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1、第八章第八章微生物工程微生物工程(gngchng)下下游技术游技术第一页，共114页。n n原料液中目标产物的浓度一般都很低原料液中目标产物的浓度一般都很低，如，如L-异异亮氨酸浓度为亮氨酸浓度为2.4，青霉素为，青霉素为3.6，庆大霉素，庆大霉素为为0.2，胰岛素仅为，胰岛素仅为0.001。n n原料液中成分复杂，常存在与目标分子结构极原料液中成分复杂，常存在与目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。n n当生物技术产品是食品或药物时，溶剂当生物技术产品是食品或药物时，溶剂(rngj)的使用受到一定的限制，萃取、色谱的使用受到一定的限制，萃取、色谱等手段会受到一定的限制。等
2、手段会受到一定的限制。n n发酵液成分一般不稳定。发酵液成分一般不稳定。原料原料(yunlio)液特点液特点第二页，共114页。发酵液放罐后，应及时快速操作，原因发酵液放罐后，应及时快速操作，原因(yunyn)在于在于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。原料液中常存在降解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的蛋白酶。目标产物的杂质，如可水解目标蛋白质的蛋白酶。第三页，共114页。下游技术可分为下游技术可分为4个阶段，即预处理、提取、精制、个阶段，即预处理、提取、精制、成品制作，如图所示。成品制作，如图所示。
3、预处理预处理细胞分离细胞分离细胞破壁细胞破壁碎片分离碎片分离提取提取精制精制成品制作成品制作加热加热过滤过滤匀浆法匀浆法离心离心沉淀沉淀(重重)结晶结晶浓缩浓缩调调pH离心离心研磨法研磨法双水相双水相吸附吸附干燥干燥(gnzo)絮凝絮凝膜分离膜分离酶解法酶解法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下游技术一般工艺过程下游技术一般工艺过程第四页，共114页。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碎片片(supin)分分离离提提取取精精制制成成品制作品制作离心离
4、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第五页，共114页。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解(加盐酸胍、脲加盐酸胍、脲)复性复性第六页，共114页。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
5、黏度加水稀释：简单，增体积加水稀释：简单，增体积(tj)、降低产物浓度。、降低产物浓度。加热升温：柠檬酸发酵，加热升温：柠檬酸发酵，90，蛋白质变性凝，蛋白质变性凝固，利于过滤固，利于过滤2、凝聚、絮凝改变粒子、凝聚、絮凝改变粒子(lz)分散状态，形成大分散状态，形成大颗粒，利过滤颗粒，利过滤第七页，共114页。凝聚(nngj)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到凝聚与絮凝处理过程就是将化学药剂预先投加到凝聚与絮凝处理过程就是将化学药剂预先投加到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粒子悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子悬浮液
6、中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子悬浮液中，改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态的分散状态的分散状态的分散状态(zhungti)(zhungti)，破坏其稳定性，使它们，破坏其稳定性，使它们，破坏其稳定性，使它们，破坏其稳定性，使它们聚集成可分离的絮凝体，再进行分离。聚集成可分离的絮凝体，再进行分离。聚集成可分离的絮凝体，再进行分离。聚集成可分离的絮凝体，再进行分离。第八页，共114页。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：指在投加的化学物质（铝、铁盐类）作用凝聚：指在投加的化学
7、物质（铝、铁盐类）作用凝聚：指在投加的化学物质（铝、铁盐类）作用凝聚：指在投加的化学物质（铝、铁盐类）作用(zuyng)(zuyng)(zuyng)(zuyng)下，使胶体体系不稳定并使粒子相互聚集下，使胶体体系不稳定并使粒子相互聚集下，使胶体体系不稳定并使粒子相互聚集下，使胶体体系不稳定并使粒子相互聚集成成成成 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：指使用高分子絮凝剂将胶体粒子交联成网，絮凝：指使用高分子絮凝剂将胶体粒子交联成网，絮凝：指使用高分子絮凝剂将胶体粒子交联成网，絮凝：指使用高分子絮凝剂将胶体粒子
