06 第五章 下游加工过程.ppt

第1页：第五章下游加工过程

第五章 下游加工过程（downstream processing）

第2页：下游加工技术的重要性

第一节 概况　一、下游加工技术的重要性

1. 产品分离纯化是最终获得商业产品的环节。
2. 投资费用高（抗生素、乙醇、柠檬酸占 60%）。
3. 分离纯化技术落后会阻碍发酵工程技术的发展。

第3页：产物在发酵液中的浓度

第4页：下游加工技术的特点

二、下游加工技术的特点

1. 发酵液的复杂性造成分离上的困难性。
2. 欲提取的产物通常浓度低且很不稳定。
3. 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。

第5页：下游加工的一般程序

第二节 下游加工过程　一、一般程序

1. 预处理和固液分离：加速固液相分离
2. 细胞破碎，分离胞内产物
3. 初步纯化（提取）：除去与产物性质差异很大的杂质
4. 高度纯化（精制）：除去与产物性质相似的杂质
5. 产品加工

第6页：发酵液的预处理

二、过程概述（一）预处理和固液分离

1. 预处理

目的——改变发酵液性质，有利于固液分离。

• 酸化：降低发酵液粘度
• 加热
• 加絮凝剂：使细胞或大分子聚结成较大颗粒

第7页：固液分离

2. 固液分离：主要方法是过滤和离心。

板框压滤机过滤

加助滤剂（常用硅藻土等）

鼓式真空过滤机

用于连续过滤

离心

含固形物较多的发酵液用倾析式离心机

第8页：倾析式离心机

倾析式离心机的结构

1. 发酵液
2. 固形物出口
3. 送料的中空驱动轴
4. 固形物
5. 螺旋输送器
6. 液体出口处
7. 主驱动轴

第9页：细胞破碎

（二）细胞破碎（欲提取的产物存在于细胞内）

• 机械法
• 物理法
• 化学法
• 生物法（酶解）

第10页：机械法破碎

机械法

1）液体剪切

搅拌、匀浆。

2）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：高压匀浆器（利用冷冻挤压原理制成）、球磨机。

第11页：等电点沉淀法

（三）提取　1. 沉淀法（1）等电点沉淀法（isoelectric precipitation）

• 氨基酸（两性电解质）在等电点时溶解度最低。
• 较少单独使用，多与其它方法联合使用（如盐析法、有机溶剂法），因蛋白质在等电点仍有一定的溶解度。

第12页：谷氨酸离子状态与 pH

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。

第13页：不溶性盐沉淀法

（2）不溶性盐沉淀法

某些代谢产物在一定 pH 下，能与酸、碱或金属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。

锌盐法

提取谷氨酸

钙盐法

提取柠檬酸

单宁

提取酶

第14页：有机溶剂沉淀法

（3）有机溶剂沉淀法

试剂

丙酮、乙醇、甲醇等亲水溶剂

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亲和力，使多糖分子之间相互结合形成沉淀

第15页：色谱法的起源

2. 色谱分离法

色谱法也称层析法，是 1903 年俄国植物学家 Michael Tswett 发现并命名的。将植物色素溶液通过装有 CaCO₃ 吸附剂的柱子，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。

第16页：色谱的起源

色谱组分：色素、石油醚、碳酸钙颗粒。用色彩（chroma）和图谱（graphs）组成色谱一词（Chromatography）。

第17页：吸附层析

（1）吸附层析（adsorption chromatography）

原理

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的极性官能团作用。

常用吸附剂

活性炭、氧化铝、碳酸钙、磷酸钙（羟基磷灰石）、硅胶等。

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第19页：离子交换层析

（2）离子交换层析（ion exchange chromatography）

原理：根据待分离物质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同电荷的溶质离子进行可逆交换。

第20页：离子交换剂的组成

离子交换剂：由载体、电荷基团和反离子构成。如羧甲基纤维素离子交换剂组成：纤维素—O—CH₂—COO^-—Na⁺（载体—电荷基团—反离子）。

第21页：离子交换的过程

离子交换的基本过程：

1. 平衡阶段：离子交换剂与反离子结合。
2. 吸附阶段：样品与反离子进行交换。
3. 3、4. 解吸附阶段：用梯度缓冲液洗脱，先洗下弱吸附物质，后洗下强吸附物质。
4. 5. 再生阶段：用原始平衡液进行充分洗涤，即可重复使用。

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第24页：膜分离

3. 膜分离（membrane separation）

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。

特点

（1）不涉及相变，对能量要求低。（2）条件较温和，适于热敏性物质的分离。

第25页：扩散膜分离透析

（1）扩散膜分离——透析（又称渗析，Dialysis，DS）

溶质分子 Y 从高浓度一侧通过半透膜（孔径 5～10 nm）向低浓度一侧移动。

第26页：

第27页：透析工作图

本页为透析工作图，建议对照原图补充料液侧、透析液侧与膜组件的标注说明。

第28页：加压膜分离

（2）加压膜分离：根据所截留物质颗粒大小及操作压力的不同，分为三类。

第29页：电场膜分离

（3）电场膜分离——电渗析（Electrodialysis，ED）：在离子交换膜的两侧分别装上正、负电极。

第30页：

第31页：膜分离法的应用范围

第32页：精制与结晶法

（三）精制：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。

1. 结晶法原理

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。

第33页：结晶的条件

2. 结晶的条件

过饱和（Supersaturation）溶液的形成是结晶的原推动力和首要条件。

1. 纯度：纯度愈高愈易结晶，通常不低于 50%。
2. 浓度：有合适的浓度范围，控制在饱和区以上，过饱和区以下的介稳区内。

第34页：介稳区

介稳区：过饱和溶液，但过量的溶质并不马上结晶析出，溶液具有相对稳定性。

第35页：谷氨酸结晶的浓度条件

谷氨酸浓度为 4%～8% 时，易得到结晶。

• < 3.5% 时，低温也达不到过饱和状态
• 含量 > 8% 时，易析出 β-谷氨酸（质轻，纯度低）

第36页：结晶的 pH 温度与晶种

3. pH 值：pI 处，缓慢加酸。
4. 温度：低温，溶解度小，有利于结晶。
5. 晶种：掌握好时机，在介稳区投晶种。过早会溶化，过晚会刺激细小晶核形成。

第37页：起晶方法

起晶方法

（1）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，形成晶体。

（2）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。

（3）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。

第38页：浓缩

（四）成品加工（polishing）　1. 浓缩

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汽化蒸发，使溶液浓缩的过程。抽真空降低蒸发温度。

第39页：干燥

2. 干燥

1. 加热干燥
2. 真空干燥
3. 冷冻干燥
4. 吸附干燥

第40页：真空干燥与冷冻干燥

真空干燥

边抽真空边加热，使物品在较低温度下干燥。

冷冻干燥

冷冻后抽真空，使水分直接升华到气态。