生物工艺5.ppt

《生物工艺5.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物工艺5.ppt（40页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 第五章第五章 下游加工过程下游加工过程 （downstream processingdownstream processing）第一节第一节 概况概况一、下游加工技术的重要性一、下游加工技术的重要性 1.1.产品分离纯化是最终获得商业产品的环节。产品分离纯化是最终获得商业产品的环节。2.2.投资费用高（抗生素、乙醇、柠檬酸占投资费用高（抗生素、乙醇、柠檬酸占60%60%）。）。3.3.分离纯化技术落后会阻碍发酵工程技术的发展。分离纯化技术落后会阻碍发酵工程技术的发展。几种产品在发酵液中的浓度几种产品在发酵液中的浓度n 产品产品 典型浓度（典型浓度（g/Lg/L）n 抗生素抗生素 2525n

2、氨基酸氨基酸 100100n 酒精酒精 100100n 有机酸有机酸 100100n 酶酶 2020n 蛋白质蛋白质 1010二、下游加工技术的特点二、下游加工技术的特点 1.1.发酵液的复杂性造成分离上的困难性。发酵液的复杂性造成分离上的困难性。2.2.欲提取的产物通常浓度低且很不稳定。欲提取的产物通常浓度低且很不稳定。3.3.多为分批操作，各批发酵液不尽相同，多为分批操作，各批发酵液不尽相同，要求下游加工有一定弹性。要求下游加工有一定弹性。第二节第二节 下游加工过程下游加工过程一、一、一般程序一般程序 1.1.预处理和固液分离：加速固液相分离预处理和固液分离：加速固液相分离 2.2.细胞破

3、碎，分离胞内产物细胞破碎，分离胞内产物 3.3.初步纯化（提取）：除去与产物性质差异很大的杂质初步纯化（提取）：除去与产物性质差异很大的杂质 4.4.高度纯化（精制）：除去与产物性质相似的杂质高度纯化（精制）：除去与产物性质相似的杂质 5.5.产品加工产品加工二、过程概述二、过程概述（一）预处理和固液分离（一）预处理和固液分离1.预处理：预处理：2.目的目的改变发酵液性质，有利于固液分离。改变发酵液性质，有利于固液分离。3.3.酸化酸化4.4.降低发酵液粘度降低发酵液粘度5.5.加热加热 6.6.7.7.加絮凝剂加絮凝剂 使细胞或大分子聚结成较大颗使细胞或大分子聚结成较大颗粒粒2.2.固液分离

4、固液分离 主要方法是过滤和离心。主要方法是过滤和离心。板框压滤机板框压滤机过滤过滤 加助滤剂（常用硅藻土等）加助滤剂（常用硅藻土等）鼓式真空过滤机鼓式真空过滤机离心：含固形物较多的发酵液用倾析式离心机。离心：含固形物较多的发酵液用倾析式离心机。倾析式离心机的结构倾析式离心机的结构1 1 发酵液发酵液2 2 固形物出口固形物出口3 3 送料的中空驱动轴送料的中空驱动轴4 4 固形物固形物5 5 螺旋输送器螺旋输送器6 6 液体出口处液体出口处7 7 主驱动轴主驱动轴（二）细胞破碎（二）细胞破碎（欲提取的产物存在于细胞内）（欲提取的产物存在于细胞内）l 机械法机械法 l 物理法物理法l 化学法化学

5、法 l 生物法（酶解）生物法（酶解）l 机械法机械法l 1 1）液体剪切：搅拌、匀浆。）液体剪切：搅拌、匀浆。l 2 2）固体剪切：研磨，珠磨，捣碎。）固体剪切：研磨，珠磨，捣碎。工业上大规模细胞破碎一般采用机械法工业上大规模细胞破碎一般采用机械法 高压匀浆器（利用冷冻挤压原理制成）高压匀浆器（利用冷冻挤压原理制成）球磨机球磨机（三）（三）提取提取 1.1.沉淀法沉淀法 （1 1）等电点沉淀法）等电点沉淀法(isoelectricisoelectric precipitation)precipitation)l氨基酸（两性电解质）氨基酸（两性电解质）在等电点时溶解度最低。在等电点时溶解度最低。

6、l较少单独较少单独使用使用，多与其它方法联合使用（如盐析法、有，多与其它方法联合使用（如盐析法、有机溶剂法），因机溶剂法），因蛋白质蛋白质在等电点仍有一定的溶解度。在等电点仍有一定的溶解度。谷氨酸分子中有两个羧基和一个碱性氨谷氨酸分子中有两个羧基和一个碱性氨基，溶于水后呈离子状态。基，溶于水后呈离子状态。离子态离子态 GAGA+GAGA GA GA GA GA=pH pH 2 3.22 7.0 122 3.22 7.0 12 等电点等电点（2 2）不溶性盐沉淀法）不溶性盐沉淀法 某些代谢产物在一定某些代谢产物在一定pHpH下，能与酸、碱或金属下，能与酸、碱或金属离子等形成不溶性盐沉淀析出，再用