8、交联成网，形成形成形成形成10 mm10 mm10 mm10 mm大小絮凝团的过程。其中絮凝剂主要起架大小絮凝团的过程。其中絮凝剂主要起架大小絮凝团的过程。其中絮凝剂主要起架大小絮凝团的过程。其中絮凝剂主要起架桥作用桥作用桥作用桥作用(zuyng)(zuyng)(zuyng)(zuyng)。第九页，共114页。常用常用(chnyn)絮絮凝剂凝剂n n聚丙烯酰胺类：用量少，絮凝体粗大，分离效果好，聚丙烯酰胺类：用量少，絮凝体粗大，分离效果好，聚丙烯酰胺类：用量少，絮凝体粗大，分离效果好，聚丙烯酰胺类：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
9、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，如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类，天然有机高分子絮凝剂，如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类，天然有机高分子絮凝剂，如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类，天然有机高分子絮凝剂，如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类，还有明胶、骨胶、海藻酸钠等。还有明胶、骨胶、海藻酸钠等。还有明胶、骨胶、海藻酸钠等。还有明胶、骨胶、海藻酸钠等。n n微生物絮凝剂是近年来研究和开发的新型絮凝剂，由微生物絮凝剂是近年来研究和开发的新型絮凝剂，由微生物絮凝剂是近年来研究和开发的新型絮凝剂，由微生物絮凝剂是近年来研究和开发的新型絮凝剂，
10、由微生物产生的具有絮凝细胞功能的物质。主要成分是微生物产生的具有絮凝细胞功能的物质。主要成分是微生物产生的具有絮凝细胞功能的物质。主要成分是微生物产生的具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。微生糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分子物质。微生糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分子物质。微生糖蛋白、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比，最物絮凝剂和天然絮凝剂与化学合成的絮凝剂相比，最物絮凝剂和天然絮凝剂与化学合成的絮凝剂相比，最物絮凝剂和天然絮凝剂与化学合成的絮凝剂相比，最大的优点大的优点大的优点大的优点(yudin)
11、(yudin)(yudin)(yudin)是安全，无毒和不污染环境。是安全，无毒和不污染环境。是安全，无毒和不污染环境。是安全，无毒和不污染环境。第十页，共114页。第十一页，共114页。3、调整、调整PH4、加入、加入(jir)反应剂反应剂环丝氨酸发酵液，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。第十二页，共114页。n高价高价(o ji)(o ji)无机离子的去除无机离子的去除nCa2+Ca2+草酸草酸nMg2+Mg2+三聚磷酸钠三聚磷酸钠nFe3+Fe3+黄血盐黄血盐 （普鲁士蓝）（普鲁士蓝）n蛋白质去除蛋白质去除n加热加热n调调pH(pH(草酸，无机酸或碱草酸，无
12、机酸或碱)第十三页，共114页。蛋白质的变性蛋白质的变性(binxng)n n最常用的使蛋白质变性的方法是加热。加热还最常用的使蛋白质变性的方法是加热。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。n n链霉素生产中，采用调链霉素生产中，采用调pHpH至酸性（至酸性（pH3.0pH3.0），），加热至加热至7070，维持半个小时的方法来去除，维持半个小时的方法来去除(q(q ch)ch)蛋白质，能使过滤速度增大蛋白质，能使过滤速度增大10-10010-100倍，滤倍，滤液粘度可降低液粘度可降低1/61/6。第十四页，共114页。第二节第二节过滤过滤(gul)、细胞破碎、
13、结晶、细胞破碎、结晶第十五页，共114页。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下，是固液分离的常用方法之一。是固液分离的常用方法之一。助助滤滤剂剂是是一一种种(yzhn)具具有有特特殊殊性性能能的的细细粉粉或或纤纤维维，它它能能使使某某些些难难以以过过滤滤的的物物料料变变得得容容易易过滤过滤常用的助滤剂：硅藻土、珍珠岩。常用的助滤剂：硅藻土、珍珠岩。一、过一、过滤滤第十六页，共114页。1.过滤过滤(gul)设备的分类设备的分类 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(
14、sli)（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第十七页，共114页。2.过滤过滤(gul)介质介质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、非金属织物：尼龙(nlng)、玻璃纤维、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、石棉第十八页，共114页。板框压滤机第十九页，共114页。第二十页，共114页。板框压
