生物制藥下游技術(shù)-第三章-

第三章生物制藥的下游技術(shù)第一節(jié)

發(fā)酵液的預(yù)處理及固液分離生物反應(yīng)過(guò)程示意圖概述發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離概述微生物或動(dòng)植物細(xì)胞在合適的培養(yǎng)基，ＰＨ值，溫度和通氣攪拌（或厭氣）等發(fā)酵條件下進(jìn)行生長(zhǎng)和合成生物活性物質(zhì)，因?yàn)樵谄渑囵B(yǎng)（發(fā)酵）液中包含了菌（細(xì)胞）體，胞內(nèi)外代謝產(chǎn)物，胞內(nèi)的細(xì)胞物質(zhì)及剩余的培養(yǎng)基殘分等。不管人們所需要的產(chǎn)物是胞內(nèi)的還是胞外的或是菌體本身，都首先要進(jìn)行培養(yǎng)液的預(yù)處理和菌體回收，只有將固，液分離開(kāi)，才能從澄清的濾液中采用物理、化學(xué)的方法提取代謝產(chǎn)物，或從細(xì)胞出發(fā)進(jìn)行破碎、碎片分離和提取胞內(nèi)產(chǎn)物。一、發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離1、懸浮液的預(yù)處理懸浮液的基本特性①細(xì)胞的相對(duì)密度與培養(yǎng)液相似②可壓縮性，粘稠，流變行為復(fù)雜③懸浮狀態(tài)穩(wěn)定為何要對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理？懸浮液的預(yù)處理由于所需的產(chǎn)品在培養(yǎng)液和菌體中濃度很低，并與許多雜質(zhì)夾雜在一起，同時(shí)發(fā)酵液或生物溶液又屬于非牛頓型流體，所以必須進(jìn)行預(yù)處理。發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離3、預(yù)處理的方法懸浮液的預(yù)處理（1）凝聚和絮凝（2）加熱法（3）調(diào)節(jié)懸浮液的PH值發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離（1）凝聚與絮凝懸浮液的預(yù)處理凝聚與絮凝其處理過(guò)程就是將化學(xué)藥劑預(yù)先投加到懸浮液中，改變細(xì)胞、菌體和蛋白質(zhì)等膠體粒子的分散狀態(tài)，破壞其穩(wěn)定性，使它們聚集成可分離的絮凝體，再進(jìn)行分離。發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離凝聚和絮凝懸浮液的預(yù)處理凝聚和絮凝是兩種方法，兩個(gè)概念。凝聚：指在投加的化學(xué)物質(zhì)（鋁、鐵的鹽類或石灰等）作用下，膠體脫穩(wěn)并使粒子相互聚集成１mm大小塊狀凝聚體的過(guò)程。絮凝：指使用絮凝劑（天然的和合成的大分子量聚電解質(zhì)）將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)，形成10mm大小絮凝團(tuán)的過(guò)程。其中絮凝劑主要起架橋作用。凝聚和絮凝在發(fā)酵液預(yù)處理中的應(yīng)用懸浮液的預(yù)處理凝聚和絮凝技術(shù)能有效的改變細(xì)胞菌體和蛋白質(zhì)等膠體粒子的分散狀態(tài),使其聚集起來(lái),增大體積以便固液分離,常用于菌體細(xì)小而且黏度大的發(fā)酵液的預(yù)處理中。