产物的提取与精制.pptx

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1、会计学1产物产物(chnw)的提取与精制的提取与精制第一页，共151页。第一节第一节 概论概论(giln)一、下游加工过程在发酵工程中的地位一、下游加工过程在发酵工程中的地位1 1，下游加工过程的定义，下游加工过程的定义 发酵产品系通过微生物发酵过程、酶反应过发酵产品系通过微生物发酵过程、酶反应过程或动植物细胞程或动植物细胞(xbo)(xbo)大量培养获得。从大量培养获得。从上述发酵液、反应液或培养液中分离、精上述发酵液、反应液或培养液中分离、精制有关产品的过程称为下游加工过程制有关产品的过程称为下游加工过程(Down(Down stream processing)stream process

2、ing)。它由一些化学工程的单。它由一些化学工程的单几操作组成，但由于生物物质的特性，有几操作组成，但由于生物物质的特性，有其特殊要求，而且其中某些单元操作一般其特殊要求，而且其中某些单元操作一般化学工业中应用较少。化学工业中应用较少。第1页/共151页第二页，共151页。2，地位传统发酵工业(如抗生素、乙醇、柠檬酸)，分离和精制部份占整个(zhngg)工厂投资费用的60%。对重组DNA发酵、精制蛋白质的费用可占整个(zhngg)生产费用的80%90%。第2页/共151页第三页，共151页。二、发酵下游二、发酵下游(xiyu)加工过程的特点加工过程的特点n n培养液培养液(或发酵液或发酵液)是

3、复杂的多相系统，含有细胞、是复杂的多相系统，含有细胞、代谢产物和末用完的培养基等。分散在其中的固代谢产物和末用完的培养基等。分散在其中的固体和胶状物质，具可压缩性，其密度又和液体相体和胶状物质，具可压缩性，其密度又和液体相近，加上粘度很大，属非牛顿性液体，使从培养近，加上粘度很大，属非牛顿性液体，使从培养液中分离固体很困难。液中分离固体很困难。n n 培养液中所欲欲提取的生物物质浓度很低，但培养液中所欲欲提取的生物物质浓度很低，但杂质含量却很高，特别是利用基因工程方法产生杂质含量却很高，特别是利用基因工程方法产生的蛋白质常常伴有大量性质相近的杂质蛋白质。的蛋白质常常伴有大量性质相近的杂质蛋白质

4、。n n 另一个特点是欲提取的生物物质通常很不稳定、另一个特点是欲提取的生物物质通常很不稳定、遇热、极端遇热、极端pHpH、有机溶剂会引起失活或分解、有机溶剂会引起失活或分解(fnji)(fnji)。n n发酵或培养都是分批操作、生物变异性大，各批发酵或培养都是分批操作、生物变异性大，各批发酵液不尽相同，要求下游加工有一定的弹性。发酵液不尽相同，要求下游加工有一定的弹性。第3页/共151页第四页，共151页。三、分离三、分离(fnl)过程的机理与分离过程的机理与分离(fnl)操作操作1，物理性质力学性质：重力、离心力、筛分；热力学性质：状态变化、相平衡；传质性质：粘度、扩散、热扩散；电磁性质：

5、电泳(din yn)、电渗析、磁化；第4页/共151页第五页，共151页。2，化学性质(huxu xngzh)化学热力学；化学平衡；反应动力学：反应速率；光化学性质(huxu xngzh)：激光激发、离子化；第5页/共151页第六页，共151页。3，生物学性质分子识别(shbi)：生物亲和作用、生物学识别(shbi)；输送性质：生物膜输送；反应、响应、控制：酶反应、免疫系统。第6页/共151页第七页，共151页。生物操作机理极其生物操作机理极其生物操作机理极其生物操作机理极其(jq)(jq)分离机理分离机理分离机理分离机理单元操作分离机理分离对象举例膜分离 微滤 超滤 反渗透 透析 电渗析 渗

6、透气化压力差、筛分压力差、筛分压力差、筛分浓度差、筛分电荷、筛分汽液相平衡、筛分菌体、细胞蛋白质、多糖、抗生素糖、氨基酸盐、蛋白质氨基酸、有机酸乙醇萃取 有机溶剂萃取 双水相 液膜萃取 反胶团萃取 超临界萃取液液相平衡液液相平衡液液相平衡液液相平衡相平衡有机酸、抗生素蛋白质、抗生素氨基酸、有机酸、抗生素氨基酸、蛋白质香料、脂质第7页/共151页第八页，共151页。单元操作分离机理分离对象举例层析 凝胶过滤层析 反相层析 离子交换层析 亲和层析 疏水相互作用 层析聚焦浓度差、筛分分配平衡电荷、浓度差生物亲和作用疏水作用电荷、浓度差脱盐、分子分级甾醇、维生素、肽蛋白质、氨基酸、抗生素、核酸、有机酸

