課件-發(fā)酵和分離的耦合技術(shù)講解

發(fā)酵和分離的耦合技術(shù)發(fā)酵和分離的耦合技術(shù)發(fā)酵過(guò)程的瓶頸：普遍存在著產(chǎn)物或副產(chǎn)物的抑制作用第一節(jié)概述降低生物催化劑的活力，抑制細(xì)胞生長(zhǎng)制約發(fā)酵過(guò)程的效率發(fā)酵過(guò)程的瓶頸：第一節(jié)概述降低生物催化劑的活力，抑制細(xì)胞生解決產(chǎn)物抑制的方法：利用工程手段及時(shí)分離出產(chǎn)物消除抑制，提高細(xì)胞或催化劑的活性生物反應(yīng)-分離耦合過(guò)程解決產(chǎn)物抑制的方法：利用工程手段及時(shí)分離出產(chǎn)物消除抑制，提高生物反應(yīng)-分離耦合過(guò)程

Integratedbioreaction-separationprocess

insituproductremoval定義：在生物反應(yīng)發(fā)生的同時(shí)，選擇一種合適的分離方法及時(shí)地將對(duì)生物反應(yīng)有抑制或毒害作用的產(chǎn)物或副產(chǎn)物選擇性地從細(xì)胞或生物催化劑周?chē)谱叩倪^(guò)程生物反應(yīng)-分離耦合過(guò)程

Integratedbioreac課件--發(fā)酵和分離的耦合技術(shù)講解生物反應(yīng)-分離耦合過(guò)程的種類(lèi)生物反應(yīng)-分離耦合過(guò)程的種類(lèi)選擇一種合適的分離技術(shù)生物反應(yīng)與分離耦合的關(guān)鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物或副產(chǎn)物的移走選擇一種合適的分離技術(shù)生物反應(yīng)與分離耦合的關(guān)鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物或副分離技術(shù)的選擇依據(jù)①充分考慮產(chǎn)物的理化特性和生物學(xué)特性以選擇最佳的分離技術(shù)，要具有較大的分離系數(shù)和較好的選擇性②分離技術(shù)應(yīng)具備生物相容性即合適的分離技術(shù)應(yīng)對(duì)生物反應(yīng)不造成負(fù)面影響，不會(huì)造成生物催化劑或細(xì)胞的失活、變性和死亡，也不會(huì)改變生物反應(yīng)的代謝和調(diào)節(jié)機(jī)制，同時(shí)也不會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成污染③耦合過(guò)程環(huán)境的流體特性必需關(guān)注因?yàn)榱黧w力學(xué)性質(zhì)決定并影響分離過(guò)程的傳質(zhì)，從而分離的容量和速度會(huì)受到極大的影響，如高粘度的非牛頓型流體就不適合用膜分離技術(shù)④分離劑應(yīng)易于與反應(yīng)體系分離，產(chǎn)物應(yīng)易于從分離劑中提出來(lái)，再生后的分離劑應(yīng)可以重復(fù)利用⑤工程及經(jīng)濟(jì)因素理想的分離技術(shù)應(yīng)是操作費(fèi)用低、性能穩(wěn)定、工程上易實(shí)現(xiàn)、壽命長(zhǎng)的技術(shù)分離技術(shù)的選擇依據(jù)①充分考慮產(chǎn)物的理化特性和生物學(xué)特性選擇合適的分離技術(shù)的前提條件充分了解目標(biāo)產(chǎn)物的理化性質(zhì)包括分子量、疏水性、揮發(fā)性、荷電性及特異性的親和力等。