求教科书生物分离工程(生物工程下游技术) 中 分离科学作用 谢谢
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发布时间：2022-05-05 12:08
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时间：2023-10-07 10:06
耿信笃, 张养军
(西北大学 现代分离科学研究所ö 现代分离科学陕西省重点实验室, 陕西 西安 710069)
摘要: 分离科学是研究物质在分子水平上的空间分布和移动规律的一门科学。如果这一看法是正确
的话, 那么, 分离科学理论就应该有一个能将各种分离技术原理及支持这些原理的共同理论, 即分
离科学理论框架。既然分离科学是从分子在空间迁移和分布规律的全过程来设计的, 该理论必然要
涉及到溶质分子在流体中的空间迁移和分布, 就必须了解在体系中组分的宏观性质。即①分离过程
中的热力学; ②溶质的迁移和扩散, 因为目前绝大多数组分的分离是在界面(特别是液2固界面)上
完成的, 这就是③分离过程中发生在界面上的计量置换。然而要从微观上深入了解物质能够被分离
的实质便是④平衡分离的分子学基础及⑤疏水效应。在了解了物质的微观、宏观性质及迁移规律
后, 如何才能使分离进行得更好, 这便是⑥分离过程中的最优化和选择分离方法时必须对各种分离
方法的特点有所了解的, ⑦分离方法的简介和比较。上述七部分内容应当成为现代分离科学的理论
骨架。
关 键 词: 分离科学; 热力学; 溶质计量置换保留理论; 疏水效应; 分离方法; 最优化; 理论骨架
中图分类号:O 651 文献标识码:A 文章编号: 10002274Ò (2002) 0520433205
从几千年前我国的炼丹术、酿酒术发展到近一
个世纪以来, 出现了多种分离技术或分离方法。特别
是近年来, 由于精细化工、生命科学和材料科学等新
兴学科的发展, 加之计算机和现代分离手段的广泛
应用, 促使这些新的分离方法的理论日臻完善, 技术
水平不断提高。遗憾的是, 多年来, 这些分离方法各
自讨论其分离原理, 如色谱中就有分配、吸附、离子
交换、反相和疏水色谱等, 故有关分离理论方面的内
容均分散在一些分离方法和其他学科之中。虽然国
外也出版过几本有关“分离方法”的书, 但其只是以
各个“分离方法”为主体分别进行阐述, 对于“分离方
法”的基础理论及各个“分离方法”之间的联系却涉
及甚少。1973 年, B. L. Karger 等 3 人出版了“A n
In t roct ion to Separat ion Science”一书[ 1 ]
, 虽然讲
述分离科学的理论部分不超过全书 1ö 3 的篇幅, 然
而他们的贡献是首次提出了“分离科学”这个概念。
1991 年, 理论色谱学家 J. C. Giddings 写的“A
U n if ied Separat ion Science”一书, 用化学势场和流
这两个各种分离方法共有的参数为纽带, 将原来似
乎毫无关系的、分散在各种分离方法中的分离原理
统一在一起讨论, 并称其为统一的分离科学[ 2 ]
。随着
高技术产业的出现, 特别是生物工程和生物技术及
材料科学的发展, 迫切要求提供更先进、更优化的分
离方法。一些国家和地区, 如美国的加州早在7 年前
就成立了分离科学协会, 其年会规模逐渐扩大, 现已
发展成一个国际性的年会, 还有《专门分离科学》、
《分离科学》及《分离工程杂志》出版, 表明分离科学
作为一个独立的科学分支正在形成和发展。
既然分离科学是一个独立的科学分支, 就必然
有其支撑的理论, 有一个能支持各种分离方法, 至少
