生物分離與純化課件

1、第十三章生物物質(zhì)的分離與純化第十三章生物物質(zhì)的分離與純化 1 1、培養(yǎng)液的預(yù)處理、培養(yǎng)液的預(yù)處理 2 2、培養(yǎng)液的固液分離、培養(yǎng)液的固液分離 3 3、細胞的破碎、細胞的破碎 4 4、生物物質(zhì)的分離純化方法、生物物質(zhì)的分離純化方法 5 5、生物分離工藝介紹、生物分離工藝介紹教教 學(xué)學(xué) 內(nèi)內(nèi) 容容補充內(nèi)容（一）補充內(nèi)容（一）發(fā)酵醪發(fā)酵醪(發(fā)酵液發(fā)酵液)的的一般特征一般特征 利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)各種發(fā)酵產(chǎn)品，由于菌種不同和利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)各種發(fā)酵產(chǎn)品，由于菌種不同和發(fā)酵醪特性不同，其預(yù)處理方法和提取、精制方法的選擇發(fā)酵醪特性不同，其預(yù)處理方法和提取、精制方法的選擇也有差異。應(yīng)針對發(fā)酵醪的特性來合理選

2、擇處理方法，大也有差異。應(yīng)針對發(fā)酵醪的特性來合理選擇處理方法，大多數(shù)發(fā)酵產(chǎn)物存在發(fā)酵醪中，也有少數(shù)發(fā)酵產(chǎn)物存在菌體多數(shù)發(fā)酵產(chǎn)物存在發(fā)酵醪中，也有少數(shù)發(fā)酵產(chǎn)物存在菌體中，或發(fā)酵醪和菌體都中，或發(fā)酵醪和菌體都 含有，例如四環(huán)類抗生素。各種發(fā)含有，例如四環(huán)類抗生素。各種發(fā)酵產(chǎn)物無論在發(fā)酵醪或是在菌中體現(xiàn)往往濃度較低，并與酵產(chǎn)物無論在發(fā)酵醪或是在菌中體現(xiàn)往往濃度較低，并與種種的溶解和懸浮的雜質(zhì)混在一起，要分離提純發(fā)酵產(chǎn)物，種種的溶解和懸浮的雜質(zhì)混在一起，要分離提純發(fā)酵產(chǎn)物，首先要針對發(fā)酵醪的特性進行預(yù)處理。首先要針對發(fā)酵醪的特性進行預(yù)處理。發(fā)酵醪的特性一般可歸納為：發(fā)酵醪的特性一般可歸納為：1、發(fā)酵醪

3、大部分是水發(fā)酵醪大部分是水，一般含量達，一般含量達90%-99%.2、發(fā)酵醪中發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低發(fā)酵醪中發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低，盡管由于菌種、原料、工藝條件不同，發(fā)酵產(chǎn)物，盡管由于菌種、原料、工藝條件不同，發(fā)酵產(chǎn)物于發(fā)酵醪中濃度的高低也有差異，但總的來說發(fā)酵醪中發(fā)酵產(chǎn)物濃度都是比較低的，于發(fā)酵醪中濃度的高低也有差異，但總的來說發(fā)酵醪中發(fā)酵產(chǎn)物濃度都是比較低的，除了酒精、檸檬酸、葡萄糖酸等發(fā)酵產(chǎn)物濃度在除了酒精、檸檬酸、葡萄糖酸等發(fā)酵產(chǎn)物濃度在10%以上外，其余的都在以上外，其余的都在10%以下以下，而抗生素的濃度更低，一般在而抗生素的濃度更低，一般在1%以下以下。3、發(fā)酵醪中的懸浮固體物主要含有菌體和

4、蛋白質(zhì)膠狀物發(fā)酵醪中的懸浮固體物主要含有菌體和蛋白質(zhì)膠狀物。由于發(fā)酵醪中存在一定。由于發(fā)酵醪中存在一定數(shù)量的菌體和蛋白質(zhì)膠體物質(zhì)，不僅使發(fā)酵醪粘度增加，不利于過濾，而且增加提數(shù)量的菌體和蛋白質(zhì)膠體物質(zhì)，不僅使發(fā)酵醪粘度增加，不利于過濾，而且增加提取和精制后工序的操作困難，在濃縮過程中變得更粘稠，同時容易產(chǎn)生泡沫。采用取和精制后工序的操作困難，在濃縮過程中變得更粘稠，同時容易產(chǎn)生泡沫。采用溶媒萃取法提煉時，蛋白質(zhì)的存在奪產(chǎn)生乳化，使溶媒相和水相分層困難；采用離溶媒萃取法提煉時，蛋白質(zhì)的存在奪產(chǎn)生乳化，使溶媒相和水相分層困難；采用離子交換法提煉時，蛋白質(zhì)的存在也會增加樹脂的吸附量，加重樹脂的負擔(dān)。