15、滤机板框压滤机优优点点：结结构构(jigu)简简单单、过过滤滤面面积积大大、操作压力高、适用广操作压力高、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、辅助时间长第二十一页，共114页。n n陶瓷(toc)滤膜第二十二页，共114页。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心(lxn)(lxn)技技技技 术术术术 方
16、方方方 能能能能 达达达达到目的。到目的。到目的。到目的。二二、离离 心心(lxn)第二十三页，共114页。n n操操作作(cozu)方方式式：间间歇歇式式、连连续式续式n n型式：管式、套筒型式：管式、套筒离离心心(lxn)沉降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(btn)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，实现固液分离实现固液分离第二十四页，共114页。第二十五页，共114页。高高高高速速速速(o o s s)冷冷冷冷冻冻冻冻离离离离心心心心机机机机第二十六页，共114页。旋转旋转(xunzhun)过滤机过滤机第二十七页，共114页。n n
17、滚筒式离心机40004000第二十八页，共114页。第二十九页，共114页。第三十页，共114页。第三十一页，共114页。第三十二页，共114页。第三十三页，共114页。第三十四页，共114页。第三十五页，共114页。第三十六页，共114页。n n细胞破碎（细胞破碎（细胞破碎（细胞破碎（cell rupturecell rupturecell rupturecell rupture）技术是指利用外力破）技术是指利用外力破）技术是指利用外力破）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产物坏细胞膜和细胞壁，使细胞内含物包括目的产物坏细胞膜和细胞壁，使细胞内含物包括目的产物坏细胞膜和
18、细胞壁，使细胞内含物包括目的产物成分释放出来的技术。成分释放出来的技术。成分释放出来的技术。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型细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成的非分泌型细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成的非分泌型细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成的非分泌型药物药物药物药物(yow)(yow)(yow)(yow)成分的基础。成分的基础。成分的基础。成分的基础。三、细胞三、细胞(xbo)破碎破碎第三十七页，共114页。n n一些蛋白质在细胞培养时被宿主细胞分泌到培养液中，一些蛋白质在细胞培养时被宿主细胞分泌到培养液中，一些蛋白质在细胞培养时被宿主细胞分泌到培养液中，一
19、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。其后续分离和纯化都相对简单。其后续分离和纯化都相对简单。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，必须在细胞内组装产品结构复杂，必须在细胞内组装产品结构复杂，必须在细胞内组装产品结构复杂，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分泌到培养来获得生物活性，如果在培养时被宿主细胞分泌到培养来获得生物活性，如果在培养时被宿主细胞分泌到培养来获得生物活性，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，此类产品是细胞
20、内产液中，其生物活性往往有所改变，此类产品是细胞内产液中，其生物活性往往有所改变，此类产品是细胞内产液中，其生物活性往往有所改变，此类产品是细胞内产品（非分泌型），需要应用细胞破碎技术破碎细胞，使品（非分泌型），需要应用细胞破碎技术破碎细胞，使品（非分泌型），需要应用细胞破碎技术破碎细胞，使品（非分泌型），需要应用细胞破碎技术破碎细胞，使重组的药物成分重组的药物成分重组的药物成分重组的药物成分(chng fn)(chng fn)(chng fn)(chng fn)释放出来，为后续的分离释放出来，为后续的分离释放出来，为后续的分离释放出来，为后续的分离纯化做好准备工作。纯化做好准备工作。纯化做好
21、准备工作。纯化做好准备工作。第三十八页，共114页。1.酶消化酶消化(xiohu)法法细胞悬浮液中加入酶能迅速和细胞壁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。反应条件应，不破坏细胞内的其它物质。反应条件温和。温和。此法的缺点在于酶的消耗限制了在大此法的缺点在于酶的消耗限制了在大规模生产规模生产(shngchn)中的使用。中的使用。第三十九页，共114页。2.机机械械法法 n匀浆法匀浆法n研磨法研磨法n超声波法：利用超声波法：利用(lyng)频率高、波频率高、波长短的超长短的超声波进行细胞破声波进行细胞破