是绝大多数的现代分离技术原理的基本理论。1990
年, 笔者之一出版了《现代分离科学理论导引》一
书[ 3 ]
, 对此问题进行了探索, 又经过 10 年的探索和
实践, 对原书作了大幅度的修改, 并增加了新的内容
和章节。最近, 该书已经被教育部研究生办公室推荐
为研究生教学用书, 并由高等教育出版社出版[ 4 ]
。在
该书前言中首次提出了现代分离科学理论框架的论
点。然而, 分离科学作为科学的一个独立分支, 是一
个不断发展和壮大的学科, 理论也在不断发展丰富,
内容也愈来愈丰富。所以,“现代分离科学理论框
架”到底应该包括那些内容, 仍是一个值得进一步探
讨的学术问题。
无论是什么分离方法和多么新的分离工艺, 都
是在研究物质在分子水平上的空间分布和移动规
律, 以及如何更好地实现这一目标。如果这一看法正
确的话, 那么, 现代分离科学理论就应该是为解决这
一问题而所必须的理论基础。
1 分离过程中的热力学
分离过程必然伴随着一种或几种组分的定向移
动以达到分离和浓集的目的, 所以分离过程是一个
组分在空间的再分配过程, 这就存在着一个哪些组
分能够在空间被浓集和哪些组分不能够被浓集, 以
及能够在空间被浓集到什么程度这样两个问题。分
离过程中的热力学就是为了判断这一过程的方向,
确定它的限度以及研究如何运用热力学知识以促使
某个或某些组分向我们期望的方向移动, 实现最大
限度的分离和浓集等有关理论及计算问题。分离过
程中所遇到的某些热力学的基本要点, 则一定会涉
及到相间的分配平衡、在分离过程中作为分子移动
驱动力的外加场作用下的平衡、相平衡、分配平衡、
气2液平衡热力学及溶液模型等方面的理论, 以及如
何将热力学第一和第二定律应用到密闭和开放的体
系中和运用化学势概念来解决问题。化学势是分离
过程中各个组分分离的驱动力, 尽管绝大多数的分
离是在外加场存在下实现的, 但这些外加场都可以
换算成化学势并使其成为总化学势的一部分。活度
系数及标准态是描述该过程中两个很重要的概念,
在应用时容易出现差错, 所以必须引起重视。平衡概
念是描述分离过程应用最多的概念, 其中相平衡原
理被用来描述单组分、双组分及 3 组分相图以及如
何将这些相图应用于简单组分的分离。分配平衡主
要涉及气2固、液2固和气2液 3 种平衡, 常用吸附等
温线对其过程进行描述和表征。由于这3 种平衡不
涉及化学反应, 因此被称之为第一类化学平衡, 而涉
及到利用化学反应进行分离的叫作第二类化学平
衡, 这类平衡在分离过程中亦经常遇到。溶液行为模
型是在研究气2液分离过程中的理论时经常遇到的
问题, 该模型涉及到对气相和液相(理想溶液、真实
溶液和正规溶液)中的某些热力学参数(包括过剩热
力学参数在内)的处理。
2 分离过程中溶质在两相界面上的计
量置换
以往的分离方法中, 在涉及相分离时, 往往只涉
及溶质在两相间的分配系数和化学势差等概念, 而
很少涉及相界面过程和这些过程对分离所作出的贡
献。对于溶质在两相界面上行为的处理, 涉及到近年
来才提出的计量置换的概念[ 5 ]
。计量置换的提出, 实
质上是基于物理学中“能量守恒”和“一个空间不能
同时容纳两个物体”的两个基本原理, 这一概念对于
许多科技工作者来讲并不陌生。例如, 离子交换时,
在某一离子被交换剂吸留的同时, 交换剂上即会释
放出等当量的同电荷符号的另一离子。这就是计量
置换的一个广为人知的事例。随着科学技术的发展,
现已知道, 计量置换可发生在其他许多埸合。例如,
某组分在相间分离过程中, 从 Α相进入 Β相(或表面
或内部)时可能置换的是 Β相中的溶剂分子(如果 Β
相是液相的话)。研究这样的置换过程, 即研究组分
从一相进入另一相时, 在相界面上发生了什么过程,
