生物材料預(yù)處理和液固分離

1、關(guān)于生物材料的預(yù)處理和液固分離第一張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月生物活性物質(zhì)來源動物植物微生物組織、器官、細(xì)胞及代謝產(chǎn)物存在方式：胞內(nèi)和胞外第一節(jié) 生物材料的預(yù)處理第二張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月一 確定預(yù)處理方法的依據(jù)1 生物活性物質(zhì)存在方式與特點(diǎn)生物活性物質(zhì)存在部位與它的生物活性密切相關(guān)生物活性物質(zhì)來源、存在狀態(tài)“胞內(nèi)” 、“胞外”、前體生物材料中的化學(xué)組成十分復(fù)雜生物活性物質(zhì)在生物材料中含量較低，雜質(zhì)含量高，而且生理活性愈高的成分，含量往往愈低如胰島素在胰臟中的含量為0.02%，膽汁中膽紅素含量為0.050.08%生物活性物質(zhì)的存在方式與其生物功能密切相關(guān)，一般

2、情況下，可以根據(jù)活性物質(zhì)的生物功能推斷其存在部位和分布方式第三張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月可被材料中酶、微生物破壞，還可能受酸、堿、鹽、重金屬離子、機(jī)械攪拌、溫度、甚至空氣和光線作用改變活性2 后續(xù)工藝要求3 目的物穩(wěn)定性經(jīng)過預(yù)處理和固液分離后，一般要求得到濾液澄清、pH適中、有一定濃度的目的生物活性物質(zhì)如后續(xù)采用離子交換方法處理，則對濾液中無機(jī)離子、灰分含量、澄清度方面要求較高；如采用溶劑萃取，則要求蛋白質(zhì)含量較低，以減輕乳化現(xiàn)象；如采用結(jié)晶方法，則還需要經(jīng)過脫色處理第四張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月絞肉機(jī)將事先切成小塊的組織絞碎形成組織糜許多蛋白和酶可以從顆粒較粗

3、的組織糜中提取出來一般情況下：先用粗孔徑的絞，再用細(xì)孔徑的絞，有時可能還需要多次進(jìn)行 用絞肉機(jī)，一般細(xì)胞并不破碎，一些胞內(nèi)產(chǎn)物不能有效地提取，須通過特殊的勻漿才行 實(shí)驗(yàn)室常用玻璃勻漿器和組織搗碎器，工業(yè)上可用高壓勻漿器二 動物材料的預(yù)處理 第五張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（一） 預(yù)處理的目的三 發(fā)酵液（細(xì)胞培養(yǎng)液）的預(yù)處理2 去除發(fā)酵液（培養(yǎng)液）中部分雜質(zhì)以利于后續(xù)各步操作1 改變發(fā)酵液（培養(yǎng)液）的物理性質(zhì)，以利于固-液分離 主要方法有：加熱、凝聚與絮凝、使用助濾劑 培養(yǎng)液中主要含有2類物質(zhì)：可溶性膠狀物質(zhì) 無機(jī)鹽類可溶性膠狀物質(zhì)：核酸、雜蛋白、不溶性多糖，這些雜質(zhì)不 僅使培養(yǎng)液

4、粘度增加，液固分離速度受影 響，而且還會影響后續(xù)的分離純化操作無機(jī)鹽類：不僅影響成品質(zhì)量，而且在采用離子交換法提取 時，由于樹脂大量吸附無機(jī)離子而減少對目的物的 交換第六張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月加熱是最簡單和經(jīng)濟(jì)的預(yù)處理方法，即把發(fā)酵液（培養(yǎng)液）加熱到所需溫度并保溫適當(dāng)時間。加熱能使雜蛋白變性凝固，從而降低發(fā)酵液（培養(yǎng)液）的粘度，使固液分離變得容易。但加熱的方法只適合對熱穩(wěn)定的生物活性物質(zhì) （二） 細(xì)胞及蛋白質(zhì)的處理1 變性沉淀蛋白變性的其它方法：大幅度改變pH，加有機(jī)溶劑（丙酮、乙醇等） 、重金屬鹽（如Ag 、Cu2 、Pb2 等）和表面活性劑天然蛋白質(zhì)分子受到某些物理的或

