页数：27页文件大小：1.98 MB来源： 生化生产工艺学ppt课件
本课件讲解生化产品的分离与纯化，先分析发酵醪水分高、产物浓度低、含菌体蛋白胶体等六大特性并按菌体、酶与代谢产物分类，再说明下游过程的特点与对分离纯化技术的五项要求，随后展开培养液预处理、加热调pH与絮凝、固液分离与碟式离心机、细胞破碎方法，最后介绍生物分离工艺的设计思路与基本流程。
第十三章生物物质的分离与纯化，教学内容：
利用微生物发酵生产各种发酵产品，由于菌种不同和发酵醪特性不同，其预处理方法和提取、精制方法的选择也有差异，应针对发酵醪的特性合理选择处理方法。
大多数发酵产物存在发酵醪中，也有少数发酵产物存在菌体中，或发酵醪和菌体都含有，例如四环类抗生素。各种发酵产物无论在发酵醪中还是在菌体中，往往浓度较低，并与种种溶解和悬浮的杂质混在一起，要分离提纯发酵产物，首先要针对发酵醪特性进行预处理。
发酵醪的特性一般可归纳为：
发酵醪的其他特性：
发酵成熟醪中常含有各种各样的杂质，而所需要的发酵产物含量很少，因此要获得纯净的发酵产物，提取与精制过程便成为复杂而必不可少的工艺过程。提取和精制的目的在于从发酵液中制取高纯度的、符合质量标准要求的发酵成品。
尽管发酵产物可以多种多样，但从工业发酵范畴来看，从发酵醪中获得产物大致可分为菌体、酶、代谢产物三类。
代谢产物类发酵产物包括：
问题：
生化生产过程的最后一个环节是把目标产物从培养液或反应液中分离提取出来。多数生化产品需经微生物发酵、酶反应过程或动植物细胞大量培养，并通过产物回收、粗分离、纯化及精制等处理后才能符合质量标准。
生化产品的特点：目的产物在初始物料中含量低；初始物料组成复杂，除产物外还含有大量细胞、代谢物、残留培养基、无机盐等；生物活性物质稳定性差，对 pH、温度、金属离子、有机溶剂、剪切力、表面张力等十分敏感，易失活变性；产品种类繁多，包括大、中、小分子量且结构性质各异的生物活性物质；应用面广，许多用作医药、食品、试剂，对含量和纯度要求高。
应用于生化产品后处理过程的分离纯化技术必须满足以下要求：
对分离纯化技术的进一步要求：
就目前的发展和应用情况来看，在大多数生物产品的开发研究中，后处理过程的研究费用约占全部费用的 50% 以上；在产品成本构成中，后处理成本占总成本的 40%—80%，对于精细细胞和药用的产品此比例更高；生产过程中后处理投入的人力和物力占全部的 70%—90%。生物产品的后处理分离纯化技术和工艺不仅影响产品的质量和成本，也决定着产品的产量。
不同的生化产品由于自身特性及对纯度要求不同，所采用的分离纯化路线常常也不同：从发酵液中提取精制菌体和胞内酶，就与分离纯化细胞代谢产物明显不同；即使产物都属于代谢产物，由于化学结构不同，提取精制方法也不同。但一般来说，分离纯化路线都包括两个基本阶段：
生物产品的后处理过程一般包括：发酵液的预处理、提取、精制三个步骤。
图 13-1 生物产品分离纯化的一般步骤：
预处理阶段主要是改善培养液的处理性能，为后续分离创造条件。
一、培养液的预处理：
思考：1、培养液的预处理的目的是什么？2、培养液的预处理包括哪些步骤？
二、培养液的固液分离方法——1、分离前的处理：
| 序号 | 方法 | 原理 | 设备 |
|---|---|---|---|
| 1 | 絮凝 | 利用电荷中和及大分子桥联作用形成更大的粒子 | — |
| 2 | 离心 | 在离心产生的离心力场作用下，加快颗粒的沉降速度 | 高速冷冻离心机、蝶片式离心机、管式离心机、倾析式离心机、筐式离心机 |
| 3 | 过滤 | 依据过滤介质的孔隙大小进行分离 | 板框过滤机 |
3、碟式离心机结构及工作原理：当发酵醪由转鼓中心进入高速旋转的转鼓内，由于固、液比重不同，在碟片空间内离心力的作用下把发酵醪分成固相和液相两部分。
此机转速可高达 6000—10000 r/min。我国广州重型机械厂生产的 DP-400 型酵母高速离心分离机转速为 6500 r/min，适用于发酵工业的菌体分离。
表 13-2 列出主要细胞破碎方法的原理、使用的设备、特点和存在的缺点。
| 序号 | 方法 | 原理 | 设备 | 特点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 压力破碎法 | 利用压力释放时的液固剪切进行破碎 | 压力破碎机 | 操作简便，可连续操作，适用于不同的细胞 | 加压放热需冷却，否则生物活性物质失活；破碎率较低，压力不稳定需反复破碎 |
| 2 | 珠磨破碎法 | 利用固体的剪切进行破碎细胞 | 珠磨破碎机 | 操作简便稳定，可连续批式操作，破碎率可控制，容易放大，适用于工业放大 | 珠磨时会放热，需高效冷却，不同细胞的破碎条件差异大 |
| 3 | 超声波破碎法 | 利用超声波形成空穴产生压力冲击进行破碎 | 超声破碎机 | 操作简便，可连续或批式操作 | 处理会产热需冷却，破碎率较低需反复进行，应用面较窄 |
