吸附法——工业发酵生产系统中的关键分离技术
吸附法是提取经常选用的一种操作单元。提取是多种操作单元的结合。
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所示。
搅拌罐吸附装置
（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，如图所示。
固定床吸附操作
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。
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。
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。
总之，吸附法在工业发酵生产系统中具有重要作用。它是提取操作单元的常用方法，利用固体吸附剂处理液体或气体混合物，实现发酵产品的吸附浓缩以及去除杂质、色素和有毒物质等目的。
吸附过程包括料液与吸附剂混合、吸附质被吸附、料液流出和吸附质解吸回收等四个过程。吸附类型有物理吸附、化学吸附和交换吸附。常用吸附剂包括有机吸附剂如活性炭、聚酰胺等和无机吸附剂如白土、氧化铝等。
操作方式有搅拌罐吸附、固定床吸附和膨胀床吸附。吸附法在谷氨酸中和液脱色和红霉素提取等生产实例中得到广泛应用，为工业发酵生产提供了有效的分离和精制手段。
内容引用高大响主编《发酵工艺》。
