（一）沉淀法
通过加入某种试剂或改变溶液性质，使目的物以固相形式从溶液中沉降析出的分离方法称为沉淀法，其本质是通过改变条件使溶质分子或胶粒在液相中的溶解度降低，分子或胶粒发生聚集形成新的固相，从而达到分离、澄清、浓缩的目的。
沉淀法不仅用于抗生素、有机酸等小分子物质，而更多的用于蛋白质、酶、多肽等大分子物质。该法过程简单、成本低、便于小批量生产，在产物浓度越高的溶液中沉淀越有利，收率越高。缺点是所得沉淀物可能聚集有多种物质，或含有大量盐类，或包裹着溶剂，过滤比较困难，产品纯度较低，需重新精制。
常用的沉淀方法目前主要有盐析法、有机溶剂沉淀法、等电点沉淀法、非离子多聚物沉淀法、选择性变性沉淀、亲和沉淀等。
1. 盐析法
盐析法又称为中性盐沉淀法。一般情况下，低浓度盐离子会增大蛋白质、酶等生物产品与溶剂水的相互作用力，使它们的溶解度增大，这一现象称为 “盐溶”。但是，继续增大溶液中盐浓度，它们的溶解度反而降低，最终从溶液里沉淀出来，这一现象称为 “盐析”。
（1）盐析原理 蛋白质在水中的溶解度与其表面性质有关。无外界影响时，蛋白质、酶等以亲水胶体形式存在于水溶液中，呈稳定的分散状态。盐类可使蛋白质等大分子物质析出的原因：①高浓度的中性盐溶液中存在大量带电荷的盐离子，它们能中和蛋白质分子的表面电荷，使蛋白质分子间的静电排斥作用减弱甚至消失，从而使蛋白质相互靠拢，聚集起来；②中性盐的亲水性比蛋白质大，它会抢夺本来与蛋白质结合的自由水，使蛋白质表面的水化膜被破坏，导致蛋白质分子之间的相互作用增大而发生凝聚，从而沉淀析出。
（2）常用的盐析剂 可使用的中性盐有硫酸铵、硫酸镁、硫酸钠、氯化钠、醋酸钠、磷酸钠、柠檬酸钠、硫氰化钾等。其中，硫酸铵以溶解度大且受温度影响小、对目的物稳定性好、价廉、沉淀效果好等优点应用最为广泛。
（3）盐析的影响因素 影响盐析的因素很多，主要有①蛋白质种类及浓度；②盐析剂的选择；③温度和pH；④中性盐加入的方式。
（4）脱盐处理 蛋白质、酶等经盐析沉淀分离后，产品里还有盐分，还需进行脱盐处理。常用脱盐处理的方法有透析法、超滤法及凝胶过滤法。实验室透析装置和透析过程如图9-23所示。
2. 有机溶剂沉淀法
有机溶剂沉淀的基本原理是向蛋白质溶液中加入与水互溶的有机溶剂会导致溶液的介电常数下降，蛋白质分子间的静电引力增大，从而聚集和沉淀。对于具有水化膜的生物分子，有机溶剂与水的作用，使得这些分子脱水而相互聚集析出。有机溶剂沉淀作用机理如图9-24所示。与盐析法相比，有机溶剂密度较低，易于沉淀分离，并且沉淀不需脱盐处理。但该法容易引起蛋白质变性，必须在低温下进行，溶剂消耗量大，回收率较盐析低。
利用有机溶剂沉淀蛋白质和酶时，必须控制好下列几个条件。
图9-23 实验室透析装置和透析过程示意图
（1）温度 有机溶剂沉淀蛋白质受温度影响很大。大多数蛋白质的溶解度随温度降低而下降。温度升高，会使一些对温度敏感的蛋白质或酶变性。因此，有机溶剂沉淀操作必须在低温下进行。
图9-24 在有机溶剂-水混合物中的聚沉机理
（2）pH 蛋白质和酶等两性物质在有机溶剂中的溶解度因pH 变化而变动，一般在等电点时，溶解度最低，因此可通过调节pH，选择性地分离蛋白质。
（3）有机溶剂的选择 很多有机溶剂都可以使溶液中的蛋白质发生沉淀，如乙醇、甲醇、丙酮、异丙醇、二甲基亚矾等。选择溶剂时主要应考虑介电常数小，致变性作用小、毒性小，水溶性好的溶剂。
乙醇和丙酮是常用的有机溶剂。乙醇的沉淀作用强，挥发性适中且无毒，常用于蛋白质、核酸、多糖等生物大分子的沉析。丙酮沉淀作用更强，用量省，但毒性大，应用范围不如乙醇广泛。
案例分析 乙醇沉淀法
用有机溶剂沉淀蛋白质的技术已有悠久的历史，早在20世纪40年代，Cohn等首先研究出大规模分级分离人血浆蛋白的方法。利用乙醇的低介电常数性质以及蛋白质在一定温度、pH、离子强度及浓度条件下，在不同浓度乙醇中溶解度不同分离血浆蛋白质，可以生产出多种医用血浆蛋白，成为著名的Cohn乙醇沉淀法。1971年Newman等对此方法进行了改进，将血浆在2～4℃进行沉淀分离，可在同一过程中得到更多产物（如血液Ⅷ因子、血纤维蛋白原等），成为目前广泛使用的冷乙醇沉淀法。冷乙醇沉淀法尽管设备可能较为复杂，但过程相对简单，生产清蛋白产量较高，并且乙醇具有杀菌能力，可得到无热原的产品。更重要的是冷乙醇沉淀法有助于除去或抑制HIV等病毒，因而其改进工艺至今在工业上仍作为主要的生产方法。
3. 等电点沉淀法
利用蛋白质在pH等于其等电点的溶液中溶解度下降的原理进行沉淀分离的方法称为等电点沉淀法。一般来说，不管酸性环境还是碱性环境，只要偏离两性电解质的等电点，它们的分子要么净电荷为正，要么净电荷为负，这种情况下分子自身之间反而有排斥作用，只有当它们所带净电荷为零时，其分子之间的吸引力增加，分子互相吸引聚集，使溶解度降低，容易沉淀下来。不同的两性电解质有不同的等电点，可通过等电点沉淀法将其分离开来。
等电点沉淀法主要应用于一些水化程度不大、在等电点时溶解度很低的两性电解质产物中，如氨基酸、抗生素、核苷酸、疏水性的蛋白质等。
4. 沉淀法的生产实例
（1）枯草杆菌BF-7658α-淀粉酶的盐析法提取 采用枯草杆菌BF-7658液体深层培养的α-淀粉酶已广泛应用于食品制造、制药、纺织等方面。α-淀粉酶是胞外酶，其最适作用温度为65℃左右，在淀粉浆中保温15min后酶活仍保留87%，其提取方法有盐析法、乙醇淀粉吸附法和喷雾干燥法等，其中盐析法的提取工艺流程如图9-25所示。
图9-25 枯草杆菌BF-7658α-淀粉酶的盐析法提取工艺流程
（2）谷氨酸的低温等电点法提取 谷氨酸是一种酸性氨基酸，在等电点时，其正负电荷相等，形成偶极离子，在直流电场中不向两极移动。此时，谷氨酸分子之间会通过静电引力作用结合形成较大的聚合体而沉淀析出。谷氨酸发酵液不经除菌或经过除菌、不经浓缩或经过浓缩，均可采用等电点法进行提取谷氨酸。按提取温度划分，有常温等电点提取工艺和低温等电点提取工艺；按操作方式划分，有分批等电点提取工艺和连续等电点提取工艺。如图9-26所示为对带菌体发酵液进行低温等电点分批提取谷氨酸的工艺流程。
（二）溶剂萃取法
液液萃取也称为溶剂萃取，是使用一种溶剂将目的物质从另一种溶剂中提取出来的方法。萃取法是利用溶质在互不相溶的两相之间分配系数的不同，而使溶质得到纯化或浓缩的方法。在溶剂萃取中，被提取的溶液称为料液，其中欲提取的物质称为溶质，用来进行萃取的溶剂称为萃取剂。经接触分离后，大部分溶质转移到萃取剂中，得到的溶液称为萃取液，而被萃取出溶质的料液称为萃余液。
图9-26 低温等电点分批提取谷氨酸工艺流程