7、蛋白质、核酸蛋白质蛋白质电泳 凝胶电泳 等电点电泳 等速电泳 区带电泳筛分、电荷筛分、电荷、浓度差筛分、电荷、浓度差筛分、电荷、浓度差蛋白质、核酸蛋白质、氨基酸蛋白质、氨基酸蛋白质、核酸离心 离心过滤 离心沉降 超离心离心力、筛分离心力离心力菌体、菌体碎片菌体、细胞蛋白质、核酸、糖类第8页/共151页第九页，共151页。四、发酵工业下游技术四、发酵工业下游技术四、发酵工业下游技术四、发酵工业下游技术(jsh)(jsh)的一般工艺的一般工艺的一般工艺的一般工艺过程过程过程过程n n下游加工过程由各种化工单元操作组成。由于(yuy)生物产品品种多，性质各异，故用到的单元操作很多，其中如蒸馏、萃取、

8、结晶、吸附、蒸发和干燥等属传统的单元操作，理论比较成熟，而另一些则为新近发展起来的单元操作，如细胞破碎、膜过程和色层分离等，缺乏完整的理论，介于两者之间的有离子交换过程等。第9页/共151页第十页，共151页。1，一般工艺过程一般说来，下游加工过程可分为4个阶段：培养液(发酵液)的预处理和固液分离(fnl)；初步纯化(提取)；高度纯化(精制)；成品加工。第10页/共151页第十一页，共151页。2，工艺过程的划分：预处理和固液分离：目的是除去发酵液中的菌体细胞和不溶性固体杂质。初步分离：目的是除去与产物性质差异较大的杂质，为后道精制工序创造有利条件 高度纯化：去除(q ch)与产物的物理化学性

9、质比较接近的杂质。成品制作：成品形式由产品的最终用途决定。第11页/共151页第十二页，共151页。3 3，选择下游加工，选择下游加工(ji gng)(ji gng)工艺的原则：工艺的原则：是胞内产物还是胞外产物是胞内产物还是胞外产物 原料中产物和主要杂质浓度原料中产物和主要杂质浓度 产物和主要杂质的物理化学特性及差异产物和主要杂质的物理化学特性及差异 产品用途和质量标准产品用途和质量标准 产品的市场价格产品的市场价格 废液的处理方法等废液的处理方法等 第12页/共151页第十三页，共151页。第二节第二节 发酵液的预处理和固液发酵液的预处理和固液分离分离(fnl)目目 的的分离菌体和其他悬浮

10、颗粒分离菌体和其他悬浮颗粒(细胞碎细胞碎片、核酸片、核酸(h sun)(h sun)和蛋白质的沉和蛋白质的沉淀物淀物)；除去部分可溶性杂质和改变滤液性除去部分可溶性杂质和改变滤液性质，以利于提取和精制的顺利进质，以利于提取和精制的顺利进行。行。第13页/共151页第十四页，共151页。一、一、发酵液的预处理发酵液的预处理n n采用理化方法设法增大虚浮液中固体粒子的大小、或降低粘度(zhn d)，以利于过滤。n n去除会影响后续提取的高价无机离子。第14页/共151页第十五页，共151页。预处理的方法预处理的方法(fngf)1，高价无机离子(lz)的去除方法2，杂蛋白质的去除3，发酵液的凝聚和絮

11、凝第15页/共151页第十六页，共151页。1，高价无机离子的去除方法钙离子，可用草酸。镁离子，可用三聚磷酸钠它和镁离子形成(xngchng)可溶性络合物，用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子的浓度。此法可用于环丝氨酸的提取。铁离子，可加入黄血盐，使形成(xngchng)普鲁士蓝沉淀。第16页/共151页第十七页，共151页。2，杂蛋白质的去除(q ch)方法热变性沉淀大幅度改变pH第17页/共151页第十八页，共151页。3，发酵液的凝聚(nngj)和絮凝机 理电解质将胶体粒子表面上的电荷中和，减少存在于胶体粒子间的静电斥力，使伦敦(ln dn)范德华(LondonVander waal

12、s)吸引力占优势，这样胶体就会凝聚成较大、较密实的粒子，或在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使胶粒形成粗大的絮凝团使之更容易过滤。方 法在稀溶液中加入电解质以促进凝聚和絮凝。试剂包括酸、碱、简单电解质和合成的高分子电解质。常用的絮凝剂聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚胺衍生物、氯化钙、磷酸氢二钠第18页/共151页第十九页，共151页。第19页/共151页第二十页，共151页。影响(yngxing)絮凝的因素絮凝剂的添加量发酵液的pH絮凝剂的分子量搅拌转速(zhun s)搅拌时间第20页/共151页第二十一页，共151页。絮凝剂加量对絮凝效果(xiogu)(滤速)的影响料液中，絮凝剂浓度增加(z

13、ngji)有助于架桥充分，但是过多的加量反而会引起吸附饱和，在每个胶粒上形成覆盖层而使胶粒产生再次稳定现象。第21页/共151页第二十二页，共151页。发酵液pH对阴离子聚丙烯酰胺絮凝效果(xiogu)的影响溶液pH的变化常会影响离子型絮凝剂中功能团的电离度，从而影响分子链的伸展形态。电离度增大，由于链节上相邻(xin ln)离子基团间的电排斥作用，而使分子链从卷曲状态变为伸展状态，所以架桥能力提高。第22页/共151页第二十三页，共151页。n n絮凝技术预处理发酵液的优点不仅在于过滤速度的提高，还在于能有效地去除杂蛋白质和固体杂质(zzh)，如菌体、细胞和细胞碎片等，提高了滤液质量第23页

