几种新型分离技术在发酵工业中的应用1.pdf

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1、几种新型分离技术在发酵工业中的应用 浙 江工学 院化工 系 钟光祥 目前，在发 酵工 业中，常用的分离方法 有 t过滤、离心分离、结晶、萃取、沉淀，盐析、精馏等，这几种分离方法应用较广，工艺 比较成熟，但有较 大的局 限性。在发酵工业中，作为分离对象 的 发 酵 液，一般具有下列特点t 1含有大量的水 分，产物浓度较稀 2含有菌体蛋白质等 固体成分，对温度非常敏感3台有用作 培养基成分的无机盐，4除产物外，还含 有微量副产物及色素类杂质，5所形成的 产物，易受到杂菌的进一步作用丽污染和损 失I 6发酵液澈缩时起泡厉害，易生成粘 性质物质，具有很高的粘度。因此，在分离 精制发酵产物时，必须对p

2、H，温度予 以 特 别重视，为此，国内外对分离技术进行了不 少研究。在这里介绍几种适合子发酵工业较 为先进的新型分离技术，以供参考。一 膜分离技术 近十年来，膜分离技术发展迅速，在许 多领域得到了应用。所谓膜分离，就是混合 物中的组分在化学位或皂位学位梯度的作用 下，通过一特定的界面一一膜进行传递，由 于组分在 膜中具有不 同的传递 速度而使 混合 物中的各组分得以分离。与常规分离方法比较，膜分离技术具有 许多优点t 1可在无热负荷的条件下进行 处理 I 2可对不同分子量的物质进行分圾 分离 3可在密闭系统中进行处理I 4 可提高分离液的澄清度 5可以除去热原 物质。同时，膜分离过程简单，以相

3、同的原 理，可以解决许多不同场合中的不同问题，分离过程一般无相变化，从而减少了能耗，操作可以在常温下进行，所形成的废产物只 是进料中一些不希望要的组分，不会增加褥 染。在发酵工业中，膜分离方法常和其他方 法结合起来使 用，以提 高分离过 程 的 经 济 性。四、结语 随着科学技术 的发展，学 科 的交叉是 必 然趋势，故 当今生 物技 术 的进步是 多学 科探 讨的焦点。生 物反 应器 是发酵工 业的必要 手 段。由上 可看 出发酵、食品工 业的传 统工艺 中由于 引进 了生 物反应器技术，而使 生产 过程连续化，提 高产 品质 量，乃致 改造畲 品 40 性质，阵低成本，开拓食品原料来 源

4、及 用 途。因此，日本建立的生物反应器体系技术 开发联 合体 为世界各 国所 瞩 目。国外对各种 需要和 反应器 研 究得较 广泛，并取得重大 成 果。我国广泛应用的仍是传统的生 物 反 应 器，新式的适应于各种需要的反应器研究不 多，我们应采用多兵 种联合作 战的方式，能 在尽可能短 的时期 内取得 丰硕 的成果。_ f 维普资讯 http:/ l 表 1 发 酵工 业上膜分离技术 的应用 膜 分离技术 分 离的驱动力 精密过滤(MF)i 压 差 l 应 用 发酵液中细胞及细胞残骸的排除，啤酒 I或葡萄酒的除菌过滤。电渗析(E D)电 位 差 l蛋白质或干扰紊潦液的除离子。汽 化 渗 透(P

5、 v)压 力 温 度 i乙 醇 的 浓 缩。1粗津 趣澹用 的滤膜，孔径大致 为数十到数百 0 埃，所能过滤的颗粒直径为5 1 0 0 A，即 能 对分子量为5 0 0 以上的溶质截留。利用 趣 滤 膜，可在连续酶反应中使产品不断排出，但 酶不排 出而保持 一定浓度，其操作压力 一般 为 1 MP a 巴以 下。应 用举 例。超滤 法 曾用于浓缩地 衣芽 孢 杆菌2 7 0 9 碱性 蛋白酶的发酵液。采用丙烯腈 0 类管状半透膜，孔径 6 0 0 A，管式内 流 型 超滤器，二组 串联，管 内压力0 3 5 O 3 7 Mp a 流速 3 m s，料温 3 0。C。经一次超滤后，可 将酶液浓