萃取法可分为固液萃取、液液萃取、超临界萃取、液膜萃取等，在发酵工业中应用很普遍，如抗生素、维生素、激素、有机酸和生物碱以及一些固态发酵产物的提取等。其中液液萃取由于其分离程度高、选择性好、生产周期短、能耗低、便于连续操作等优点而得到广泛的应用。
1. 影响溶剂萃取效果的因素
（1）温度 多数微生物的产物在较高温度下不稳定，萃取多维持在室温或较低温度下进行，对热敏物质的萃取一般控制温度在0～10℃范围。但降温萃取则会增加整个系统的冷却负荷和动力消耗，萃取效率较低，但萃取液中的杂质少；升高温度可以增加物质的溶解度，降低液体的黏度，可提高一些小分子物质的萃取效率，温度可以控制在50～70℃范围，但所获萃取液的杂质也较高。因此，选择萃取温度时应综合考虑这些因素。
（2）pH 在低pH条件下，酸性物质大部分呈非解离分子状态，而碱性物质则大部分呈阳离子状态；在高pH条件下，酸性物质大部分呈阴离子状态，而碱性物质则呈非解离分子状态。阳离子和阴离子都易溶于水，非解离分子则易溶于有机溶剂。根据这一性质，酸性物质处于低pH或碱性物质处于高pH时，可以溶于有机溶剂。对于两性物质，当溶液的pH处于被萃取物质的等电点时，其溶解度最低。如果采用溶剂萃取，宜选择pH处于等电点时进行。
（3）溶剂的选择 溶质在两相的分配决定于所选择的溶剂和水相的性质，萃取所用的溶剂应考虑对产物有较大的溶解度和良好的选择性。除此以外，还要求：①溶剂与被萃取液的互溶度小，黏度低，界面张力适中，对相的分散和两相分离有利；②溶剂的回收和再生容易，化学稳定性好；③溶剂价格低廉；④溶剂的安全性好，毒性低等。
（4）乳化和去乳化 在溶剂萃取过程中，经常会出现一种液体分散到另一种本不相溶的液体中的现象，即水或有机溶剂以微小液滴形式分散于有机相或水相中（图9-27）称为乳化。在发酵液中会出现两种夹带，一种是发酵液中央带有机溶剂微滴，使目标产物受到损失，另一种是有机溶剂中央带发酵液，给后处理操作带来困难。乳化现象的产生将导致有机溶剂相和水相分离困难，影响收率和产品质量，因此如何防止乳化及破坏乳化也是溶剂萃取过程中的一个重要环节。去乳化常用的方法有加热、过滤或离心分离、吸附法、稀释法和转型法等。
图9-27 乳浊液作用示意图
在实施萃取操作前，对发酵液进行过滤或絮凝沉淀处理，可去除大部分蛋白质及固体微粒，防止乳化现象的发生。产生乳化现象后，可根据乳化的程度和乳浊液的形式，采取适当的破乳手段，常用的去乳化方法：
①离心分离：当乳化现象不是很严重时，可采用离心分离的方法。
②升高温度：黏度是乳浊液稳定的一个因素，温度升高，使溶液的强度下降，从而使乳浊液破坏。对热稳定姓较高的产物，可用加热方法破乳化。
③稀释法：在乳浊液中加入连续相，降低乳浊液的浓度，来减轻乳化现象。
④吸附法：在乳浊液中加入吸水性物质，破坏乳浊液。例如CaCO3易被水所润湿，而不能被有机溶剂所润湿，将乳浊液过CaCO3层时，乳浊液中的水分则被吸附。生产上将红霉素一次丁酯抽提液通过CaCO3层，以除去微量水分，有利于后续提取。
⑤转型法：就是使W/O型的乳浊液变为O/W型的乳浊液过程或者是相反的过程等。这种转型法在发酵工业产物提取过程中应用较多，加入的表面活性剂常称为去乳化剂。在发酵工业中常用的去乳化剂主要有两种：一种是阴离子表面活性剂，如十二烷基磺酸钠，易溶于水，微溶于有机溶剂，适于破坏W/O型乳浊液，目前广泛用于红霉素的提取；另一种是阳离子表面活性剂，如溴代十五烷基吡啶，适用于破坏W/O型乳浊液，目前广泛用于青霉素等抗生素的提取。
2. 工业萃取方式
工业萃取操作流程可分为单级萃取和多级萃取。多级萃取中又有多级错流萃取和多级逆流萃取之分。
（1）单级萃取 如图9-28所示，单级萃取是使用一个混合器和一个分离器的萃取操作。料液F与萃取溶剂S一起加入混合器内搅拌混合，料液与萃取剂在混合过程中密切接触，被萃取的组分进入萃取剂，达到平衡后的溶液送到分离器内分离，得到萃取相L和萃余相R，萃取相送至回收器，萃余相R为废液。在回收器内产物与溶剂分离（如蒸馏、反萃取等），溶剂则可循环使用。
图9-28 单级萃取流程
单级萃取混合设备有搅拌罐、管式混合器、喷嘴式混合器等。传统的混合设备是搅拌罐，利用搅拌浆将料液和萃取剂相混合。管式混合器一般为S形长管，萃取剂和料液从一端导入，混合体系从另一段导出，管内流体呈湍流状态。萃取效率比搅拌罐高，可实现连续操作。喷嘴式混合器利用工作流体在一定压力下经喷嘴高速射出，当流体流至喷嘴时速度增大，产生真空，从而将液体吸入达到混合目的。
萃取分离中，主要通过离心力作用将萃取相和萃余相分离，常用的设备有蝶片式离心机、管式离心机、离心萃取机等。
（2）多级萃取 单级萃取流程简单，但因只萃取一次，一般萃取收率不高。为提高萃取率常常采用多级萃取，多级萃取又有多级逆流萃取和多级错流萃取，具体流程如图9-29和图9-30所示。
图9-29 多级错流萃取流程
图9-30 多级逆流萃取流程
多级错流萃取原料液依次通过各级混合器，新鲜溶剂则分别加入各级混合器中，前级的萃余相为后级的原料，传质推动力大。多级错流萃取流程中每级萃取均需加入新鲜溶剂，故溶剂消耗量大，得到的萃取液产物平均浓度较稀，但萃取较完全。
多级逆流萃取流程中料液走向和萃取剂走向相反，只在最后一级中加入萃取剂，故和错流萃取相比，萃取剂消耗少，萃取液产物平均浓度高，产物收率高。因而在工业上应优先采用多级逆流萃取流程。
在多级萃取中，如果仍用混合器和分离器组合的方法，则设备投资过大、操作也繁琐，级数越多上述缺点越突出。因此，在多级萃取中，最常用的设备是脉动塔和转盘塔。
3. 溶剂萃取法提取青霉素生产实例
提取青霉素方法有多种，目前多数采用溶剂萃取法，工业级青霉素钾盐的提取工艺操作要点如下：
（1）发酵液预处理和过滤 发酵液放罐后，首先要冷却至10℃以下，因为青霉素在低温时比较稳定，细菌繁殖也较慢，可以避免青霉素破坏。发酵液除了冷却外还需进行过滤预处理，由于青霉素生产菌的菌丝较粗，一般过滤较容易，目前主要采用鼓式过滤及板框过滤。滤液中含有0.5～2.0mg/mL的蛋白质，对后续步骤不利，必须去除。通常用硫酸调节pH为4.5～5.0，加入0.07%的絮凝剂十五烷基化吡啶（PPB）和0.07%的硅藻土作为助滤剂进行二次过滤。由于发酵液中含有一定量的CaCO3 ，酸化时会部分溶解形成硫酸钙沉淀，故酸化时应注意控制好pH。
（2）萃取 结合青霉素在不同pH下的稳定性、在乙酸丁酯（BA）及水中的分配系数以及青霉素的pK值（25℃时为2.76），一般从滤液萃取到乙酸丁酯时，控制pH为1.8～2.2，而从乙酸丁醋反萃取到水相时，选择pH为6.8～7.2。反萃取时，为避免pH波动，常用缓冲液如磷酸盐缓冲液、碳酸氢钠溶液等。