其组分如何在界面上进行迁移, 而相应的能量又是
如何变化, 如何将计量置换用于组分分离的宏观和
微观变化, 对了解分离机理和提高分离效果是十分
重要的。因为组分可在液2固、液2液、气2液相间进行
分离, 特别是液2固和液2液相间分离用得最多。所
以, 深入了解组分在相界面上迁移时所产生的化学
势突跃及其伴随的计量置换过程必将对组分的分离
有益。液固相界面上的计量置换, 包括新概念的定
义、物理及化学理论基础、计量置换模型的建立及其
在物理化学、生物化学、基因工程和色谱分离中的应
用。它指出了分离过程中, 在相界面上发生的基本过
程——溶质与置换剂(在许多情况下是溶剂)分子间
的计量置换关系。这种关系建立在体系中溶质、置换
剂和吸附剂分子间的多种热力学平衡和计量置换这
一概念的基础上, 从建立理论模型到引用一些数据
对模型进行检验以及通过液2固体系中溶质的计量
置 换 吸 附 理 论, 从 理 论 上 推 导 出 朗 格 缪 尔
(L angm u ir)及弗仑德利希(F reundlich)公式并与之
进行比较, 表明该理论更具有指导意义。因为该理论
是在多个热力学平衡的基础上推导的, 具有坚实的
理论基础。另外, 该理论中的参数皆具有明确的物理
意义, 这些都对它的应用以及对一些现象的解释奠
定了基础。现在, 该理论已经用于对液2液分配等温线的预计和对液相色谱中的溶质保留机理和反相液
相色谱中溶质保留过程的热力学的研究。经检验该
理论, 还可用于除尺寸排阻色谱以外的各类色谱以
及沉淀表面吸附过程。其计量参数既可以用来研究
生物大分子的构象变化, 也可用于蛋白质折叠过程
中自由能的测定, 还可用于表征色谱中作用力的类
型和溶剂强度。由于从热力学角度对柱相比的定义
和准确测定, 使热力学的研究可以更深入地进行。有
关溶质计量置换理论的发展及其应用已有详尽的综
述[ 6 ]
。
3 溶质的迁移与扩散
溶质在空间的再分配一定涉及到溶质分子的迁
移, 即在外加埸或内部化学势作用下向预定的、趋向
于平衡的方向移动。与此同时, 分子又不可避免地要
随机运动, 而且总是由高浓度向四周的低浓度区扩
散, 使分离开的溶质趋向于混合, 所以扩散是分子的
随机运动, 没有确定方向。迁移是提高分离度和浓集
所必需的, 因而应设法增强, 而扩散则相反, 是阻碍
分离和浓缩的, 所以应设法使其减弱直至最小。为
此, 必须了解在不同介质和不同分离体系中组分迁
移和扩散的基本性质和运动规律, 特别是与分离体
系密切相关的定量关系应有所了解, 以便对选择分
离体系的最优化条件有所帮助。溶质的迁移与扩散
应包括分离过程中动力学方面的问题。将机械运动
与 1 mo l 分子迁移进行比较, 以经典的牛顿力学推
导出分子迁移规律——费克(F ick ) 第一和第二定
律。通过对费克第二定律求解, 可以得出在理想条件
下溶质带迁移过程中的迁移模式——高斯浓度分布
曲线。在此基础上便能理解在气体、电解质溶液、在
流和在填充柱中的迁移与扩散规律以及迁移方程的
物理意义, 并且还可描述分离速度、摩擦系数及分子
参数之间的关系[ 7, 8 ]
。这些都是描述带的形成与扩散
不可缺少的一个重要组成部分。另外, 高斯带、统计
矩、随机过程、理论板高以及在洗脱系统中的板高,
是加深理解对带的迁移和扩散不可缺少的概念, 也
可促进对分离方法的优化研究。而且, 可以不用“理
论塔板”概念, 完全从理论上推导出洗脱曲线的形状
及板高, 这些都有利于从理论高度对分离过程的模
拟和理解。了解带的扩展机理, 计算分离度——峰容
量, 对如何提高分离度也十分有用。除了理想状态
外, 非理想条件下的非高斯带和稳态带的特性及其
