泡沫分离技术及应用

食品科技学院微生物技术与应用0801 董雪静 2008243050131

摘　要:泡沫分离技术作为一种新的分离浓缩方法,已被广泛应用于工业生产中。泡沫分离(Foam Separation)又称泡沫吸附分离(Foam Separation Adsorbent)技术,以气泡为介质利用组分的表面活性差进行分离的一种分离方法,早在1915年就开始应用于矿物浮选,但是对离子、分子、胶体及沉淀的泡沫吸附分离是在20世纪50年代末才引起人们的兴趣与重视。并逐渐作为一种单元操作加以研究,首先是从溶液中回收金属离子的课题开始,前期研究了泡沫分离金属离子的可行性,然后建立了金属离子与表面活性剂离子之间相互作用的扩散—双电层理论。

关键词:泡沫分离;原理;分离浓缩；分离细胞 蛋白质二元及多元体系  富集蛋白质体系

正文

20世纪60年代中期采用泡沫分离法脱除洗涤剂工厂排放的一级污水和二级污水中的表面活性剂—直链烷基磺酸盐和苯磺酸盐获得成功。20世纪70年代进行了染料等有机物与废水泡沫分离的实验研究, 1977年开始有报道用阴离子表面活性剂泡沫分离DNA、蛋白质及液体卵磷脂等生物活性物质。到目前为止,用泡沫分离法获得的蛋白质及酶有溶菌酶、白蛋白、促性腺激素、胃蛋白酶、凝乳酶、血红蛋白、过氧化氢酶、卵磷脂、β-淀粉酶 纤维素酶、D-氨基酸氧化酶、苹果酸脱氢酶等等。随着工业的发展,特别是对环境保护的普通重视和资源综合利用的要求,泡沫分离的研究工作将不断扩大范围,其工业应用将越来越多。泡沫分离技术在工业中成功应用的实例很多,还有一些应用尚处在实验室研究阶段。在食品工业中,泡沫分离法已被经常用于蛋白质、多糖及生物活性物质等的分离提取及浓缩过程中[1]。

1　泡沫分离技术的基本原理及其特点

1·1　基本原理

泡沫分离又称为泡沫吸附分离,可分为无泡沫吸附分离和泡沫分馏两种。无泡沫吸附分离是

指用鼓泡进行分离,但不一定形成泡沫层,可分为鼓泡分馏和溶媒浮选。这种方法在食品工业中应用较少。泡沫分馏用于分离溶解物质,它们可以是表面活性剂加洗涤剂,也可以是不具有表面活性的物质如金属离子、阴离子、蛋白质、酶等,但它们必须具有和某一类型的表面活性剂结合的能力,当料液鼓泡时能进入液层上方的泡沫层而与液相主体分离。由于它的操作和设计在许多方面可与精馏相类比,所以称它为泡沫分馏。泡沫分离过程是利用待分离物质本身具有表面活性(如表面活性剂)或能与表面活性剂通过化学的、物理的力结合在一起(如金属离子、有机化合物、蛋白质和酶等),在鼓泡塔中被吸附在气泡表面,得以富集,借气泡上升带出溶剂主体,达到净化主体液、浓缩待分离物质的目的。因此泡沫分离必须具备两个基本条件。首先,目标溶质是表面活性物质,或者是可以和某些活性物质相络合的物质,它们都可以吸附在气-液界面上;其次,富集质在分离过程中借助气泡与液相主体分离,并在塔顶富集。因此,它的传质过程在鼓泡区中是在液相主体和气泡表面之间进行,在泡沫区中是在气泡表面和间隙夜之间进行。可见它的分离作用主要取决于组分在气-液界面上吸附的选择性和程度,其本质是各种物质在溶液中表面活性的差异。所以,表面化学和泡沫本身的结构和特征是泡沫分离的基础[2]。

1·2　泡沫分离技术的特点

泡沫分离技术作为一种新型的生物分离方法与传统分离方法相比具有以下优点:

