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1、发酵液预处理与浓缩发酵液预处理与浓缩n n原料液中目标产物的原料液中目标产物的原料液中目标产物的原料液中目标产物的浓度一般都很低浓度一般都很低浓度一般都很低浓度一般都很低，如，如，如，如 L-L-异异异异亮氨酸浓度为亮氨酸浓度为亮氨酸浓度为亮氨酸浓度为2.42.4，青霉素为，青霉素为，青霉素为，青霉素为3.63.6，庆大霉素，庆大霉素，庆大霉素，庆大霉素为为为为0.20.2，胰岛素仅为，胰岛素仅为，胰岛素仅为，胰岛素仅为0.0010.001。n n原料液中原料液中原料液中原料液中成分复杂成分复杂成分复杂成分复杂，常存在与目标分子结构极，常存在与目标分子结构极，常存在与目标分子结构极，常存在与目
2、标分子结构极其相似的分子及异构体。其相似的分子及异构体。其相似的分子及异构体。其相似的分子及异构体。n n当生物技术产品是食品或药物时，当生物技术产品是食品或药物时，当生物技术产品是食品或药物时，当生物技术产品是食品或药物时，溶剂溶剂溶剂溶剂的使用的使用的使用的使用受到一定的限制，萃取、色谱等手段会受到一受到一定的限制，萃取、色谱等手段会受到一受到一定的限制，萃取、色谱等手段会受到一受到一定的限制，萃取、色谱等手段会受到一定的定的定的定的限制限制限制限制。n n发酵液发酵液发酵液发酵液成分一般不稳定成分一般不稳定成分一般不稳定成分一般不稳定。原料液原料液特点特点发酵液放罐后，应及时快速操作，原
3、因在于发酵液放罐后，应及时快速操作，原因在于1.菌体可能自溶菌体可能自溶2.容易被杂菌污染容易被杂菌污染3.引起产物的破坏和降解。原料液中常存在引起产物的破坏和降解。原料液中常存在降解目标产物的杂质，如可水解目标蛋白质降解目标产物的杂质，如可水解目标蛋白质的蛋白酶。的蛋白酶。下游技术可分为下游技术可分为4个阶段，即个阶段，即预处理、提取、预处理、提取、精制、成品制作精制、成品制作，如图所示。，如图所示。预处理预处理预处理预处理细胞分离细胞分离细胞分离细胞分离细胞破壁细胞破壁细胞破壁细胞破壁碎片分离碎片分离碎片分离碎片分离提取提取提取提取精制精制精制精制成品制作成品制作成品制作成品制作 加热加热
4、加热加热过滤过滤过滤过滤匀浆法匀浆法匀浆法匀浆法离心离心离心离心沉淀沉淀沉淀沉淀(重重重重)结晶结晶结晶结晶浓缩浓缩浓缩浓缩 调调调调 pHpH离心离心离心离心研磨法研磨法研磨法研磨法双水相双水相双水相双水相吸附吸附吸附吸附干燥干燥干燥干燥 絮凝絮凝絮凝絮凝膜分离膜分离膜分离膜分离酶解法酶解法酶解法酶解法膜分离膜分离膜分离膜分离萃取萃取萃取萃取色谱分离色谱分离色谱分离色谱分离无菌过滤无菌过滤无菌过滤无菌过滤超滤超滤超滤超滤膜分离膜分离膜分离膜分离结晶结晶结晶结晶下游技术一般工艺过程下游技术一般工艺过程下游技术一般工艺过程下游技术一般工艺过程预处理预处理细胞分离细胞分离细胞破壁细胞破壁加热加热过
5、滤过滤匀浆法匀浆法调调pH离心离心研磨法研磨法絮凝絮凝膜分离膜分离酶解法酶解法碎片分离碎片分离提取提取精制精制成品制作成品制作离心离心沉淀沉淀(重重)结晶结晶浓缩浓缩双水相双水相吸附吸附干燥干燥膜分离膜分离萃取萃取色谱分离色谱分离无菌过滤无菌过滤超滤超滤膜分离膜分离结晶结晶原料液原料液细胞分离细胞分离(离心，过滤离心，过滤)细胞胞内产物细胞胞内产物细胞破碎细胞破碎碎片分离碎片分离清液胞外产物清液胞外产物粗分离粗分离(盐析、萃取、超滤等盐析、萃取、超滤等)纯化纯化(层析、电泳层析、电泳)脱盐脱盐(凝胶过滤、超滤凝胶过滤、超滤)浓缩浓缩(超滤超滤)精制精制(结晶、干燥结晶、干燥)包含体包含体溶解溶
6、解(加盐酸胍、脲加盐酸胍、脲)复性复性第一节第一节发酵液预处理发酵液预处理1、降低黏度、降低黏度n n加水稀释加水稀释：简单，增体积、降低产物浓度。：简单，增体积、降低产物浓度。n n加热升温加热升温：柠檬酸发酵，：柠檬酸发酵，90，蛋白质变，蛋白质变性凝固，利于过滤性凝固，利于过滤2、凝聚、絮凝凝聚、絮凝改变粒子分散状态，形成大改变粒子分散状态，形成大颗粒，利过滤颗粒，利过滤凝聚与絮凝n n凝聚与絮凝处理过程就是将化学药剂预先投加凝聚与絮凝处理过程就是将化学药剂预先投加凝聚与絮凝处理过程就是将化学药剂预先投加凝聚与絮凝处理过程就是将化学药剂预先投加到悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体到悬