5、子交換法提煉時，蛋白質(zhì)的存在也會增加樹脂的吸附量，加重樹脂的負擔(dān)。 4、發(fā)酵醪的培養(yǎng)基殘留成分中還含有無機鹽類，非、發(fā)酵醪的培養(yǎng)基殘留成分中還含有無機鹽類，非蛋白質(zhì)大分子其降解產(chǎn)物對提取和精制均有一定的蛋白質(zhì)大分子其降解產(chǎn)物對提取和精制均有一定的影響。影響。5、發(fā)酵醪中除了發(fā)酵產(chǎn)物外，常有其他少量的代謝、發(fā)酵醪中除了發(fā)酵產(chǎn)物外，常有其他少量的代謝產(chǎn)物。發(fā)酵過程中除了主代謝產(chǎn)物外，尚伴有一些產(chǎn)物。發(fā)酵過程中除了主代謝產(chǎn)物外，尚伴有一些其他的副代謝產(chǎn)物。這些少量的副產(chǎn)物，有時其結(jié)其他的副代謝產(chǎn)物。這些少量的副產(chǎn)物，有時其結(jié)構(gòu)特性與發(fā)酵主產(chǎn)物極為近似，這就會給分離提純構(gòu)特性與發(fā)酵主產(chǎn)物極為近似，這就

6、會給分離提純操作帶來困難。操作帶來困難。6、發(fā)酵醪中還含有色素、熱原質(zhì)、毒性物質(zhì)等有機、發(fā)酵醪中還含有色素、熱原質(zhì)、毒性物質(zhì)等有機雜質(zhì)。盡管它們的確切組成還不十分明了，但它們雜質(zhì)。盡管它們的確切組成還不十分明了，但它們對提煉影響相當(dāng)大。為了保證發(fā)酵產(chǎn)品的質(zhì)量和衛(wèi)對提煉影響相當(dāng)大。為了保證發(fā)酵產(chǎn)品的質(zhì)量和衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)通過預(yù)處理將色素、熱原質(zhì)、毒性物質(zhì)生標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)通過預(yù)處理將色素、熱原質(zhì)、毒性物質(zhì)等有機雜質(zhì)先除去。等有機雜質(zhì)先除去。 發(fā)酵成熟醪中常含有各種樣的雜質(zhì)，而所需要的發(fā)酵產(chǎn)物則發(fā)酵成熟醪中常含有各種樣的雜質(zhì)，而所需要的發(fā)酵產(chǎn)物則含量很少。因此，要獲得純凈的發(fā)酵產(chǎn)物，它的提取與精制過程含量很少

7、。因此，要獲得純凈的發(fā)酵產(chǎn)物，它的提取與精制過程便成為一個復(fù)雜而必不可少的工藝過程。提取和精制的目的在于便成為一個復(fù)雜而必不可少的工藝過程。提取和精制的目的在于從發(fā)酵液中制取高純度的、合符質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的發(fā)酵成品。從發(fā)酵液中制取高純度的、合符質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的發(fā)酵成品。 盡管由于菌種、發(fā)酵醪的特征及發(fā)酵工藝的不同，發(fā)酵產(chǎn)物盡管由于菌種、發(fā)酵醪的特征及發(fā)酵工藝的不同，發(fā)酵產(chǎn)物可以多種多樣，但從工業(yè)發(fā)酵范疇來看，從發(fā)酵醪中獲得產(chǎn)物大可以多種多樣，但從工業(yè)發(fā)酵范疇來看，從發(fā)酵醪中獲得產(chǎn)物大致可分為三類：致可分為三類：發(fā)酵產(chǎn)物的分類發(fā)酵產(chǎn)物的分類 補充內(nèi)容（二）補充內(nèi)容（二）菌體菌體 主要主要以菌體細胞作為

8、發(fā)酵產(chǎn)品以菌體細胞作為發(fā)酵產(chǎn)品，如單細胞蛋白、面包酵母、飼料酶母等如單細胞蛋白、面包酵母、飼料酶母等。此外就是。此外就是從從菌體細胞中提取有用的發(fā)酵產(chǎn)物菌體細胞中提取有用的發(fā)酵產(chǎn)物，如由，如由酵母細胞提取輔酶酵母細胞提取輔酶A、核糖核酸等產(chǎn)品、核糖核酸等產(chǎn)品。有的抗。有的抗生素主要存在于菌絲體中，如灰黃霉素產(chǎn)生菌在發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的灰黃霉素主要在菌生素主要存在于菌絲體中，如灰黃霉素產(chǎn)生菌在發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的灰黃霉素主要在菌絲中，因此，也要從菌絲體中進行提取。絲中，因此，也要從菌絲體中進行提取。酶酶 發(fā)酵產(chǎn)物為發(fā)酵產(chǎn)物為酶制劑，包括胞外酶和胞內(nèi)酶酶制劑，包括胞外酶和胞內(nèi)酶。如。如-淀粉酶、淀粉酶

