第二章生物工業(yè)下游技術(shù)

第二章下游技術(shù)的理論基礎(chǔ)生物工業(yè)下游技術(shù)：尚無一個(gè)嚴(yán)格定義，本課程所涉及到的內(nèi)容在許多本質(zhì)上屬于物質(zhì)分離范疇，因此后續(xù)內(nèi)容會(huì)常提到“分離”一詞。第一節(jié)下游技術(shù)中的物理學(xué)過程第二節(jié)下游技術(shù)中的化學(xué)過程第三節(jié)下游技術(shù)中的生物學(xué)過程第一節(jié)下游技術(shù)中的物理學(xué)過程一、基礎(chǔ)物性“分離”可利用各種物質(zhì)固有性質(zhì)的差異。物性差異越大，利用價(jià)值越大。二、分類以物理學(xué)過程為基礎(chǔ)的分離操作，大致可分為以下三類：1、平衡分離過程建立在相平衡關(guān)系上的。利用相的組成差別進(jìn)行混合物體系的分離。2、擬平衡（速度差）分離操作在混合物體系本身所占有的空間之外加一個(gè)能引起物質(zhì)分離的勢能場，在他的作用下，形成分離場。3.非平衡分離操作

1、2以為均劃歸其中，利用物質(zhì)移動(dòng)速度差和廣義的、基于“屏蔽效應(yīng)”的分離操作。三、平衡論1、相平衡基礎(chǔ)

多組分混合物體系達(dá)到氣液、液液、固液、氣固二相平衡的條件是各相溫度、壓力相等，各相中各成分的逸度相等。F_自由度C_組分?jǐn)?shù)P—相數(shù)

2.氣液平衡3.溶解度4.高壓氣體中的溶解度5.液液平衡6.吸附平衡物質(zhì)從流體相(氣、液）濃縮到固體表面從而達(dá)到分離的過程稱為吸附過程。Q---吸附量K---吸附平衡常數(shù)P吸附質(zhì)分壓C---吸附質(zhì)濃度n大于1的常數(shù)7.固體吸收平衡氣體、液體成分移向固體的過程稱為（固體）吸收C—固體中的溶質(zhì)濃度P—?dú)庀嗳苜|(zhì)分壓H—亨利常數(shù)S—溶解度系數(shù)四、傳遞現(xiàn)象1.傳遞通量2.固相內(nèi)的分子擴(kuò)散如浸取操作。由于固體中存在大量的水分，溶質(zhì)通過這些水溶液進(jìn)行的擴(kuò)散符合Fick定律。對(duì)于溶質(zhì)A的擴(kuò)散通量，簡化后為：3.多孔體內(nèi)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在具有連續(xù)空隙的多孔體（含粒子充填層）內(nèi)，分子在這種細(xì)孔中的移動(dòng)，可分為“細(xì)孔擴(kuò)散”和“表面擴(kuò)散”兩種機(jī)理。

吸附相=狹義吸附相+毛細(xì)管凝結(jié)相4.粒子充填床層中的物質(zhì)擴(kuò)散實(shí)體粒子充填床層內(nèi)的擴(kuò)散現(xiàn)象與多孔體內(nèi)的情況基本相同。例外的情況是，當(dāng)粒子充填層中的空隙比多孔體粒子內(nèi)空隙大得很多時(shí)，會(huì)引起流體透過方向上的返混。返混的規(guī)模與粒徑大致成一定比例。在多孔性粒子的充填層內(nèi)，粒子間的一次空隙與粒子內(nèi)的二次空隙構(gòu)成二元結(jié)構(gòu)細(xì)孔網(wǎng)絡(luò)。在這種場合下，質(zhì)量傳遞阻力應(yīng)分別進(jìn)行考察。5.膜內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量傳遞均質(zhì)膜和多孔性摸中的質(zhì)量傳遞機(jī)理不同。均質(zhì)膜特別是均質(zhì)高分子膜內(nèi)的質(zhì)量傳遞是很復(fù)雜的，物質(zhì)通過膜的傳遞速度是用膜兩端的濃度差和膜內(nèi)溶解分子的擴(kuò)散系數(shù)來表達(dá)的。擴(kuò)散系數(shù)與穿膜物質(zhì)的種類和濃度有關(guān)。均質(zhì)膜并非絕對(duì)“均質(zhì)”，也會(huì)有布朗運(yùn)動(dòng)和返混現(xiàn)象。多孔性膜基本上與多孔體內(nèi)質(zhì)量傳遞相同。第二節(jié)下游技術(shù)中的化學(xué)過程一、化學(xué)性分子識(shí)別液液萃?。豪梦镔|(zhì)在溶劑中溶解度不同的分離。如果在萃取溶劑中加入對(duì)原料中目標(biāo)物質(zhì)有特異性作用的成分（萃取劑、抽提劑），能達(dá)到高選擇性。1.分子間相互作用分子間的相互作用力除了總所周知的范德華力、氫鍵力等，近年來備受矚目的分子間作用力是疏水性相互作用力。2.分子識(shí)別酶和底物的專一性結(jié)合。鑰匙和鎖的關(guān)系，只有底物分子才能進(jìn)入這個(gè)口袋。酶分子正是通過對(duì)底物的多點(diǎn)識(shí)別才顯示出他高效、專一的底物識(shí)別功能。