| 4 | 渗透压法 | 利用渗透压的突变造成细胞内压力差而引起细胞破碎 | — | 适用于胞内质产物的释放，破碎率低但产物释放较好、纯度较高 | 操作复杂、条件要求严格，只适用于少量样品的处理，费用高 |
| 5 | 有机溶剂或表面活性剂法 | 利用有机溶剂或表面活性剂改变细胞壁或膜的通透性，使胞内产物释放 | — | 方法简单，细胞内含物释放少、产物较纯，可大规模应用 | 适用性有限，只适合对有机溶剂或表面活性剂稳定的产物 |
| 6 | 碱或酶处理法 | 经碱或酶的处理使细胞壁或膜破坏，使产物释放出来 | — | 方法简单，可大规模应用 | 适用性有限，只适合对碱或酶稳定的产物 |
四、生物物质的分离纯化方法：发酵产物的提取和精制过程也就是浓缩和纯化过程，一般包括发酵液的预处理、提取、精制三个步骤。
用于生物物质分离纯化的方法除传统的沉淀法、吸附法、离子交换、萃取法之外，还有超滤、反渗透、电渗析、凝胶电泳、离子交换层析、亲和层析、疏水层析、等电聚焦、双水相萃取、超临界萃取、反胶团萃取、凝胶层析等。
| 分离纯化技术 | 开发现状 | 典型产物 | 产物回收率 | 选择性 | 产物产出形式 |
|---|---|---|---|---|---|
| 蒸馏 | 工业化 | 挥发性物质 | 高 | 回收所有的挥发性物质，选择性低 | 产物浓溶液 |
| 浓缩加热法 | 工业化 | 非挥发性物质 | 高 | 无选择性，去除所有低分子量化合物 | 去除挥发性组分的浓缩发酵液 |
| 超滤法 | 工业化 | 分子量大于 50000 的物质 | 取决于产物的稳定性 | 高 | 浓缩且部分纯化的发酵液 |
| 萃取（传统溶剂） | 工业化 | 溶剂可溶性物质 | 中 | 去除所有不能溶于溶剂的化合物 | 产物与溶剂的混合溶液 |
| 萃取（离子对） | 工业化 | 溶剂可溶且必须有适当抗衡离子的物质 | 中 | 较好选择性 | 产物与平衡离子溶剂的混合溶液 |
| 双水相分配 | 半工业化 | 大分子量物质 | 高 | 中等选择性 | 溶解在聚乙二醇中的产物溶液 |
| 双水相＋液膜 | 小规模工厂生产 | 潜力大，产物范围广 | 中 | 选择性潜力很大 | 溶剂和产物溶液的乳浊液 |
| 沉淀、过滤或离心 | 工业化 | 产物的不溶性衍生物 | 高 | 选择性较高 | 产物不溶衍生物的浓浆 |
| 吸附 | 工业化 | 大分子量及不稳定物质 | 中 | 选择性高，甚至是专一性 | 以溶液存在于洗脱液中 |
说明：源文件本页为连续文本，各行技术与其开发现状、回收率、选择性的对应关系按出现顺序推定，建议对照教材表 13-3 原表复核。
五、生物分离工艺介绍：生物产品的商品化，除了必须有良好高效的生物分离纯化方法外，还必须对这些方法进行合理安排，以得到可用于大规模生产、具有良好经济性的生物分离工艺。
思考：请列举出生物物质分离纯化的方法（至少 5 个）。
为获得优化的生物分离工艺，保证生产目的的实现，设计具体工艺前一般需要考虑纯度和质量、成本等总体概念（教材 P246）。利用微生物、工程菌进行发酵或动植物细胞培养、酶反应等上游过程中的各种因素均对分离纯化的方法和分离工艺有直接影响（教材 P246，共 7 点）。
生化产品的大规模生产对分离纯化技术和生物分离工艺有一些具体要求（教材 P247）。生物分离工艺设计的方法主要有（教材 P247—248）：
生化产物在物料中的存在形式基本上有两种情况：细胞内或细胞外。工艺设计时若产物在溶液中，固—液分离后得到含产物和大量杂质的稀溶液，经浓缩后再进行分离纯化；若产物处于细胞内，固—液分离后得到的细胞需要破碎，使产物释放到溶液中，再经固—液分离得到含产物的稀溶液，浓缩后再分离纯化。
若产物在细胞内以包涵体形式存在，须将包涵体与细胞碎片分离，经过变性、复性后进行分离纯化（图 13-4 为生物分离工艺的基本流程）。
工业生产工艺中分离纯化步骤的安排顺序有一些共同点：总是将最容易分离的物质放在前面，而将难以分离的物质留在后面进行分离。
这种安排基于：粗分离时物料体积较大，使用便宜、低选择性的技术可降低成本；后面步骤物料体积减小，就可以比较经济地使用更昂贵的高选择性分离步骤。
图 13-4 生物分离工艺的基本流程：
初始物料 → 固—液分离 →（细胞 → 细胞破碎 → 固—液分离 → 包涵体 → 变性、复性）/（溶液）→ 提取 → 浓缩 → 粗分离 → 纯化精制 → 产品
第十三章生化产品的分离与纯化内容结束。本章重点为发酵液预处理、固液分离、细胞破碎与生物分离工艺设计，至此本课程全部结束。
下载地址：{{downurl}}
{{{a}}}
{{#b}}{{{b}}}
{{/b}} {{/title}} {{#nolog}}登陆注册
{{/nolog}} {{#djsx}}点我刷新
{{/djsx}} {{#gocz}} {{/gocz}} {{#ffqr}} {{/ffqr}}