目前，生产上采用二级逆流萃取方式。从发酵液中进行一次萃取时，乙酸丁酯的用量与发酵液之比为1∶（1.5～2.0），即浓缩倍数为1.5～2.0；从缓冲液中进行二次萃取时，浓缩倍数为2.0～2.5。从乙酸丁醋反萃取到水相时，因分配系数较大，浓缩倍数可达3～5。经过反复萃取，大约浓缩10～12倍，浓度可达到结晶要求。整个萃取过程应在低温（10℃以下）进行，各种贮罐都通过蛇管以冷冻盐水冷却，并尽量缩短萃取时间。
（3）脱色、脱水、结晶 在萃取液中加入0.3%活性炭，充分搅拌10min进行脱色，然后压滤。滤液冷冻至-10℃以下，通过冷冻脱水，使萃取液水分含量低于0.9%，经过过滤可把BA清液分离出去。
将脱色、脱水、分离所得的结晶液升温至10～15℃，然后加入乙酸钾-乙醇溶液。乙酸钾-乙醇溶液的水分应控制在9.5%～11%内，乙酸钾浓度控制在46%～51%内。1mol乙酸钾可生成1mol的青霉素钾盐，但由于反应是可逆的，故应采取过量的0.1mol乙酸钾，使反应朝生成青霉素钾盐的方向进行。
加入乙酸钾-乙醇溶液后，适当搅拌，青霉素钾盐可结晶析出，静置1h以上，离心分离可得青霉素钾盐晶体。青霉素钾盐晶体经洗涤、离心、真空干燥可得工业级青霉素钾盐成品。
（三）离子交换法
离子交换法是根据物质的酸碱度、极性和分子大小的差异而进行的一种分离操作。离子交换剂是一类能与其他物质发生离子交换的物质，分为无机离子交换剂（如沸石）和有机离子交换剂（离子交换树脂）。离子交换法具有成本低、工艺操作方便、提取效率较高、设备结构简单以及节约大量有机溶剂等优点，已广泛应用于抗生素、氨基酸、有机酸等发酵工业。
离子交换树脂是一种不溶于酸、碱和有机溶剂且具有一定孔隙度的高分子化合物，如图9-31所示。离子交换树脂可以分成两部分：一部分是不能移动的、多价的高分子基团，构成树脂的骨架，使树脂具有化学稳定的性质；另一部分是酸性或碱性功能团，称为活性离子，它在树脂骨架中进进出出，就发生离子交换现象。它们的构造模型和交换过程如图9-32所示。
图9-31 离子交换树脂多孔网状结构
1. 离子交换树脂的分类
离子交换树脂按照其可交换功能团中的活性离子分为强酸性阳离子树脂、弱酸性阳离子树脂、强碱性阴离子树脂和弱碱性阴离子树脂。
图9-32 离子交换树脂的构造及交换过程示意图
强酸性阳离子树脂含有强酸性基团，如磺酸基（—SO3 H），能在溶液中离解H+而呈强酸性，其结构见图9-33所示。树脂中的SO3-基团能吸附溶液中的其他阳离子，如Na+。强酸性树脂的离解能力很强，在酸性或碱性溶液中都能离解和产生离子交换作用，因此使用时pH一般不受限制。
弱酸性阳离子树脂含有弱酸性基团，如羧基（—COOH ），酚羟基（—OH ）等，在水中离解出H+而呈弱酸性，R·COO-能与溶液中的其他阳离子吸附结合，而产生阳离子交换作用。这类树脂由于离解性较弱，溶液pH较低时，难以离解和进行离子交换，只有在碱性、中性或微酸性溶液中才能进行离解和离子交换，交换能力随溶液的pH增大而提高。
图9-33 磺酸型阳离子交换树脂结构示意图
强碱性阴离子交换树脂含有季胺基（—NR3OH）等强碱性基团，能在水中离解出OH-而呈碱性，树脂中的离解基团能与溶液中其他阴离子吸附结合，产生阴离子交换作用。这类树脂的离解性很强，使用pH不受限制。
弱碱性阴离子交换树脂含有弱碱性基团，如伯胺基（—NH2 ）、仲胺基（—NHR）或叔胺基（—NR2 ），它们在水中能离解出OH-而呈弱碱性，交换作用与强碱性阴离子交换树脂相同。和弱酸性树脂一样，这类树脂的离解能力较弱，只能在低pH下进行离子交换操作。其交换能力随pH变化而变化，pH越低，交换能力越强。
2. 离子交换流程及设备
离子交换的一般流程：①原料的预处理，使得流动相易于被吸附剂吸附；②原料液和离子交换树脂充分接触，使吸附进行；③淋洗离子交换树脂，以除去杂质；④把离子交换树脂上的有用物质解吸并洗脱下来；⑤离子交换树脂的再生。
离子交换罐为椭圆形顶和底的圆筒形设备。圆筒底的高径比一般为2～3，最大为5。树脂层高约占圆筒高度的50%～70%。具有多孔支持板的离子交换罐如图9-34所示。离子交换树脂的下部用多孔陶土板、粗粒无烟煤、石英砂等作为支撑体。被处理的溶液从树脂的上方加入，经过分布管使液体均匀分布于整个树脂的横截面。加料可以是重力加料，也可以是压力加料，后者要求设备密封。
图9-34 具有多孔支持板的离子交换罐
1—视镜 2—进料口3—手孔 4—液体分布器5—树脂层 6—多孔板7—尼龙布 8—出液口
3. 离子交换法提取柠檬酸生产实例
柠檬酸发酵液，除柠檬酸外，还含有其他代谢产物和一些杂质，如草酸、葡萄糖酸、蛋白质、胶体物质及带负电荷的色素等，成分复杂，必须通过物理和化学方法将柠檬酸提取出来。
柠檬酸是α-羟基三羧酸，在水中很容易解离成H+和H2 Ci-、HCi2-、Ci3-等离子，因此可以利用弱碱性阴离子交换树脂从柠檬酸发酵液中分离柠檬酸。然后用NaOH溶液或氨水解吸可得柠檬酸钠液或柠檬酸铵液，再用阳离子交换树脂转型可获得纯净的柠檬酸液。工业上常采用OH-型701弱碱性阴离子交换树脂来交换吸附柠檬酸。离子交换法提取柠檬酸的工艺流程如图9-35所示。
交换吸附前，先将柠檬酸发酵液加热至80～90℃，然后采用压滤机或带式过滤机除去发酵液中的菌体、大分子杂质，以防污染树脂。以701型树脂吸附柠檬酸，一般情况下，顺流上柱的交换容量为2.3～2.5kmol/m3 （湿树脂），逆流上柱的交换容量为2.0～2.3kmol/m3 （湿树脂）。生产中，滤液一般以2～5m3/（m3·h）的流速进入OH-型701树脂柱，保持恒定液位进行交换吸附。开始流出OH-废液的pH较高，当pH逐步降至3.0左右时，停止吸附，以免柠檬酸流失。
图9-35 离子交换法提取柠檬酸的工艺流程
停止吸附后，进水洗涤树脂柱，最初流出液含有柠檬酸应予以回收，之后不含柠檬酸的流出液可排放，至流出液无残糖为止。然后，进10%氨水进行洗脱，氨水洗脱流速一般为1m3/（m3·h），洗脱时流出液pH逐步升高，当pH上升至8.0时停止进氨水，用无离子水将柱内残余柠檬酸根顶出并回收，然后用水反洗树脂柱，以便疏松树脂，最后再生树脂柱。
将洗脱液以0.5～1.0m3/（m3·h）的流速输入H+型732型阳离子树脂柱，使柠檬酸铵转变为柠檬酸。最初流出液中柠檬酸浓度较低，应单独回收，接着流出液逐渐变浓，pH逐步下降，但后来由于铵盐流出使pH又会回升，因此，一旦发现流出液中出现铵根离子，应停止转型，并水洗、再生阳离子树脂柱。
将柠檬酸液以2.0～3.0m3/（m3·h）的流速输入OH-型强碱性阴离子交换柱，由于强碱性阴离子树脂在酸性条件下对SO42-、Cl-、草酸根等杂酸离子的吸附交换势高，柠檬酸根几乎不被吸附，可除去SO42-、Cl-、草酸根等杂酸离子。流出液以0.5～1.0m3/（m3·h）的流速输入颗粒炭柱脱色，最后可获得纯净的柠檬酸液。
（四）吸附法