14、/共151页第二十四页，共151页。二、二、发酵液的过滤发酵液的过滤(gul)n n微生物发酵液中含有大量菌体、细胞或细胞碎片以及残余的固体培养基成分。过滤就是将悬浮在发酵液中的固体颗粒与液体进行分离的过程。n n在过滤操作(cozu)中，要求滤速快，滤液澄清并且有高的收率。第24页/共151页第二十五页，共151页。1，影响过滤速度，影响过滤速度(sd)的因素的因素过滤速度和以下因素(yn s)有关菌种。发酵条件。培养基的组成未用完培养基的数量消沫油发酵周期第25页/共151页第二十六页，共151页。菌种对过滤菌种对过滤(gul)速速度影响度影响n n真菌的菌丝比较粗大，如青霉菌的菌丝直径可

15、达真菌的菌丝比较粗大，如青霉菌的菌丝直径可达10m10m，发酵液容易过滤，不需特殊处理。其滤渣，发酵液容易过滤，不需特殊处理。其滤渣呈紧密饼状物，很容易从滤布上刮下来，故可采用呈紧密饼状物，很容易从滤布上刮下来，故可采用鼓式真空过滤机过滤。鼓式真空过滤机过滤。n n放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状。如链放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状。如链霉素发酵液菌丝仅霉素发酵液菌丝仅0.51.0m0.51.0m左右，还含有很多多左右，还含有很多多糖类物质糖类物质(wzh)(wzh)，粘性强，过滤较困难，一般需，粘性强，过滤较困难，一般需经预处理，以凝固蛋白质等胶体。经预处理，以凝固蛋白质等胶体

16、。n n细菌发酵液的菌体更细小，因此，过滤十分因准，细菌发酵液的菌体更细小，因此，过滤十分因准，如不用絮凝等方法预处理发酵液，往往难以采用常如不用絮凝等方法预处理发酵液，往往难以采用常规过滤的设备来完成过滤操作。规过滤的设备来完成过滤操作。第26页/共151页第二十七页，共151页。培养基的组成对过滤速度培养基的组成对过滤速度(sd)影响影响n n用黄豆粉、花生粉作氮源、淀粉作碳源会使过滤困难(kn nn)；n n发酵后期加消泡油或剩余大量末用完的培养基也会使过滤困难(kn nn)。第27页/共151页第二十八页，共151页。发酵周期对过滤发酵周期对过滤(gul)的影响的影响n n正确选择发酵

17、终了时间对过滤影响很大。在菌体丝自溶前必须放罐，因为细胞自治后的 分解产物一股很难过滤。有时(yush)延长发酵周期虽能使发酵单位有所提高，但严重影响发酵液质量，使色素和胶状杂质增多、过滤困难，最终造成成品质量降低。第28页/共151页第二十九页，共151页。2，改善，改善(gishn)过滤性能的方过滤性能的方法法n n等电点n n蛋白质变性n n吸附n n凝聚和絮凝n n加入助滤剂n n直接(zhji)在发酵液中形成填充-凝固剂n n酶解作用第29页/共151页第三十页，共151页。过滤过滤(gul)助剂助剂n n助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大。n n过滤助剂可解决

18、两个问题n n滤饼的可压缩性问题n n小粒子如菌丝碎片和细菌细胞，会渗入到转鼓真空过滤预覆盖层内部。使得预覆盖层的部分孔被堵塞，影响了渗透性。加入助滤剂可以(ky)解决这一问题n n常用的过滤助剂n n 硅藻土、珍珠岩、磨碎的木浆、淀粉第30页/共151页第三十一页，共151页。n n助滤剂的加入有两种方法：n n在滤布上预先铺一层助滤剂(12mm)，该方法，会使滤速降低(jingd)，但滤液透明度n n直接加入发酵液中（助滤剂的用量，有一条经验规则可供参考，即助滤剂用量若等于悬浮液中固体含量时，滤速最快。）。第31页/共151页第三十二页，共151页。填充填充(tinchng)-凝固凝固剂剂

19、n n 改善过滤性能较好的方法是加入一些反应剂，改善过滤性能较好的方法是加入一些反应剂，它们能相互作用，或和某些溶解性盐类发生反它们能相互作用，或和某些溶解性盐类发生反应生成不溶解的沉淀应生成不溶解的沉淀(CaSO4(CaSO4，AlPO4AlPO4等等)。生成。生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构构(jigu)(jigu)，沉淀本身即可作为助滤剂，并且还能，沉淀本身即可作为助滤剂，并且还能使胶状物和悬浮物凝固，如新生霉素发酵液中使胶状物和悬浮物凝固，如新生霉素发酵液中加入氯化钙和磷酸钠，生成的磷酸钙可作为填加入氯化钙和磷酸钠，生成的磷酸钙可作