7、浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体到悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体到悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，使它们聚集粒子的分散状态，破坏其稳定性，使它们聚集粒子的分散状态，破坏其稳定性，使它们聚集粒子的分散状态，破坏其稳定性，使它们聚集成可分离的絮凝体，再进行分离。成可分离的絮凝体，再进行分离。成可分离的絮凝体，再进行分离。成可分离的絮凝体，再进行分离。n n凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。n n凝聚凝聚凝聚凝聚：指在投加的化学物质（铝、铁盐类）作：指在投加的
8、化学物质（铝、铁盐类）作：指在投加的化学物质（铝、铁盐类）作：指在投加的化学物质（铝、铁盐类）作用下，使胶体体系不稳定并使粒子相互聚集成用下，使胶体体系不稳定并使粒子相互聚集成用下，使胶体体系不稳定并使粒子相互聚集成用下，使胶体体系不稳定并使粒子相互聚集成 mm mm mm mm 大小块状凝聚体的过程。大小块状凝聚体的过程。大小块状凝聚体的过程。大小块状凝聚体的过程。n n絮凝絮凝絮凝絮凝：指使用高分子絮凝剂将胶体粒子交联成：指使用高分子絮凝剂将胶体粒子交联成：指使用高分子絮凝剂将胶体粒子交联成：指使用高分子絮凝剂将胶体粒子交联成网，形成网，形成网，形成网，形成10 mm10 mm10 mm1
9、0 mm大小絮凝团的过程。其中絮凝大小絮凝团的过程。其中絮凝大小絮凝团的过程。其中絮凝大小絮凝团的过程。其中絮凝剂主要起架桥作用。剂主要起架桥作用。剂主要起架桥作用。剂主要起架桥作用。常用絮凝剂常用絮凝剂n n聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺类：用量少，絮凝体粗大，分离效果好，类：用量少，絮凝体粗大，分离效果好，类：用量少，絮凝体粗大，分离效果好，类：用量少，絮凝体粗大，分离效果好，絮凝速度快，适用范围广。絮凝速度快，适用范围广。絮凝速度快，适用范围广。絮凝速度快，适用范围广。n n无机高分子聚合物无机高分子聚合物无机高分子聚合物无机高分子聚合物n n天然有机高分子絮凝剂天然有机高分子
10、絮凝剂天然有机高分子絮凝剂天然有机高分子絮凝剂，如壳聚糖和葡聚糖等聚糖，如壳聚糖和葡聚糖等聚糖，如壳聚糖和葡聚糖等聚糖，如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类，还有明胶、骨胶、海藻酸钠等。类，还有明胶、骨胶、海藻酸钠等。类，还有明胶、骨胶、海藻酸钠等。类，还有明胶、骨胶、海藻酸钠等。n n微生物絮凝剂微生物絮凝剂微生物絮凝剂微生物絮凝剂是近年来研究和开发的新型絮凝剂，是近年来研究和开发的新型絮凝剂，是近年来研究和开发的新型絮凝剂，是近年来研究和开发的新型絮凝剂，由微生物产生的具有絮凝细胞功能的物质。主要成由微生物产生的具有絮凝细胞功能的物质。主要成由微生物产生的具有絮凝细胞功能的物质。主要成由微生物产生的具
11、有絮凝细胞功能的物质。主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分子物质。分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分子物质。分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分子物质。分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分子物质。微生物絮凝剂和天然絮凝剂与化学合成的絮凝剂相微生物絮凝剂和天然絮凝剂与化学合成的絮凝剂相微生物絮凝剂和天然絮凝剂与化学合成的絮凝剂相微生物絮凝剂和天然絮凝剂与化学合成的絮凝剂相比，最大的优点是安全，无毒和不污染环境。比，最大的优点是安全，无毒和不污染环境。比，最大的优点是安全，无毒和不污染环境。比，最大的优点是安全，无毒和不污染环境。3、调整、调整PH4、加入反应剂、加入反应剂环丝氨酸