選擇合適的分離技術(shù)的前提條件充分了解目標(biāo)產(chǎn)物的理化性質(zhì)包括分課件--發(fā)酵和分離的耦合技術(shù)講解發(fā)酵分離耦合過(guò)程的發(fā)展趨勢(shì)生物反應(yīng)體系不斷廣延研究和應(yīng)用對(duì)象除了初級(jí)代謝產(chǎn)物以外，更多地轉(zhuǎn)向高附加值的藥物產(chǎn)品(如抗生素等)、食品添加劑(維生素、色素、香料等)和一些高分子量的產(chǎn)物(如酶、治療用的蛋白質(zhì)、單抗、生物堿等)耦合過(guò)程的內(nèi)涵不斷深化有抑制或毒害作用的副產(chǎn)物的選擇性分離；選擇性地供給營(yíng)養(yǎng)底物；不可發(fā)酵底物或老齡化細(xì)胞的分離等。新分離技術(shù)不斷出現(xiàn)如基于分子識(shí)別的分離方法耦合過(guò)程的工藝中多種分離技術(shù)的集成發(fā)酵分離耦合過(guò)程的發(fā)展趨勢(shì)生物反應(yīng)體系不斷廣延常用的發(fā)酵分離耦合技術(shù)透析培養(yǎng)膜分離和培養(yǎng)耦合發(fā)酵與蒸餾耦合萃取發(fā)酵吸附培養(yǎng)常用的發(fā)酵分離耦合技術(shù)透析培養(yǎng)透析定義：當(dāng)化學(xué)膜的兩側(cè)物質(zhì)濃度存在差異時(shí)，物質(zhì)就會(huì)從濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)滲透，直到兩側(cè)濃度相等。第二節(jié)透析培養(yǎng)透析第二節(jié)透析培養(yǎng)例子：透析培養(yǎng)是人們模擬生活中的某些現(xiàn)象，采用人工膜進(jìn)行透析培養(yǎng)來(lái)研究它們的機(jī)制。比如雞胚的絨毛膜為天然膜，這種漿膜下層為營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)庫(kù)，通過(guò)膜面不斷地提供各種細(xì)胞生長(zhǎng)與繁殖的養(yǎng)料例子：課件--發(fā)酵和分離的耦合技術(shù)講解透析培養(yǎng)定義：指在圍有半透膜的培養(yǎng)環(huán)境中，使微生物生長(zhǎng)的方法。營(yíng)養(yǎng)物透過(guò)半透膜擴(kuò)散到透析袋內(nèi)，微生物利用其營(yíng)養(yǎng)而生長(zhǎng)。微生物因?yàn)椴荒芡高^(guò)膜而留在透析袋代謝產(chǎn)物透過(guò)膜擴(kuò)散到培養(yǎng)基中。結(jié)果使維持生長(zhǎng)的培養(yǎng)基被簡(jiǎn)化，抑制生長(zhǎng)的因子減少，從而達(dá)到促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)的目的。透析培養(yǎng)圖9-1Gallup-Gerhardt透析培養(yǎng)器系統(tǒng)左----培養(yǎng)基室，中----透析器，右----培養(yǎng)室，P----泵，v----閥門(mén)。箭頭表示培養(yǎng)基和培養(yǎng)物循環(huán)方向圖9-1Gallup-Gerhardt透析培養(yǎng)器系統(tǒng)①在培養(yǎng)室中可獲得較為純化的細(xì)胞或高分子產(chǎn)物②透析培養(yǎng)時(shí)細(xì)菌的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期有明顯的延長(zhǎng)，從而獲得稠密的細(xì)菌體③透析培養(yǎng)的細(xì)菌無(wú)論是在培養(yǎng)中或者經(jīng)過(guò)洗滌和貯存后都能保持一定活力微生物透析培養(yǎng)有下列主要特點(diǎn)：①在培養(yǎng)室中可獲得較為純化的細(xì)胞或高分子產(chǎn)物微生物透析培養(yǎng)膜分離定義：膜分離技術(shù)是利用膜的選擇性，以膜的兩側(cè)存在一定量的能量差作為推動(dòng)力，由于溶液中各組分透過(guò)膜的遷移速率不同而實(shí)現(xiàn)的分離。