吸附法是利用固体吸附剂处理液体或气体混合物，将其中所含的一种或几种组分吸附在固体表面，使混合物各组分分离的过程。吸附的目的一方面是将发酵液中的发酵产品吸附并浓缩于吸附剂上，另一方面利用吸附剂除去发酵液中的杂质或色素物质、有毒物质（如热原）等。吸附剂通常在酸性条件下是吸附杂质或色素，而在中性的情况下则可把抗生素吸附，例如活性炭对链霉素的吸附。
吸附法具有不用或少用有机溶剂、操作与设备简单、吸附过程中pH变化小等优点，但选择性差，收率低，特别是一些无机吸附剂吸附性能不稳定，不能连续操作，劳动强度大，尤其是粉末活性炭吸附剂还影响环境卫生。近年来，研制了一些凝胶类吸附剂、大孔网状聚合物吸附剂，克服了上述一部分缺点，在工业规模生产上得到广泛应用。
1. 吸附过程
吸附过程通常包括待分离料液与吸附剂混合、吸附质（溶质）被吸附到吸附剂表面、料液流出、吸附质解吸回收等四个过程。吸附质解吸也是吸附剂再生的过程。当液体或气体混合物与吸附剂长时间充分接触后，系统达到平衡，吸附质的平衡吸附量（单位质量吸附剂在达到吸附平衡时所吸附的吸附质量）首先取决于吸附剂的化学组成和物理结构，同时与系统的温度、压力以及该组分和其他组分的浓度或分压有关。通过改变温度、压力、浓度及利用吸附剂的选择性可将混合物中的组分分离。
2. 吸附类型
按照吸附剂与吸附质表面分子间结合力的不同，吸附作用可分为物理吸附、化学吸附和交换吸附三种类型。
（1）物理吸附 吸附剂和吸附质通过分子力（范德华力）产生的吸附称为物理吸附。物理吸附发生在吸附剂的整个自由界面。物理吸附与吸附剂的表面积、细孔分布和温度等因素有密切的关系。物理吸附的吸附热较小，一般在2.09～4.18kJ/mol的范围内，需要的活化能很小，多数在较低的温度下进行。
物理吸附是可逆的，即在吸附的同时，被吸附的分子由于热运动会离开固体表面，分子脱离固体表面的现象称为解吸。物理吸附除吸附剂的表面状态外，吸附时其他性质都未改变，故两相在瞬间即可达到平衡，吸附和解吸的速度都很快。
（2）化学吸附 化学吸附是由于吸附剂在吸附质之间发生化学反应，产生电子转移的现象。吸附热通常较大，一般在41.8～418kJ/mol的范围内，需要较高的活化能，具有较强的选择性。
化学吸附一般为单分子层吸附，吸附后较稳定，不易解吸。物理吸附与化学吸附虽有基本区别，但有时也很难严格划分，两者可以在同一体系中同时发生。
（3）交换吸附 吸附剂表面如果为极性分子或离子所组成，则它会吸引溶液中带相反电荷的离子而形成双电层，这种吸附称为交换吸附。吸附剂与溶液间发生离子交换，即吸附剂吸附离子后，它同时要放出等当量的离子于溶液中，离子的电荷是交换吸附的决定因素。离子所带电荷越多，它在吸附剂表面的相反电荷点上的吸附力就越强。电荷相同的离子，其水化半径越小，越容易被吸附。
3. 常用的吸附剂
吸附剂按其化学结构可分为两大类：一类是有机吸附剂，如活性炭、聚酰胺、纤维素、大孔树脂等；另一类是无机吸附剂，如白土、氧化铝、硅胶、硅藻土、磷酸钙等。下面介绍几种常用的吸附剂。
（1）活性炭 常用于发酵产物的脱色和除臭，以及氨基酸、多肽、糖等的分离提取。活性炭具有吸附力强，分离效果好，来源比较容易，价格便宜等优点。
活性炭有粉末炭、颗粒炭（有圆柱状、球状和不定型）之分。粉末活性炭颗粒极细，呈粉末状，其总表面积、吸附力和吸附量都特别大，是活性炭中吸附力最强的一类。因其颗粒太细，过滤分离时的流速太慢，需要加压或减压操作；颗粒状活性炭的颗粒较前者大，其总表面积相应减小，吸附力及吸附量比粉末活性炭小，但过滤速度比粉末活性炭快。
（2）硅胶 天然的多孔二氧化硅通常称为硅藻土，而人工合成的称为硅胶，用水玻璃制成。硅胶具有多孔的网状结构，既能吸附非极性化合物，也能吸附极性化合物，对极性化合物的吸附能力更大。可用于芳香油、萜类、生物碱、固醇类、脂肪类、氨基酸等的吸附分离。
硅胶的吸附能力随含水量的增加而降低，其表面上带有大量的羟基，有很强的亲水性，极易吸水而降低活性，因此硅胶一般于105～110℃活化1～2h后使用。活化后的硅胶应马上使用，如当时不用，则要储存在干燥器或密闭的瓶中，但时间不宜过长。
（3）氧化铝 氧化铝也是一种常用的亲水性吸附剂，它具有较高的吸附容量，分离效果好，再生容易，特别适用于亲脂性成分的分离。活性氧化铝有碱性氧化铝、中性氧化铝、酸性氧化铝三种。碱性氧化铝常用于碳氢化合物的分离；中性氧化铝适用于酸、酮、某些苷类及在酸碱性溶液中不稳定的化合物（如酯、内酯等）的分离；酸性氧化铝适用于天然及合成酸性色素及某些醛、酸的分离。
（4）大孔网状聚合物吸附剂 有些离子交换树脂可以用作吸附剂，主要是依靠树脂骨架和溶质分子间的分子吸附，而不发生离子交换。因此，人们将大网格离子交换树脂去其功能团，而保留其多孔的骨架，其性质就可和活性炭、硅胶等吸附剂相似，称为大孔网状聚合物吸附剂。大孔网状聚合物吸附剂具有选择性好、解吸容易、机械强度好、可反复使用和流体阻力小等优点。
大网格吸附剂是一种非离子型共聚物，其吸附能力，不但与树脂的化学结构和物理性能有关，而且与溶质及溶液的性质有关。
4. 常见吸附法的操作方式
（1）搅拌罐吸附 在带有搅拌的反应罐中，将吸附剂和发酵液混合接触，吸附后用离心或过滤的方法进行分离。例如，在酶的纯化过程中，将吸附剂添加到溶液中，如果所需的生物分子不被吸附，则在用吸附剂处理时，能从溶液中除去杂质；如果所需的生物分子适宜于吸附，则能被吸附到吸附剂上，将其从溶液中分离出来，然后从吸附剂上抽提或淋洗下来。常用的搅拌罐吸附装置如图9-36所示。
（2）固定床吸附 又称填充床反应器，是一根简单的、充满吸附剂颗粒的竖直圆管，含目标产物的液体从管子的一端进入，流经吸附剂后，从管子的另一端流出，如图9-37所示。
图9-36 搅拌罐吸附装置
操作开始时，绝大部分溶质被吸附，故流出液中溶质的浓度较低，随着吸附过程的继续进行，流出液中溶质的浓度逐渐升高，在某一时刻浓度突然急剧增大，此时称为吸附过程的 “穿透”，应立即停止操作。吸附的溶质需先用不同pH的水或不同的溶剂洗涤床层，然后洗脱下来。
固定床是最常用的吸附设备，属于间歇操作。工业上应用最多的是固定床吸附塔，大多为圆柱形立式筒体结构。
（3）膨胀床吸附 为在床层膨松状态下实现平推流的扩张床吸附技术。膨胀床中使用的吸附介质必须易于流态化，并能实现稳定的分级。如图9-38所示，膨胀床吸附首先要使床层稳定地扩张开，然后经过进料、洗涤、洗脱、再生与清洗，最终转入下一个循环。
图9-37 固定床吸附操作
图9-38 膨胀床吸附的操作过程
5. 吸附法生产实例
（1）谷氨酸中和液的活性炭脱色 目前我国氨基酸工业中，基本上都采用活性炭脱色工艺。例如，味精生产中，常用粉末活性炭对谷氨酸中和液进行第一步脱色，然后再用颗粒活性炭用于最后一步脱色。