12、发酵液，氯化钙、磷酸盐生成沉淀。环丝氨酸发酵液，氯化钙、磷酸盐生成沉淀。环丝氨酸发酵液，氯化钙、磷酸盐生成沉淀。环丝氨酸发酵液，氯化钙、磷酸盐生成沉淀。n高价无机离子的去除高价无机离子的去除n nCaCaCaCa2+2+2+2+草酸草酸草酸草酸n nMgMgMgMg2+2+2+2+三聚磷酸钠三聚磷酸钠三聚磷酸钠三聚磷酸钠n nFeFeFeFe3+3+3+3+黄血盐黄血盐黄血盐黄血盐 （普鲁士蓝）（普鲁士蓝）（普鲁士蓝）（普鲁士蓝）n蛋白质去除蛋白质去除n n加热加热加热加热n n调调调调pH(pH(pH(pH(草酸，无机酸或碱草酸，无机酸或碱草酸，无机酸或碱草酸，无机酸或碱)蛋白质的变性蛋白质
13、的变性n n最常用的使蛋白质变性的方法是最常用的使蛋白质变性的方法是最常用的使蛋白质变性的方法是最常用的使蛋白质变性的方法是加热加热加热加热。加热还。加热还。加热还。加热还能使液体粘度降低，加快过滤速度。能使液体粘度降低，加快过滤速度。能使液体粘度降低，加快过滤速度。能使液体粘度降低，加快过滤速度。n n链霉素生产中，采用链霉素生产中，采用链霉素生产中，采用链霉素生产中，采用调调调调pHpHpHpH至酸性（至酸性（至酸性（至酸性（pH3.0pH3.0pH3.0pH3.0），），），），加热至加热至加热至加热至70707070，维持半个小时的方法来去除蛋白，维持半个小时的方法来去除蛋白，维持半个
14、小时的方法来去除蛋白，维持半个小时的方法来去除蛋白质，能使过滤速度增大质，能使过滤速度增大质，能使过滤速度增大质，能使过滤速度增大10-10010-10010-10010-100倍，滤液粘度可倍，滤液粘度可倍，滤液粘度可倍，滤液粘度可降低降低降低降低1/61/61/61/6。第二节第二节过滤、细胞破碎、结晶过滤、细胞破碎、结晶过过滤滤是是在在某某一一支支撑撑物物上上放放过过滤滤介介质质，注注入入含含固固体体颗颗粒粒的的溶溶液液，使使液液体体通通过过，固固体体颗颗粒粒留留下，是固液分离的常用方法之一。下，是固液分离的常用方法之一。助助滤滤剂剂是是一一种种具具有有特特殊殊性性能能的的细细粉粉或或纤
15、纤维维，它能使某些难以过滤的物料变得容易过滤它能使某些难以过滤的物料变得容易过滤常用的助滤剂：硅藻土常用的助滤剂：硅藻土、珍珠岩。珍珠岩。一、过一、过滤滤1.过滤设备的分类过滤设备的分类 根据推动力的不同可分为四类根据推动力的不同可分为四类（a）重力过滤重力过滤自然过滤自然过滤（b）加压过滤加压过滤板框过滤板框过滤（c）真空过滤真空过滤真空过滤器真空过滤器（d）离心过滤离心过滤离心过滤器离心过滤器2.过滤介质过滤介质1、无定形颗粒：活性炭颗粒、沙、无烟煤、无定形颗粒：活性炭颗粒、沙、无烟煤2、成形颗粒：烧结金属、烧结塑料、成形颗粒：烧结金属、烧结塑料3、非金属织物：尼龙、玻璃纤维、非金属织物：
16、尼龙、玻璃纤维4、金属织物：不锈钢丝网、金属织物：不锈钢丝网5、无纺品：纸、石棉、无纺品：纸、石棉板框压滤机板框压滤机板框压滤机优优点点：结结构构简简单单、过过滤滤面面积积大大、操操作作压压力高、适用广力高、适用广缺缺点点：设设备备笨笨重重、间间歇歇操操作作、劳劳动动强强度度大、辅助时间长大、辅助时间长n n陶瓷滤膜n n对对对对于于于于一一一一些些些些固固固固体体体体颗颗颗颗粒粒粒粒小小小小、溶溶溶溶液液液液粘粘粘粘度度度度大大大大的的的的体体体体系系系系，过过过过滤滤滤滤实实实实际际际际上上上上是是是是很很很很难难难难进进进进行行行行的的的的，必必必必须须须须采采采采用用用用离离离离心心心
17、心技术方能达到目的。技术方能达到目的。技术方能达到目的。技术方能达到目的。二、二、离心离心n n操作方式：间歇式、连续式操作方式：间歇式、连续式n n型式：管式、套筒型式：管式、套筒离心沉降离心沉降利利用用悬悬浮浮液液或或乳乳浊浊液液中中密密度度不不同同的的组组分分在在离离心心力力场场中中迅迅速速沉沉降降分分层层，实实现现固固液液分离分离高高高高速速速速冷冷冷冷冻冻冻冻离离离离心心心心机机机机旋转过滤机旋转过滤机n n滚筒式离心机40004000n n细胞破碎（细胞破碎（细胞破碎（细胞破碎（cell rupturecell rupturecell rupturecell rupture）技术是