22、碎，效率更高碎，效率更高n高压均质法高压均质法第四十页，共114页。第四十一页，共114页。第四十二页，共114页。细细细细胞胞胞胞(x x b b o o)破破破破碎碎碎碎仪仪仪仪第四十三页，共114页。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(jngt)，晶晶体体(jngt)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空间间晶晶格格的的结结点点上上呈呈规则的排列规则的排列.四、结四、结晶晶第四十四页，共114页。第四十五页，共114页。1.结晶的特点结晶的特点（1）只只有有同同类类分分子子或或
23、离离子子才才能能排排列列成成晶晶体体，因因此此结结晶晶过过程有良好的选择性。程有良好的选择性。（2）通通过过结结晶晶，溶溶液液中中大大部部分分的的杂杂质质会会留留在在母母液液中中，再再通过过滤、洗涤，可以得到纯度较高的晶体。通过过滤、洗涤，可以得到纯度较高的晶体。（3）结结晶晶过过程程具具有有成成本本低低、设设备备简简单单(jindn)、操操作作方方便便，广广泛泛应应用用于于氨氨基基酸酸、有有机机酸酸、抗抗生生素素、维维生生素素、核核酸酸等等产品的精制。产品的精制。第四十六页，共114页。2.2.结晶结晶(jijng)(jijng)过程过程 (1)(1)(1)(1)过过过过 饱饱饱饱 和和和和
24、 溶溶溶溶 液液液液 的的的的 形形形形 成成成成(xngchng)(xngchng)(xngchng)(xngchng)(2)(2)(2)(2)晶核生成晶核生成晶核生成晶核生成 (3)(3)(3)(3)晶体的生长晶体的生长晶体的生长晶体的生长第四十七页，共114页。过过 饱饱 和和 溶溶 液液(bo(bo h h rn y)rn y)的形成方法的形成方法n n(1)(1)冷却冷却(lngqu)(lngqu)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第四十八页，共114页。3.晶体晶体(jngt)的生长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形成成
25、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种将将长长大大(chnd)，这种现象称为晶体生长。，这种现象称为晶体生长。第四十九页，共114页。第五十页，共114页。提高晶体质量提高晶体质量(zhling)的方法的方法（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、形状、纯度晶体大小、形状、纯度（2）影响）影响(yngxing)晶体纯度的因素：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及粒粒度分布度分布第五十一页，共114页。4.常用的工业常用的工业(gngy)起晶方法起晶方法（1）自然）自然(z
26、rn)起晶法：起晶法：（2）晶种起晶法：）晶种起晶法：第五十二页，共114页。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用(ciyng)重结晶的方式进行精制。重结晶的方式进行精制。重重结结晶晶是是利利用用杂杂质质和和结结晶晶物物质质在在不不同同溶溶剂剂和和不不同同温温度度下下的的溶溶解解度度不不同同，将将晶晶体体用用合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。第五十三页，共114页。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
27、适的溶剂；（2）将经过粗结晶）将经过粗结晶(jijng)的物质加的物质加入少量的入少量的热溶剂中，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(jijng)；（4）分离母液；）分离母液；（5）洗涤）洗涤第五十四页，共114页。分离分离(fnl)实例实例西地兰西地兰毛毛 花花 毛毛 地地 黄黄 干干 燥燥(gnzo)叶粉叶粉70%70%乙乙醇醇(y(y chn)chn)热热提提三次三次醇提液醇提液第五十五页，共114页。减压浓缩减压浓缩(nn su)(nn su)至含乙醇至含乙醇20%20%，放冷，放冷 胶状沉淀胶状沉淀（叶叶 绿绿 素素 等等 杂杂 质质(zzh)
28、(zzh)）稀醇液稀醇液减减压压(jiny)浓浓缩缩至至无醇味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第五十六页，共114页。氯氯仿仿(lfn)液液回回收收(hushu)氯仿氯仿残留物残留物少少量量(sholing)CH3O(sholing)CH3OH H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)第五十七页，共11