6、缩大 约5 2 倍，酶活力从3，3 0 0 单 位 r n l 提高到 1 7，0 0 0 单 位ml，酶活力损失 5 ，杂蛋 白去除5 O 左右 干物质去除 7 O，色 素只有少 量去除。超滤法浓缩酶液，和以往采用 的刮板蒸 发器浓缩方法比较，具有酶活力损失小，浓 缩倍数高，节约能源，设备简单等优点，而 且超滤能 同时除去低分子杂质和部 色 素 使酶液浓 度提 高。2反渗透 0 反渗透所用的滤膜孔径 8 A所 能 过 滤的颗粒直径 5A，适用于分离小分子的 物质。目前，应用较广的是海水和昔成水的 淡化、水 软化、制造超纯 水和污水处理等。在发酵工业中，用于蛋 白质 酶，啤酒等的 不加热浓缩，

7、以及一些食品的脱盐等。反渗 透 需要较 高的工 作压力，一般 为I I o MP a。应用举例在葡萄酒酿造中，利用反渗 透浓缩葡萄果汁。试验用的反渗透装置，是 以 酷酸纤维索为素材的管型膜。据报导，实验室 内试验循 环流量8 6 0 升 d,时，泵压力4 5 MP a 供 给果 汁浓度1 5 8。B X的葡 萄果汁2 3 6 2 升，得到 浓度 为2 7。B X的浓缩液 1 4 9 8 升，果汁 浓 度 提高1 5 8 倍，膜总面积 1 6 8 m 。3电渗析 电渗析是在半透膜二侧加电极，使可透 过膜 的带 电物质 彼此分开 的方 法。此法常 因 电流作用产 生大 量 的热，需要 附加 冷 却

8、 装 置，才能保 证透 析的正常进 行。此外，通 电 时，产生电渗流，也对膜分离带来 不 良 影 响，因此，在发酵工业上不如超滤那样受 41 维普资讯 http:/ 欢 迎。用 电渗析法分 离带 电荷 的生 物 夫 分 子 时需经凝胶 电泳，将样 品初步分 开，再通 过电渗析方法，使所需组分与凝胶分离。该法 曾用于分离质粒D N A。4汽化渗透 汽化渗透 是分离液 体混台物 的一种新 型 膜分离技术。当在选择性渗透膜的下游侧抽 真空或通以惰性气流，以把渗透组分的蒸汽 压控制到接近予零，从而造成膜两 侧 分 匿 差，作为传质推动力 的膜 分离 过程，称为汽 化渗透过程。汽化渗透过程包宙了分离组分

9、 渗透穿过膜，同时以蒸发从膜下游表面离开 的过程。由于膜下 游产 品的分压可 由真空系 统使之达到极低程度 甚至接近于零，因 此，其渗透 率几 乎 可为反渗透 的最 大流率。二、色谱分离技术 所谓色谱分离技术，就是以各种固体或 者液体为固定相，用适当的展开荆将在固定 相一端 的混台物送入其内通过，利用各组分 吸 附性质 或分配 系数 之差 的传递 速度 之差，而 使组分互相分开的技术 色谱分离是晟近 被开发和应用的一种新颖分离技术，它能分 离某些用精馏等倦规方法难 以分离 的 混 合 物。表 2用 于分离 蛋 白质的几种液相色谱分 类 I 【类型 分 配系 数 i 分 离麻 理l区 带迁 移

10、牢 I J I 凝肢过滤I 恒定 离子交换f(I P Hc)分子形状 I 恒 量 电荷1 变 量 4 2 在发 酵工业 中，用 于作为酶或蛋 白质等 发 酵 产 物 的分离 手段一 般为 液相色谱，该 法特别适 用于某 些对 高温、p H不稳定 的产 物。色谱法 与其 他分离方法相 比较，存在 成 本 高，处理 量小 的缺点。其解决方 法为 一 一 是采用大容量层析柱，并采取 自动控制操作 周期，以提高分离效率；二是使固定相与移 动相呈 逆向或错 扫 f I：方式 进行 连续分离。1凝胶 过滤 色谱技术 凝胶过滤是6 O 年代发展起来的一种简便 而有效的分离方法，适用于分离和提纯蛋白 质、酶、