第三節(jié)膜分離和培養(yǎng)耦合膜分離第三節(jié)膜分離和培養(yǎng)耦合膜的分類(lèi)截留離子只能水通過(guò)小分子大直徑的菌體、懸浮固體等大分子膜的分類(lèi)截留離子小分子大直徑的菌體、懸浮固體等大分子微濾（MF）膜、超濾（UF）膜、納濾（NF）膜、反滲透（RO）膜

微濾（MF）膜、超濾（UF）膜、納濾（NF）膜、反滲透（RO孔的性質(zhì)(包括孔徑、孔分布和孔隙度)水通量截留率的截?cái)喾肿恿靠箟耗芰H適用范圍對(duì)熱和溶劑的穩(wěn)定性。表征膜性能的參數(shù)孔的性質(zhì)(包括孔徑、孔分布和孔隙度)表征膜性能的參數(shù)膜生物反應(yīng)器連續(xù)發(fā)酵法制取二羥基丙酮的研究醋酸桿菌膜生物反應(yīng)器（MBR）連續(xù)發(fā)酵二羥基丙酮膜分離和發(fā)酵耦合的應(yīng)用舉例膜生物反應(yīng)器連續(xù)發(fā)酵法制取二羥基丙酮的研究膜分離和發(fā)酵耦合的圖9-6膜分離耦合連續(xù)發(fā)酵裝置圖1.培養(yǎng)液儲(chǔ)罐；2.發(fā)酵罐；3.溫控器；4.泵；5.5%NaOH；6.空氣過(guò)濾器；7.膜組件；8.控制儀；9.電極；10.產(chǎn)物收集罐；11.發(fā)酵液收集罐；12.尾氣圖9-6膜分離耦合連續(xù)發(fā)酵裝置圖中空纖維膜組件

中空纖維膜組件真空發(fā)酵原理：在發(fā)酵的同時(shí)，保持發(fā)酵罐內(nèi)一定的真空度，使發(fā)酵液處于沸騰狀態(tài)，將易揮發(fā)的產(chǎn)物從發(fā)酵液中分離出來(lái)，從而達(dá)到消除代謝終產(chǎn)物的抑制和邊發(fā)酵邊分離的目的。揮發(fā)出來(lái)的產(chǎn)物可以通過(guò)冷凝、吸附、吸收等方法加以回收。第四節(jié)發(fā)酵與蒸餾耦合真空發(fā)酵第四節(jié)發(fā)酵與蒸餾耦合由于一種物質(zhì)的沸點(diǎn)是隨氣壓變化而改變的，氣壓越低沸點(diǎn)也越低。例如酒精在760.0mmHg氣壓下的沸點(diǎn)為78.15℃，在129.7mmHg下沸點(diǎn)降到39.20℃；在70.0mmHg下則降至27.96℃因此，在酒精發(fā)酵時(shí)維持發(fā)酵罐內(nèi)一定的低氣壓(或叫真空度)，就能使發(fā)酵醪液處于沸騰狀態(tài)，酒精蒸汽被蒸餾出去，從而使醪液中始終保持低濃度酒精，這樣就不會(huì)發(fā)生高濃度酒精的抑制作用真空發(fā)酵的依據(jù)由于一種物質(zhì)的沸點(diǎn)是隨氣壓變化而改變的，氣壓越低沸點(diǎn)也越低。按照真空發(fā)酵的原理，只需將一個(gè)真空發(fā)酵罐一部真空壓縮機(jī)（真空泵）連接起來(lái)并將抽出的氣體（包括乙醇和水蒸汽、CO2）經(jīng)過(guò)分凝器、總凝器凝結(jié)送到收集器即可構(gòu)成一套真空發(fā)酵的裝置。真空發(fā)酵的工藝按照真空發(fā)酵的原理，只需將真空發(fā)酵的工藝萃取萃取是用一種溶劑（如有機(jī)溶劑）將溶質(zhì)（如發(fā)酵產(chǎn)物）從另一種溶劑（如水）中抽提出來(lái)的分離技術(shù)。將萃取引入發(fā)酵過(guò)程，實(shí)現(xiàn)邊發(fā)酵邊萃?。ㄔ诰€(xiàn)萃?。