18、指利用外力）技术是指利用外力）技术是指利用外力）技术是指利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内含物包括目的破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内含物包括目的破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内含物包括目的破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内含物包括目的产物成分释放出来的技术。产物成分释放出来的技术。产物成分释放出来的技术。产物成分释放出来的技术。n n细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成的非分泌细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成的非分泌细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成的非分泌细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成的非分泌型药物成分的基础。型药物成分的基础。型药物成分的基础。型药物成分的基础。三、细胞破碎三、细胞破碎n n一些蛋白质在
19、细胞培养时被宿主细胞分泌到培养一些蛋白质在细胞培养时被宿主细胞分泌到培养一些蛋白质在细胞培养时被宿主细胞分泌到培养一些蛋白质在细胞培养时被宿主细胞分泌到培养液中，其后续分离和纯化都相对简单。液中，其后续分离和纯化都相对简单。液中，其后续分离和纯化都相对简单。液中，其后续分离和纯化都相对简单。n n但由于一些重组但由于一些重组但由于一些重组但由于一些重组DNADNADNADNA产品结构复杂，必须在细胞内产品结构复杂，必须在细胞内产品结构复杂，必须在细胞内产品结构复杂，必须在细胞内组装来获得生物活性，如果在培养时被宿主细胞组装来获得生物活性，如果在培养时被宿主细胞组装来获得生物活性，如果在培养时被
20、宿主细胞组装来获得生物活性，如果在培养时被宿主细胞分泌到培养液中，其生物活性往往有所改变，此分泌到培养液中，其生物活性往往有所改变，此分泌到培养液中，其生物活性往往有所改变，此分泌到培养液中，其生物活性往往有所改变，此类产品是类产品是类产品是类产品是细胞内产品（非分泌型），细胞内产品（非分泌型），细胞内产品（非分泌型），细胞内产品（非分泌型），需要应用细需要应用细需要应用细需要应用细胞破碎技术破碎细胞，使重组的药物成分释放出胞破碎技术破碎细胞，使重组的药物成分释放出胞破碎技术破碎细胞，使重组的药物成分释放出胞破碎技术破碎细胞，使重组的药物成分释放出来，为后续的分离纯化做好准备工作。来，为后续的
21、分离纯化做好准备工作。来，为后续的分离纯化做好准备工作。来，为后续的分离纯化做好准备工作。1.酶消化法酶消化法细胞悬浮液中加入酶能迅速和细胞细胞悬浮液中加入酶能迅速和细胞壁反应并破坏它们。酶选择性的与细胞壁反应并破坏它们。酶选择性的与细胞壁反应，不破坏细胞内的其它物质。反壁反应，不破坏细胞内的其它物质。反应条件温和。应条件温和。此法的缺点在于酶的消耗限制了在此法的缺点在于酶的消耗限制了在大规模生产中的使用。大规模生产中的使用。2.机机械械法法 匀浆法匀浆法研磨法研磨法超声波法超声波法：利用频率高、波长短的超：利用频率高、波长短的超声波进行细胞破碎，效率更高声波进行细胞破碎，效率更高高压均质法高
22、压均质法细细细细胞胞胞胞破破破破碎碎碎碎仪仪仪仪溶溶液液中中的的溶溶质质在在一一定定条条件件下下，因因分分子子有有规规则则的的排排列列而而结结合合成成晶晶体体，晶晶体体的的化化学学成成分分均均一一，其其特特征征为为离离子子和和分分子子在在空间晶格的结点上呈空间晶格的结点上呈规则规则的排列的排列.四、结四、结晶晶1.结晶的特点结晶的特点（1）只有同类分子或离子才能排列成晶体，）只有同类分子或离子才能排列成晶体，因此结晶过程有良好的选择性。因此结晶过程有良好的选择性。（2）通过结晶，溶液中大部分的杂质会留）通过结晶，溶液中大部分的杂质会留在母液中，再通过过滤、洗涤，可以得到纯在母液中，再通过过滤、