11、多糖、核酸、激 素、氨基酸，多驮 抗菌素以及病毒等大分子物质，以及这些物 质溶 液的脱盐浓缩、脱 色和缓冲剂 的 置 换 等。该法的优点是 t操作简单、分离迅速，结果的重演性高、成本低，产品质量高、设 备筒单、占地面积小、操作安垒、无需再生 处理等。其不足之妣是对物料的粘度有一 定限制，对芳香族物质有 一定吸附作用而不 能分离，分离能力仅限于分子大小等。应用举例 t核苷酸提 纯，是用磷酸二酯 酶降解核糖核酸 成5 核苷酸 的产物 中，含 有未降解的核酸、蛋白质、色素之类的杂质，不能作为注射液。核苷酸的_平均分 子 量 为 4 O O 左 右，远 比上述 杂质 的分 子小，故 可 采 用凝胶过滤

12、去 除杂质，以获 得单一 的核 苷 酸 所用的凝胶 型号为G一2 5，2 5 2 6日，分 离柱为们 01 5 0 c m，凝胶用量为6 7 k g，每次上柱量8 0 0 0 m!，洗脱液为蒸馏水，流速 为1 5 0 1 6 0 ml rai n，收得率为8 O。2离子变换涪 离 子交换 是一种在很 多工业部 门被广泛 应 用的重要 提取方法，其 优点是提 取 周 期 短、成本低、设备简单、操作方便，缺点是 辅助时 间长，需耗 用相 当数量 的酸 碱 再 生 剂 在某些情 况下，用离 子交 换制得 的产 品 质量较差，p H变化范圃大，对某些稳 定 性 维普资讯 http:/ l 较差 的产品

13、不适 用。在实际应用 中，为了提岛交换容 量减 少 吸附离 子的漏失，并使冼脱液 的 浓 度 提 高，就 要求在交 换过程 中，离 子分界 线 明显，分层清楚。在某些情况下，如从发酵液中吸附 抗菌素时，常会使离子分界线发生某种程度 的模糊，只有在 交换柱 的上部，树酯 才为抗 菌 素所完全饱 和，为了使树脂达 到最大饱 和 度，必 须采 用多 柱 串联，同 时，要求 交换柱 形 状要 细长些。应用举例 用离 子交换 法提 取谷 氨酸。谷氨酸发酵液中，通常含有 3 7 的谷氨 酸、NH c l、其他氨基酸(酸性 中性、碱 性)，有机色 素和其他 阴 阳离 子，不能起 交 换作用的约有 2 的菌体

14、，i 以下的残糖 和少量蛋白质及有机酸等，其中，氮离子的 当量 浓度 约为 谷氨酸 当量浓 度 的 1 3 1 8 倍，其他氮基酸及金属离子约为谷氨酸 当量 浓度 的0 1 倍。离子交换栗用反上桂操作，发酵液稀释(p H5 O 5 5)+反 上柱(7 3 2 阳离 子交 换 树脂)46 0。C，4Na O H洗脱一 高流分 收 集一 调p H3 2 一至重结 晶分 离等。3亲 和色谱洼 亲和色 谱法是近 年来发展起来 的一种极 为有效 的酶 提纯 方法，主要是 利用 酶和底 物、抑 制荆或者辅酶具有一定 的结台能力这 一性质 未 提纯 分离酶。首先，选择一种支 撑物，如琼脂糖或者具有其 他功

15、能基团 的载 体，把 竞争性抑制荆或 辅酶 以共 价健的方法 连 接在 支撑物上，然后使含 酶的抽提 液流经 装有 竞争 性抑制剂或 辅酶的层析柱，酶保留 在支撑物上。经过充分洗涤以后，用含有一 定 浓度 的底物或竞争性 抑制荆或辅 酶 缓 冲 液，竞争洗脱。在实际应用中，如表 3所示，各种酶的 特异性抑制剂可提得 惋，收率 达 到 9 O 9 5，而且这种抑制荆分离吸附柱后经使用 后，活性不会下降，因而可以反复使用。4连续 色谱 遘 为了克服色谱法处理量小的缺点，已开 发应用于工业的连续色谱法有模拟移动床型 色谱和环型连续色谱。表 3 用固定化亲和层析技术分离抑l制剂 固定化酶 分离的抑 制