9、、-淀粉酶、異淀粉酶、葡萄淀粉酶、異淀粉酶、葡萄糖異構(gòu)酶糖異構(gòu)酶、葡萄糖氧化酶、右旋糖酐酶、蛋白酶、纖維素酶、果膠酶、轉(zhuǎn)化酶、蜜二糖、葡萄糖氧化酶、右旋糖酐酶、蛋白酶、纖維素酶、果膠酶、轉(zhuǎn)化酶、蜜二糖酶、柚苷酶、花青素酶、脂肪酶、凝乳酶、氨基?；?、天冬氨酸酶、青霉素酰胺酶、酶、柚苷酶、花青素酶、脂肪酶、凝乳酶、氨基?；?、天冬氨酸酶、青霉素酰胺酶、磷酸二酰酶、天冬酰胺酶等，均在工業(yè)上和醫(yī)藥上發(fā)揮作用。磷酸二酰酶、天冬酰胺酶等，均在工業(yè)上和醫(yī)藥上發(fā)揮作用。代謝產(chǎn)物代謝產(chǎn)物 中間代謝產(chǎn)物中間代謝產(chǎn)物包括包括醋酸、乳、檸檬酸、葡萄糖酸醋酸、乳、檸檬酸、葡萄糖酸、衣康酸及延胡索酸等。、衣康酸及延胡索

10、酸等。氨基氨基酸酸發(fā)酵產(chǎn)物包括谷氨酸、賴氨酸、色氨酸等。由于對菌種的變異和氨基酸代謝機理的發(fā)酵產(chǎn)物包括谷氨酸、賴氨酸、色氨酸等。由于對菌種的變異和氨基酸代謝機理的研究日益深入，所以其他氨基酸，除蛋氨酸、胱氨酸、半胱氨酸外，研究日益深入，所以其他氨基酸，除蛋氨酸、胱氨酸、半胱氨酸外，18種氨基酸均可種氨基酸均可用直接發(fā)酵法制造。用直接發(fā)酵法制造。 有機溶劑有機溶劑發(fā)酵產(chǎn)物包括發(fā)酵產(chǎn)物包括酒精、丙酮、丁醇酒精、丙酮、丁醇等。等。 核苷酸類物質(zhì)核苷酸類物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)物包括發(fā)酵產(chǎn)物包括肌苷、肌苷酸以及鳥苷酸等肌苷、肌苷酸以及鳥苷酸等。5-肌苷酸和肌苷酸和5-鳥苷鳥苷酸均為呈味核苷酸，核酸的微生物包括輔酶酸

11、均為呈味核苷酸，核酸的微生物包括輔酶A、ATP、輔酶、輔酶I等均為重要的醫(yī)藥品。等均為重要的醫(yī)藥品。 抗生素抗生素發(fā)酵產(chǎn)物包括發(fā)酵產(chǎn)物包括青霉素、鏈霉素、四環(huán)素青霉素、鏈霉素、四環(huán)素、土霉素、金霉素、慶大霉素、土霉素、金霉素、慶大霉素、新霉素、紅霉素及利福霉素等。新霉素、紅霉素及利福霉素等。 多糖發(fā)酵產(chǎn)物多糖發(fā)酵產(chǎn)物包括包括右旋糖酐及多糖右旋糖酐及多糖B-1459等。多糖是醫(yī)藥和工業(yè)上重要粘性等。多糖是醫(yī)藥和工業(yè)上重要粘性物質(zhì)來源之一，右旋糖酐經(jīng)過部分水解后供代血漿用。多糖物質(zhì)來源之一，右旋糖酐經(jīng)過部分水解后供代血漿用。多糖B-1459是水溶性、高分是水溶性、高分子量的胞外異多糖。子量的胞外異

12、多糖。 維生素發(fā)酵產(chǎn)物維生素發(fā)酵產(chǎn)物有有核黃素、維生素核黃素、維生素C和維生素和維生素B12. 甾體氧化的產(chǎn)物甾體氧化的產(chǎn)物為甾體激素，是重要的品。如為甾體激素，是重要的品。如醋酸可的松、氫化可的松醋酸可的松、氫化可的松、醋、醋酸潑尼松、氫化潑尼松等促皮質(zhì)激素及腎上腺皮質(zhì)激素制劑、黃體酮、甲孕酮（安酸潑尼松、氫化潑尼松等促皮質(zhì)激素及腎上腺皮質(zhì)激素制劑、黃體酮、甲孕酮（安宮黃體酮）等性激素、炔諾酮等避孕藥。宮黃體酮）等性激素、炔諾酮等避孕藥。 問題問題1、發(fā)酵醪有哪些特性？2、發(fā)酵醪中獲得產(chǎn)物大致可分為 、 、 三類？3、發(fā)酵液中的細胞代謝產(chǎn)物有哪些？分別舉出2個具體代表產(chǎn)物。 生化生產(chǎn)過程的最