23、洗涤，可以得到纯度较高的晶体。度较高的晶体。（3）结晶过程具有成本低、设备简单、操）结晶过程具有成本低、设备简单、操作方便，广泛应用于氨基酸、有机酸、抗生作方便，广泛应用于氨基酸、有机酸、抗生素、维生素、核酸等产品的精制。素、维生素、核酸等产品的精制。2.2.结晶过程结晶过程 (1)(1)过饱和溶液的形成过饱和溶液的形成 (2)(2)晶核生成晶核生成 (3)(3)晶体的生长晶体的生长 过饱和溶液的形成方法过饱和溶液的形成方法n n(1)(1)冷却冷却n n(2)(2)溶剂蒸发溶剂蒸发n n(3)(3)改变溶剂性质改变溶剂性质3.晶体的生长晶体的生长在在过过饱饱和和溶溶液液中中已已有有晶晶核核形
24、形成成或或加加入入晶晶种种后后，以以过过饱饱和和度度为为推推动动力力，晶晶核核或或晶晶种将长大，这种现象称为晶体生长。种将长大，这种现象称为晶体生长。提高晶体质量的方法提高晶体质量的方法（1）晶体质量包括三个方面的内容：）晶体质量包括三个方面的内容：晶体大小晶体大小、形状形状、纯度纯度（2）影响晶体纯度的因素：）影响晶体纯度的因素：母母液液中中的的杂杂质质、结结晶晶速速度度、晶晶体体粒粒度度及粒度分布及粒度分布4.常用的工业起晶方法常用的工业起晶方法（1）自然起晶法自然起晶法：（2）晶种起晶法晶种起晶法：5.重结晶重结晶经经过过一一次次粗粗结结晶晶后后，得得到到的的晶晶体体通通常常会会含含有有
25、一一定定量量的的杂杂质质。此此时时工工业业上上常常常常需需要要采采用重结晶的方式进行精制。用重结晶的方式进行精制。重结晶是利用杂质和结晶物质在不同溶重结晶是利用杂质和结晶物质在不同溶剂和不同温度下的溶解度不同，将晶体用合剂和不同温度下的溶解度不同，将晶体用合适的溶剂再次结晶，以获得高纯度的晶体。适的溶剂再次结晶，以获得高纯度的晶体。重结晶的操作过程重结晶的操作过程（1）选择合适的溶剂；）选择合适的溶剂；（2）将经过粗结晶的物质加入少量的）将经过粗结晶的物质加入少量的热溶剂中，并使之溶解；热溶剂中，并使之溶解；（3）冷却使之再次结晶；）冷却使之再次结晶；（4）分离母液；）分离母液；（5）洗涤）洗
26、涤分离实例分离实例西地兰西地兰毛花毛地黄干燥叶粉毛花毛地黄干燥叶粉70%70%乙醇热提三次乙醇热提三次醇提液醇提液减压浓缩至含乙醇减压浓缩至含乙醇20%20%，放冷，放冷 胶状沉淀胶状沉淀（叶绿素等杂质）（叶绿素等杂质）稀醇液稀醇液减压浓缩至无醇味减压浓缩至无醇味浓水液浓水液氯仿洗涤氯仿洗涤氯仿液氯仿液浓水液浓水液加乙醇至加乙醇至22%22%稀醇液稀醇液水液水液氯仿液氯仿液氯仿萃取三次氯仿萃取三次氯仿液氯仿液回收氯仿回收氯仿残留物残留物少量少量CHCH3 3OHOH与水与水混合苷结晶混合苷结晶甲醇甲醇-氯仿氯仿-水水 分配分配 氯仿层氯仿层(主要是苷主要是苷A A、B)B)水层水层浓缩浓缩结晶
27、结晶(苷苷B B、C)C)甲醇甲醇-氯仿氯仿-水水 分配分配水层水层氯仿层氯仿层(苷苷B)B)水层水层浓缩，过滤浓缩，过滤结晶结晶 (苷苷C)C)溶于乙醇，加溶于乙醇，加Ca(OH)Ca(OH)2 2减压浓缩，结晶减压浓缩，结晶结晶结晶 (苷苷C)C)甲醇重结晶甲醇重结晶西地兰纯品西地兰纯品第三第三节节膜分离膜分离n nMembrane separation是利用特殊制造的、具有选择透过性能的膜，在外力推动下对混合物进行分离、提纯、浓缩的一种分离方法。3.1 膜分离概述n n膜的定义：在一种流体相间有一薄层凝聚相物质，把流体相分在一种流体相间有一薄层凝聚相物质，把流体相分隔开来成为两部分，这一
28、薄层物质称为隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜膜n n膜还必须具有高度的渗透选择性膜还必须具有高度的渗透选择性n n膜分离的基础膜分离的基础n n根据质量、体积和几何形态差异进行分离。如根据质量、体积和几何形态差异进行分离。如根据质量、体积和几何形态差异进行分离。如根据质量、体积和几何形态差异进行分离。如过滤过滤过滤过滤（FitrationFitration，F F）、微滤（）、微滤（）、微滤（）、微滤（MicrofiltrationMicrofiltration，MFMF）（）（）（）（0.020.021010微米）和超滤（微米）和超滤（微米）和超滤（微米）和超滤（Ultrafiltrat