5、化學(xué)的因素影響時生物活性喪失、溶解度降低、不對稱性增高以及其他的一些物理化學(xué)常數(shù)發(fā)生變化，這個過程就稱為變性作用第七張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2 凝聚和絮凝凝聚和絮凝預(yù)處理對象細(xì)小菌體或細(xì)胞（分泌胞外產(chǎn)物）、細(xì)胞的碎片以及蛋白質(zhì)等膠體粒子的去除培養(yǎng)中的細(xì)胞、菌體或蛋白質(zhì)等膠體顆粒的表面一般都帶有電荷，帶電原因很多，主要是吸附溶液中的離子或自身基團(tuán)的電離膠粒能保持分散狀態(tài)的原因是帶有相同電荷，一旦布朗運(yùn)動使離子間距離縮小到它們的擴(kuò)散層而部分重疊時，即產(chǎn)生排斥作用，使兩個離子分開，從而阻止了粒子的聚集膠體能穩(wěn)定存在的另一個原因是其表面的水化作用，即形成了離子周圍的水化層，阻礙膠粒間

6、的直接聚集處理過程將一定的化學(xué)藥劑預(yù)先投加到培養(yǎng)液，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)行分離第八張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月凝聚劑主要是一些無機(jī)類電解質(zhì)，由于大部分被處理的物質(zhì)帶負(fù)電荷（如細(xì)胞或菌體一般帶負(fù)電荷），因此工業(yè)上常用的凝聚劑大多為陽離子型，分為無機(jī)鹽類、金屬氧化物類凝 聚凝聚是指在某些電解質(zhì)作用下，破壞細(xì)胞、菌體和蛋白質(zhì)等膠體粒子的分散狀態(tài)，使膠體粒子聚集的過程常用的無機(jī)鹽類凝聚劑Al2（SO4）318H2O（明礬）AlCl36H2OFeCl3ZnSO4MgCO3常用的金屬氧化物類凝聚劑Al(OH)3Fe3O4C

7、a(OH)2石灰等膠體是物質(zhì)以一定分散程度而存在的一種狀態(tài)。即將一物質(zhì)分成許多小粒子，然后分散在一種介質(zhì)中即可得到一種分散體系。在這種分散體系中，粒子叫分散質(zhì)(或分散相)，介質(zhì)叫分散劑(或分散介質(zhì))當(dāng)分散質(zhì)的直徑在0.1m1nm之間，這個體系就叫膠體。膠體按分散質(zhì)和分散劑聚態(tài)的不同可分為許多種 第九張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 在發(fā)酵液中加入具有相反電性的電解質(zhì)： 中和膠粒電性，降低雙電層排斥力 離子的水化作用，破壞膠粒的水化層 影響凝聚作用的主要因素 無機(jī)鹽的種類、化合價以及無機(jī)鹽的用量等 陽離子對帶負(fù)電荷的膠粒凝聚能力的次序?yàn)椋?Al3+Fe3+H+Ca2+Mg2+K+Na+

8、Li+ 無機(jī)鹽促進(jìn)膠粒顆粒凝聚的原因：第十張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 絮 凝影響絮凝效果的因素絮凝劑的分子量絮凝劑用量溶液pH攪拌速度時間等絮凝劑具有長鏈線狀的結(jié)構(gòu)，易溶于水，其分子量可高達(dá)數(shù)萬至一千萬以上，在長的鏈上含有相當(dāng)多的活性功能團(tuán)當(dāng)往膠體懸液中加入絮凝劑時，膠?？蓮?qiáng)烈地吸附在絮凝劑表面的活性功能團(tuán)上，而且一個高分子聚合物的許多鏈節(jié)分別吸附在不同的顆粒的表面上，產(chǎn)生架橋聯(lián)接，形成粗大的絮凝團(tuán)沉淀出來，有助于過濾，這一過程稱為絮凝作用絮凝是指使用絮凝劑（通常是天然或合成的大分子量電解質(zhì)），在懸浮粒子之間產(chǎn)生架橋作用而使膠粒形成粗大的絮凝團(tuán)的過程第十一張，PPT共四十一頁，

9、創(chuàng)作于2022年6月影響絮凝劑絮凝效果的因素絮凝劑分子量：分子量越大，鏈越長，吸附架橋效果就越明顯；但是分子量過大，絮凝劑在水中的溶解度降低絮凝劑濃度：濃度較低時，增加用量有助于架橋，提高絮凝效果；但是濃度過高反而引起吸附飽和，在膠粒表面上形成覆蓋層而失去與其他膠粒架橋的作用，降低了絮凝效果第十二張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月溶液的pH：pH的變化會影響離子型絮凝劑功能團(tuán)的電離度，提高電離度可使鏈分子上同種電荷間的電排斥作用增加，鏈從卷曲狀態(tài)變?yōu)樯煺範(fàn)顟B(tài)，發(fā)揮最佳架橋能力攪拌速度：剛加入絮凝劑時，攪拌速度快能使絮凝劑迅速分散，發(fā)揮絮凝作用，但當(dāng)絮凝團(tuán)形成后，高的剪切力會打碎絮凝團(tuán)第