環(huán)狀糊精也有一定的分子識(shí)別功能。它是由6—8個(gè)葡萄糖環(huán)狀結(jié)合而成的低聚糖。筒狀，內(nèi)部具空洞結(jié)構(gòu)。圖環(huán)狀糊精的構(gòu)造“皇冠醚”皇冠醚有多種，均為大環(huán)狀化合物。中心開孔，一些金屬離子和氨基酸分子等正好能進(jìn)入其中。圖二苯-18-皇冠醚-6泡沸石（無機(jī)吸附劑）

具有細(xì)孔結(jié)構(gòu)的氧化鋁、硅石類陶瓷，孔徑接近分子水平時(shí)，則可用作分子篩。

圖泡沸石二、下游技術(shù)中的化學(xué)反應(yīng)選擇性分離純化：如檸檬酸工業(yè)中常用鈣鹽沉淀，以便于與發(fā)酵液中殘?zhí)羌捌渌扇苄噪s質(zhì)的分離。利用草酸與Ca2+反應(yīng)，生成不溶性鈣鹽可除去雜質(zhì)Ca離子。ZnSo4和黃血鹽用于除去雜氨基酸和雜蛋白。產(chǎn)品制造：氨基酸或短肽能絡(luò)合或螯合某些金屬離子生產(chǎn)保健產(chǎn)品。補(bǔ)充人體缺乏又不易被人體吸收的鈣、鐵、鋅等微量元素，山梨醇和木糖醇可通過葡萄糖和木糖經(jīng)金屬鎳催化加氫工藝（高壓）獲得。第三節(jié)下游技術(shù)中的生物學(xué)過程一、特異性相互作用（鎖鑰關(guān)系）圖存在于酶分子上的各種結(jié)合部位（一）可逆性結(jié)合作用（除共價(jià)結(jié)合外）1.離子間的相互作用2.氫鍵結(jié)合3.疏水性相互作用4.對(duì)金屬原子配位5.弱共價(jià)鍵結(jié)合影響蛋白質(zhì)立體構(gòu)象的環(huán)境因素1.熱：熱是影響蛋白質(zhì)構(gòu)象的最普通的因素。2.溫度：溫度的上升，使原子、分子的熱運(yùn)動(dòng)更活潑，離子間的相互作用、氫鍵、金屬原子配位作用等變?nèi)?。但疏水性的相互作用因溫度上升而加?qiáng)。3.PH：對(duì)離子間的作用影響很大，也對(duì)蛋白質(zhì)側(cè)鏈上的氨基酸殘基的離解度影響很大。4.靜電性的環(huán)境變化：如在溶液中加入在水中能離解為陽離子和陰離子的強(qiáng)電解質(zhì)（如食鹽等無機(jī)鹽）。溶液離子強(qiáng)度增加，離子間相互作用變?nèi)?，氫鍵也受到同樣影響。5.試劑：在試劑中，尿素、鹽酸胍、十二烷基磺酸鈉等會(huì)對(duì)蛋白質(zhì)構(gòu)象造成影響。二、親和色譜利用某些生物物質(zhì)之間特異的親和力進(jìn)行選擇性分離的色譜技術(shù)。圖吸附模式圖用作親和色譜的載體應(yīng)具有以下特性：1、載體應(yīng)該是惰性的，盡量減少物理吸附和離子交換等非專一性吸附；2、載體上必須有足夠數(shù)量的可活化的化學(xué)