29、4页。水水 层层(shucn)浓浓缩缩(nnsu)，过滤，过滤结结晶晶(jijng)(jijng)(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五十八页，共114页。第五十九页，共114页。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(tu u)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。第六十页，共114页。3.1 膜分离概述(i sh)n n膜的定义：n n 在一种流体相间有一薄层凝聚(nngj)相物
30、质，把流体相分隔开来成为两部分，这一薄层物质称为膜n n膜还必须具有高度的渗透选择性第六十一页，共114页。n n膜分离的基础膜分离的基础n n根据质量、体积和几何根据质量、体积和几何(j h)形态差异进行分形态差异进行分离。如过滤（离。如过滤（Fitration，F）、微滤）、微滤（Microfiltration，MF）（）（0.0210微米）微米）和超滤（和超滤（Ultrafiltration，UF）（0.0010.02微米）微米）。第六十二页，共114页。n n膜分离的特点n n分离效能高。n n膜分离过程都不发生(fshng)相变，能耗低。n n膜分离过程的工作温度在室温附近，膜分离设
31、备本身没有运动的部件，结构紧凑、维修费用低，易于自动化。n n设备体积小，占地少。n n膜分离可直接插入已有的生产工艺流程。第六十三页，共114页。n n膜分离存在(cnzi)的问题n n在操作中膜面会发生污染，使膜性能降低；n n膜的耐压性、耐热性、耐溶剂是有限的，故应用范围受限制；n n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。第六十四页，共114页。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n n0.0210mn n超滤膜超滤膜n n0.0010.02m（120nm）n n反渗透膜反渗透膜n n0.00010.001m（0.11nm）n n纳米过滤纳
32、米过滤(gul)膜膜n n平均直径平均直径2nm。3.2膜原理膜原理(yunl)第六十五页，共114页。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(tu u)膜的速率。第六十六页，共114页。0.5 0.5 mm0.5 m3 m20 m膜的电镜照片(zhopin)第六
33、十七页，共114页。中空纤维(xinwi)超滤膜结构单单内内皮皮层层双双 皮皮 层层第六十八页，共114页。单内皮层中空纤维单内皮层中空纤维(xinwi)超滤膜结超滤膜结构构第六十九页，共114页。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n n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。n n起切断离子(lz)结合作用的方法：改变离子(lz)强度、pH、电位。n n起氧化作用的物质：过氧化氢、次氯酸盐。第七十页，共114页。3.3 膜组件(z jin)的结构和特点 第七十一页，共114页。n n管式膜组件(z jin)tubular membran
34、emodule第七十二页，共114页。n n平板(pngbn)膜组件n n 平板膜组件(z jin)结构 parallel-plate membrane module 第七十三页，共114页。n n螺旋(luxun)卷式膜组件 螺旋(luxun)卷式膜组件结构 spiral-woundmembrane module第七十四页，共114页。3.4膜分离在生物工程膜分离在生物工程(shnwnchn)中的的应用中的的应用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n n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n n膜分离法膜分离法传质推动力传质推动力应用举例应用
35、举例(jl)n n微滤微滤压差压差0.050.5MPa除菌，除菌，回收菌回收菌n n超滤超滤压差压差0.11.0MPa蛋白质、蛋白质、多糖的回多糖的回n n收和浓收和浓缩缩n n反渗透反渗透压差压差1.010MPa盐、氨盐、氨基酸、糖的基酸、糖的n n浓缩浓缩第七十五页，共114页。n n浓缩大分子浓缩大分子n n纯化去杂质纯化去杂质(zzh)(zzh)（植物成分）（植物成分）n n去热源去热源n n滤过除菌滤过除菌第七十六页，共114页。菌体分离菌体分离(fnl)(fnl)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
