泡沫分离技术

泡沫分离技术综述李现荣化学工艺 20620101151492泡沫分离，又称泡沫吸附分离技术，是一种用来分离金属离子、胶体、分子及沉淀等物质的一种新型分离方法，并在发展过程中逐渐作为一种单元操作加以研究。

至今为止，泡沫分离技术不但在矿物浮选的应用上已经相当成熟，并已成功应用于很多表面活性物质（诸如蛋白质、酶、胶体、合成洗涤剂等）的分离。

近年来，科学研究者们仍在不断探索更高效、环保、适于工业化操作的泡沫分离操作方式，并不断尝试分离新的活性物质以满足现代社会及工业的需求。

继用泡沫分离技术从溶液中回收微量金属离子的相关研究开始之后，随着对整个分离过程的原理、机制、操作方式、分离条件的深入研究，泡沫分离技术的应用范围逐渐扩大到蛋白质、DNA、酶等各种生物活性物质以及合成洗涤剂的分离。

其环保、温和、操作简单的特点无疑将使其在有关生物、环境、食品、化工等工业中得到更加广泛的应用。

一.泡沫分离技术的产生及发展概述早在古代时期，人们就开始利用物质的表面特性从矿物里面分离出金属金。

随着人们认识的提升及经验的积累，利用物质表面特性来对矿物进行浮选的工艺逐渐成熟，于20世纪初开始利用泡沫浮选技术对矿物中的金属进行浮选。

泡沫浮选技术的发展促进了对泡沫分离过程机制及应用范围的深入研究。

20世纪50年代，利用泡沫分离方法对离子、分子、胶体及沉淀等物质进行分离逐渐引起了研究学者们的关注，并开始将其作为一种单元操作加以研究。

研究者们最初致力于从溶液中回收金属离子的课题，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；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废水泡沫分离的实验研究，1977年开始报道用阴离子表面活性剂泡沫分离DNA、蛋白质、液体卵磷脂等生物活性物质。

随着工业的发展，特别是对环境保护的普遍重视和资源的综合利用的要求，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。

二.泡沫分离技术在分离生物活性物质方面的应用通过对泡沫分离技术的产生及发展大致可以看出，泡沫分离的应用可以分为两大类。

一类是本身为非表面活性物质（如铜、锌、银、镉、铁、汞等金属类物质），需通过配位或其他方法使其具有表面活性，这类体系被广泛地用于工业污水中各种金属离子的分离回收，以及海水中铀、钼、铜等的富集和原子能工业中含放射性元素锶的废水的处理；另一类是本身具有表面活性的物质，或是各种天然/合成表面活性剂的分离，如全细胞、酶、蛋白质、胶体分离及合成洗涤剂等。

本文主要研究微藻中各种物质的分离，因此以下主要介绍下泡沫分离技术在生物工程中的应用。

1. 大肠杆菌的分离用月桂酸、硬脂酰胺或辛胺作表面活性剂，对初始细胞浓度为7．2×108个／cm3大肠杆菌进行泡沫分离，结果用1rain时问能除去90％的细胞，用10min时间就能除去99％的细胞。

这个方法对小球藻(Chlorellasp．)和衣藻(Chlomydomonassp．)也是成功的。

2. 酵母细胞的分离酿成的啤酒，一般含有20～409／L酵母，含水率达75％，进行酵母的分离。

对于酵母浆的脱水，可使用许多方法，如浮选、分离、蒸发和干燥。

分离和浓缩酵母的浮选法值得特别注意。

但并不是所有的微生物都具有足够的浮选能力，它在很大程度上取决于酵母细胞的生理状态，为了获得好的浮选分离效果，必须有大的相接触表面(酵母细胞一空气)，要求空气的分散作用很小。