数学表达式, 也是组成分离科学理论的重要问题之
一。
4 平衡分离的分子学基础
在利用热力学方法及有关参数来处理和选择分
离的最佳条件时, 有时会遇到分离系统中的一些参
数, 如温度、压力、组成等不总是随时都可知道的。这
样, 就有必要对确定分配系数大小的基础——分子
间相互作用力[ 1 ]
进行深入地了解, 以便选择最佳分
离条件。在许多情况下, 这些分子间的相互作用力又
与它们的分子结构、环境条件等因素有关, 因此从分
子结构的观点阐明溶质在两相间的分配规律, 并从
分子间的相互作用力得出溶解度参数及扩展的溶解
度参数的概念[ 9 ]
、计算方法、从分子水平描述带扩展
机理(色谱动力学)以及它们在分离科学中的应用
等, 是这部分讨论的目的。平衡分离的分子学基础着
重从分子间相互作用力的分类、性质、作用力的大小
计算入手, 对这些作用力与分子结构间的关系以及
结构与分离性质之间的关系进行讨论, 这部分的内
容包括经典的赫尔德布兰德(H ildeb rand)的溶解度
参数概念、计算方法以及扩展的溶解度参数理论。这
样, 就可以给出色散溶解度参数、诱导偶极和定向溶
解度参数和氢键溶解度参数的表达式及实验测定方
法。将这些参数用于描述液相色谱溶质保留行为, 形
成了扩展溶解度参数理论, 依次可以解释各类色谱
的实质性问题。另外, 马丁方程的分子学基础及熔化
熵、弗劳瑞—休金斯(F lo ry2 Huggin s)方程[ 10, 11 ]
及分
配系数对温度的依赖关系的讨论, 以及平衡分离的
分子学的其他概念, 能使分离过程中出现的许多现
象与分子间的作用力及分子结构相互联系起来, 并
能运用这方面的知识设计最优化分离方案, 以期得
到最佳的分离效果。
5 疏水效应
凡是涉及到有水溶液相存在的分离, 如液2固、
液2液分离都涉及到水溶液。为了研究在此条件下分
离过程的本质, 特别是研究生物大分子的分离过程,
必须了解“疏水效应” (hydrophob ic effect) , 或“疏水
相互作用” (hydrophob ic in teract ion, 简写为H I)等
概念。那么, 什么是“疏水效应” ? 什么是“疏水相互
作用”呢? 迄今还无公认的定义。顾名思义, 这是与
水溶液有关的一种特殊现象。人的生命离不开水, 人
体的生化过程几乎全是在体液(水溶液)中进行的。这些生化过程包括生物大分子的构象变化、蛋白折
叠、 酶与底物的结合、几条支链结合形成多支链的
酶、生物大分子高度凝聚形成的生物膜等, 而这些过
程的发生主要是在疏水相互作用力驱动下进行的。
因为分离科学不仅要从宏观上研究溶质间相互分离
的程度(即纯度)及回收率, 而且要考虑到分离过程
中分子构象是否发生了变化(即微观变化)和引起宏
观及微观变化的原因, 所以这不仅涉及到具有生物
活性的生物大分子的分离和纯化, 而且涉及到小分
子的分离机理。疏水相互作用力, 简称疏水力, 它不
是讨论分子间的相互作用力, 主要是讨论吸附力, 是
讨论溶剂对溶质的作用。确切地说, 是溶剂分子对溶
质分子产生的推力, 与分离过程中的分子平衡研究
对象相同, 属微观过程, 但这种微观过程的变化又会
引起宏观热力学量的改变。
从以上所述可知, 疏水相互作用是与范德华力
有关但又不完全相同的一种作用力。基于这一概念,
在现代科技及现代分离科学中十分重要但又不很成
熟的这一特点, 应着重掌握疏水相互作用的基本概
念、基本方程及稀溶液中的疏水相互作用, 并通过标
准迁移自由能及复杂相间溶质迁移的标准化学势计
算, 理解标准迁移化学势的计算方法。还应了解有关
疏水相互作用的一些名词的含意、了解疏水相互作
用大小、对式疏水相互作用、完全成对的相关函数、
溶剂对疏水相互作用自由能的影响和二聚平衡等简