10、十三張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月常用的絮凝劑殼聚糖、海藻酸鈉、明膠和酰胺類衍生物、聚苯乙烯類衍生物及聚丙烯酸類等第十四張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3 去除雜蛋白質(zhì)的其它方法 等電點(diǎn)沉淀 蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)時溶解度最小，能沉淀而除去各種沉淀劑沉淀某些化學(xué)試劑能與蛋白質(zhì)結(jié)合形成復(fù)合物沉淀在酸性溶液中加有機(jī)酸如三氯乙酸、水楊酸、苦味酸、鞣酸、過氯酸等形成沉淀；在堿性溶液中，能與一些陽離子如Ag +、Cu 2+、Zn 2+、Pb 2+、Fe3+形成沉淀吸附 在發(fā)酵液中，加入一些反應(yīng)劑，它們互相反應(yīng)生成的沉淀物對蛋白質(zhì)具吸附作用而使其凝固加入吸附劑如活性碳，可以去除熱原第十五張，

11、PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（三） 不溶性多糖的去除黏多糖的去除黏多糖可以和一些陽離子表面活性劑如十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）和十六烷基氯化吡啶（CPC）等形成季銨鹽絡(luò)合物而沉淀，因而可以通過向培養(yǎng)液中引入這些物質(zhì)使多糖沉淀去除當(dāng)發(fā)酵液中含有較多不溶性多糖時，粘度增大，液固分離困難，可用酶將它轉(zhuǎn)化為單糖以提高過濾速度 例如在蛋白酶發(fā)酵液加淀粉酶，將培養(yǎng)基中多余的淀粉水解稱單糖，就能降低發(fā)酵液粘度，提高濾速 第十六張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（四）高價金屬離子的去除對提取和成品質(zhì)量影響較大的無機(jī)雜質(zhì)主要是Ca2、Mg2、Fe3等高價金屬離子，尤其在后期采用離子交換法時

12、，這些離子會降低樹脂的交換容量，預(yù)處理中應(yīng)將它們除去鈣離子：常采用草酸鈉或草酸鎂離子：去除也可用草酸，但草酸鎂溶解度較大，故沉淀不完全，也可采 用磷酸鹽，使生成磷酸鈣鹽和磷酸鎂鹽沉淀而除去鐵離子：可采用黃血鹽，形成普魯士蘭(亞鐵氰化鐵)沉淀離子交換法和沉淀法第十七張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，使胞內(nèi)產(chǎn)物得到最大程度的釋放目的影響細(xì)胞破碎的因素：1 細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)2 破碎方法第二節(jié) 細(xì)胞破碎第十八張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月一 細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)革蘭氏陽性菌的細(xì)胞壁主要由肽聚糖層（約2080nm）組成革蘭氏陰性菌肽聚糖層較薄，僅23nm，在肽聚糖層外還有兩層

13、外壁層。外壁層約810nm可見革蘭氏陽性菌細(xì)胞壁較厚，較難破碎！第十九張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月霉菌的細(xì)胞壁較厚，約100250nm酵母的細(xì)胞壁比革蘭氏陽性菌的細(xì)胞壁厚，更難破碎第二十張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月機(jī)械法 勻漿法 珠磨法 超聲波化學(xué)法 化學(xué)試劑處理 酶解法 制成丙酮粉物理法 干燥 凍融 滲透壓沖擊二 破碎方法第二十一張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月機(jī)械法高壓勻漿法：適用于酵母菌、大腸桿菌、巨大芽孢桿菌和黑曲霉 等。不適用于高度分枝的微生物高速珠磨法：利用玻璃小珠與細(xì)胞懸液一起快速攪拌，由于研磨 作用，使細(xì)胞破碎超聲波破碎法：實(shí)驗(yàn)室常用影響因

14、素：頻率、液體溫度 和粘度、 處理時間等第二十二張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月French Press壓榨壓榨是一種溫和的、徹底破碎細(xì)胞的方法。在1000105Pa2000105Pa 的高壓下使幾十毫升的細(xì)胞懸液通過一個小孔突然釋放至常壓，細(xì)胞將徹底破碎。這是一種較理想的破碎細(xì)胞的方法，但儀器費(fèi)用較高第二十三張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月超聲波振蕩器第二十四張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 非機(jī)械法化學(xué)法：采用化學(xué)試劑處理細(xì)胞，溶解細(xì)胞或抽提細(xì)胞組分酶解法：利用酶（溶菌酶、蛋白酶、脂肪酶、核酸酶、透明質(zhì)酸酶 等）反應(yīng)分解破壞細(xì)胞壁上特殊的鍵，以達(dá)破壁的目的 需