脱色时，先向谷氨酸中和液中加入适量的粉末活性炭，在一定的温度、pH下搅拌一定时间，活性炭吸附饱和后，进行过滤。由于活性炭和谷氨酸的质量对脱色效果影响较大，一般要对实际批次进行脱色实验，以滤液的最高透光率来决定活性炭用量、脱色pH、脱色温度以及脱色时间。(www.xing528.com)
虽然颗粒活性炭的吸附能力较小，但装填在脱色柱内可实现连续操作，可以再生，故常用于最后一道脱色工序。将经过粉末活性炭脱色的谷氨酸中和液流入颗粒活性炭脱色柱，控制温度、pH、流量等脱色条件，脱色柱流出液即为脱色液。吸附饱和后，颗粒炭须进行再生，先用NaOH水溶液作为洗脱剂，解吸吸附的色素，然后用HCl水溶液作为再生剂。
（2）大孔网状聚合物吸附提取红霉素
①发酵液的预处理和过滤：发酵液除了含有红霉素外，绝大部分是菌丝体、残留培养基以及各种代谢产物等。为了促进菌丝结团加快过滤，需加入3%硫酸锌，由于硫酸锌呈酸性，为防止红霉素被破坏，用10%的NaOH溶液调节pH至7.8～8.2。过滤去除菌体后，由于溶液中红霉素为1800U/mL以上时吸附量显著下降，须用水将滤液稀释至1800U/mL左右。
②吸附与解吸：红霉素在中性和酸性条件下呈阳离子状态，可用大孔离子交换树脂吸附分离制备。常用大孔树脂CAD-40或SIP-1300等为吸附剂，通过动态吸附，对滤液中的红霉素有效吸附。滤洗液通过双串联柱吸附（以每1min 0.6倍树脂体积的流速上柱），达到饱和吸附后用40℃蒸馏水快速洗涤树脂，再用乙酸丁酯与2%氨水混合液（2∶1）解析树脂（每1min洗脱剂流量为树脂体积1/130），红霉素集中在最初的1～2h内，随后的分离采用乙酸丁酯萃取的溶剂工艺。乙酸丁酯解析液在pH 4.7～5.2的乙酸-磷酸氢二钠缓冲液中反萃取，当红霉素转入缓冲液后，再用pH 9.8～10的乙酸丁酯在38～40℃下萃取，最后在-5℃的10%的丙酮水溶液中结晶，干燥得到红霉素成品。
（五）蒸馏法
发酵工业中，将液体混合物进行分离，或者进一步提纯，或者从溶液中回收某种溶剂，往往应用蒸馏方法。例如，白酒生产中，通过蒸馏酒醅后，再经过陈酿、勾兑而制得白酒；酒精发酵生产中，通过发酵醪的蒸馏和精馏而得到医药级酒精，通过恒沸蒸馏而得到无水酒精；抗生素和酶制剂发酵生产的提取过程中，回收某种溶剂也常常采用蒸馏方法。与其他的分离手段，如萃取、吸附等相比，其优点在于不需要使用混合物组分以外的其他溶剂，因而不会引入新的杂质。
1. 蒸馏
蒸馏分离主要依据是混合液中各组分具有不同的挥发度，即在相同温度下各自蒸汽压不同，使低沸点组分蒸发，再冷凝导致易挥发组分在冷凝液中的含量比原液中增多，是蒸发和冷凝两种单元操作的联合。蒸馏可分为简单蒸馏和精馏。
拉乌尔定律指出：混合液中蒸汽压高（沸点低）的组分，在气相中的含量总是比液相中高；反之，蒸汽压低（沸点高）的组分，在液相中含量总是比气相中高。一般把气相中酒精含量与液相中酒精含量的比值称为酒精的挥发系数（用K表示）。实验数据表明，在酒精浓度达到97.6%（体积分数）前，酒精的挥发系数总是大于1，用常规的蒸馏方法可以使酒精变浓。
常压下，水的沸点是100℃，无水酒精为78.3℃，由两种不同量的液体组成混合物的沸点总是在78.3～100℃之间（恒沸点除外），一定浓度的酒精溶液便具有相应的沸点。酒精蒸馏中，挥发系数随着酒精浓度增加而变小，当酒精浓度增加至97.6%（体积分数）时，挥发系数为1，此时相应的沸点是78.15℃，这个沸点为酒精-水混合物的最低恒沸点，比酒精和水的沸点都低。在常压下采用常规的蒸馏手段是无法获得100%（体积分数）的纯酒精，需在减压情况下进行蒸馏，可以将恒沸点向增加酒精含量的方向移动，当压力降低到一定程度时，就能获得100%（体积分数）酒精。
2. 精馏
精馏又称分馏，通过对混合物进行加热，针对混合物中各成分的不同沸点进行冷却，最后分离成相对纯净的单一物质过程，可以将混合物分成多种组分。精馏实际上是多次蒸馏，它更适合于分离提纯沸点相差不大的液体有机混合物。
从醪塔导出的粗酒精中含有很多不同化学组成的挥发性杂质，按化学性质可分为醇、醛、酯、酸等四大类。从酒精提纯的角度可分为三类：头级杂质、中级杂质和尾级杂质。为除去酒精中的杂质，需采取精馏手段。
杂质在汽相和液相中的百分含量之比，称为杂质的挥发系数，杂质的挥发系数与酒精的挥发系数之比称为杂质的精馏系数，表示在同一酒精浓度下，杂质和酒精挥发性能的差异程度。
一般来说，醛、酯类头级杂质在酒精水溶液中的挥发系数和精馏系数始终大于1，比酒精更容易挥发，在精馏设备中向上运动的速度快于酒精，将聚集在精馏设备的最高层，在塔顶排出。戊醇等尾级杂质在酒精浓度小于55%（体积分数）时，其挥发系数大于1，精馏时向上运动，但其精馏系数小于1，运动速度比酒精慢；当酒精浓度大于55%时，其挥发系数小于1，在精馏设备中运动方向朝下。因此，尾级杂质在精馏塔中上升不到2～3层塔板便被截留而回流，在底部聚集。
3. 酒精生产中的蒸馏与精馏提取
酒精发酵生产的原料不同，发酵过程生成的杂质也不同，生产中应根据发酵成熟醪的组成、杂质的性质以及酒精的纯度选择单塔、两塔、三塔、四塔、五塔乃至六塔蒸馏流程。
两塔酒精蒸馏由粗馏塔和精馏塔组成，将酒精的蒸馏和精馏两个过程分别在两个塔内进行。粗馏塔的作用是将酒精和挥发性杂质从发酵醪中分离出来，并排除酒糟（内含固形物、不挥发性杂质及大部分水）。精馏塔的作用是将酒精增浓和除臭，最后得到符合规格的成品酒精。根据精馏塔进料方式的不同，可将两塔蒸馏流程分为气相进料两塔蒸馏流程和液相进料两塔蒸馏流程。下面重点介绍气相进料两塔蒸馏工艺流程。
气相进料两塔蒸馏流程如图9-39所示。发酵醪经预热器3与精馏塔的塔顶酒精蒸汽进行热交换，加热至40℃以上，并进入粗馏塔1顶部（18～22块塔板），粗馏塔塔底用蒸汽直接加热，使塔底温度为105～108℃，塔顶温度为92～95℃。酒精含量为50%（体积分数）左右的酒精-水蒸气从粗馏塔顶部引出，并送入精馏塔2的中部。酒糟由粗馏塔底部排出。精馏塔也用直接蒸汽加热，并被进料口区分为上下两段，上段称为精馏段，有40～60块塔板，下部称为脱水段（提馏段），有13～18块塔板。酒精蒸汽在精馏塔内上升，逐渐增浓，最后从塔顶排出并顺次经过醒液预热器3和冷凝器4、5、6。预热器3和冷凝器4、5中的冷凝液全部回入精馏塔顶部作为回流。冷凝器6中的冷凝器作为醛酯馏分（头级杂质）取出，工厂里称为工业酒精。不凝结气体和一部分醛类从排醛管排入大气，不含酒精的蒸馏废水从精馏塔底部排出。
图9-39 气相进料两塔蒸馏工艺流程
1—粗馏塔 2—精馏塔 3—预热器 4～6—冷凝器 7， 9—冷却器8—淡酒回收器 10—检酒器