29、ionUltrafiltration，UFUF）（0.0010.0010.020.02微米）微米）微米）微米）。n n膜分离的特点分离效能高。膜分离过程都不发生相变，能耗低。膜分离过程的工作温度在室温附近，膜分离设备本身没有运动的部件，结构紧凑、维修费用低，易于自动化。设备体积小，占地少。膜分离可直接插入已有的生产工艺流程。n n膜分离存在的问题在操作中膜面会发生污染，使膜性能降低；膜的耐压性、耐热性、耐溶剂是有限的，故应用范围受限制；仅采用膜分离技术分离效果有限，往往需要与其他分离工艺组合起来使用。n n按膜孔径大小分类按膜孔径大小分类n n微滤膜微滤膜0.0210mn n超滤膜超滤膜0.0
30、010.02m（120nm）n n反渗透膜反渗透膜0.00010.001m（0.11nm）n n纳米过滤膜纳米过滤膜平均直径平均直径2nm。3.2膜原理膜原理n n膜的性能参数 n n孔道特征包括孔径（pore size）、孔径分布和孔隙度。n n孔径分布（pore size distribution）是指膜中一定大小的孔的体积占整个孔体积的百分数。n n孔隙度（effective number of pores）是指整个膜中孔所占的体积百分数。n n水通量：水通量为每单位时间内通过单位膜面积的水体积流量，也叫透水率，即水透过膜的速率。0.5 0.5 mm0.5 m3 m20 m膜的电镜照片中
31、空纤维超滤膜结构单单内内皮皮层层双双 皮皮 层层单内皮层中空纤维超滤膜结构单内皮层中空纤维超滤膜结构n n膜污染的处理与再生n n用物理方法清洗n n化学清洗方法起溶解作用的物质：酸、碱、酶（蛋白酶）、螯合剂、表面活性剂、分散剂。起切断离子结合作用的方法：改变离子强度、pH、电位。起氧化作用的物质：过氧化氢、次氯酸盐。3.3 膜组件的结构和特点 n n管式膜组件tubular membranemodulen n平板膜组件 平板膜组件结构 parallel-plate membrane module n n螺旋卷式膜组件 螺旋卷式膜组件结构 spiral-woundmembrane module
32、3.4膜分离在生物工程中的的应用膜分离在生物工程中的的应用n n膜分离技术在生物工程中应用广泛膜分离技术在生物工程中应用广泛各种膜分离法的原理和应用范围各种膜分离法的原理和应用范围膜分离法膜分离法膜分离法膜分离法传质推动力传质推动力传质推动力传质推动力应用举例应用举例应用举例应用举例微滤微滤微滤微滤压差压差压差压差0.050.050.50.5MPaMPa除菌，回收菌除菌，回收菌除菌，回收菌除菌，回收菌超滤超滤超滤超滤压差压差压差压差0.10.11.01.0MPaMPa蛋白质、多糖的回蛋白质、多糖的回蛋白质、多糖的回蛋白质、多糖的回收和浓缩收和浓缩收和浓缩收和浓缩反渗透反渗透反渗透反渗透压差压差
33、压差压差1.01.01010MPaMPa盐、氨基酸、糖的盐、氨基酸、糖的盐、氨基酸、糖的盐、氨基酸、糖的浓缩浓缩浓缩浓缩n n浓缩大分子浓缩大分子n n纯化去杂质（植物成分）纯化去杂质（植物成分）n n去热源去热源n n滤过除菌滤过除菌菌体分离菌体分离 对于发酵的胞外产物，首先要除去悬浮的微对于发酵的胞外产物，首先要除去悬浮的微对于发酵的胞外产物，首先要除去悬浮的微对于发酵的胞外产物，首先要除去悬浮的微生物、离子与胶体。目前，较好的固液分离方法生物、离子与胶体。目前，较好的固液分离方法生物、离子与胶体。目前，较好的固液分离方法生物、离子与胶体。目前，较好的固液分离方法是过滤或离心。是过滤或离心
34、。是过滤或离心。是过滤或离心。采用超滤法去除谷氨酸发酵液中的菌体，不采用超滤法去除谷氨酸发酵液中的菌体，不采用超滤法去除谷氨酸发酵液中的菌体，不采用超滤法去除谷氨酸发酵液中的菌体，不仅可以将发酵原液中固形物含量浓缩仅可以将发酵原液中固形物含量浓缩仅可以将发酵原液中固形物含量浓缩仅可以将发酵原液中固形物含量浓缩10101010倍，为菌倍，为菌倍，为菌倍，为菌体的再利用创造了条件；而且超滤透过液中谷氨体的再利用创造了条件；而且超滤透过液中谷氨体的再利用创造了条件；而且超滤透过液中谷氨体的再利用创造了条件；而且超滤透过液中谷氨酸含量、酸含量、酸含量、酸含量、pHpHpHpH等理化指标与发酵液相同，但
35、不含菌等理化指标与发酵液相同，但不含菌等理化指标与发酵液相同，但不含菌等理化指标与发酵液相同，但不含菌体，且蛋白含量很低，再利用等电点法提取谷氨体，且蛋白含量很低，再利用等电点法提取谷氨体，且蛋白含量很低，再利用等电点法提取谷氨体，且蛋白含量很低，再利用等电点法提取谷氨酸时，回收率可达到酸时，回收率可达到酸时，回收率可达到酸时，回收率可达到90.96%90.96%90.96%90.96%，比传统等电点法高，比传统等电点法高，比传统等电点法高，比传统等电点法高7 7 7 7个百分点。个百分点。个百分点。个百分点。小分子产物的回收 氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵氨基酸、抗生素、有机酸和动物