(1)该方法适合于对低浓度的产品进行分离,与分离低浓度产品的传统工艺(超临界萃取

技术,膜分离技术)相比,泡沫分离法设备简单,便于操作。

(2)分辨率高,该方法是根据被分离物的表面活性的差异进行分离的,对于表面活性差距大的混合液体系,采用该方法进行分离提取便能获得高纯度的富集液。

(3)运行成本低,操作简便。例如对于蛋白质的分离,传统的技术多采用无机盐以及有机溶剂等分离介质,使得运行成本较高,而该分离技术仅仅是一些动力的消耗,因而该方法运行成本低,操作简便。泡沫分离技术在生物化工分离体系特别是蛋白质分离体系中将有很好的应用前景,引起了更多研究者的关注。

泡沫分离的主要缺点是表面活性物质大多是高分子化合物,消化量较大,有时也难以回收。泡沫塔内的返混严重影响分离的效率,溶液中的表面活性物质的浓度难以控制等等。

2泡沫分离技术的应用

2.1分离细胞

泡沫分离法可以从待分离基质中分离出全细胞。用月桂酸、硬脂酰胺或辛胺之间的表面活性剂,对初始细胞浓度为7.2×108 cfu/cm3的大肠杆菌进行细胞分离,结果1 min内能除去90%的细胞,用10 min的时间能去除99%的细胞。此外,泡沫分离还可用于酵母细胞、小球藻、衣藻等的分离[4]。

2.2分离富集蛋白质体系

2.2.1分离糖-蛋白质混合体系糖通常存在于植物和微生物体内,在糖的提取过程中生物体内的蛋白质也往往随之被提取出来,因此,去除提取混合物中的蛋白质成为一些糖类提纯的关键步骤。蛋白质和糖类表面活性具有较大差异,可以利用泡沫分离技术来实现蛋白质和糖的级分离,与geveg溶剂萃取方法相比,该法操作简单,处理量大,不需外加任何有机溶剂。因而从植物和微生物中提取糖时,采用泡沫分离技术可以满足初步去除蛋白质的需要,大大降低后续纯化工作的负荷。殷钢等[5]利用环流泡沫分离技术对牛血清白蛋白(BSA)、葡萄糖、蔗糖和葡聚糖的混合体系进行分离,实验表明在接近BSA等电点处(pH4.0)蛋白质与糖,特别是与多糖混合体系的泡沫分离效果很好,可实现蛋白回收率92%。

2.2.2分离蛋白质二元及多元体系

在分离蛋白质体系中,蛋白质的活性在吸附过程中起了主导作用,但对于表面活性相近的蛋白质,在气液界面的吸附结构又决定了蛋白质的吸附优势,因此蛋白质表面活性强弱的判定是断定泡沫分离效果的首要前提。 [6]

在研究中发现:泡沫分离对β-乳球蛋白和牛血清蛋白具有很高的回收率,其中β-乳球蛋白回收率高达96%,牛血清蛋白收率83%。对于3种蛋白质的混合体系,[7]

以乳铁传递蛋白、牛血清白蛋白和α-乳白蛋白3种蛋白质的混合液为研究对象进行了泡沫分离的研究,在最佳条件下有87%的乳铁传递蛋白留在残液中,而牛血清白蛋白与α-乳白蛋白在泡沫液中的收率分别达到了98%和91%。

2.2.3蛋白-酶体系

分离泡沫分离可应用于各种蛋白质和酶的浓缩或分离,其最初是用于胆酸和胆酸钠混合物中分离胆酸,泡沫中胆酸的浓度为料液的3～6倍,活度增加65%。泡沫分离还可用于从非纯制剂中分离磷酸酶,从链球菌培养液中分离链激酶,从通过近年的研究总结出有两大类蛋白质适于泡沫分离,分别是和质膜结合的蛋白质与抗菌肽类,这两类蛋白质的共同点是都有很强的疏水性,具备了吸附于气液界面的表面活性,但有些蛋白质容易在吸附过程中变性并难于复性,如何保护易变性的蛋白质或使变性的蛋白质复性是泡沫分离蛋白质技术急需解决的重要问题。