20、为填充充-凝固剂。一方面作为助滤剂，另一方面还可凝固剂。一方面作为助滤剂，另一方面还可使某些蛋白质凝固。又如环丝氨酸发酵液用氧使某些蛋白质凝固。又如环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷酸处理，生成的磷酸钙沉淀，能使悬化钙和磷酸处理，生成的磷酸钙沉淀，能使悬浮物凝固。多余的磷酸根离子，还能除去钙、浮物凝固。多余的磷酸根离子，还能除去钙、镁离子。并且在发酵液中不会引入其它阳离子镁离子。并且在发酵液中不会引入其它阳离子而影环环丝氨酸的离子交换吸附。正确选择反而影环环丝氨酸的离子交换吸附。正确选择反应剂和反应条件，能使过滤速度提高应剂和反应条件，能使过滤速度提高310310倍。倍。第32页/共151页第三十三页

21、，共151页。酶解作用酶解作用(zuyng)n n如发酵液中有不溶解的多糖存在则最好用酶将它转化为单糖，以提高过滤速度。例如万古霉素用淀粉作培养基，加入(jir)淀粉酶后，能使过滤速度加快。第33页/共151页第三十四页，共151页。3，固，固液分离设备液分离设备(shbi)的选的选择择 n n不同性状约发酵液应选择(xunz)不同的固液分离设备。常用于发酵液的分离设备有：n n板框压滤机n n鼓式真空过滤机n n离心沉降分离机 第34页/共151页第三十五页，共151页。n n板框压滤机板框压滤机n n优点：优点：n n板框压滤机的过滤面积大；板框压滤机的过滤面积大；n n过滤推动力过滤推动

22、力(压力差压力差)能较能较大幅度地进行调整，并能大幅度地进行调整，并能耐受较高的压力差；耐受较高的压力差；n n结构简单，价格低，结构简单，价格低，n n动力消耗少等优点。动力消耗少等优点。n n缺点缺点n n不能连续操作，设备笨重不能连续操作，设备笨重(bnzhng)(bnzhng)，劳动强度大，劳动强度大，n n卫生条件差，卫生条件差，n n非生产的辅助时间长，阻非生产的辅助时间长，阻碍了过滤效率的提高。碍了过滤效率的提高。第35页/共151页第三十六页，共151页。n n鼓式真空(zhnkng)过滤机n n优点n n能连续操作，n n能实现自动化控制n n缺点n n压差较小，主要适用于霉

23、菌发酵液的过滤。第36页/共151页第三十七页，共151页。n n离心分离 n n优点n n分离速度快，效率高，n n操作时卫生条件好等优点，n n适合于大规模的分离过程。n n缺点(qudin)n n投资费用高，n n能耗较大。第37页/共151页第三十八页，共151页。三、微生物细胞三、微生物细胞(xbo)的破碎的破碎n n微生物的代谢产物有的分泌到细胞或组织之外，例如细菌产生微生物的代谢产物有的分泌到细胞或组织之外，例如细菌产生(ch(ch nshng)nshng)的碱性蛋白酶，霉菌产生的碱性蛋白酶，霉菌产生(ch(ch nshng)nshng)的糖化酶等，的糖化酶等，称为胞外产物。称为

24、胞外产物。n n还有许多是存在于细胞内，例如青霉素酰化酶，碱性磷酸酯酶等，还有许多是存在于细胞内，例如青霉素酰化酶，碱性磷酸酯酶等，称为胞内产物。称为胞内产物。n n对于胞外产物只需直接将发酵液预处理及过滤，获得澄清的滤液，对于胞外产物只需直接将发酵液预处理及过滤，获得澄清的滤液，作为进一步纯化的出发原液，作为进一步纯化的出发原液，n n对于胞内产物，则需首先收集菌体进行细胞破碎，使代谢产物转对于胞内产物，则需首先收集菌体进行细胞破碎，使代谢产物转入液相中，然后，再进行细胞碎片的分离。入液相中，然后，再进行细胞碎片的分离。第38页/共151页第三十九页，共151页。第39页/共151页第四十页

25、，共151页。4，微生物细胞，微生物细胞(xbo)的破碎技术的破碎技术n n机械机械(jxi)(jxi)方法方法n n球磨机球磨机 n n高压匀浆器高压匀浆器 n nX-pressX-press法法 n n超声波破碎超声波破碎 n n非机械非机械(jxi)(jxi)方法方法 n n酶解酶解n n渗透压冲击渗透压冲击n n冻结和融化冻结和融化n n干燥法干燥法n n化学法化学法第40页/共151页第四十一页，共151页。n n球磨机n n 研磨是常用的一种(y zhn)方法，它将细胞悬浮液与玻璃小珠、石英砂或氧化铝一起快速搅拌或研磨，使达到细胞的某种程度破碎。这些装置的主要缺点是在破碎期间样品温