13、后一個環(huán)節(jié)是生化生產(chǎn)過程的最后一個環(huán)節(jié)是把目標(biāo)產(chǎn)物從培養(yǎng)液或反應(yīng)液把目標(biāo)產(chǎn)物從培養(yǎng)液或反應(yīng)液中分離提取出來。多數(shù)生化產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中需經(jīng)微生物發(fā)酵、酶反應(yīng)過中分離提取出來。多數(shù)生化產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中需經(jīng)微生物發(fā)酵、酶反應(yīng)過程或動植物細胞大量培養(yǎng)，并通過包括產(chǎn)物回收、粗分離、純化及精制等程或動植物細胞大量培養(yǎng)，并通過包括產(chǎn)物回收、粗分離、純化及精制等處理后，才能符合一定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程中一般將微生物處理后，才能符合一定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在生物產(chǎn)品生產(chǎn)過程中一般將微生物發(fā)酵、酶反應(yīng)過程或動植物細胞大量培養(yǎng)稱為發(fā)酵、酶反應(yīng)過程或動植物細胞大量培養(yǎng)稱為“上游過程上游過程”，而與之相應(yīng)，而與之相應(yīng)

14、的產(chǎn)物回收、粗分離、純化及加工等后續(xù)過程就稱之為的產(chǎn)物回收、粗分離、純化及加工等后續(xù)過程就稱之為“下游過程下游過程”，或，或稱之為生化分離和純化過程。眾所周知，要使生物技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化，必須稱之為生化分離和純化過程。眾所周知，要使生物技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化，必須要上下游過程兼容、協(xié)調(diào)、以使全過程能優(yōu)化進行。要上下游過程兼容、協(xié)調(diào)、以使全過程能優(yōu)化進行。 鑒于生化產(chǎn)品具有如下特點：鑒于生化產(chǎn)品具有如下特點：目的產(chǎn)物在初始物料中的含量低；目的產(chǎn)物在初始物料中的含量低；含目的產(chǎn)物的初始物料組成復(fù)雜，除了產(chǎn)物外，還含有大量的細胞、代謝含目的產(chǎn)物的初始物料組成復(fù)雜，除了產(chǎn)物外，還含有大量的細胞、代謝物、殘留培養(yǎng)基

15、、無機鹽等；生物活性物質(zhì)的穩(wěn)定性差，對物、殘留培養(yǎng)基、無機鹽等；生物活性物質(zhì)的穩(wěn)定性差，對PH、溫度、金、溫度、金屬離子、有機溶劑、剪切力、表面張力等十分敏感，易失活、變性；生化屬離子、有機溶劑、剪切力、表面張力等十分敏感，易失活、變性；生化產(chǎn)品種類繁多，包括了大、中、小分子量的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)復(fù)雜又各異的生物產(chǎn)品種類繁多，包括了大、中、小分子量的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)復(fù)雜又各異的生物活性物質(zhì)；生化產(chǎn)品的應(yīng)用面廣，許多產(chǎn)品用作醫(yī)藥、食品、試劑等，對活性物質(zhì)；生化產(chǎn)品的應(yīng)用面廣，許多產(chǎn)品用作醫(yī)藥、食品、試劑等，對含量和純度要求高等。因此，應(yīng)用于生化產(chǎn)品的后處理過程中的分離純化含量和純度要求高等。因此，應(yīng)用于生化產(chǎn)

16、品的后處理過程中的分離純化技術(shù)必須滿足以下一些要求：技術(shù)必須滿足以下一些要求： 條件溫和條件溫和，特別對具有生物活性的物質(zhì)，在后處理過程中必，特別對具有生物活性的物質(zhì)，在后處理過程中必須保持其生物活性；須保持其生物活性；分離純化技術(shù)的選擇性好分離純化技術(shù)的選擇性好、專一性強，能從復(fù)雜的混合物中、專一性強，能從復(fù)雜的混合物中有效地將目的產(chǎn)物分離出來，以達到較高的分離純化倍數(shù)；有效地將目的產(chǎn)物分離出來，以達到較高的分離純化倍數(shù)；目的產(chǎn)物的量和活性具有較高的收率目的產(chǎn)物的量和活性具有較高的收率； 應(yīng)用于生化產(chǎn)品的后處理過程中的應(yīng)用于生化產(chǎn)品的后處理過程中的分離純化技分離純化技術(shù)術(shù)必須滿足以下一些要求

17、：必須滿足以下一些要求： 在提高單個分離技術(shù)的收效率的同時，注意各單元操作在提高單個分離技術(shù)的收效率的同時，注意各單元操作間的有效組合和整體協(xié)調(diào)，以減少工藝過程的步驟；間的有效組合和整體協(xié)調(diào)，以減少工藝過程的步驟； 快速，以提高生產(chǎn)能力快速，以提高生產(chǎn)能力。 就目前的發(fā)展和應(yīng)用情況來看，在大多數(shù)生物產(chǎn)品就目前的發(fā)展和應(yīng)用情況來看，在大多數(shù)生物產(chǎn)品的開發(fā)研究中，后處理過程等的研究費用約占的開發(fā)研究中，后處理過程等的研究費用約占全部費用全部費用的的50%以上，在產(chǎn)品的成本構(gòu)成中，后處理成本以上，在產(chǎn)品的成本構(gòu)成中，后處理成本占總成占總成本的本的40%-80%,對于精細胞和藥用的產(chǎn)品，此比例就更對于