發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離高分子絮凝劑的吸附架橋作用懸浮液的預(yù)處理（2）常用的絮凝劑聚丙烯酰胺類和聚乙烯亞胺衍生物，根據(jù)活性基團(tuán)在水中解離情況不同，可分為非離子型、陰離子型（含有羧基）和陽(yáng)離子型（含有胺基）三類。由于聚丙烯酰胺類絮凝劑具有用量少，一般以ppm計(jì)量，絮凝體粗大，分離效果好，絮凝速度快以及種類多等優(yōu)點(diǎn)，所以適用范圍廣。聚丙烯酸類陰離子絮凝劑和聚苯乙烯類衍生物。無(wú)機(jī)高分子聚合物也是較好的一類絮凝劑，如聚合鋁鹽和聚合鐵鹽等。天然有機(jī)高分子絮凝劑，如殼聚糖和葡聚糖等聚糖類，還有明膠、骨膠、海藻酸鈉等。微生物絮凝劑是近年來(lái)研究和開(kāi)發(fā)的新型絮凝劑，它是一類由微生物產(chǎn)生的具有絮凝細(xì)胞功能的物質(zhì)。主要成分是糖蛋白、粘多糖、纖維素及核酸等高分子物質(zhì)。微生物絮凝劑和天然絮凝劑與化學(xué)合成的絮凝劑相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是安全，無(wú)毒和不污染環(huán)境。（2）雜蛋白質(zhì)的其它去除方法懸浮液的預(yù)處理蛋白質(zhì)一般以膠體狀態(tài)存在于發(fā)酵液中，膠體粒子的穩(wěn)定性和其所帶電荷有關(guān)。和氨基酸等兩性物質(zhì)一樣，蛋白質(zhì)在酸性溶液中帶正電荷，在堿性溶液中帶負(fù)電荷，而在某一pH下，凈電荷為零，溶解度最小，可使其產(chǎn)生沉淀而除去，稱為等電點(diǎn)沉淀法。蛋白質(zhì)的變性懸浮液的預(yù)處理蛋白質(zhì)從有規(guī)則的排列變成不規(guī)則結(jié)構(gòu)的過(guò)程稱為變性。變性蛋白質(zhì)溶解度較小。最常用的使蛋白質(zhì)變性的方法是加熱。加熱還能使液體粘度降低，加快過(guò)濾速度。鏈霉素生產(chǎn)中，采用調(diào)pH至酸性（pH3.0），加熱至70℃，維持半個(gè)小時(shí)的方法來(lái)去除蛋白質(zhì)，能使過(guò)濾速度增大10-100倍，濾液粘度可降低1/6。檸檬酸發(fā)酵液，采用加熱至80℃以上，使蛋白質(zhì)變性凝固和降低發(fā)酵液粘度，從而大大提高了過(guò)濾速度。吸附作用利用吸附作用也可除去蛋白質(zhì)。四環(huán)類抗生素生產(chǎn)中，采用黃血鹽和硫酸鋅的協(xié)同作用生成亞鐵氰化鋅鉀K2Zn3[Fe(CN)5]2的膠狀沉淀來(lái)吸附蛋白質(zhì)，利用此法除蛋白質(zhì)已取得很好的效果。在枯草桿菌發(fā)酵液中，常加入氯化鈣和磷酸氫二鈉，這兩者本身生成龐大的凝膠，把蛋白質(zhì)、菌體及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，從而加快了過(guò)濾速度。4、發(fā)酵液的固液分離發(fā)酵液的固液分離固液分離的目的包括兩方面：收集胞內(nèi)產(chǎn)物的細(xì)胞或菌體，分離除去液相，或者是收集含生化物質(zhì)的液相，分離除去固體懸浮物，如細(xì)胞、菌體、細(xì)胞碎片、蛋白質(zhì)的沉淀物和它們的絮凝體等。常用的方法為過(guò)濾和離心分離等化工單元操作。5、常見(jiàn)的固液分離方法發(fā)酵液的固液分離離心沉降微孔膜過(guò)濾雙水相萃取泡沫分離法避開(kāi)固液分離的探索－擴(kuò)張床吸附影響過(guò)濾的因素發(fā)酵液的固液分離菌種：真菌，放線菌，細(xì)菌培養(yǎng)基：黃豆，花生，淀粉，后期加油，培養(yǎng)基未用完發(fā)酵時(shí)間：菌絲自溶前放罐黏度（發(fā)酵液）改善過(guò)濾方法助濾劑：質(zhì)地堅(jiān)硬不可壓縮性固體