26、度迅速升高，通过用二氧化碳来冷却容器可得到部分解决。第41页/共151页第四十二页，共151页。高压匀浆器 采用高压匀浆器是大规模破碎细胞的常用方法，利用高压迫使细胞悬浮液通过针形阀，由于(yuy)突然减压和高速冲击撞击环造成细胞破裂高压(goy)匀降的排出阀第42页/共151页第四十三页，共151页。第43页/共151页第四十四页，共151页。X-press法一种改进的高压方法是将浓缩的菌体悬浮液冷却至-25C至-30 C形成冰晶体，利用500 MPa以上的高压冲击，冷冻细胞从高压阀小孔中挤出。细胞破碎是由于冰晶体的磨损，包埋在冰中的微生物的变形所引起的。该法的优点是适用的范围广，破碎率高，

27、细胞碎片的粉碎程度低以及活性的保留(boli)率高，该法对冷冻融解敏感的生化物质不适用。第44页/共151页第四十五页，共151页。超声波法细胞的破碎是由于超声波的空穴作用，从而产生一个极为强烈的冲击波压力，由它引起的粘滞性旋涡在介质中的悬浮细胞上造成了剪切应力，促使细胞内液体发生流动，从而使细胞破碎。对于不同菌种的发酵液、超声波处理的效果不同，杆菌比球菌易破碎、革兰氏阴性菌细胞比革兰氏阳性菌细胞容易(rngy)破碎，对酵母菌的效果级差。该法不适于大规模操作，因为放大后，要输入很高的能量来提供必要的冷却，这是困难的。第45页/共151页第四十六页，共151页。酶解法利用酶反应，分解破坏细胞壁上

28、特殊(tsh)的键，从而达到破壁的目的。优点：专一性强，发生酶解的条件温和。缺点：酶水解费用较贵，一般只适用于小规模的实验室研究。溶菌酶是应用最多的酶，它能专一地分解细胞壁上糖蛋白分子的-1，4糖苷键，使脂多糖解离，经溶菌酶处理后的细胞移至低渗溶液中使细胞破裂。第46页/共151页第四十七页，共151页。自溶作用是酶解的另一种方法，所需溶胞的酶是由微生物本身产生(chnshng)的。影响自溶过程的因素有温度、时间、pH缓冲液浓度、细胞代谢途径等。自溶法在一定程度上能用于工业规模，但是，对不稳定的微生物容易引起所需蛋白质的变性，自溶后的细胞培养液过滤速度也会降低。第47页/共151页第四十八页，

29、共151页。渗透压冲击是较温和的一种破碎方法，将细胞放在高渗透压的介质中(如一定浓度的甘油或蔗糖溶液)，入达到平衡(pnghng)后，介质被突然稀释，或者将细胞转入水或缓冲液中，由于渗透压的突然变化，水迅速进入细胞内，引起细胞壁的破裂。渗透压冲击的方法仅对细胞壁较脆弱的菌，或者细胞壁预先用酶处理，或合成受抑制而强度减弱时才是合适的。第48页/共151页第四十九页，共151页。冻结-融化法将细胞放在低温下突然冷冻和室温下融化，反复多次而达到破壁作用。对于细胞壁较脆弱的菌体，可采用此法。但通常(tngchng)破碎率很低即使反复循环多次也不能提高收率。另外，还可能引起对冻融敏感的某些蛋白质的变性。

30、第49页/共151页第五十页，共151页。干燥法可采用空气干燥，真空干燥，喷雾干燥和冷冻干燥等。空气干燥主要(zhyo)适用于酵母菌。真空干燥适用于细菌的干燥。冷冻干燥适用于较不稳定的生化物质。干燥法条件变化较剧烈，容易引起蛋白质或其它组织变性。第50页/共151页第五十一页，共151页。化学法用酸碱及表面活性剂处理，可以使蛋白质水解，细胞溶解或使某些组分从细胞内渗漏出来。某些脂溶性溶剂也能作为化学处理的方法，如丁醇、丙酮、氯仿及尿素等。但是，这些试剂容易引起生化(shn hu)物质破坏，还会带来分离和回收化学物质的问题。第51页/共151页第五十二页，共151页。第52页/共151页第五十三

31、页，共151页。破碎方法破碎方法(fngf)的选择的选择n n选择合适的破碎方法需要考虑下列因素：n n细胞的数量；n n所需要的产物对破碎条件(tiojin)(温度、化学试剂、酶等)的敏感性；n n要达到的破碎程度及破碎所必要的速度，n n尽可能采用最温和的方法；n n具有大规模应用潜力的生化产品应选择适合于放大的破碎技术。第53页/共151页第五十四页，共151页。第三节第三节 沉淀法沉淀法n n沉淀法是最古老的分离和纯化生物物质的方法。由于沉淀法是最古老的分离和纯化生物物质的方法。由于(yuy)(yuy)其浓缩作用其浓缩作用常大于纯化作用，因而沉淀法通常作为初步分离的一种方法，用于从去常