成品酒精从精馏塔顶部第4、5、6块塔板上液相取出，经成品冷却器9，检酒器10，其质量达到标准后送入酒库。尾级杂质杂醇油通常从进料层往上第2、3、4块塔板液相取出，经冷却器、乳化器和分离器得到粗杂醇油，再经盐析罐除水后进入贮罐，分离产生的淡酒回入精馏塔下部相应塔板上。
（六）膜分离技术
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，依靠膜的选择性，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。膜分离实质是物质透过或被截留于膜的过程。
1. 膜分离类型
膜分离按分离粒子或分子大小可以分为微滤（MF ）、超滤（UF ）、纳滤（NF）、反渗透（RO）、透析（DA）和电渗析（ED）6种，几种主要膜分离的基本特征如表9-4所示。
表9-4 膜分离技术的基本特征
（1）透析 透析是利用膜两侧溶质浓度差为传质推动力和小分子的扩散作用，从溶液中分离出小分子物质而截留大分子物质的过程。透析法在临床上常用于肾衰竭患者的透析，生物分离上用于大分子溶液的脱盐。
（2）电渗析 电渗析是一种以电位差为推动力，利用离子交换膜选择性地使阴离子或阳离子通过的性质，达到从溶液中分离带电离子组分的分离过程。电渗析主要用于海水淡化、纯水制备和废水处理。在分析上可用于无机盐溶液的浓缩和脱盐，工作原理如图9-40所示。
（3）微滤 即微孔过滤，也称为绝对过滤，用孔径0.02～10μm的多孔膜，以压力差为推动力，截留超过孔径的大分子的膜分离过程。微滤（或超滤）的基本分离主要过程：①在膜表面及微孔内被吸附（吸附截留）；②在膜孔中停留而被去除（网络截留）；③在膜面被机械截留（筛分）。一般认为物理筛分起主导作用。微孔滤膜各种截留作用如图9-41所示，微滤技术被认为是目前所有膜技术中应用最广、经济价值最大的技术，主要用于过滤不溶性悬浮的微粒和微生物。
图9-40 离子交换膜功能示意图
图9-41 微孔滤膜各种截留作用示意图
（4）超滤 含有微粒和大分子的溶液在压力差的作用下，溶剂和小于膜孔径的溶质由膜透过，而大于膜孔径的溶质则被截留，从而达到溶液的净化、分离和浓缩，如图9-42所示，超滤主要用于分离生物大分子。与微滤的不同之处在于能截留溶解的大分子，与反渗透的不同之处在于所截留的大多为大分子溶质。
图9-42 超滤截留作用示意图
超滤作为一种膜分离技术，在工业生产、医药卫生和环境保护等领域得到了广泛的应用，如海水淡化和超纯水的制备、无菌液体食品的制造、血液超滤净化、药物的浓缩和净化、乳制品的浓缩以及废水处理等。
（5）纳滤 以压力差为推动力，用纳滤膜从溶液中分离出相对分子质量300～1000的物质的膜分离过程。纳米过滤能截留小分子有机物，同时透析出盐，达到浓缩和透析目的。
（6）反渗透 利用反渗透膜选择性地透过溶剂（通常是水）而不使溶质透过的性质，对溶液施加压力，使溶剂通过反渗透膜而从溶液中分离的过程，反渗透截留微粒如图9-43所示。随着反渗透过程的进行，溶剂不断地从高浓度一侧渗透到低浓度一侧，而溶质则被膜截留，在膜表面附近形成一溶质的浓度梯度，出现浓差极化现象。
反渗透技术的大规模应用主要是苦咸水和海水淡化。此外，被大量用于纯水制备及生活用水处理，以及难以用其他方法分离的混合物，如合成或天然聚合物的分离。工业应用的反渗透装置如图9-44所示。随着反渗透膜的高度功能化和应用技术的开发，反渗透过程的应用逐渐渗透到制备受热容易分解的产品以及化学上不稳定的产品，如药品、生物制品、食品等方面。
图9-43 反渗透截留微粒示意图
图9-44 工业应用的反渗透装置
概念解析 渗透和反渗透
用一个只有水分子才能透过的半透膜将一个水池隔成两部分，在隔膜两边分别注入纯水和盐水到同一高度 [图9-45（1）]。过一段时间就可以发现纯水液面降低，而盐水的液面升高 [图9-45（2）]。这种水分子透过膜迁移到盐水中的现象称作渗透现象。盐水液面升高到一定高度达到一个平衡点，这时膜两端液面差所代表的压力被称为渗透压。
当体系处于渗透平衡状态时，如果外界增加盐水侧的压力，就会破坏已形成的渗透平衡，出现水分子从盐水侧通过半透膜向纯水侧扩散的现象 [图9-45（3）]，由于此时水的迁移方向与渗透相反，故称为反渗透。反渗透克服溶剂的渗透压，通过反渗透膜的选择透过性使溶剂透过而离子等物质被截留，从而实现对液体混合物进行分离的过程。反渗透的操作压差一般为1.0～10.0MPa，截留组分为1～10μm的小分子溶质，此外，还可从液体混合物中去除全部悬浮物、溶解物和胶体。反渗透膜常用的有纤维素膜、芳香聚酰胺膜和复合膜。
图9-45 渗透现象示意图
2. 膜分离装置
目前生产的膜过滤装置都是由膜组件或膜装置构成。一个膜装置由膜、固定膜的支撑物、间隔物以及收纳这些部件的容器构成的一个单元。目前市售商品膜组件主要有板框式、管式、螺旋卷式和中空纤维式等四种。
（1）板框式膜器 板框式膜器使用平板式膜，这类膜器件的结构与常用的板框压滤机类似，由导流板、膜、支撑板交替重叠组成。如图9-46所示为一种板框式膜器的部分示意图。支撑板相当于过滤板，它的两侧表面有窄缝，其内腔有供透过液通过的通道，支撑板的表面与膜相贴，对膜起支撑作用。导流板相当于滤框，但与板框压滤机不同。料液从下部进入，由导流板导流流过膜面，透过液通过膜，经支撑板面上的窄缝流入支撑板的内腔，然后从支撑板外侧的出口流出。料液沿导流板上的流道一层层往上流，从膜器上部的出口流出，即得浓缩液。
图9-46 板框式膜器
板框式膜器的优点是组装方便，膜的清洗更换比较容易，料液流通截面较大，不易堵塞。其缺点是需密封的边界线长，为保证膜两侧的密封，对板框及其起密封作用的部件加工精度要求高。
（2）管式膜器 管式膜器由管式膜制成，其结构原理与管式换热器类似，如图9-47所示。管式膜的排列形式有列管、排管或盘管等。管式膜分为外压和内压两种，内压式膜涂在管内，料液由管内走，外压式膜涂在管外，料液由管外间隙走。因外压管需有耐高压的外壳，应用较少；管式膜组件的缺点是单位体积膜组件的膜面积少，一般仅为33～330m2/m3。
（3）螺旋卷式膜器 螺旋卷式膜器的主要元件是螺旋卷膜，它是将膜、支撑材料、膜间隔材料依次叠好，围绕一中心管卷紧成一个膜组，若干膜组顺次连接装入外壳内。操作时，样品液在膜表面通过间隔材料沿轴向流动，而透过液则沿螺旋形流向中心管。螺旋卷式膜组件构造如图9-48所示。
图9-47 管式膜器
（4）中空纤维膜器 中空纤维膜器的结构与管式膜类似，如图9-49所示为中空纤维膜制成的膜组件示意图，它由几十万至数百万根纤维丝组成（图9-50），这些中空纤维与中心进料管捆在一起，一端用环氧树脂密封固定，另一端用环氧树脂固定，料液进入中心管，并经中心管上下孔均匀地流入管内，透过液沿纤维管内从左端流出，浓缩液从中空纤维间隙流出后，沿纤维束与外壳间的环隙从右端流出。