18、精細胞和藥用的產(chǎn)品，此比例就更高。生產(chǎn)過程中后處理投入的人力和物力占全部的高。生產(chǎn)過程中后處理投入的人力和物力占全部的70%-90%. 生物產(chǎn)品的后處理分離純化技術(shù)和工藝不僅影響產(chǎn)生物產(chǎn)品的后處理分離純化技術(shù)和工藝不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量和成本，也決定著產(chǎn)品的產(chǎn)量。生化產(chǎn)品由于品的質(zhì)量和成本，也決定著產(chǎn)品的產(chǎn)量。生化產(chǎn)品由于沒有適當(dāng)?shù)奶崛?、分離和純沒有適當(dāng)?shù)奶崛?、分離和純 化方法或因回收率太低致使化方法或因回收率太低致使生產(chǎn)成本過高而不能投產(chǎn)的例子是屢見不鮮的。生產(chǎn)成本過高而不能投產(chǎn)的例子是屢見不鮮的。 不同的生化產(chǎn)品，由于自身的特性及其對純度要求的不同，不同的生化產(chǎn)品，由于自身的特性及其對純度要求

19、的不同，所采用的分離純化路線常常也是不同的。例如從發(fā)酵液中提取所采用的分離純化路線常常也是不同的。例如從發(fā)酵液中提取和精制菌體和胞內(nèi)酶，就與分離與純化細胞的代謝產(chǎn)物有明顯和精制菌體和胞內(nèi)酶，就與分離與純化細胞的代謝產(chǎn)物有明顯的不同；同樣即使產(chǎn)物都屬于代謝產(chǎn)物，由于產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同；同樣即使產(chǎn)物都屬于代謝產(chǎn)物，由于產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，其提取和精制的方法也就不同。但一般來說，不同，其提取和精制的方法也就不同。但一般來說，分離純分離純化路線化路線都包括了兩個基本階段：都包括了兩個基本階段：產(chǎn)物的初級分離階段；產(chǎn)物產(chǎn)物的初級分離階段；產(chǎn)物的純化精制階段的純化精制階段。 初級分離階段初級分離階段在細

20、胞培養(yǎng)結(jié)束之后，其任務(wù)是在細胞培養(yǎng)結(jié)束之后，其任務(wù)是分離培養(yǎng)液、破碎細胞釋放產(chǎn)物（如果產(chǎn)物在分離培養(yǎng)液、破碎細胞釋放產(chǎn)物（如果產(chǎn)物在胞內(nèi)）、溶解包涵體、復(fù)原蛋白質(zhì)、濃縮產(chǎn)物胞內(nèi)）、溶解包涵體、復(fù)原蛋白質(zhì)、濃縮產(chǎn)物和去除大部分雜質(zhì)等。和去除大部分雜質(zhì)等。 純化精制階段純化精制階段是在初級分離的基礎(chǔ)上，用是在初級分離的基礎(chǔ)上，用各種高選擇的手段和方法，將目標(biāo)產(chǎn)物和干擾各種高選擇的手段和方法，將目標(biāo)產(chǎn)物和干擾雜質(zhì)盡可能地分開，使產(chǎn)物的純度達到相關(guān)的雜質(zhì)盡可能地分開，使產(chǎn)物的純度達到相關(guān)的要求，成為級別的產(chǎn)品。要求，成為級別的產(chǎn)品。 生物產(chǎn)品的后處理過程一般包括：生物產(chǎn)品的后處理過程一般包括：發(fā)酵液發(fā)

21、酵液的的預(yù)處理；提取；精制預(yù)處理；提?。痪迫齻€步驟三個步驟 。圖圖13-1生物產(chǎn)品分離純化的一般步驟生物產(chǎn)品分離純化的一般步驟發(fā)酵液或培養(yǎng)液發(fā)酵液或培養(yǎng)液細胞產(chǎn)物細胞產(chǎn)物胞外產(chǎn)物胞外產(chǎn)物胞內(nèi)產(chǎn)物胞內(nèi)產(chǎn)物離心或過濾細胞離心或過濾細胞（洗滌）（洗滌）離心或過濾離心或過濾（洗滌（洗滌)離心或過濾離心或過濾（洗滌）（洗滌）細胞破碎細胞破碎（化學(xué)法機（化學(xué)法機械法等）械法等）整體細整體細胞萃取胞萃取離心、過濾離心、過濾干燥干燥分離劑回收、再生分離劑回收、再生提取、分離提取、分離沉淀、吸附、萃取、過濾等沉淀、吸附、萃取、過濾等分離劑回收、再生分離劑回收、再生純化、精制純化、精制層析、結(jié)晶、電泳等層析、結(jié)