7、适当方法使复离子等形成不溶性盐沉淀析出，再用适当方法使复合物溶解。合物溶解。锌盐法：提取谷氨酸锌盐法：提取谷氨酸钙盐法：提取柠檬酸钙盐法：提取柠檬酸单单 宁：提取酶宁：提取酶（3 3）有机溶剂沉淀法）有机溶剂沉淀法试剂试剂试剂试剂：丙酮、乙醇、甲醇等亲水溶剂：丙酮、乙醇、甲醇等亲水溶剂：丙酮、乙醇、甲醇等亲水溶剂：丙酮、乙醇、甲醇等亲水溶剂乙醇沉淀多糖：乙醇沉淀多糖：在较高的醇浓度下，降低多糖分子与水之间的在较高的醇浓度下，降低多糖分子与水之间的亲和力，使多糖分子之间相互结合形成沉淀。亲和力，使多糖分子之间相互结合形成沉淀。2.2.色谱分离法色谱分离法 色谱法也称层析法，是色谱法也称层析法，是

8、19031903年俄国植年俄国植物学家物学家Michael Michael TswettTswett发现并命名的。将发现并命名的。将植物色素溶液通过装有植物色素溶液通过装有CaCOCaCO3 3 吸附剂的柱吸附剂的柱子，然后用石油醚淋洗，各种色素以不同子，然后用石油醚淋洗，各种色素以不同的速率流动后形成不同的色带而被分开。的速率流动后形成不同的色带而被分开。色谱起源色谱起源色谱色谱组分色素石油醚石油醚碳酸钙颗粒 用色彩（用色彩（chromachroma）和图谱（和图谱（graphsgraphs）组成色谱一组成色谱一词（词（Chromatography)Chromatography)。（1）吸附

9、层析）吸附层析（adsorption adsorption chromatography）原理原理 利用吸附剂对组分吸附能力的差异进行分离。利用吸附剂对组分吸附能力的差异进行分离。通过范德华力、静电引力、疏水作用等与待分离物质通过范德华力、静电引力、疏水作用等与待分离物质的极性官能团作用。的极性官能团作用。常用吸附剂常用吸附剂:活性炭、氧化铝、碳酸钙、磷酸钙（羟基磷灰活性炭、氧化铝、碳酸钙、磷酸钙（羟基磷灰石）、硅胶等。石）、硅胶等。（2 2）离子交换层析）离子交换层析（ion exchange chromatography）l原理原理:根据待分离物质带电性质不同的分离纯化方法。根据待分离物质

10、带电性质不同的分离纯化方法。即：离子交换树脂上可电离的离子与流动相中具有相即：离子交换树脂上可电离的离子与流动相中具有相同电荷的溶质离子进行可逆交换。同电荷的溶质离子进行可逆交换。离子交换剂离子交换剂：离子交换剂由载体离子交换剂由载体、电荷基团和反离子构成。电荷基团和反离子构成。如如羧甲基纤维素离子交换剂组成羧甲基纤维素离子交换剂组成 纤维素纤维素OCHOCH2 2COOCOO-NaNa+载体载体 电荷基团电荷基团 反离子反离子1.1.平衡阶段平衡阶段:离子交换离子交换剂与反离子结合。剂与反离子结合。2.2.吸附阶段：吸附阶段：样品与反样品与反离子进行交换。离子进行交换。3 3、4.4.解吸附

11、阶段：解吸附阶段：用用梯度缓冲液洗脱，先洗梯度缓冲液洗脱，先洗下弱吸附物质，后洗下下弱吸附物质，后洗下强吸附物质。强吸附物质。5.5.再生阶段：再生阶段：用原始平用原始平衡液进行充分洗涤，即衡液进行充分洗涤，即可重复使用。可重复使用。12345原始缓冲溶原始缓冲溶液的反离子液的反离子样品溶液样品溶液梯度浓度梯度浓度Ion-exchange chromatography 氨基酸的分离氨基酸的分离(阳离子交换树脂阳离子交换树脂)用用pHpH递增的柠檬酸盐缓冲溶液洗脱递增的柠檬酸盐缓冲溶液洗脱侧链侧链p pK Ka a增大的氨基酸增大的氨基酸3.3.膜分离膜分离（membrane separatio

12、nmembrane separation）借助一定孔径的高分子薄膜，将不同大小、形借助一定孔径的高分子薄膜，将不同大小、形状、性质的颗粒或分子进行分离的技术。状、性质的颗粒或分子进行分离的技术。特点特点：（1 1）不涉及相变，对能量要求低。不涉及相变，对能量要求低。（2 2）条件较温和，适于热敏性物质的分离。）条件较温和，适于热敏性物质的分离。（1）扩散膜分离扩散膜分离 透析（又称渗析，透析（又称渗析，Dialysis Dialysis，DSDS）溶质分子溶质分子Y 从高浓度一侧通过半透膜（孔径从高浓度一侧通过半透膜（孔径510nm）向低浓度一侧移动向低浓度一侧移动 透析工作图透析工作图（2）