图9-48 螺旋式超滤膜组件
图9-49 中空纤维式膜器
中空纤维膜器设备紧凑，单膜面积高达16000～30000m2/m3。因中空纤维内径小、阻力大，易堵塞，所以料液走管间，透过液走管内。这类膜污染难除去，因此对料液处理要求高，中空纤维一旦损坏，无法更换。
图9-50 中空纤维膜丝
3. 膜分离法的应用
在生物产品的分离和纯化方面，膜分离技术在生物化工方面的应用广泛，如图9-51所示。
图9-51 膜分离技术在生物化工方面的应用示意图
注：①—用反渗透（RO）或超滤（UF）净化水中有害离子或胶体、大分子物质；②—用微滤（MF）过滤空气除菌；③—用气体分离（GS）制备富氧气体供氧；④—用MF或UF收集细胞；⑤—用UF或MF过滤介质与培养基，除去微生物与大颗粒；⑥—用UF浓缩产品与脱盐或小分子有机物；⑦—用透析（DA）进行产品脱盐或小分子有机物
（1）发酵液的过滤与细胞收集 如果所需目的物在液体中，则需废弃菌体细胞，这时的过滤操作称为发酵液的过滤；如果所需产品在细胞内，或细胞本身就是目标产物，则称为细胞的收集。
（2）小分子产物的回收 氨基酸、抗生素、有机酸等发酵产品的相对分子质量都在2000以下，而通常超滤膜的截留相对分子质量在10000～30000之间，因而能透过超滤膜，而蛋白质、多肽、多糖等杂质被截留。
（3）浓缩 经过超滤或透析后，溶液浓度会变稀，为便于后续处理，需将其浓缩，但传统的蒸发方法容易对热敏性产品产生影响，因此可以采用反渗透法浓缩。
（4）除热原 热原是由细菌的细胞壁产生，主要成分为脂多糖类、脂蛋白等物质，相对分子质量较大，注入体内会使体温升高，传统的去热原方法是活性炭吸附或石棉板过滤，但是前者会造成产率下降，后者对操作者身体有害并且对产品质量有一定的影响。当产品相对分子质量在1000以下，用截留分子质量为10000的超滤膜可以有效地除去热源，并且不影响产品的回收率。
4. 膜分离过程的影响因素
对膜分离过程的影响因素包括三个方面：一是引起过滤效率下降的因素，如渗透压、溶液黏度等；二是引起膜堵塞的因素，如生物质、胶体等大分子在膜表面形成污垢，或者硫酸钙、二氧化硅等无机物在膜表面结垢等；三是引起膜损坏的因素，如高温、高压、游离氯等对膜的损坏。
（1）浓差极化 浓差极化是指在膜分离过程中，由于水透过膜，因而在膜表面的溶质浓度增高，形成溶质的浓度梯度，如图9-52所示。这种在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象称为浓度极化或浓差极化。在浓度梯度的作用下，溶质与水以相反方向扩散，在达到平衡状态时，膜表面形成一溶质浓度分布边界层，它对水的透过起着阻碍作用，如图9-53所示。
图9-52 浓度极化形成示意图
浓差极化边界层降低了透水速率和膜系统的分离能力。提高过滤温度或提高沿膜的流动速率可以减轻或延迟浓差极化现象的发生，但往往会增加操作费用。除此以外，有研究表明，采用脉冲式进料方式，或在膜通道中装入棱角形式的混合或排水部件，也能提高传质速率。
图9-53 极化边界层的产生
（2）温度 在一定范围内提高温度可以降低溶液黏度，溶质溶解度增大，被截留组分逃离膜表面的速率加快，浓差极化减弱，因此膜过滤能维持较高通量。理论上温度越高，过滤速率越快。但考虑到物料的热敏性、膜材料的耐热性，过滤温度应以接近上限为宜。
（3）压力 控制膜两侧压力差，增加压差可以提高过滤通量，但过高的压力会导致膜形态和性能的改变，从而引起过滤通量及渗透液质量的下降。
（4）pH 一些膜材料易遭受水解作用，在酸性或碱性范围内水解速率更快。水解导致膜通量增加，但透过液质量下降，同时膜寿命缩短。
（5）游离氯 游离氯是一种强氧化剂，为了避免游离氯对膜的损害，通常在料液中添加活性炭或亚硫酸氢钠排除游离氯。
（6）有机溶剂 聚合膜和特殊材料的复合膜对于有机溶剂的稳定性要比乙酸纤维素膜高得多，但多数有机溶剂对这类膜仍会产生损害作用。一般来说，有机溶剂对膜的损害程度与浓度有关，所以在实际使用中必须注意在允许的极限范围内工作。
5. 膜的污染与清洗
（1）膜污染 膜在使用中，尽管操作条件保持不变，但通量仍逐渐降低的现象，称为膜污染。膜污染是膜分离过程中遇到的最大问题，会导致透过通量和目标产物的回收率大幅下降。污染的原因一般认为是膜与料液中某一溶质的相互作用，或吸附在膜上的溶质和其他溶质相互作用而引起的。
（2）膜清洗 为保证膜分离操作高效稳定的进行，必须定期除去膜表面及膜孔内的污染物，经清洗后，如纯水通量达到或接近原来水平，则可以认为污染已经消除，膜的透过性能已经恢复。选用清洗剂要根据膜的性质和污染物的性质而定。要求清洗剂不仅要具有良好的去污能力，同时又不能损害膜的过滤性能。一般选用水、盐溶液、稀酸、稀碱、表面活性剂、氧化剂和酶溶液等为清洗剂。
（七）结晶与干燥技术
1. 结晶技术
结晶是过饱和溶液的缓慢冷却（或蒸发）使溶质呈晶态从溶液中析出的过程。由于只有同类分子或离子才能排列成晶体，故结晶过程具有高度选择性，析出的晶体纯度很高。物质能否结晶主要取决于其自身的性质，此外还必须在一定的条件下才能形成晶体。结晶操作在氨基酸、有机酸、抗生素和酶制剂工业中都有广泛应用。
（1）结晶的基本原理 晶体是化学性均一的固体，具有一定规则的晶形。一个晶体由许多性质相同的单位粒子（包括原子、离子、分子）有规律地排列而成，在宏观上具有连续性、均一性。一般把许多性质相同的粒子在空间有规律地排列成格子状的固体称作晶体。结晶的全过程包括形成过饱和溶液、晶核形成和晶体生长等三个阶段，溶液达到过饱和是结晶的前提，过饱和率是结晶的推动力。物质在结晶时放出热量，称为结晶热。结晶是一个同时有质量和热量传递的过程。
（2）结晶形成的条件
①样品的纯度：一般结晶液的纯度达到50%以上才能形成晶体。
②溶液的浓度：高浓度的结晶液，以利于溶液中溶质分子间的相互碰撞聚合。但当浓度过高时，相应杂质的浓度及溶液黏度也增大，反而不利于结晶析出，或生成纯度较差的粉末结晶。实际生产中应根据工艺和具体情况确定或调整溶液的浓度。
③pH：调整pH可改变晶形，也可使晶体长大到最适大小。结晶溶液pH一般选择在被结晶酶的等电点附近。
④温度：结晶的温度通常在4℃下或室温25℃下，低温条件下，酶不仅溶解度低，而且不易变性，又可避免细菌繁殖。
⑤晶种：不易结晶的活性物质，需加入微量的晶种才能结晶。例如，在胰凝乳蛋白酶结晶母液中加入微量胰凝乳蛋白酶晶体可导致大量结晶的形成。
（3）结晶设备 结晶设备可分为蒸发结晶设备、冷却结晶设备、等电点结晶设备和真空结晶设备等。由于蒸发结晶设备是采用蒸发溶剂，使浓缩溶液进入过饱和区起晶，并不断蒸发，以维持溶液一定的过饱和度进行育晶。结晶过程与蒸发过程同时进行。搅拌蒸发结晶器如图9-54所示。