15、與其它方法配合使用（輻射、滲透壓沖擊、反復(fù)凍融法等） 途徑：在細(xì)胞懸液中加酶或采用自溶作用; 自溶作用：利用微生物自身產(chǎn)生的酶來溶菌，而不需外加其它 的酶 自溶的方法：加熱法、干燥法滲透壓沖擊法：先把細(xì)胞放在高滲溶液中，由于滲透壓作用，細(xì)胞內(nèi) 水分向外滲出，細(xì)胞發(fā)生收縮，當(dāng)達(dá)到平衡后，將介 質(zhì)快速稀釋或?qū)⒓?xì)胞轉(zhuǎn)入水或緩沖液中，由于滲透壓 發(fā)生突然變化，胞外的水分迅速滲入胞內(nèi)，使細(xì)胞快 速膨脹而破裂凍融法：將細(xì)胞放在低溫（-15），然后在室溫中融化，反復(fù)多次， 細(xì)胞壁破裂干燥法：經(jīng)干燥后的菌體，其細(xì)胞膜的滲透性發(fā)生變化，同時部分菌體 會產(chǎn)生自溶，然后用丙酮、丁醇或緩沖液等溶劑處理時，胞內(nèi) 物質(zhì)就

16、會被抽提出來 方法：空氣干燥、真空干燥、噴霧干燥和冷凍干燥化學(xué)法 1 用堿處理2 用脂溶性有機(jī)溶劑3 表面活性劑4 制成丙酮粉堿處理：可以溶解除去細(xì)胞壁以外的大部分組分，酸堿還可以調(diào)節(jié)溶液的pH，改變細(xì)胞所處的環(huán)境，從而改變蛋白質(zhì)的電荷性質(zhì)，使蛋白質(zhì)之間或蛋白與其他物質(zhì)之間的作用力降低而易于溶解到液相中去，便于后面的提取脂溶性有機(jī)溶劑：如丁醇、丙酮等，它們能溶解細(xì)胞膜上的脂類化合物，使細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞，而將胞內(nèi)產(chǎn)物抽提出來表面活性劑：常能引起細(xì)胞溶解或使某些組分從細(xì)胞內(nèi)滲漏出來制成丙酮粉：組織經(jīng)丙酮脫水干燥制成丙酮粉，不僅可以減少酶的變性，同時因細(xì)胞結(jié)構(gòu)成分的破碎使蛋白質(zhì)與脂質(zhì)結(jié)合的某些化學(xué)鍵打開

17、，促使某些結(jié)合酶釋放到溶液中第二十五張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 細(xì)胞破碎率定義為被破碎細(xì)胞的數(shù)量占原始細(xì)胞數(shù)量的百分比數(shù)，即： Y(%)=(N0-N)/N0100 N0原始細(xì)胞數(shù)量 N 經(jīng)t時間操作后保留下來的未損害完整細(xì)胞數(shù)量三 破碎率的評價 目前N0和N主要通過下面的方法獲得 ：直接計數(shù)法 在血球計數(shù)板用顯微鏡觀察，直接對適當(dāng)稀釋后的樣品進(jìn)行計數(shù)間接計數(shù)法 間接計數(shù)法是在細(xì)胞破碎后，測定懸浮液中細(xì)胞釋放出來的化合物的量（例如可溶性蛋白、酶等）具體操作：將破碎后的細(xì)胞懸浮液離心分離掉固體（完整細(xì)胞和碎片），然后用Lowry法測量上清中的蛋白質(zhì)含量第二十六張，PPT共四十一頁，

18、創(chuàng)作于2022年6月高壓均漿和高速珠磨兩種機(jī)械破碎方法，處理量大，速度非?？?，目前在工業(yè)生長上應(yīng)用最廣泛。但在機(jī)械法破碎過程中，容易產(chǎn)生大量的熱量，使料液溫度升高，而易造成生化物質(zhì)的破壞，特別是在超聲波處理時，因此，超聲波振蕩法主要適用于實(shí)驗(yàn)室或小規(guī)模的細(xì)胞破碎 非機(jī)械法一般僅適用于小規(guī)模應(yīng)用滲透壓沖擊和凍結(jié)融解法都屬于較溫和的方法，但破碎作用較弱它們常與酶解法結(jié)合起來使用，提高破碎效果干燥法屬于較激烈的一種破碎方法，容易引起蛋白質(zhì)或其它組分變性四 各種破碎方法的評述第二十七張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月細(xì)胞破碎方法綜合比較第二十八張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十九