┊a(chǎn)物，用來(lái)消除終產(chǎn)物抑制，就形成了一個(gè)新的概念——萃取發(fā)酵第五節(jié)萃取發(fā)酵萃取第五節(jié)萃取發(fā)酵萃取溶劑的選擇依據(jù)①溶劑應(yīng)當(dāng)有較大的分配系數(shù)分配系數(shù)K=C1/C2=萃取相的濃度/萃余相的濃度分配系數(shù)是決定溶質(zhì)能否分離的參數(shù)K值越大，越容易把物質(zhì)從水相中萃取到所選溶劑中②溶劑的生物相容性好，即對(duì)微生物無(wú)毒或毒性低生物相容性指數(shù)LogP將細(xì)胞固定化，可以較大程度地減少溶劑和生物細(xì)胞的接觸，因而有效地緩解溶劑的毒害作用③溶劑在水相中不易乳化，也不與水互溶④溶劑粘度較低⑤溶劑易從產(chǎn)物中分離出來(lái)萃取溶劑的選擇依據(jù)①溶劑應(yīng)當(dāng)有較大的分配系數(shù)在微生物發(fā)酵培養(yǎng)的過(guò)程同時(shí)利用吸附劑除去有害成分或提取回收有用目標(biāo)產(chǎn)物稱(chēng)為生物反應(yīng)過(guò)程的吸附分離技術(shù)第六節(jié)吸附培養(yǎng)在微生物發(fā)酵培養(yǎng)的過(guò)程同時(shí)利用吸附劑除去有害成分或提取回收有發(fā)酵和分離的耦合技術(shù)發(fā)酵和分離的耦合技術(shù)發(fā)酵過(guò)程的瓶頸：普遍存在著產(chǎn)物或副產(chǎn)物的抑制作用第一節(jié)概述降低生物催化劑的活力，抑制細(xì)胞生長(zhǎng)制約發(fā)酵過(guò)程的效率發(fā)酵過(guò)程的瓶頸：第一節(jié)概述降低生物催化劑的活力，抑制細(xì)胞生解決產(chǎn)物抑制的方法：利用工程手段及時(shí)分離出產(chǎn)物消除抑制，提高細(xì)胞或催化劑的活性生物反應(yīng)-分離耦合過(guò)程解決產(chǎn)物抑制的方法：利用工程手段及時(shí)分離出產(chǎn)物消除抑制，提高生物反應(yīng)-分離耦合過(guò)程

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insituproductremoval定義：在生物反應(yīng)發(fā)生的同時(shí)，選擇一種合適的分離方法及時(shí)地將對(duì)生物反應(yīng)有抑制或毒害作用的產(chǎn)物或副產(chǎn)物選擇性地從細(xì)胞或生物催化劑周?chē)谱叩倪^(guò)程生物反應(yīng)-分離耦合過(guò)程

Integratedbioreac課件--發(fā)酵和分離的耦合技術(shù)講解生物反應(yīng)-分離耦合過(guò)程的種類(lèi)生物反應(yīng)-分離耦合過(guò)程的種類(lèi)選擇一種合適的分離技術(shù)生物反應(yīng)與分離耦合的關(guān)鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物或副產(chǎn)物的移走選擇一種合適的分離技術(shù)生物反應(yīng)與分離耦合的關(guān)鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物或副分離技術(shù)的選擇依據(jù)①充分考慮產(chǎn)物的理化特性和生物學(xué)特性以選擇最佳的分離技術(shù)，要具有較大的分離系數(shù)和較好的選擇性②分離技術(shù)應(yīng)具備生物相容性即合適的分離技術(shù)應(yīng)對(duì)生物反應(yīng)不造成負(fù)面影響，不會(huì)造成生物催化劑或細(xì)胞的失活、變性和死亡，也不會(huì)改變生物反應(yīng)的代謝和調(diào)節(jié)機(jī)制，同時(shí)也不會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