2.3分离皂苷有效成分

皂苷是一种优良的天然非离子型表面活性成分具有亲水性的糖体和疏水性的皂苷元,并且具有良好的起泡性,因此可用泡沫分离技术来从天然植物中提取皂苷。目前,人参皂苷和三七皂苷等中药皂苷类有效组分的富集分离都使用泡沫分离技术。王良贵等对三七粗提液进行泡沫分离,泡沫相三七皂苷收得率为73.6%,液相三七多糖收得率为87.5%。[11]使用泡沫分离技术对甘草酸进行富集纯化,质量回收率最高达91.7%,并随氮气流量、甘草酸的初始进料浓度、泡沫分离柱的高度和内径的增加而增大,泡沫分离所得甘草酸的质量纯度和HPL光谱纯度分别为82.4%和90.2%,而对原料中甘草酸单铵盐不纯物则分别为76.0%和86.0%,结果表明泡

沫分离纯化富集甘草酸省时,省力,成本低。

2.4其他方面的应用

泡沫分离法在污水处理,矿物浮选,金属特别是稀有金属的回收检测等方面都有很重大的意义,在水处理中的应用始于19世纪90年代,当时欧洲国家用它来处理溶解于水的各种表面活性物质。20世纪初泡沫浮选广泛应用于矿冶工业,但针对离子、分子、胶体及沉淀的泡沫吸分离技术则是近30年中发展起来的一种新型分离技术。

结束语随着现代工业的发展,一种物质的分离往往需要几种分离方法才能达到分离的要求,泡沫分离常常与萃取、沉降、生化等方法共同应用于化工、生化、医药、污水处理等领域,它的应用和发展前景十分广阔。因此,对泡沫分离技术分离效率的影响因素及其影响程度的研究就显得十分重要。此外,分离设备的创新和改善对于泡沫分离技术的工业化应用也起到了重要作用。为提高泡沫分离的效率,改善泡沫分离设备的性能,有关各种表面活性剂在气-液界面处发生分离的吸附机理以及吸附特性还有待于继续研究,尤其是吸附动力学、以及表面活性物质混合物的竞争吸附。有关吸附动力学和流体力学行为,目前还没有统一的数学模型。此外,由于吸附而引起的溶液黏度等物性的变化,也可能会影响到泡沫排液和泡沫稳定性。单级、半间歇及连续操作的泡沫塔的分离能力已有较详细的论述,而多级逆流或错流模型还需进一步考察。有效的泡沫分离和破沫模型的放大,对多级泡沫塔的操作也是非常重要的[13]。

参考文献

[1]高福成主编.食品分离重组工程技术[M].北京:中国轻工业出版社, 1998.

[2]董红星,裴健,刘剑.泡沫分离法的现状与研究进展[J].化工时刊, 2004, 18 (5): 22.

[3]谭相伟,吴兆亮.泡沫分离技术在蛋白质多元体系分离中的应用[J].化工进展, 2005, 24 (5): 510 513.2003, 14 (1): 85 87.

[13]齐荣,余兆祥,李佟茗.泡沫分离技术及其发展现状[J].辽宁化工, 2004, 33 (9): 517 519.

[4]周长春.泡沫分离技术研究进展[J].生物技术通讯,2003,14(1):85-87

[5]殷钢,刘铮,李琛,等.高等学校化学学报,1999,20

(4):565 ]Zaid S,Saleh M,Hossain M.Chemical Engineering andProcessing,2001,40:371-378

[8]严希康.生化分离技术[M].上海:华东理工大学出版社

[9]刘志红,刘铮,丁富新,等.用泡沫分离法浓缩和分离蛋白质(Ⅰ)[J].清华大学学报,1997,37(12):50-54

[10]王良贵,孙小梅,李步海.三七粗提液中皂苷与多糖泡沫分离的研究[J].分析科学学报,2003,19(3):267-2617

[11]傅博强,李欢.泡沫分离对甘草酸的纯化和富集[J].现代中药研究与实践,2004,18,(增刊):58-61

[12]董红星,裴健,刘剑.泡沫分离法的现状与研究进展[J].化工时刊,2004,18(5):22