浮选方法分离酵母较其他分离方法具有一系列的优点，可相当大地减少分离塔的数目、总投资经济等。

酵母的浮选能力受酵母的种属、细胞大小、杂质的存在影响，单枝细胞的浮选要比枝密酵母困难。

在微生物工业中使用的浮选设备在制造上有些变动。

可分为卧式和立式两种，也可以有一级操作和二级操作。

3.蛋白质和酶的分离浓缩泡沫分离可应用于各种蛋白质和酶的分离。

最初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％。

泡沫分离还可应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；从粗的人体胎盘匀浆中分离蛋白酶。

在pH 接近等电点时，约40％～50％的链激酶失活，但在pH一6．5～7时，可回收80％的酶。

也有报道用泡沫分离法使溶液中牛血清白蛋白浓缩，或从它与DNA的混合物中把它分离出来。

从胃蛋白酶和血管紧张肽原酶混合物中分离胃蛋白酶，从尿素酶和过氧化氢酶混合物中分离尿素酶，从过氧化氢酶和淀粉酶中分离过氧化氢酶等均可用泡沫分离。

胆碱酯酶可通过除去泡沫中的杂质从经预处理的马血清残余液中浓缩，其活力比料液高8～16倍，泡沫分离也可从苹果组织中回收蛋白质配合物。

另外，从猪肾中分离纤维素酶、n氨基酸氧化酶，从发面酵母中分离三肽合成酶，或从热带假丝酵母菌中分离酮一烯醇瓦变异构酶都几乎没有活力损失。

用5级泡沫分离过程处理人体脱氢酶，有5％～20％的总活力损失。

用泡沫分离法从鸡心中提取苹果酸脱氢酶时总活力损失为25％。

由于泡沫分离技术分离效率高，且成本、操作维修费用均很低，可从许多体系中(例如生物废液、发酵液、动物组织、器官匀浆、植物萃取液、果汁等)分离或浓缩蛋白质等活性物质，若将其过程机制研究透彻，其在工业领域中将会有很好的发展前途。

三.泡沫分离方法的原理泡沫分离技术是根据表面吸附原理，基于溶液中溶质(或颗粒)间表面活性的差异，表面活性强的物质优先吸附于分散相（气体）与连续相（液体）的界面处，通过鼓泡使溶质选择性地聚集在气．液界面并借助浮力上升至溶液主体上方形成泡沫层，从而分离、浓缩溶质或净化液相主体的过程。

泡沫分离时，通过在液相底部通入某种气体或使用某种装置产生泡沫，收集泡沫就得到了某种产物的浓缩液，从而达到分离的目的。

要想深入理解表面吸附原理，首先需要认识一下表面活性物质的性质和特征，在清除物质性质的基础上来解释表面吸附的原理。

1.表面活性剂本文中所指的表面活性剂包括表面活性剂及其界面特性泡沫分离中所需的溶质。

所谓表面活性剂即在液体中加入少量这类物质能使液体的表面张力显著降低，该物质的分子一般具有性质相反的两类亲性基团，如图1-1所示。

一类为疏水性或亲油性基团，属于非极性基团，它们是一些直链的或带有侧链的有机烃基；另一类是亲水性基团，属于极性基团，如：OH、COOH、NH2、一SH及SO2OH等。

图1.1 表面活性剂分子示意图图1.2 胶体形成过程示意图下面讨论表面活性剂在溶液内部的分布情况。

当浓度很小时，一部分表面活性剂分子会被吸附在水相表面定向排列，使水和空气的接触面减小，溶液的表面张力急剧降低；另一部分表面活性剂分子会三三两两地将憎水基靠拢而分散在水中。

当浓度达到一定程度时，在分子表面膜形成的同时，表面活性剂也逐渐聚集起来，互相把疏水基靠在一起，形成亲水基朝向水而疏水基在内的，直径在胶体分散相粒子大小范围的缔合体，这种缔合体称为胶束，如图1-2所示。

由于胶束的形成减小了疏水基与水的接触面积，从而使系统稳定。

开始形成一定形状胶束时所需表面活性剂的最低浓度称为临界胶束浓度，以CMC表示。

表面活性剂的水溶液在浓度加大的过程中，其表面张力、电导率、渗透压、密度、去污能力等性质的变化都以临界胶束浓度为分界而出现明显转折。

2.泡沫的形成机制气泡的形成与表面活性物质的性质密切相关。

泡沫是由许多气泡组成的，气泡之间被极薄的液膜所隔开，当气体在含活性剂的水溶液中发泡时，首先在液体内部形成被包裹的气泡，在这瞬间，溶液中的表面活性剂分子会立即在气泡表面排成单分子膜，亲油基指向溶液（如图2-1），该气泡会借浮力上升冲击溶液表面的单分子膜。