32、大于纯化作用，因而沉淀法通常作为初步分离的一种方法，用于从去除了菌体或细胞碎片的发酵液中沉淀出生物物质，然后再利用色层分离除了菌体或细胞碎片的发酵液中沉淀出生物物质，然后再利用色层分离等方法进一步提高其纯度。等方法进一步提高其纯度。n n沉淀法由于沉淀法由于(yuy)(yuy)成本低、收率高成本低、收率高(不会使蛋白质等大分子失活不会使蛋白质等大分子失活)、浓缩、浓缩倍数高和操作简单等优点，是下游加工过程中应用广泛的值得注意的方倍数高和操作简单等优点，是下游加工过程中应用广泛的值得注意的方法。法。第54页/共151页第五十五页，共151页。n n根据所加入的沉淀剂的不同，沉淀法可以分为：根据所

33、加入的沉淀剂的不同，沉淀法可以分为：n n盐析法；盐析法；n n等电点沉淀法；等电点沉淀法；n n有机溶剂沉淀法；有机溶剂沉淀法；n n非离子型聚合物沉淀法；非离子型聚合物沉淀法；n n聚电解质沉淀法；聚电解质沉淀法；n n高价金属高价金属(jnsh(jnsh)离子沉淀法。离子沉淀法。第55页/共151页第五十六页，共151页。第四节第四节 吸附吸附(xf)法法n n在发酵工业的下游加工过程中，吸附法应用(yngyng)于发酵产品的除杂、脱色、有毒物质和抗生素的提纯精制。第56页/共151页第五十七页，共151页。一、吸附一、吸附(xf)法的原理法的原理n n吸附法是利用吸附剂与杂质、色素物质

34、(wzh)、有毒物质(wzh)、产品之间分子引力的差异，从而起到分离的作用。第57页/共151页第五十八页，共151页。二、吸附二、吸附(xf)的目的的目的n n将产品吸附(xf)浓缩于吸附(xf)剂上；n n将杂质、色素等需要从发酵液中去除的物质吸附(xf)于吸附(xf)剂上。第58页/共151页第五十九页，共151页。三、吸附三、吸附(xf)法的优法的优缺点缺点n n优点：n n可不用(byng)或少用有机溶剂；n n操作简便、安全、设备简单；n n生产过程中pH变化小，适用于稳定性较差的生化物质。n n缺点：n n吸附法选择性差、收率不高。n n无机吸附剂性能不稳定，不能连续操作，劳动强

35、度大。n n炭粉等吸附剂影响环境卫生。n n凝胶类吸附剂、大网格聚合物吸附剂第59页/共151页第六十页，共151页。四、吸附四、吸附(xf)的类型的类型n n物理吸附：吸附剂和吸附物通过分子力物理吸附：吸附剂和吸附物通过分子力(范德华力范德华力)产生的吸附。产生的吸附。n n化学吸附：化学吸附：化学吸附是由于化学吸附是由于(yuy)(yuy)吸附剂在吸附物之间的电子转移，发吸附剂在吸附物之间的电子转移，发生化学反应而产生的，属于库仑力生化学反应而产生的，属于库仑力 范围。范围。n n交换吸附：交换吸附：吸附剂表面如为极性分子或离子所组成则它会吸引溶液中带吸附剂表面如为极性分子或离子所组成则它

36、会吸引溶液中带相反电荷的离子而形成双电层。这种吸附又称为极性吸附。相反电荷的离子而形成双电层。这种吸附又称为极性吸附。第60页/共151页第六十一页，共151页。第61页/共151页第六十二页，共151页。五、吸附剂的基本五、吸附剂的基本(jbn)要求要求n n吸附剂要求颗粒密度小，表面积大，但孔隙也不能太多，否则(fuz)被吸附物质不易被洗脱。n n吸附剂的颗粒大小要均匀。n n吸附剂的吸附能力要大，但不能影响洗脱。第62页/共151页第六十三页，共151页。六、吸附剂的种类六、吸附剂的种类(zhngli)n n疏水或非极性吸附剂（活性炭）n n亲水或极性吸附剂（硅胶、氧化铝）n n离子交换

37、(l z jio hun)树脂吸附剂第63页/共151页第六十四页，共151页。七、七、影响影响(yngxing)吸附过程吸附过程的因素的因素1 1，吸附剂的性质，吸附剂的性质 吸附剂的理化性质对吸附的影响很大。吸附剂的性质与其原料、合吸附剂的理化性质对吸附的影响很大。吸附剂的性质与其原料、合成方法和再生条件有关。一般要求吸附容量大，吸附速度快和机成方法和再生条件有关。一般要求吸附容量大，吸附速度快和机械强度械强度(qingd)(qingd)好。好。吸附剂的吸附容量除其它外界条件外，主要与比表面积有关。比表面吸附剂的吸附容量除其它外界条件外，主要与比表面积有关。比表面大，空隙度高，吸附容量就越