图9-54 搅拌蒸发结晶器
1—电动机 2—减速器 3—放料底阀 4—夹套5—锚式搅拌器 6—温度计 7—视镜 8—气液分离器 9—淋水管 10—置比重计筒
冷却搅拌结晶设备比较简单，对于产量较小，结晶周期较短的，多采用立式搅拌结晶罐。如图9-55所示的立式搅拌结晶罐常用于生产量较小的柠檬酸结晶。其冷却装置为蛇管，蛇管中通入冷却水或冷冻盐水。浓缩后的柠檬酸精制液从上部流入结晶罐，同时启动框式搅拌器搅拌，使溶液冷却均匀。对于0.5～1m3的结晶罐，初期可采用快速冷却，1～2h内降至40℃，然后以2～3℃/h的速度降温，起晶后再次减慢速度，直至冷却到20℃。结晶时间一般为96h，这样得到的柠檬酸结晶颗粒比较粗大均匀。结晶成熟后，晶体连同母液一起从设备的锥底排料口放出。
2. 干燥技术
干燥是发酵产品提取过程中最后一个环节。目的是利用热能使湿物料中的湿分（水或其他溶剂）汽化而除去。一些固体产品如抗生素、酶制剂、味精、柠檬酸和酵母等，都需要进行干燥处理，以除去物料中的水分，同时便于产品的方便保存、运输、销售及使用。常用的干燥方法有气流干燥、沸腾干燥、喷雾干燥、冷冻干燥和辐射干燥等。
图9-55 立式搅拌冷却结晶罐
1—电动机 2—减速器 3—搅拌轴 4—进料口5—冷却蛇管 6—框式搅拌器 7—出料口
（1）气流干燥 气流干燥就是把呈泥状或块状的湿物料，经过适当方法使之分散于热气流中，在与热气流并流输送的同时，进行干燥而得到粉粒状干燥制品的过程。
气流干燥的基本流程如图9-56所示。湿物料经料斗和螺旋加料器进入干燥管下部，空气由鼓风机鼓入，经加热器加热后与物料汇合，物料被高速热气流分散得以干燥。干燥的固体物料随气流进入旋风分离器，分离后收集起来，废气经抽风机由排气管排出。
图9-56 气流干燥基本流程
1—抽风机 2—袋式除尘器 3—排气罐管 4—旋风分离器5—干燥管 6—螺旋加料器 7—加热器 8—鼓风机
（2）沸腾干燥 沸腾干燥又称为流化床干燥，是利用热的空气流体使孔板上的粒状物料呈流化沸腾状态，使水分迅速汽化达到干燥的目的。沸腾干燥工艺流程如图9-57所示。
空气经加热净化后，由引风机从下部导入干燥室，湿物料经加料器进入干燥室内，热气体穿过流化床底部的多孔气体分布板，形成许多小气流射入物料层。将操作气速控制在一定范围内时，颗粒物料悬浮在上升的气流中形成沸腾状流化床，料层内颗粒物料相互碰撞，混合剧烈，使物料得以干燥。干燥产品经床侧卸料管卸出，湿废气体由引风机从床层顶部抽出排空，用旋风分离器、袋滤器，捕获被夹带的细粉后排出。
图9-57 沸腾干燥的基本流程
1—鼓风机 2—加热器 3—螺旋加料器 4， 8—料斗5—干燥室 6—旋风分离器 7—袋滤器 9—卸料管10—星形卸料器
多层流化床干燥器如图9-58所示，其结构分为上下两部分，中间隔一层筛板，上下有溢流管连接，热气流经第二层的底部送入进入第一层，最后经床内气固分离器排出。待干燥的固体颗粒则由最上层加入，经溢流管进入第二层，最后由出料口排出。
（3）喷雾干燥 喷雾干燥是利用不同的喷雾器，将溶液、乳浊液、悬浊液或浆料喷成雾状，使其在干燥室中与热空气接触，水分被蒸发而成为粉末状或颗粒状的产品。通常喷雾干燥装置由雾化器、干燥塔、空气加热系统、供料系统、气固分离和干粉收集系统等部分组成，其流程如图9-59所示。
喷雾干燥器的工作原理：送风机将空气通过加热器加热后，由干燥塔顶部的热风分配器进入干燥塔内，热风分配器的作用是使热空气均匀进入干燥塔内，并呈螺旋状运动。同时由供料泵将物料送至干燥器顶部的雾化器，物料被雾化成极小的雾状液滴，使物料和热空气在干燥塔内充分地并流接触，水分迅速蒸发，并在极短的时间内将物料干燥成干品，干品粉料经旋风分离器分离后，通过出料装置收集装袋，湿空气则由引风机引入湿式除尘器后排出。
喷雾干燥是液体工艺成形和干燥工业中最广泛应用的工艺，具有生产操作简便，产品干燥速度快、均匀度好等优点。例如，α-淀粉酶常用喷雾干燥，塔容积一般为125m3 ，进风温度140～150℃，酶液进料量500L/h，塔内空气流速为0.25m3/s，物料在塔内降落时间为15～20s，日处理10t发酵液。
图9-58 多层流化床干燥器结构示意图
（4）冷冻干燥 真空冷冻干燥是一种新的干燥方法，又称为冰冷干燥、升华干燥或冻干。将被干燥的物料首先进行预冻至冰点以下，然后在真空状态下使水分直接升华而获得干燥。冷冻干燥可分为预冻、升华干燥、解析干燥三个阶段，如图9-60所示。
冷冻干燥后物料呈多孔的海绵状结构，保持完整的形态、生物活性和溶解度，挥发性成分损失很小，适宜于具有生理活性的生物大分子和酶制剂、维生素及抗生素等热敏性发酵产品的干燥，而不致影响其生物活性或效价，也适合其他一些化学产品，药品和食品的干燥。
图9-59 喷雾干燥的基本流程
1—料液槽 2—过滤器 3—泵 4—雾化器 5—空气加热器 6—风机7—空气分布器 8—干燥室 9—旋风分离器 10—排风机
图9-60 冷冻干燥过程
（5）辐射干燥 利用湿物料对一定波长电磁波的吸收并产生热量将水分汽化的干燥过程称辐射干燥。电磁波频率由高到低包括红外线、远红外线、微波等，这类方法在工业上均有应用。
红外线干燥时，红外线的波长区间大致为0.75～1000nm，因其波长位于红色光波长（0.6～0.75nm）外而得名。红外线在电磁波谱中，介于红光和微波间的电磁辐射，波长比红光长，有显著的热效应。红外线干燥技术利用的是其特有的热效应实现对物料的干燥。红外线容易被物体吸收，对极性物质，如水分子有特别的亲和力，能深入物料内部，使物体在极短时间内获得干燥。红外线具有产生容易、无需特定媒介、可控性良好、节能环保、加热均匀以及干燥时间短等优点。
远红外线干燥时，远红外线的主要波长范围在2.5～30μm，与很多物质的固有振动频率范围重叠。因此，当远红外线照射到物体上后，会被其表面所吸收，使物体的固有振动变得活跃，其结果是物体的温度升高，这就是采用远红外线加热的原理。远红外线能够直接向加热对象供给能量，能量不会向多余的物体扩散，具有良好的节能效果。
微波干燥时，当待干燥的湿物料置于高频电场时，由于湿物料中水分子具有极性，则分子沿着外电场方向取向排列，随着外电场高频率变换方向，水分子会迅速转动或快速摆动。又由于分子原有的热运动和相邻分子间的相互作用，使分子随着外电场变化而摆动的规则运动受到干扰和阻碍，从而引起分子间的摩擦而产生热量，使其温度升高。
微波干燥能深入到物体内部，属于内部加热干燥，具有以下特点：①加热干燥时间比较短；②干燥均匀；③便于控制；④热效率高。微波干燥缺点：设备费用高，耗电量大，且须注意劳动保护，防止强微波对人体的损害。
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