强化机理的研究
2）大规模工业化应用的研究
3）超声波辅助萃取对容器壁的厚薄及容器放置位置要求较高
4）超声波在萃取过程中会产生很强的噪音
5）超声波辅助萃取的效果受诸多因素的影响
6）萃取技术的改进和创新
三、超声波辅助萃取技术的发展趋势
1）超声波辅助萃取突破“放大”瓶颈
2）优化部分萃取工艺
3）节能环保降本增效
4）研制出功率大、低噪音的超声波辅助萃取装置
5）超声提取工艺从间歇式向连续式发展
6） 超声波辅助萃取技术的研究由单频率向复频或双频超声萃取发展
四、超声波辅助萃取技术与其他技术的联用
（一）超声波－微波协同萃取
（二）超声辅助微波消解
（三）超声波－超临界萃取联用
第十一章 微波辅助萃取
第一节 概 述
微波是一种波长在1~1000 mm，频率为3×108~3×1011 Hz之间的电磁波
第二节 微波辅助萃取的基本原理 一、微波加热原理
离子传导和偶极子转动
离子传导是在微波场作用下，离解物质产生的离子定向流动形成离子电流，并在流动过程中与周围的分子或离子发生高速摩擦和碰撞，使微波能转为热能
偶极子转动是极性分子存在一定的偶极矩，当它们处于一定的静电场中时，偶极分子就有呈方向性排列的趋势, 当电磁场方向变化时，偶极子的取向也随之改变，分子发生摆动
微波在传输过程中依介质性质不同，会产生反射、吸收和穿透现象
二、微波辅助萃取原理
微波射线自由透过透明的萃取介质，深入到生物材料的内部维管束和腺胞系统。物料内部温度突然升高, 细胞壁膨胀, 细胞破裂
不同物质的tan δ值不同，对微波能的吸收程度也不同，微波可以对体系中不同组分进行选择性加热，从而使被萃取物质从基体或体系中分离出来, 进入到萃取溶剂中
第三节 微波辅助萃取的工艺及设备
一、微波辅助萃取工艺流程
原料预处理 → 萃取溶剂与样品混合 → 微波萃取 → 冷却 → 过滤 → 滤液 → 萃取溶剂与萃取组分分离 → 萃取组分
二、微波辅助萃取工艺条件
（一）原料预处理
（二）萃取溶剂的选择
（三）微波辐射条件的选择
（四）微波萃取温度的选择
（五）萃取时间
（六）食品水分含量的影响
（七）冷却
（八）萃取溶剂与萃取组分分离
三、微波萃取工艺的特点
传统热萃取是以热传导、热辐射等方式由外向里进行
微波萃取里外同时加热
不同萃取方法的比较
微波萃取具有以下技术特点
1. 快速高效
2. 加热均匀
3. 选择性
4. 生物效应（非热特性）
5. 高效
第五节 微波萃取分离技术展望
微波萃取技术在保健功能因子的研究、食品有效成分提取以及食品分析中有良好的应用前景 1 把萃取与后续处理结合起来，将简化样品处理的步骤
2 提取过程的参数，如物理形状及尺寸，自由水或结合水的含量等对提取率的影响等方面
思考题
1、微波辅助萃取原理是什么？
2、简述微波辅助萃取的工艺过程。
3、微波辅助萃取有什么特点？
4、简述微波辅助萃取的主要设备。
5、简述微波辅助萃取在食品工业中的应用进展。