19、張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月處理量 規(guī)模及成本高壓勻漿和珠磨機(jī)處理量大，速度快，適用于工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)物對破碎條件（溫度、化學(xué)試劑、酶等）的敏感性以及產(chǎn) 物在細(xì)胞中的位置生化物質(zhì)的穩(wěn)定性細(xì)胞的數(shù)量和細(xì)胞壁的強(qiáng)度破碎效果和產(chǎn)物釋放率提取分離的難易 五 破碎方法的選擇依據(jù) 總之，適宜的細(xì)胞破碎條件應(yīng)該從高的產(chǎn)物釋放率、低的能耗和便于后續(xù)提取這三方面進(jìn)行權(quán)衡第三十張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月固液分離將發(fā)酵液（或培養(yǎng)液）中的懸浮固體，如細(xì)胞、菌體、細(xì)胞碎片以及蛋白質(zhì)等的沉淀物分離除去第三節(jié) 液固分離第三十一張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月料液流向平行于過濾介質(zhì)（過濾介質(zhì)

20、通常為微孔膜或超濾膜）（一） 常規(guī)過濾料液流動方向與過濾介質(zhì)（能使固液混合料液得以分離的某一介面）垂直（二） 錯流過濾一 過濾第三十二張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月錯流過濾的優(yōu)點(diǎn)過濾收率高由于過濾過程中，洗滌充分、合理，少量多次，故濾液稀釋量不大的情況下，獲得高達(dá)9798的收率濾液質(zhì)量好凡體積大于膜孔的固體，包括菌體、培養(yǎng)基、雜蛋白等均不能通過膜進(jìn)入濾液，大部分雜質(zhì)被排除掉，給后續(xù)分離及最終產(chǎn)品質(zhì)量均帶來好處減少處理步驟鼓式真空過濾器一般需預(yù)涂助濾劑，板框過濾則需清洗、拆裝，都費(fèi)時費(fèi)力，而錯流過濾只需在1820小時連續(xù)操作之后，用清水沿原管流洗46小時對染菌罐易于批處理，也容易擴(kuò)大

21、生產(chǎn)第三十三張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）過濾設(shè)備：板框過濾機(jī)特 點(diǎn)：板框壓濾機(jī)的過濾面積大，能耐受較高壓力差，對不同過濾特性的料液適應(yīng)性強(qiáng)，同時還具有結(jié)構(gòu)簡單，造價較低，動力消耗少等優(yōu)點(diǎn)。但這種設(shè)備不能連續(xù)操作，設(shè)備笨重，占地面積大，非生產(chǎn)的輔助時間長（包括解框、卸餅、洗濾布、重新壓緊板 框等）適用對象：廣泛應(yīng)用與培養(yǎng)基制備的過濾及霉菌、放線菌和酵母菌和細(xì)菌等多種發(fā)酵液的過濾第三十四張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（四）過濾介質(zhì)和助濾劑1 過濾介質(zhì)： 是指能使固液混合料液得以分離的某一介面，通常指濾布或膜過濾中所用的膜。如：濾布或膜 過濾介質(zhì)要求能耐酸堿、耐高溫、耐化學(xué)試劑、抗拉性能好，有一定的機(jī)械強(qiáng)度和孔隙度2 助濾劑： 要求為惰性物質(zhì)、無毒、有一定細(xì)毒及硬度，成本低廉 常用有助濾劑：硅藻土、紙漿、石棉、纖維素等工業(yè)生產(chǎn)中有時需加入某些固體物質(zhì)，以加速過濾速度，提高濾液質(zhì)量，這種能提高過濾速度的物質(zhì)稱為助濾劑第三十五張，PPT共四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 使用惰性助濾劑助濾劑的作用主要是增加濾渣結(jié)構(gòu)的疏松性，對雜質(zhì)的機(jī)械截留助濾劑的使用方法有三種（1）預(yù)鋪法：在過濾前先在過濾介質(zhì)表面預(yù)涂（鋪）一層助濾劑（2）混合法：助濾劑按一定比例均勻加入待過濾的料液中（3）生成法：在反應(yīng)過程中，產(chǎn)生大量無機(jī)鹽沉淀物，使