38、大。大，空隙度高，吸附容量就越大。吸附速度主要与颗粒度和孔径分布有关，颗粒度越小，吸附速度就越吸附速度主要与颗粒度和孔径分布有关，颗粒度越小，吸附速度就越快，但压头损失要增大。孔径适当，有利于吸附物向空隙中扩散。快，但压头损失要增大。孔径适当，有利于吸附物向空隙中扩散。吸附剂的机械强度吸附剂的机械强度(qingd)(qingd)则影响其使用寿命。则影响其使用寿命。第64页/共151页第六十五页，共151页。2，吸附物的性质(xngzh)有下列一些规则可用来预测吸附的相对量。能使表面张力降低的物质，易为表面吸附；溶质从较易溶解的溶剂中吸附时，吸附量较少。极性吸附剂易吸附极性物质，非极性吸附剂易吸

39、附非极性物质。对于同系列物质，吸附量的变化是有规则的。如按极性减小的次序排列，次序越在后面的物质，极性越差，因而越易为非极性吸附剂所吸附而越难为极性吸附剂所吸附。第65页/共151页第六十六页，共151页。3，溶液pH值的影响(yngxing)pH值影响(yngxing)某些化合物的离解度。4，温度的影响(yngxing)吸附热越大，则温度对吸附的影响(yngxing)越大。5，其它组分的影响(yngxing)当从含有两种以上组分的溶液中吸附时，根据溶质的性质可以互相促进，干扰或互不干扰。一般说来，对混合物的吸附较纯物质的吸附为差。第66页/共151页第六十七页，共151页。第五节第五节 离子

40、交换离子交换(l z jio hun)法法n n离子交换作用：是指一个溶液中的某一种(y zhn)离子与一个固体中的另一种(y zhn)具有相同电荷的离子互相调换位置，即溶液中的离子跑到固体上去，把固体上的离子替换下来。这里溶液称流动相，而固体称固定相。n n蛋白质、氨基酸、核酸、酶、抗生素。第67页/共151页第六十八页，共151页。一、基本原理一、基本原理n n离子交换剂通常是一种不溶性高分子化合物，它的分子中含有可解离的基团，离子交换剂通常是一种不溶性高分子化合物，它的分子中含有可解离的基团，这些这些(zhxi)(zhxi)基因在水溶液中能与溶液中的其它阳离子或阴离子起交换作用。基因在水

41、溶液中能与溶液中的其它阳离子或阴离子起交换作用。n n交换反应都是平衡反应，但在层析柱上进行时，由于连续添加新的交换溶液，交换反应都是平衡反应，但在层析柱上进行时，由于连续添加新的交换溶液，平衡不断按正方向进行，所以可以把离子交换剂上的原子离子全部洗脱下来，平衡不断按正方向进行，所以可以把离子交换剂上的原子离子全部洗脱下来，同时溶液中的离子全部被交换并吸附在树脂上。同时溶液中的离子全部被交换并吸附在树脂上。n n如果有两种以上的成分被交换吸着在离子交换剂上，用洗脱液洗脱时，其被如果有两种以上的成分被交换吸着在离子交换剂上，用洗脱液洗脱时，其被洗脱的能力则决定于各自洗脱反应的平衡常数。洗脱的能力

42、则决定于各自洗脱反应的平衡常数。n n离子交换过程有两个阶段离子交换过程有两个阶段吸附和解吸附。吸附在离子交换剂上的物质可吸附和解吸附。吸附在离子交换剂上的物质可以通过改变以通过改变pHpH使吸附的物质失去电荷而达到解离但更多的是通过增加离子使吸附的物质失去电荷而达到解离但更多的是通过增加离子强度，使加入的离子与被吸附物质竞争离子交换剂上的电荷位置，使被吸附强度，使加入的离子与被吸附物质竞争离子交换剂上的电荷位置，使被吸附物质与离子交换剂解开。不同物质与离子交换剂之间形成电键数目不同，即物质与离子交换剂解开。不同物质与离子交换剂之间形成电键数目不同，即亲和力大小有差异亲和力大小有差异 ，因此只

43、要选择适当的洗脱条件便可将混合物中的组分，因此只要选择适当的洗脱条件便可将混合物中的组分逐个洗脱下来，达到分离纯化的目的。逐个洗脱下来，达到分离纯化的目的。第68页/共151页第六十九页，共151页。二、离子交换二、离子交换(l z jio hun)剂的分类剂的分类n n阳离子交换剂:磺酸(hun sun)(-SO3H)、磷酸(-PO3H2)、羧酸（-COOH）和酚羟基（-OH）n n强酸型n n中酸型n n弱酸型n n阴离子交换剂:伯胺、(-NH2)、仲胺(-NHCH3)、叔胺N-（CH3）2和季胺-N（CH3）2n n强碱性n n中碱性n n弱碱性第69页/共151页第七十页，共151页。

44、n n两性离子交换剂n n选择性离子交换剂n n吸附树脂(shzh)n n电子交换树脂(shzh)第70页/共151页第七十一页，共151页。三、影响离子交换三、影响离子交换(l z jio hun)速度的因素速度的因素n n树脂颗粒的大小；n n树脂的交联度；n n溶液中离子浓度(nngd)；n n温度；n n离子的大小；n n离子价；n n树脂强弱。第71页/共151页第七十二页，共151页。四、离子交换的操作四、离子交换的操作(cozu)方方式式n n分批法n n固定床法n n流动(lidng)床法第72页/共151页第七十三页，共151页。第六节第六节 膜分离过程膜分离过程(guchn