16、剂及其来源 I 收率 胰蛋白酶抑制剂。人骧脏 9 5 胰蛋 白酶抑制剂。猪胰 脏 9 O 9 5 胰蛋 白酶 胰蛋 白酶 抑制 剂。狗胰脏 r 9 O 胰蛋 白酶抑制剂。牛胰脏 9 O 9 5 胰蛋 白酶抑制剂。小自鼠精囊 7 5 8 5 麋蛋 白酶 胰 蛋 白酶一激髓释放酶抑制 剂。牛胰脏 9 O 激肽释放酶 胰蛋白酶一激肽释放酶抑制剂 牛的各种脏器 6 O 9 O 4 3 维普资讯 http:/ 在生化 工业中，用交联葡萄糖 凝胶 G一 7 5 从牛心脏提取物 中分离 肌 红蛋 白和血红蛋 白，用交联葡萄糖 凝胶G一 2 5 从脱脂乳 中 进 行成分分离，用强酸型离子交换树脂(D o w

17、c x 5 0 W-X8)连续分离铜，镍、钴的两 种 络 合 物 四个成分，均取得 了成功。三、电泳技术 在发酵工业中，许多产 物如氨基酸、多 肽、蛋白质、核酸等，都具有可电 离 的 基 团，在溶液中形成带电荷的阳离子和 阴 离 子，此外，具有 相同 电荷 的分 子，由于它 们 在分 子量上 的差别 而有 不 同的荷质 比。由于 上述这些差异，足以使溶液中的离子在电场 中有不同的迁移。发酵工业中，所用到的电 泳有 幕式(连续)电泳不连续 的(圆盘)电泳，免疫 电泳，等 电聚焦、等速 电泳等。等速电泳法，有如下特征。i扩教对 分离的影响 比一般 的电泳小 2 对在等电点 附近不稳定的蛋白质可以避

18、开等电点的p H 进 行 电泳，3用 提高先 导液 的方法，可 以浓 缩 4把适 当的两性 物质作为 电泳 物质 问 的间隔基，可以高纯度地分离 目的物质。由 于上述 这些特征，等速 电泳 不仅可应 用 于无 机离子、有机酸、氨基酸及肽等低分子的定性 定 量分析，而且正在尝试用 于蛋 白质 等高分 子化台物。这种 电泳法主要用 于分 析，但 也 有应用于蛋白质的分离精制。曾有 报道，用 等遮 电泳法分 离蛋 自质，取得 了成功。所用的配对离子为T r i z，先 导 离 子为酒石酸，样品蛋白质为白蛋 白(B S A)、血 红蛋 白(Hb)、肌红蛋 白(Mb)，两性截 体 间隔物用半胱氨酸(C

19、y s)及组 氨 酸(H)。四、磁分 离技术 细胞 和微球 体磁标记技术 的新发展，使 44 得高梯度 磁分离器(HGMS)的应用 范围扩 展到 了发酵 工业。磁分 离技 术是利用物质 的 不 同磁 性来分离。磁分 离技术在 工业上有 许多潜在性 的用 途，应用领域很 广，如发酵工 业、食 品 工 业、固定化细胞、酶和其他蛋 白质、废水处 理等。利用磁性 固定化酵母发酵生产酒精，也有研究。预先处理掉废 物和菌体的酒精发 酵液中，还含有悬浮 物或 粘性 物，用磁 分离 技术 是理 想 的方法。五、新型分 离技术在 酒精 发酵 中的应 用 在酒精的发酵过程中，大多数的酒精发 酵是在较低的糖浓度(2

20、 0 0 8 L)下进行，以减少产物和底物的抑制影响，生成乙醇浓 度较低(6 1 0 v V)，因此，大量的能量消 耗在产 物的蒸(精)馏过程中。有报道，蒸 馏过程 的能耗 占总成本 的一半 左右。为了克服上述的缺点，国内外对酒精发 酵的几个途径进行了研究，其中包括酒精的 萃取发酵 和超 临界 萃取发 酵。i苹取发酵 在 酒精发酵 中，萃取剂 的选 择依 据为，1)难 溶于水 2)有较大 的分配系数 3)对使用的菌种无毒性 4)容易灭菌等。曾 有文 献报道 l 将S C e r e,v e 用海藻酸钙包 埋 固定，并在凝胶 内加 5l 0 蓖麻 油作保 护基，用邻一特丁基苯酚和邻一异丙基酚作