13、加压膜分离）加压膜分离 根据所截留物质颗粒大小及操作压力的不同，分为：根据所截留物质颗粒大小及操作压力的不同，分为：截留颗粒直径截留颗粒直径操作压力操作压力微滤微滤0.22 m0.1MPa超滤超滤20A 0.2 m0.1 1.0MPa反渗透反渗透20A1.0 10MPa（3）电场膜分离）电场膜分离 电渗析电渗析（ElectrodialysisElectrodialysis，EDED）在离子交换膜的两侧分别装上正、负电极。在离子交换膜的两侧分别装上正、负电极。膜分离法膜分离法传质推动力传质推动力应用应用微微滤滤 0.1 MPa除菌，回收菌除菌，回收菌超滤超滤0.11.0 MPa分离病毒及生物大分

14、子分离病毒及生物大分子的的回收和浓缩，除去热原回收和浓缩，除去热原反渗透反渗透1.010 MPa盐、氨基酸及生物大分子盐、氨基酸及生物大分子的浓缩、淡水及纯水制备的浓缩、淡水及纯水制备透析透析浓差浓差脱盐，血液透析脱盐，血液透析电渗析电渗析电位差电位差脱盐，脱盐，海水淡化，纯水制海水淡化，纯水制备，备，氨基酸和有机酸分离氨基酸和有机酸分离各种膜分离法的应用范围各种膜分离法的应用范围（三）精制（三）精制大分子（如蛋白质）的精制常依赖于层析技术。大分子（如蛋白质）的精制常依赖于层析技术。小分子物质的精制常利用结晶技术。小分子物质的精制常利用结晶技术。1.结晶法原理结晶法原理 利用只有同类分子或离子

15、才能排列成为晶利用只有同类分子或离子才能排列成为晶体的性质进行物质分离。体的性质进行物质分离。2.2.结晶的条件结晶的条件 过饱和（过饱和（SupersaturationSupersaturation）溶液的形成是结晶溶液的形成是结晶的原推动力和首要条件的原推动力和首要条件。（1 1）纯度：纯度愈高愈易结晶，通常不低于）纯度：纯度愈高愈易结晶，通常不低于5050。（2 2）浓度：有合适的浓度范围，）浓度：有合适的浓度范围，控制在饱和区以上，控制在饱和区以上，过饱和区以下的介稳区内。过饱和区以下的介稳区内。介稳介稳区：区：过饱和溶液，但过饱和溶液，但过量的溶质并不马上过量的溶质并不马上结晶析出，

16、溶液具有结晶析出，溶液具有相对稳定性。相对稳定性。谷氨酸浓度为谷氨酸浓度为4 48 8时，易得到结晶。时，易得到结晶。3.5%88时，易析出时，易析出 谷氨酸（质轻，纯度低）谷氨酸（质轻，纯度低）（3 3）pHpH值：值：pIpI处，缓慢加酸。处，缓慢加酸。（4 4）温度：低温，溶解度小，有利于结晶。）温度：低温，溶解度小，有利于结晶。（5 5）晶种：掌握好时机，在介稳区投晶种。）晶种：掌握好时机，在介稳区投晶种。过早：溶化过早：溶化 过晚：刺激细小晶核形成过晚：刺激细小晶核形成 起晶方法：起晶方法：（1 1）自然起晶法（不常用）自然起晶法（不常用)蒸发浓缩至不稳区，加稀溶液进入介稳区，形成晶

17、体。蒸发浓缩至不稳区，加稀溶液进入介稳区，形成晶体。（2 2）刺激起晶法（生产粉末味精）刺激起晶法（生产粉末味精）蒸发浓缩至介稳区，冷却进入不稳区，析出晶核。蒸发浓缩至介稳区，冷却进入不稳区，析出晶核。（3 3）晶种起晶法（生产结晶味精）晶种起晶法（生产结晶味精）蒸发浓缩至介稳区的较低浓度，投晶种。蒸发浓缩至介稳区的较低浓度，投晶种。（四）成品加工（四）成品加工（polishingpolishing）1.1.浓缩：浓缩：方法：离心、过滤与膜分离、沉淀及各种吸水剂。方法：离心、过滤与膜分离、沉淀及各种吸水剂。蒸发浓缩：通过加热或减压方法使溶液中的部分溶剂蒸发浓缩：通过加热或减压方法使溶液中的部分溶剂汽化蒸发，使溶液浓缩的过程。汽化蒸发，使溶液浓缩的过程。抽真空降低蒸发温度。抽真空降低蒸发温度。2.2.干燥干燥（1 1）加热干燥）加热干燥（2 2）真空干燥）真空干燥（3 3）冷冻干燥）冷冻干燥（4 4）吸附干燥）吸附干燥 真空干燥：真空干燥：边抽真空边加热，使物品在较低温度下干燥。边抽真空边加热，使物品在较低温度下干燥。冷冻干燥：冷冻干燥：冷冻后抽真空，使水分直接升华到气态。冷冻后抽真空，使水分直接升华到气态。