22、晶、電泳等干燥干燥廢物廢物產(chǎn)物產(chǎn)物產(chǎn)物產(chǎn)物濾液濾液循環(huán)循環(huán)副產(chǎn)物副產(chǎn)物廢物廢物濾渣濾渣副產(chǎn)物副產(chǎn)物循環(huán)循環(huán)廢物廢物細胞細胞濾渣濾渣副產(chǎn)物副產(chǎn)物廢物廢物細胞細胞含產(chǎn)物的清液含產(chǎn)物的清液預(yù)處理階段一、培養(yǎng)液的預(yù)處理一、培養(yǎng)液的預(yù)處理 問題問題1、培養(yǎng)液的預(yù)處理的目的是什么？2、培養(yǎng)液的預(yù)處理包括哪些步驟？ 菌體細胞的分離菌體細胞的分離固體懸浮物的去除固體懸浮物的去除蛋白質(zhì)的去除蛋白質(zhì)的去除重金屬離子的去除重金屬離子的去除色素、熱原質(zhì)、毒性物質(zhì)等有機物質(zhì)的去除色素、熱原質(zhì)、毒性物質(zhì)等有機物質(zhì)的去除改善培養(yǎng)液的處理性能改善培養(yǎng)液的處理性能調(diào)節(jié)適宜的調(diào)節(jié)適宜的PH和溫度和溫度 二、培養(yǎng)液的固液分離方法二

23、、培養(yǎng)液的固液分離方法 1、分離前的處理、分離前的處理 加熱加熱 由于加熱可能使某些熱敏感性蛋白發(fā)生不可逆的變性，因此這種預(yù)處理由于加熱可能使某些熱敏感性蛋白發(fā)生不可逆的變性，因此這種預(yù)處理方法僅適用于對非熱敏感性產(chǎn)品發(fā)酵液的預(yù)處理。適當(dāng)加熱之后，發(fā)酵液中方法僅適用于對非熱敏感性產(chǎn)品發(fā)酵液的預(yù)處理。適當(dāng)加熱之后，發(fā)酵液中的蛋白由于變性而凝聚，形成較大的顆粒，發(fā)酵液的粘度就會降低，一般加的蛋白由于變性而凝聚，形成較大的顆粒，發(fā)酵液的粘度就會降低，一般加熱的用熱的用65-80 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)PH值值 適當(dāng)?shù)倪m當(dāng)?shù)腜H值可以提高產(chǎn)物的穩(wěn)定性，減少其在隨后的分離純化過程中的值可以提高產(chǎn)物的穩(wěn)定性，減少其在隨

24、后的分離純化過程中的損失。此外，發(fā)酵液損失。此外，發(fā)酵液PH值的改變會影響發(fā)酵液中某些成分的電離程度，從而值的改變會影響發(fā)酵液中某些成分的電離程度，從而降低發(fā)酵液的粘度。在調(diào)節(jié)降低發(fā)酵液的粘度。在調(diào)節(jié)PH值時要注意選擇比較溫和的酸和堿，以防止局值時要注意選擇比較溫和的酸和堿，以防止局部過酸或過堿。草酸是一種較常用的部過酸或過堿。草酸是一種較常用的PH值調(diào)節(jié)劑。值調(diào)節(jié)劑。 加入絮凝劑加入絮凝劑 通常情況下，細菌的表面都帶有負電荷，可以在發(fā)酵液中加入帶正電荷通常情況下，細菌的表面都帶有負電荷，可以在發(fā)酵液中加入帶正電荷 的絮凝劑，從而使菌體細胞與絮凝劑結(jié)合形成絮狀沉淀，降低發(fā)酵液的上粘的絮凝劑，從

25、而使菌體細胞與絮凝劑結(jié)合形成絮狀沉淀，降低發(fā)酵液的上粘度，利于菌體的收獲。度，利于菌體的收獲。 2、固液分離方法、固液分離方法3、碟式離心機結(jié)構(gòu)及工作原理、碟式離心機結(jié)構(gòu)及工作原理進料進料輕液出口輕液出口菌體及固體雜質(zhì)菌體及固體雜質(zhì) 當(dāng)發(fā)酵醪由轉(zhuǎn)鼓中心進料入高速當(dāng)發(fā)酵醪由轉(zhuǎn)鼓中心進料入高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，由于固、液比重不同，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，由于固、液比重不同，在碟片空間內(nèi)由于離心力的作用下，在碟片空間內(nèi)由于離心力的作用下，把發(fā)酵醪分成固相和液相兩部分。比把發(fā)酵醪分成固相和液相兩部分。比重較輕的清液有規(guī)則地沿著碟片的上重較輕的清液有規(guī)則地沿著碟片的上表面向碟片軸心方向移動，由環(huán)形輕表面向碟片軸心方向

26、移動，由環(huán)形輕液出口處排出，而比重較大的菌體及液出口處排出，而比重較大的菌體及濃縮物，則有規(guī)則地沿著上一個碟片濃縮物，則有規(guī)則地沿著上一個碟片的底表面滑移到碟片邊緣，經(jīng)轉(zhuǎn)鼓壁的底表面滑移到碟片邊緣，經(jīng)轉(zhuǎn)鼓壁上的噴嘴噴出收集于菌體收集器內(nèi)，上的噴嘴噴出收集于菌體收集器內(nèi)，從而達到分離菌體的目的。從而達到分離菌體的目的。 此機的轉(zhuǎn)速可高達此機的轉(zhuǎn)速可高達6000-10000r/min左右。我國廣州重型機械左右。我國廣州重型機械廠生產(chǎn)的廠生產(chǎn)的DP-400型酵母高速離心分離型酵母高速離心分離機轉(zhuǎn)速為機轉(zhuǎn)速為6500r/min，可適用于發(fā)酵工，可適用于發(fā)酵工業(yè)的菌體分離。業(yè)的菌體分離。干燥處理干燥處理