单过程中的热力学函数的测定和计算。多质点间的
疏水相互作用是建立在对式疏水相互作用基础之上
的, 质点数为m 时, 疏水相互作用的近似测量方法
是为了解从简单溶质到蛋白质的疏水相互作用这一
桥梁作用的理解。另外, 还需了解微胞水溶液中的疏
水相互作用及人工合成和生物聚合物中的疏水相互
作用以及疏水相互作用对温度和压力的依赖性, 这
对于了解蛋白质分离过程中分子构象变化及失活的
本质的研究十分重要。疏水相互作用对温度和压力
的依赖关系和实验及测量方法奠定了该理论的基
础, 同时亦能提高对文献中的错误概念、数据可靠性
的判断能力。
6 对分离方法的科学分类
以上是从热力学、动力学以及分子学的基础上
对分离科学的理论框架进行论述的, 其最终目的是
要对分离过程进行优化, 对分离方法进行有效的选
择, 这就涉及到分离科学中的分类和优化问题。分类
学是一门独立的科学, 从研究化学元素周期表对发
现新的化学元素就是一个很好的例证, 表明了分类
学对科学的贡献。分离方法曾有过多种分类。但是,
以Giddings
[ 2 ]
提出的以化学势和流两个因素进行分
类最为科学。通过比较各类分离方法的相似点及不
同点, 探索出各种分离方法之间的内在联系并寻找
出分离科学中普遍存在的规律, 从而将多年来分散
在各个学科和技术领域中的, 表面上看来似乎毫无
联系的各类分离方法, 以这种化学势和流两个因素
将其联系起来进行讨论和比较, 为创立新的分离方
法和分离科学(最优化中选择分离方法)奠定了基
础。了解各种分离方法的内在联系和描述这种内在
联系的数学表达式, 深刻理解在外加场存在下的无
流(静态)分离法——电泳和沉降的特性, 稳态流中
的二相分离——萃取和有关方法, 流的辅助分离作
用即平行流分离——淘析、超滤、区带熔融和有关方
法以及垂直流分离——场级分流、色谱和有关方法。
7 分离科学中的优化
分离科学中的最优化就是如何在最短的时间
内, 用最低的消耗以获得最佳的分离效果, 获得一个
能表征各类分离方法的统一的优化模型, 这是一个
迄今尚未解决的问题。它涉及到一个分离体系的优
化目标, 又涉及到多方面的局部优化, 如分离方法的
选择、实验方法的建立、实验方案中每一单元操作的
优化, 以及各个单元操作之间的最佳组合, 如此等
等。一般说来, 用于分析测试及工业制备对分离最优
化的要求是不完全相同的, 前者因消耗很少, 多以在
追求最佳分离效果的前提下, 以尽可能地缩短分离
时间为主, 辅之以低消耗; 而工业生产上的优化则是
追求最大经济效益——获取最高利润为惟一目的,
故对于后者, 一切分离方法及选择分离工艺的优化
均以此为基础。例如删除一步分离就能达到质量要
求的简单工艺, 但因成本高工业生产上就不会采纳,
而会采纳成本很低的, 那怕是多 2～ 3 步的分离方
案。上述事例说明, 既便是局限于分离这一狭窄领域
中的每一个细节, 也难用一个通用的模型来描述其
最优化。分离科学中的最优化是通过对单元分离共
用的、最关键的参数进行优化, 辅之以工业上的整体
优化。无论哪一种分离方法, 从原则上讲: ①通过增
大外加场; ②减小分离过程中欲分离物质熵的增大;
③加大难分离物质对之间化学势的差异这 3 个最重
要的因素, 以及通过对这 3 个方面进行协同作用使分离过程达到最优化, 才是达到提高分离效率, 降低
生产成本的至关重要的优化因素。
综上所述, 分离科学是一门内容极其丰富的学
科, 对于工农业生产和基础科学研究十分重要。随着
高技术产业的出现, 特别是生物工程和新材料科学
的发展, 必将对分离科学提出更高的要求和新的挑
战, 也必然会推动分离科学迅猛发展, 为人类的健康
和幸福作出更大的贡献。