36、疫苗等发酵氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵产品的相对分子质量在产品的相对分子质量在产品的相对分子质量在产品的相对分子质量在2000200020002000以下，用超滤法可从以下，用超滤法可从以下，用超滤法可从以下，用超滤法可从发酵液中回收这些小分子产物，然后发酵液中回收这些小分子产物，然后发酵液中回收这些小分子产物，然后发酵液中回收这些小分子产物，然后利用反渗透利用反渗透利用反渗透利用反渗透法进行浓缩和除去更小的杂质。法进行浓缩和除去更小的杂质。法进行浓缩和除去更小的杂质。法进行浓缩和除去更小的杂质。除内毒素内毒素 内毒素是细菌新陈代谢和细菌死后分解
37、的内毒素是细菌新陈代谢和细菌死后分解的内毒素是细菌新陈代谢和细菌死后分解的内毒素是细菌新陈代谢和细菌死后分解的产物，主要成分是脂多糖、脂蛋白等。在静脉产物，主要成分是脂多糖、脂蛋白等。在静脉产物，主要成分是脂多糖、脂蛋白等。在静脉产物，主要成分是脂多糖、脂蛋白等。在静脉注射药液时，如果将其带进血液，会对人体造注射药液时，如果将其带进血液，会对人体造注射药液时，如果将其带进血液，会对人体造注射药液时，如果将其带进血液，会对人体造成相当大的危害。成相当大的危害。成相当大的危害。成相当大的危害。传统的针剂用水除内毒素的方法是过滤加传统的针剂用水除内毒素的方法是过滤加传统的针剂用水除内毒素的方法是过滤
38、加传统的针剂用水除内毒素的方法是过滤加活性炭吸附，此法并不可靠。在活性炭吸附，此法并不可靠。在活性炭吸附，此法并不可靠。在活性炭吸附，此法并不可靠。在医药工业上用医药工业上用医药工业上用医药工业上用超滤法制造无菌水。超滤法制造无菌水。超滤法制造无菌水。超滤法制造无菌水。蛋白质的回收与脱盐蛋白质的回收与脱盐 根据蛋白质的相对分子质量，选择适当的根据蛋白质的相对分子质量，选择适当的根据蛋白质的相对分子质量，选择适当的根据蛋白质的相对分子质量，选择适当的超滤膜，可进行蛋白质的浓缩和脱盐。超滤膜，可进行蛋白质的浓缩和脱盐。超滤膜，可进行蛋白质的浓缩和脱盐。超滤膜，可进行蛋白质的浓缩和脱盐。药酒和中药制
39、剂的澄清药酒和中药制剂的澄清渗透蒸发渗透蒸发n n是液体混合物在膜是液体混合物在膜是液体混合物在膜是液体混合物在膜 的一侧与膜接触，的一侧与膜接触，的一侧与膜接触，的一侧与膜接触，其中易渗透组分较其中易渗透组分较其中易渗透组分较其中易渗透组分较 多地溶解在膜上，多地溶解在膜上，多地溶解在膜上，多地溶解在膜上，并扩散通过膜，在并扩散通过膜，在并扩散通过膜，在并扩散通过膜，在 膜的另一侧气化而膜的另一侧气化而膜的另一侧气化而膜的另一侧气化而 被抽出，从而得到被抽出，从而得到被抽出，从而得到被抽出，从而得到 分离的过程。分离的过程。分离的过程。分离的过程。渗透蒸发的过程原理渗透蒸发的过程原理第四节第
40、四节萃取分离萃取分离基本概念基本概念n n萃取萃取extraction是利用液体或超临界流体为是利用液体或超临界流体为溶剂提取原料中目标产物的分离纯化操作。溶剂提取原料中目标产物的分离纯化操作。4.1 溶剂萃取供提取的溶液称为料液；从料液中待提取的供提取的溶液称为料液；从料液中待提取的物质称为溶质；用来萃取目的产物的溶剂称物质称为溶质；用来萃取目的产物的溶剂称为萃取剂；溶质转移到萃取剂中与萃取剂形为萃取剂；溶质转移到萃取剂中与萃取剂形成的溶液称为萃取液；被萃取出溶质后的料成的溶液称为萃取液；被萃取出溶质后的料液称萃余液。液称萃余液。n n分配定律n n平衡时溶质在两相中的浓度之比为一常数平衡时
41、溶质在两相中的浓度之比为一常数K，即：即：K萃取液浓度萃取液浓度/萃余液浓度萃余液浓度cLcR常温下常温下K为常数，为常数，c的单位通常用的单位通常用mol/L。n n影响萃取效果的因素影响萃取效果的因素(1)(1)pH值值pH值直接影响分配系数，还可能对选值直接影响分配系数，还可能对选择性有影响择性有影响。如青霉素在。如青霉素在pH2萃取时，萃取时，乙酸丁酯萃取液中青霉烯酸可达青霉素乙酸丁酯萃取液中青霉烯酸可达青霉素含量的含量的12.5，而在，而在pH3的条件下萃取，的条件下萃取，则可降低至则可降低至4。另外，。另外，pH值还应尽量值还应尽量选择在使产物稳定的范围内。选择在使产物稳定的范围内