27、機械法機械法非機械法非機械法固體剪切作用固體剪切作用流體剪切作用流體剪切作用破碎方法破碎方法溶胞處理溶胞處理珠磨法珠磨法壓榨法壓榨法超聲法超聲法化學(xué)法化學(xué)法物理法物理法高壓勻漿高壓勻漿酶溶法酶溶法三、細胞的破碎三、細胞的破碎 細胞破碎細胞破碎就是通過采用不同手段破壞細胞外圍使細胞內(nèi)含物釋放出來，轉(zhuǎn)入液相中，以便于進行產(chǎn)物的分離純化。細胞破碎的方法有很多，按照是否存在在外加作用力可分為機械法和非機械法兩大類。如圖13-2為細胞破碎方法的分類。 表表13-2列出了主要的細胞破碎方法的原理，使用的設(shè)備、特點和存在的缺點。列出了主要的細胞破碎方法的原理，使用的設(shè)備、特點和存在的缺點。表13-2細胞破碎

28、方法序序號號方方 法法原原 理理設(shè)備設(shè)備特特 點點缺缺 點點1壓力破碎法利用壓力釋放時的液固剪切進行破碎壓力破碎機操作簡便，可連續(xù)操作，適用于不同的細胞加壓放熱，需要冷卻，否則生物活性物質(zhì)會失活；破碎率較低，壓力不穩(wěn)定，需要進行反復(fù)破碎2珠磨破碎法利用固體的剪切進行破碎細胞珠磨破碎機操作簡便、穩(wěn)定，可連續(xù)批式操作，破碎率可以控制，容易放大，適用于工業(yè)放大珠磨時會放熱，需要高效冷卻，不同細胞的破碎條件差異大3超聲波破碎法利用超聲波形成空穴產(chǎn)生壓力沖擊使進行破碎超聲破碎機操作簡便，可連續(xù)或批式操作超聲波處理會產(chǎn)熱，需要冷卻，破碎率較低，需反復(fù)進行破碎，應(yīng)用面較窄4滲透壓法利用滲透壓的突變，造成細胞

29、內(nèi)壓力差而引起細胞的破碎適用于位于胞內(nèi)質(zhì)的產(chǎn)物釋放，細胞的破碎率低，但產(chǎn)物的釋放較好，純度較高 操作比較復(fù)雜，條件要求嚴格，只適用于少量櫚的處理，費用高5有機溶劑或表面活性劑法利用有機溶劑或表面活性劑改變細胞壁或膜的通透性，使胞內(nèi)產(chǎn)物得以釋放方法簡單，細胞內(nèi)含物釋放少，產(chǎn)物較純，可大規(guī)模應(yīng)用 適用性有限，只適合于對有機溶劑或表面活性劑穩(wěn)定的產(chǎn)物6堿或酶處理法經(jīng)堿或酶的處理使細胞壁或膜破壞，使產(chǎn)物釋放出來方法簡單，可大規(guī)模應(yīng)用適用性有限，只適合于對堿或酶穩(wěn)定的產(chǎn)物問題問題細胞破碎的方法的具體有哪些？四、生物物質(zhì)的分離純化方法四、生物物質(zhì)的分離純化方法 發(fā)酵產(chǎn)物的提取和精制過程發(fā)酵產(chǎn)物的提取和精制

30、過程也就是也就是濃縮濃縮和和純化純化過程，一般包括：過程，一般包括：發(fā)酵液的預(yù)發(fā)酵液的預(yù)處理處理；提取提??；精制精制三個步驟。在提取前還必須使菌體、懸浮固形物、固體發(fā)酵液開，三個步驟。在提取前還必須使菌體、懸浮固形物、固體發(fā)酵液開，即進行過濾或離心分離，并加入一些物質(zhì)或采取一些措施，以改變發(fā)酵液的性質(zhì)，即進行過濾或離心分離，并加入一些物質(zhì)或采取一些措施，以改變發(fā)酵液的性質(zhì)，便于以后的提取，這過程稱為便于以后的提取，這過程稱為發(fā)酵液的預(yù)處理發(fā)酵液的預(yù)處理。由于發(fā)酵液體積大，發(fā)酵液中的發(fā)。由于發(fā)酵液體積大，發(fā)酵液中的發(fā)酵產(chǎn)物濃度低，一步操作遠不能滿足要求，而常要好幾步操作。其中第一步操作從酵產(chǎn)物濃