成污染③耦合過(guò)程環(huán)境的流體特性必需關(guān)注因?yàn)榱黧w力學(xué)性質(zhì)決定并影響分離過(guò)程的傳質(zhì)，從而分離的容量和速度會(huì)受到極大的影響，如高粘度的非牛頓型流體就不適合用膜分離技術(shù)④分離劑應(yīng)易于與反應(yīng)體系分離，產(chǎn)物應(yīng)易于從分離劑中提出來(lái)，再生后的分離劑應(yīng)可以重復(fù)利用⑤工程及經(jīng)濟(jì)因素理想的分離技術(shù)應(yīng)是操作費(fèi)用低、性能穩(wěn)定、工程上易實(shí)現(xiàn)、壽命長(zhǎng)的技術(shù)分離技術(shù)的選擇依據(jù)①充分考慮產(chǎn)物的理化特性和生物學(xué)特性選擇合適的分離技術(shù)的前提條件充分了解目標(biāo)產(chǎn)物的理化性質(zhì)包括分子量、疏水性、揮發(fā)性、荷電性及特異性的親和力等。選擇合適的分離技術(shù)的前提條件充分了解目標(biāo)產(chǎn)物的理化性質(zhì)包括分課件--發(fā)酵和分離的耦合技術(shù)講解發(fā)酵分離耦合過(guò)程的發(fā)展趨勢(shì)生物反應(yīng)體系不斷廣延研究和應(yīng)用對(duì)象除了初級(jí)代謝產(chǎn)物以外，更多地轉(zhuǎn)向高附加值的藥物產(chǎn)品(如抗生素等)、食品添加劑(維生素、色素、香料等)和一些高分子量的產(chǎn)物(如酶、治療用的蛋白質(zhì)、單抗、生物堿等)耦合過(guò)程的內(nèi)涵不斷深化有抑制或毒害作用的副產(chǎn)物的選擇性分離；選擇性地供給營(yíng)養(yǎng)底物；不可發(fā)酵底物或老齡化細(xì)胞的分離等。新分離技術(shù)不斷出現(xiàn)如基于分子識(shí)別的分離方法耦合過(guò)程的工藝中多種分離技術(shù)的集成發(fā)酵分離耦合過(guò)程的發(fā)展趨勢(shì)生物反應(yīng)體系不斷廣延常用的發(fā)酵分離耦合技術(shù)透析培養(yǎng)膜分離和培養(yǎng)耦合發(fā)酵與蒸餾耦合萃取發(fā)酵吸附培養(yǎng)常用的發(fā)酵分離耦合技術(shù)透析培養(yǎng)透析定義：當(dāng)化學(xué)膜的兩側(cè)物質(zhì)濃度存在差異時(shí)，物質(zhì)就會(huì)從濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)滲透，直到兩側(cè)濃度相等。第二節(jié)透析培養(yǎng)透析第二節(jié)透析培養(yǎng)例子：透析培養(yǎng)是人們模擬生活中的某些現(xiàn)象，采用人工膜進(jìn)行透析培養(yǎng)來(lái)研究它們的機(jī)制。比如雞胚的絨毛膜為天然膜，這種漿膜下層為營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)庫(kù)，通過(guò)膜面不斷地提供各種細(xì)胞生長(zhǎng)與繁殖的養(yǎng)料例子：課件--發(fā)酵和分離的耦合技術(shù)講解透析培養(yǎng)定義：指在圍有半透膜的培養(yǎng)環(huán)境中，使微生物生長(zhǎng)的方法。營(yíng)養(yǎng)物透過(guò)半透膜擴(kuò)散到透析袋內(nèi)，微生物利用其營(yíng)養(yǎng)而生長(zhǎng)。微生物因?yàn)椴荒芡高^(guò)膜而留在透析袋代謝產(chǎn)物透過(guò)膜擴(kuò)散到培養(yǎng)基中。結(jié)果使維持生長(zhǎng)的培養(yǎng)基被簡(jiǎn)化，抑制生長(zhǎng)的因子減少，從而達(dá)到促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)的目的。