36、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。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1010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酸含量、酸含量、pHpH等理化指标与发酵液相同等理化指标与发酵液相同(xin(xin tn)tn)，但不含菌体，且蛋白含量很低，再利用，但不含菌体，且蛋白含量很低，再利用等电点法提取谷氨酸时，回收率可达到等电点法提取谷氨酸时，回收率可达到90.96%90.96%，比传统等电点法高比传
37、统等电点法高7 7个百分点。个百分点。第七十七页，共114页。第七十八页，共114页。小分子(fnz)产物的回收 氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵产品氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵产品氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵产品氨基酸、抗生素、有机酸和动物疫苗等发酵产品(chnpn)(chnpn)(chnpn)(chnpn)的相对分子质量在的相对分子质量在的相对分子质量在的相对分子质量在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，然后利用反渗透法进发酵液中回收这些小分子产物，然后利用反渗透法进发
38、酵液中回收这些小分子产物，然后利用反渗透法进发酵液中回收这些小分子产物，然后利用反渗透法进行浓缩和除去更小的杂质。行浓缩和除去更小的杂质。行浓缩和除去更小的杂质。行浓缩和除去更小的杂质。第七十九页，共114页。除内毒素内毒素 内毒素是细菌新陈代谢和细菌死后分解的产内毒素是细菌新陈代谢和细菌死后分解的产内毒素是细菌新陈代谢和细菌死后分解的产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。在静脉注射物，主要成分是脂多糖、脂蛋白等。在静脉注射物，主要成分是脂多糖、脂蛋白等。在静脉注射物，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，会对人体造成相当药液时，如果
39、将其带进血液，会对人体造成相当药液时，如果将其带进血液，会对人体造成相当药液时，如果将其带进血液，会对人体造成相当大的危害。大的危害。大的危害。大的危害。传统的针剂用水除内毒素的方法是过滤加活性传统的针剂用水除内毒素的方法是过滤加活性传统的针剂用水除内毒素的方法是过滤加活性传统的针剂用水除内毒素的方法是过滤加活性炭吸附炭吸附炭吸附炭吸附(xf)(xf)(xf)(xf)，此法并不可靠。在医药工业上用，此法并不可靠。在医药工业上用，此法并不可靠。在医药工业上用，此法并不可靠。在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。第八十页，共114页。蛋白质的回收蛋白
40、质的回收(hushu)(hushu)与脱盐与脱盐 根据蛋白质的相对根据蛋白质的相对(xingdu)(xingdu)分子质量，分子质量，选择适当的超滤膜，可进行蛋白质的浓缩和脱选择适当的超滤膜，可进行蛋白质的浓缩和脱盐。盐。药酒药酒(yoji)(yoji)和中药制剂的澄清和中药制剂的澄清第八十一页，共114页。渗透渗透(shntu)蒸发蒸发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，
41、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 膜的另一侧气化膜的另一侧气化膜的另一侧气化膜的另一侧气化(qhu)(qhu)而而而而 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。渗透蒸发的过程渗透蒸发的过程(guchng)原理原理第八十二页，共114页。第四节第四节萃取萃取(cuq)分离分离第八十三页，共114页。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溶剂是利用液体或超临界流体为溶剂提取原料中目标提取原料中目标(mbio)产物的分离纯化操作。产物的分离纯化操作。第八十四页
42、，共114页。4.1 溶剂萃取供提取的溶液称为料液；从料液中待提取的物质供提取的溶液称为料液；从料液中待提取的物质称为溶质；用来萃取目的称为溶质；用来萃取目的(md)产物的溶剂称为产物的溶剂称为萃取剂；溶质转移到萃取剂中与萃取剂形成的溶萃取剂；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液称萃余液。液称为萃取液；被萃取出溶质后的料液称萃余液。第八十五页，共114页。n n分配定律n n平衡(pnghng)时溶质在两相中的浓度之比为一常数K，即：n n K 萃取液浓度/萃余液浓度 cLcRn n 常温下K为常数，c的单位通常用mol/L。第八十六页，共114页。n n影响萃