在某种情况下，气泡也可从表面逸出。

此时，在该气泡表面的水膜外层上，形成与上述排列完全相反的单分子膜，从而构成了较为稳定的双分子层气泡体，在气相空间形成接近于球体的单个气泡。

许多气泡聚集成大小不同的球状气泡集合体，更多的集合体聚集在一起形成泡沫。

泡沫分离技术就是利用这些泡沫具有吸附含表面活性的物质的作用将其分离的。

图2-1 气泡的形成过程四．泡沫的稳定性泡沫是由不溶性或微溶性的气体分散于液体中所形成的一种特殊的胶体分散体系。

泡沫分离技术就是利用泡沫的形成吸附待分离物质，进而收集泡沫液分离出所需物质的方法，泡沫稳定与否直接影响着对物质的采收效率，因此研究泡沫的稳定性，探索如何使泡沫在稳定的前提下提高分离效率具有非常大的意义。

4.1 泡沫的稳定性主要取决于以下几个因素：(1)气／液表面吸附分子层内分子的结构与相互作用。

表面吸附分子层结构紧密、相互吸引作用强时，不仅表面膜本身有较大强度，还能使面下层临近的溶液不易流动，排液速度减慢，泡沫液膜厚度比较容易保持；此外．排列紧密的表面吸附分子还能减少气体的透过性，从而增加泡沫的稳定性。

(2)表面张力。

泡沫生成时，液体表面积增加，体系的表面能随之增大，若液体的表面张力较低，则泡沫形成时体系能量增加相对较少，该泡沫体系就具有较好的稳定性，就这一点来说，能够将水的表面张力降低的程度大的表面活性剂的溶液形成的泡沫的稳定性较好；同时根据Laplace公式，泡沫液膜的Plateau交界处与平面膜间的压差与表面张力成正比，表面张力低则压差小，从而排液速度较慢，有利于泡沫稳定。

此外，表面张力还具有一定的修复作用，泡沫形成时，泡沫的液膜必须具有一定形式的弹性，以便缓冲液膜局部受力而伸展、变薄，起到防止液膜破裂的作用。

受冲击的部位液膜会变薄，周围的表面活性剂分子就会有向该部位迁移的倾向，使液膜复原，这称之为液膜的修复作用。

(3)表面粘度。

一般来说，表面吸附膜的强度越大，则表面粘度越大，泡沫寿命也越长，表面膜的强度与表面吸附分子的相互作用有关，相互作用大者强度亦大。

一般蛋白质分子较大，分子问的作用较强(特别是分子间可有大量氢键形成，相互作用更为强烈)，故其水溶液所形成的泡沫稳定性亦较好。

一般疏水基中分支较多的表面活性剂，分子间相互作用较直链者差，因而溶液的表面粘度较小，泡沫稳定性差。

(4)液体粘度。

表面粘度大时，泡沫液膜往往不易被破坏。

这里有两种作用，一是增加液膜表面强度，二是使液膜的两表面膜临近的液体不易排出(因表面粘度大，临近表面吸附层的液体也不易流动)。

由此可见，若液体本身的粘度较大，则液膜中液体排出较为不易，液膜厚度变小的速度较慢，因而延缓了液膜破灭，增加了泡沫的稳定性。

但是液体的内部粘度仅为一辅助因素，若无表面吸附膜的形成，即使内部粘度大，也不一定能形成稳定的泡沫。

(5)气体通过液膜的扩散。

一般条件下形成的泡沫，气泡的大小总是不均匀的，小泡中的压力比大泡大，于是气体自高压的小泡中透过液膜进入大泡，造成小泡变小，大泡更大，最终导致泡沫破裂。