45、g)n n17481748年法国年法国(f(f u)u)学者学者Abbe NolletAbbe Nollet首次提出了膜分离首次提出了膜分离现现象，象，经过经过近二近二个世个世纪纪的摸索、研究，的摸索、研究，2020世世纪纪5050年代膜分离技年代膜分离技术术才逐才逐渐发渐发展成展成为为一一门门新新兴兴高技高技术边缘术边缘学科。学科。n n19631963年第一个膜渗析器的年第一个膜渗析器的诞诞生开生开创创了膜分离技了膜分离技术术的新的新纪纪元，二、三十元，二、三十年来得到了迅猛的年来得到了迅猛的发发展，在各个工展，在各个工业领业领域及科研中得到大域及科研中得到大规规模模应应用，用，出出现现了

46、各种有价了各种有价值值的微的微滤滤、超、超滤滤、纳滤纳滤和反渗透等分离膜和反渗透等分离膜 。第73页/共151页第七十四页，共151页。膜分离技膜分离技术(jsh)的的优点点n n适用范围广；n n膜分离过程为物理过程，不需加入化学药剂；n n膜分离技术分离装置(zhungzh)简单，占地面积小，系统集成容易；n n膜分离过程系统简单、操作容易，且易控制，便于维修，有利于生产自动化的推广与普及。第74页/共151页第七十五页，共151页。一、膜分离方法一、膜分离方法(fngf)的分类的分类n n透析透析n n超滤超滤n n反渗透反渗透(shntu)(shntu)n n微滤微滤n n电渗析电渗析

47、n n液膜技术液膜技术n n气体渗透气体渗透(shntu)(shntu)n n渗透渗透(shntu)(shntu)蒸发蒸发第75页/共151页第七十六页，共151页。第76页/共151页第七十七页，共151页。第77页/共151页第七十八页，共151页。二、表征二、表征(bio zhn)膜性能的膜性能的参数参数n n孔的性质(包括(boku)孔径、孔分布和孔隙度)n n水通量n n截留率的截断分子量n n抗压能力n npH适用范围n n对热和溶剂的稳定性。第78页/共151页第七十九页，共151页。三、膜分离设备三、膜分离设备(shbi)1，选择膜分离设备应考虑以下因素：分离类型生产量操作时的

48、应变性保养(boyng)难易程度操作方便与否第79页/共151页第八十页，共151页。2，常用，常用(chn yn)的膜分离设的膜分离设备备n n管式过滤器 n n内压式n n外压式第80页/共151页第八十一页，共151页。n n中空式过滤器n n 中空纤维膜组件 用粗的中空纤维膜组装成用于超过滤的膜组件，它具有类似于单管程管壳式换热器的结构。所用的中空纤维，在内壁或内、外壁形成表层。内压式膜组件适合于管内(un ni)流过料液，管间汇集渗滤波，外压式膜组件相反，管间走料液，管内(un ni)汇集渗滤液。第81页/共151页第八十二页，共151页。n n螺旋卷式过滤器螺旋卷式过滤器n n 卷

49、式膜组件是用平面卷式膜组件是用平面膜卷制而成的。将两张膜卷制而成的。将两张超过滤膜叠在一起超过滤膜叠在一起(yq(yq)，表层各自向外，表层各自向外，在三条边上相互粘合，在三条边上相互粘合，形成一长信封式的膜袋，形成一长信封式的膜袋，在此袋内插入一张挠性在此袋内插入一张挠性的多孔薄板。用一管壁的多孔薄板。用一管壁钻有许多小孔、两端带钻有许多小孔、两端带有连接件的管子，作为有连接件的管子，作为膜组件的中心管。先将膜组件的中心管。先将伸出膜袋口外的多孔薄伸出膜袋口外的多孔薄板卷绕中心管一圈，再板卷绕中心管一圈，再将膜袋开口粘合。然后将膜袋开口粘合。然后将一隔网叠在膜袋上，将一隔网叠在膜袋上，一起一

50、起(yq(yq)卷绕在中心卷绕在中心管上，形成螺旋卷，最管上，形成螺旋卷，最后将外缘封固。后将外缘封固。第82页/共151页第八十三页，共151页。n n平板式过滤器平板式过滤器n n 板式膜组件用平面膜组成。用它所组装的超过滤器在结构上与压滤机板式膜组件用平面膜组成。用它所组装的超过滤器在结构上与压滤机相近，而差别有二：其一是压滤机有料液进口和滤液出口，须拆卸机体相近，而差别有二：其一是压滤机有料液进口和滤液出口，须拆卸机体才能取出滤饼才能取出滤饼(l(l b b n n)；而超过滤器内不生成滤饼；而超过滤器内不生成滤饼(l(l b b n n)，设备不需经，设备不需经常拆卸，除了料液进口、