43、取效果的因素影响萃取效果的因素n npH值值n npH值直接影响分配系数值直接影响分配系数(xsh)，还，还可能对选择性有影响。如青霉素在可能对选择性有影响。如青霉素在pH2萃取时，乙酸丁酯萃取液中青霉烯酸可萃取时，乙酸丁酯萃取液中青霉烯酸可达青霉素含量的达青霉素含量的12.5，而在，而在pH3的条的条件下萃取，则可降低至件下萃取，则可降低至4。另外，。另外，pH值还应尽量选择在使产物稳定的范围内。值还应尽量选择在使产物稳定的范围内。第八十七页，共114页。(2)温度温度(3)盐类盐类提取维生素提取维生素B12时，加入时，加入(jir)硫硫酸铵，可促使维生素酸铵，可促使维生素B12自水相转移到
44、有机自水相转移到有机相中；提取青霉素时加入相中；提取青霉素时加入(jir)NaCl，也，也有利于青霉素从水相转移到有机溶剂相中。有利于青霉素从水相转移到有机溶剂相中。第八十八页，共114页。(4)带溶剂带溶剂为提高分配系数为提高分配系数K，常添加带溶剂。带溶，常添加带溶剂。带溶剂是指能和产物形成复合物，促使产物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，在一定条件下更易溶于有机溶剂相中，在一定条件下又要容易分解又要容易分解(fnji)的物质。的物质。青霉素作为一种酸，可用脂肪碱作为带溶青霉素作为一种酸，可用脂肪碱作为带溶剂。青霉素能和正十二烷胺、四丁胺等剂。青霉素能和正十二烷胺、四
45、丁胺等形成复合物而溶于氯仿中。形成复合物而溶于氯仿中。第八十九页，共114页。萃取方式萃取方式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(hnh)分离分离溶剂回溶剂回收收第九十页，共114页。单级萃取单级萃取(cuq)流程流程示意图示意图第九十一页，共114页。第五节第五节其他常用其他常用(chnyn)操作技术操作技术第九十二页，共114页。一一、浓浓缩缩(nnsu)加热、真空(zhnkng)抽出料液中的水，边上柱为灭菌装置第九十三页，共114页。第九十四页，共114页。第九十五页，共114页。第九十六页，共114页。第九十七页，共114页。中药(zhngyo)浓
46、缩罐。除去一些水。不同颜色管道不同功能。黑红色为蒸汽，蓝色为料液。第九十八页，共114页。二、冻干(dn n)第九十九页，共114页。第一百页，共114页。三、喷雾干燥第一百零一页，共114页。第一百零二页，共114页。第一百零三页，共114页。第一百零四页，共114页。n多级萃取(cuq)多级错流萃取多级错流萃取(cuq)流程流程多级逆流萃取流程多级逆流萃取流程(lichng)第一百零五页，共114页。n n1.1葡聚糖水溶液与等体积葡聚糖水溶液与等体积(tj)0.36甲基纤维甲基纤维素钠水溶液相混合并静置后，可得到两个粘稠液素钠水溶液相混合并静置后，可得到两个粘稠液层。层。4.2双水相萃取
47、双水相萃取(cuq)第一百零六页，共114页。n n利用利用(lyng)亲水性高分子聚合物的水溶液可形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成双水相的性质，开发了双水相萃取法(twoaqueousphaseextraction)n n广泛应用的双水相体系是聚乙二醇广泛应用的双水相体系是聚乙二醇(PEG)/葡聚糖葡聚糖(Dex)体系。体系。n n聚合物与无机盐的混合溶液，例如，聚合物与无机盐的混合溶液，例如，PEG/磷酸磷酸钾、钾、PEG/磷酸铵、磷酸铵、PEG/硫酸钠等常用于生物硫酸钠等常用于生物(shngw)产物的双水相萃取。产物的双水相萃取。第一百零七页，共114
48、页。双水相萃取技术双水相萃取技术(jsh)的应用的应用n n双水相萃取技术目前较多地应用于胞内酶的提取和。双水相萃取技术目前较多地应用于胞内酶的提取和。精制上精制上n n用双水相萃取技术处理细胞匀浆液，既可方便地除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，还可使酶得到精制。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(md)蛋白质分配在蛋白质分配在上相上相(PEG)，而细胞碎片分配在下相，而细胞碎片分配在下相(盐盐)。第一百零八页，共114页。分离分离(fnl)实例实例西地兰西地兰毛毛 花花 毛毛 地地 黄黄 干干 燥燥(gnzo)叶粉
49、叶粉70%70%乙乙醇醇(y(y chn)chn)热热提三次提三次醇提液醇提液第一百零九页，共114页。第一百一十页，共114页。减压减压(jin y)(jin y)浓缩至含乙醇浓缩至含乙醇20%20%，放冷，放冷 胶状沉淀胶状沉淀（叶叶 绿绿 素素 等等 杂杂 质质(zzh)(zzh)）稀醇液稀醇液减减压压(jin y)浓浓缩缩至无醇味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第一百一十一页，共114页。氯氯仿仿(lfn)液液回回收收(hushu)氯仿氯仿残留物残留物少少量量(sholing)CH3O(sholing)CH3OHH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)第一百一十二页，共114页。水水 层层(shucn)浓浓缩缩(nnsu)，过滤，过滤结结晶晶(jijng)(jijng)(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一百一十三页，共114页。第一百一十四页，共114页。