透析培養(yǎng)圖9-1Gallup-Gerhardt透析培養(yǎng)器系統(tǒng)左----培養(yǎng)基室，中----透析器，右----培養(yǎng)室，P----泵，v----閥門(mén)。箭頭表示培養(yǎng)基和培養(yǎng)物循環(huán)方向圖9-1Gallup-Gerhardt透析培養(yǎng)器系統(tǒng)①在培養(yǎng)室中可獲得較為純化的細(xì)胞或高分子產(chǎn)物②透析培養(yǎng)時(shí)細(xì)菌的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期有明顯的延長(zhǎng)，從而獲得稠密的細(xì)菌體③透析培養(yǎng)的細(xì)菌無(wú)論是在培養(yǎng)中或者經(jīng)過(guò)洗滌和貯存后都能保持一定活力微生物透析培養(yǎng)有下列主要特點(diǎn)：①在培養(yǎng)室中可獲得較為純化的細(xì)胞或高分子產(chǎn)物微生物透析培養(yǎng)膜分離定義：膜分離技術(shù)是利用膜的選擇性，以膜的兩側(cè)存在一定量的能量差作為推動(dòng)力，由于溶液中各組分透過(guò)膜的遷移速率不同而實(shí)現(xiàn)的分離。第三節(jié)膜分離和培養(yǎng)耦合膜分離第三節(jié)膜分離和培養(yǎng)耦合膜的分類(lèi)截留離子只能水通過(guò)小分子大直徑的菌體、懸浮固體等大分子膜的分類(lèi)截留離子小分子大直徑的菌體、懸浮固體等大分子微濾（MF）膜、超濾（UF）膜、納濾（NF）膜、反滲透（RO）膜

微濾（MF）膜、超濾（UF）膜、納濾（NF）膜、反滲透（RO孔的性質(zhì)(包括孔徑、孔分布和孔隙度)水通量截留率的截?cái)喾肿恿靠箟耗芰H適用范圍對(duì)熱和溶劑的穩(wěn)定性。表征膜性能的參數(shù)孔的性質(zhì)(包括孔徑、孔分布和孔隙度)表征膜性能的參數(shù)膜生物反應(yīng)器連續(xù)發(fā)酵法制取二羥基丙酮的研究醋酸桿菌膜生物反應(yīng)器（MBR）連續(xù)發(fā)酵二羥基丙酮膜分離和發(fā)酵耦合的應(yīng)用舉例膜生物反應(yīng)器連續(xù)發(fā)酵法制取二羥基丙酮的研究膜分離和發(fā)酵耦合的圖9-6膜分離耦合連續(xù)發(fā)酵裝置圖1.培養(yǎng)液儲(chǔ)罐；2.發(fā)酵罐；3.溫控器；4.泵；5.5%NaOH；6.空氣過(guò)濾器；7.膜組件；8.控制儀；9.電極；10.產(chǎn)物收集罐；11.發(fā)酵液收集罐；12.尾氣圖9-6膜分離耦合連續(xù)發(fā)酵裝置圖中空纖維膜組件

中空纖維膜組件真空發(fā)酵原理：在發(fā)酵的同時(shí)，保持發(fā)酵罐內(nèi)一定的真空度，使發(fā)酵液處于沸騰狀態(tài)，將易揮發(fā)的產(chǎn)物從發(fā)酵液中分離出來(lái)，從而達(dá)到消除代謝終產(chǎn)物的抑制和邊發(fā)酵邊分離的目的。揮發(fā)出來(lái)的產(chǎn)物可以通過(guò)冷凝、吸附、吸收等方法加以回收。第四節(jié)發(fā)酵與蒸餾耦合真空發(fā)酵第四節(jié)發(fā)酵與蒸餾耦合由于一種物質(zhì)的沸點(diǎn)是隨氣壓變化而改變的，氣壓越低沸點(diǎn)也越低。例如酒精在760.0mmHg氣壓下的沸點(diǎn)為78.15℃，在129.7mmHg下沸點(diǎn)降到39.20℃；在70.0mmHg下則降至27.96℃因此，在酒精發(fā)酵時(shí)維持發(fā)酵罐內(nèi)一定的低氣壓(或叫真空度)，就能使發(fā)酵醪液處