42、。(2)温度温度(3)盐类盐类提取维生素提取维生素B12时，加入硫酸铵，时，加入硫酸铵，可促使维生素可促使维生素B12自水相转移到有机相中；自水相转移到有机相中；提取青霉素时加入提取青霉素时加入NaCl，也有利于青霉也有利于青霉素从水相转移到有机溶剂相中。素从水相转移到有机溶剂相中。(4)带溶剂带溶剂n n为提高分配系数为提高分配系数K，常添加带溶剂。常添加带溶剂。带溶带溶剂是指能和产物形成复合物，促使产物更剂是指能和产物形成复合物，促使产物更易溶于有机溶剂相中，在一定条件下又要易溶于有机溶剂相中，在一定条件下又要容易分解的物质。容易分解的物质。n n青霉素作为一种酸，可用脂肪碱作为带溶青霉素
43、作为一种酸，可用脂肪碱作为带溶剂。青霉素能和正十二烷胺、四丁胺等形剂。青霉素能和正十二烷胺、四丁胺等形成复合物而溶于氯仿中。成复合物而溶于氯仿中。萃取方式萃取方式n n工业上萃取操作通常包括三个步骤：工业上萃取操作通常包括三个步骤：混合混合分离分离溶剂回收溶剂回收单级萃取流程示意图单级萃取流程示意图第五节第五节其他常用操作技术其他常用操作技术一一、浓浓缩缩加热、真空抽出料液中的水，边上柱为灭菌装置加热、真空抽出料液中的水，边上柱为灭菌装置 中药浓缩中药浓缩罐。除去罐。除去一些水。一些水。不同颜色不同颜色管道不同管道不同功能。黑功能。黑红色为蒸红色为蒸汽，蓝色汽，蓝色为料液。为料液。二、冻干三、
44、喷雾干燥n多级萃取多级错流萃取流程多级错流萃取流程 多级逆流萃取流程多级逆流萃取流程 n n1.11.1葡聚糖水溶液与等体积葡聚糖水溶液与等体积葡聚糖水溶液与等体积葡聚糖水溶液与等体积0.0.3636甲基纤维素钠甲基纤维素钠甲基纤维素钠甲基纤维素钠水溶液相混合并静置后，可得到两个粘稠液层。水溶液相混合并静置后，可得到两个粘稠液层。水溶液相混合并静置后，可得到两个粘稠液层。水溶液相混合并静置后，可得到两个粘稠液层。4.2双水相萃取双水相萃取n n利用亲水性高分子聚合物的水溶液可形成双利用亲水性高分子聚合物的水溶液可形成双水相的性质，开发了双水相萃取法水相的性质，开发了双水相萃取法(twoaque
45、ousphaseextraction)n n广泛应用的双水相体系是广泛应用的双水相体系是聚乙二醇聚乙二醇(PEG)/葡葡聚糖聚糖(Dex)体系。体系。n n聚合物与无机盐的混合溶液聚合物与无机盐的混合溶液，例如，例如，PEG/磷磷酸钾酸钾、PEG/磷酸铵、磷酸铵、PEG/硫酸钠等常用于生硫酸钠等常用于生物产物的双水相萃取。物产物的双水相萃取。双水相萃取技术的应用双水相萃取技术的应用n n双水相萃取技术目前较多地应用于双水相萃取技术目前较多地应用于胞内酶胞内酶的的提取和。精制上提取和。精制上n n用双水相萃取技术处理细胞匀浆液，既可方用双水相萃取技术处理细胞匀浆液，既可方便地除去细胞碎片，还可使
46、酶得到精制。便地除去细胞碎片，还可使酶得到精制。n n在双水相体系中，通常将目的在双水相体系中，通常将目的蛋白质分配在蛋白质分配在上相上相(PEG)，而而细胞碎片分配在下相细胞碎片分配在下相(盐盐)。分离实例分离实例西地兰西地兰毛花毛地黄干燥叶粉毛花毛地黄干燥叶粉70%70%乙醇热提三次乙醇热提三次醇提液醇提液减压浓缩至含乙醇减压浓缩至含乙醇20%20%，放冷，放冷 胶状沉淀胶状沉淀（叶绿素等杂质）（叶绿素等杂质）稀醇液稀醇液减压浓缩至无醇味减压浓缩至无醇味浓水液浓水液氯仿洗涤氯仿洗涤氯仿液氯仿液浓水液浓水液加乙醇至加乙醇至22%22%稀醇液稀醇液水液水液氯仿液氯仿液氯仿萃取三次氯仿萃取三次氯仿液氯仿液回收氯仿回收氯仿残留物残留物少量少量CHCH3 3OHOH与水与水混合苷结晶混合苷结晶甲醇甲醇-氯仿氯仿-水水 氯仿层氯仿层(主要是苷主要是苷A A、B)B)水层水层浓缩浓缩结晶结晶(苷苷B B、C)C)甲醇甲醇-氯仿氯仿-水水水层水层氯仿层氯仿层(苷苷B)B)水层水层浓缩，过滤浓缩，过滤结晶结晶 (苷苷C)C)溶于乙醇，加溶于乙醇，加Ca(OH)Ca(OH)2 2减压浓缩，结晶减压浓缩，结晶结晶结晶 (苷苷C)C)甲醇重结晶甲醇重结晶西地兰纯品西地兰纯品结束结束