機(jī)理：表面吸附膠體及不可壓縮型格子結(jié)構(gòu)

使用方法：

a預(yù)先制成濾餅

b助濾劑混入懸浮液中一起過(guò)濾

常用助濾劑：硅藻土，珍珠巖，活性炭

應(yīng)用優(yōu)化因素

a單位質(zhì)量助濾劑的濾液最大產(chǎn)量

b使用周期

c流速7、固液分離設(shè)備發(fā)酵液的固液分離

板框鼓式真空過(guò)濾機(jī)錯(cuò)流過(guò)濾離心機(jī)平拋式管式多室蝶式螺旋式平拋式a介質(zhì)阻力大

b不能得到干濾餅

c需要大的膜面積

d收率高（97-98%）

e質(zhì)量好

f減少處理步聚

g染菌罐也能進(jìn)行處理管式分為:液－液分離的連續(xù)式管式離心機(jī)液固分離的間歇式管式離心機(jī)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)速很高有利于蛋白質(zhì)的分離間歇操作多室多室式離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有若干同心圓筒組成若干同心環(huán)狀分離室加長(zhǎng)了被分離液體的流程，使液層減薄，增加了沉降面積，減少了沉降距離。同時(shí)還有粒度篩分的作用，懸浮液中的粗顆粒沉降到靠近內(nèi)部的分離室壁上，細(xì)顆粒則沉降到靠近外部的室壁上，澄清的分離液經(jīng)溢流或由向心泵排出。常用于抗菌素液－液萃取分離，果汁和酒類飲料的澄清等。螺旋式螺旋卸料沉降離心機(jī)有立式和臥式兩種臥螺機(jī)是一種全速旋轉(zhuǎn)，連續(xù)進(jìn)料，分離和卸料的離心機(jī)。最大離心力強(qiáng)度可達(dá)6000操作溫度可達(dá)300℃操作壓力一般為常壓常用于胰島素，細(xì)胞色素，胰酶的分離等。螺旋式發(fā)酵液的固液分離螺旋卸料沉降離心機(jī)有立式和臥式兩種臥螺機(jī)是一種全速旋轉(zhuǎn)，連續(xù)進(jìn)料，分離和卸料的離心機(jī)。最大離心力強(qiáng)度可達(dá)6000操作溫度可達(dá)300℃操作壓力一般為常壓常用于胰島素，細(xì)胞色素，胰酶的分離等。碟式是一種應(yīng)用最為廣泛的離心機(jī)有一個(gè)密封的轉(zhuǎn)鼓，內(nèi)裝十至上百個(gè)錐頂角為60~100゜錐形碟片。固體的沉降距離極短，分離效果較好。碟片間的距離一般為0.5~2.5mm,與被分離物料的性質(zhì)有關(guān)。碟片式離心機(jī)發(fā)酵液的固液分離是一種應(yīng)用最為廣泛的離心機(jī)有一個(gè)密封的轉(zhuǎn)鼓，內(nèi)裝十至上百個(gè)錐頂角為60~100゜錐形碟片。固體的沉降距離極短，分離效果較好。碟片間的距離一般為0.5~2.5mm,與被分離物料的性質(zhì)有關(guān)。包含體產(chǎn)物分離工藝

（牛生長(zhǎng)激素分離提取）發(fā)酵液的固液分離全發(fā)酵液提取二、全發(fā)酵液提取1.用膜技術(shù)進(jìn)行全發(fā)酵液提取2.用雙水相萃取進(jìn)行全發(fā)酵液提取3.用擴(kuò)張床吸附進(jìn)行全發(fā)酵液提取全發(fā)酵液提取一種新型的生物分離技術(shù)概念被提出：集成化分離技術(shù)，即對(duì)已有的兩種或兩種以上的單元操作進(jìn)行有效的組合，組成一種有效的單元操作，以達(dá)到提高產(chǎn)品收率、縮短純化步驟、降低純化費(fèi)用和投資成本的目的?；谝陨蟽牲c(diǎn)，20世紀(jì)90年代人們發(fā)展了一種集成化分離技術(shù)—擴(kuò)張床吸附技術(shù)。擴(kuò)張床吸附技術(shù)全發(fā)酵液提取擴(kuò)張床（Expandedbed）亦稱膨脹床是發(fā)展中的吸附分離技術(shù)。九十年代初，英國(guó)劍橋大學(xué)的H.A.Chase等通過(guò)對(duì)吸