21、革取剂，进行 萃取发酵。在邻一特丁基苯酚 存 在条件下，显示出tr 与没 有该溶剂存在时 一样 的酒精发 酵能力 当发酵液 中酒精 浓度 达到 l l 0 g l 时，加入等量 的邻 一特丁 基苯酚 萃取牺 精，与不添加溶剂时进行 比较，发现 萃取工艺 生成较多的酒精，从而 确认 了其有 效性。用 萃取发 酵法产生 酒精，不 仅可 以克 服 由于产 物的积累对生产 菌 活力 的 抑 制 作，|维普资讯 http:/ 日本清凉饮料现状及其特性饮料 前言 1 9 8 9 年 日本清凉饮料产量超过 8 5 0 万k l，接 近9 0 0 万k l，这是历 史最高产量，3 0年 前 的1 9 5 9

22、年只 不过 4 O 万，与那时相 比增加 了 2 0 倍 以上，发 展为生产淦 额 2 兆 8 0 0 0亿 日 元的 巨大食 品产业。回顾 3 0 年 前，当时是汽水，柠 檬水 的世 界，除此还有 添加 步量果汁的饮料，人 们称 这种饮料为果汁，而大家都知道，现在所说 的果汁饮料是指1 0 0 的皋汁。到 了1 9 6 1 年，可 口可乐、百事可乐相 继 问市，由于 其独特 的风味和灵活 的 销 售 方 式，成为清 凉饮料的主 宰。由于 这两 种饮料 的刺激 作用，各种清凉饮料开始上 市，进 而 形成 现在这 样较大规模的 市场。清凉饮科可分为三大类，碳酸饮料、水 果饮 料及 新 型饮 料。

23、这些 饮科 中包括咖啡恢 料，运动饮料、乌龙茶或红茶饮料等茶类饮 料。最近发展较快的特性饮料，如含碳酸的 为碳酸饮料、不含碳酸的为新型饮料。碳酸 饮料，水果饮料、新型饮料，再细分现在可 分为2 4 种，将来还会 增加。去年由于气候 经济形势较好以及促进 用，而且可 以节省 从稀薄 的发酵 液中提取产 物所需的能量。2超临界c 0 萃取发酵 作为一 个分离过程，超临界气体 萃取 介 于精馏 和液体 萃取 之间。所 谓超 临界气体，就 是处 于临界 温度，临界压 力之上的流 体，该技术是近2 0 年发展起来的一个分离技术。在酒精工业中，曾有文献报导：采用 C O 超 临界 萃取发 酵生产 酒精。采

24、 用该法，具有 较为 明显 的优点。1)C O 为本反应 的副 产 物，采取C O 作为超临 界萃 取刺，可将 产 物 的萃取与C O 的 回收 同时进行 2)由发 酵 过程 中可知，C O 对 乙醇 的生产 菌无 毒 性，无抑制作用，且对人体等无毒，不降低发酵 酒精 的质 量，不 引入额外 物质 3)由于对 酒 精的选择性 高，因此，在发 酵器 内，可以 通过降低酒精的浓度，来降低乙醇对发酵的 抑 制作用，以维持 高的生产 能力，4)无需 细胞循环或固定化，即可维持高水平的细胞 浓度 5)从能 量需要 的观点，使用 C O 超 临界气体萃取是很有希望的。由于超 临界c 0：萃取，发 酵的压力必 须 在 C O 的临界压 力之上，对发酵 器的耐 压要 求 提高。应用面 包酵母，在 高压下实验表明；压力对酒 精生产 有显 著 的抑制影 响，随着 f 丘 力 的增加，生产 速率和最终酒精浓度显著 下 降。采用C O 作萃取剂，作为 弱的缓 冲剂，在 高压下，C O。能 降低发酵液 的p H，对发 酵 过程有一定程度的影响。事实上，近年来，应用于发酵 工业上 新 型分离技 术很多，本文仅 作一些简 单 的 介 绍 4 5 维普资讯 http:/