31、度低，一步操作遠不能滿足要求，而常要好幾步操作。其中第一步操作從發(fā)酵液中分離提取發(fā)酵產(chǎn)物最為重要，稱為發(fā)酵液中分離提取發(fā)酵產(chǎn)物最為重要，稱為提取提取。而以后幾步操作所處理的體積小。而以后幾步操作所處理的體積小了，操作要容易些，主要將發(fā)酵產(chǎn)物部分除去雜質(zhì)、濃縮、提純及精煉，這過程統(tǒng)了，操作要容易些，主要將發(fā)酵產(chǎn)物部分除去雜質(zhì)、濃縮、提純及精煉，這過程統(tǒng)稱稱精制精制。 用于生物物質(zhì)分離、純化的方法除了用于生物物質(zhì)分離、純化的方法除了傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的沉淀法、吸附法、離子交換、萃取沉淀法、吸附法、離子交換、萃取法等之外，還有法等之外，還有超濾、反滲透、電滲析、凝膠電泳、離子交換層析、新和層析、疏超濾、反滲

32、透、電滲析、凝膠電泳、離子交換層析、新和層析、疏水層析、等電聚焦、雙水相萃取、超臨界萃取、反膠團萃取、凝膠層析水層析、等電聚焦、雙水相萃取、超臨界萃取、反膠團萃取、凝膠層析等。表等。表13-3、表表13-4、表、表13-5分別列出了一些生物分離純化技術(shù)及其它們的特點、經(jīng)濟性。分別列出了一些生物分離純化技術(shù)及其它們的特點、經(jīng)濟性。 表13-3主要的生物分離純化技術(shù)一覽表分離純化技分離純化技術(shù)術(shù)開發(fā)現(xiàn)開發(fā)現(xiàn)狀狀典型產(chǎn)物典型產(chǎn)物產(chǎn)物回收率產(chǎn)物回收率選擇性選擇性產(chǎn)物產(chǎn)出形式產(chǎn)物產(chǎn)出形式蒸餾蒸餾工業(yè)化揮發(fā)性物質(zhì)高回收所有的揮發(fā)性物質(zhì)，選擇性低產(chǎn)物濃溶液濃縮濃縮 加熱法加熱法 超濾法超濾法工業(yè)化非揮發(fā)性物

33、質(zhì)分子量大于50000的物質(zhì)取決于產(chǎn)物的穩(wěn)定性高無選擇性去除所有低分子量化合物去除揮發(fā)性組分的濃縮發(fā)酵液濃縮且部分純化的發(fā)酵液萃取萃取 溶劑溶劑 （傳統(tǒng)）（傳統(tǒng)） 溶劑溶劑（離子對）（離子對） 雙水相分配雙水相分配雙水相雙水相+液液膜膜工業(yè)化半工業(yè)化小規(guī)模工廠生產(chǎn)溶劑可溶性物質(zhì)溶劑可溶的，且必須有適當(dāng)?shù)目购怆x子的物質(zhì)大分子量物質(zhì)潛力大，產(chǎn)物范圍廣中高中潛力 大去除所有不能溶于溶劑的化事物較好選擇性中等選擇性潛力很大產(chǎn)物與溶劑的混合溶液產(chǎn)物與平衡離子溶劑的混合溶液溶解在聚乙二醇中的產(chǎn)物溶液溶劑和產(chǎn)物溶液的乳人液沉淀、過濾沉淀、過濾或離心或離心工業(yè)化產(chǎn)物的不溶性衍生物高選擇性較高產(chǎn)物不溶衍生物的濃

34、漿吸附吸附工業(yè)化大分子量及不穩(wěn)定物質(zhì)中選擇性高，甚至是專一性以溶液存在于洗脫液中問題問題請列舉出生物物質(zhì)分離純化的方法（至少5個）？五、生物分離工藝介紹五、生物分離工藝介紹 生物產(chǎn)品的商品化，除了必須有生物產(chǎn)品的商品化，除了必須有良好、高效良好、高效的生物分離純化的生物分離純化的方法外，還必須對這些方法進行合理的安排，以得到可用于大的方法外，還必須對這些方法進行合理的安排，以得到可用于大規(guī)模生產(chǎn)的、具有良好的經(jīng)濟的性的規(guī)模生產(chǎn)的、具有良好的經(jīng)濟的性的生物分離工藝生物分離工藝。為了獲得優(yōu)。為了獲得優(yōu)化的生物分離工藝，保證生產(chǎn)目的的實現(xiàn)，設(shè)計具體工藝前一般化的生物分離工藝，保證生產(chǎn)目的的實現(xiàn)，設(shè)計

35、具體工藝前一般需要考慮以睛的總體概念：需要考慮以睛的總體概念：P246 純度和質(zhì)量純度和質(zhì)量 成本成本 利用微生物、工程菌進行發(fā)酵或動植物細胞培養(yǎng)、酶反應(yīng)等利用微生物、工程菌進行發(fā)酵或動植物細胞培養(yǎng)、酶反應(yīng)等進行生物產(chǎn)品的上游過程中的各種因素均對分離純化的方法和分進行生物產(chǎn)品的上游過程中的各種因素均對分離純化的方法和分離工藝有直接的影響。離工藝有直接的影響。P246共共7點點 生化產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)對分離純化技術(shù)和生物分離工藝有以生化產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)對分離純化技術(shù)和生物分離工藝有以下一些要求：下一些要求：P247生物分離工藝設(shè)計的方法主要有：生物分離工藝設(shè)計的方法主要有：P247248方法啟發(fā)式方法啟