生物分離預(yù)處理與破碎

生物分離預(yù)處理與破碎第1頁/共68頁目的與要求掌握萃取分離、膜分離、色譜分離、親和分離等的基本原理及其特點。能在實際工作中掌握幾種分離技術(shù)的工藝過程及熟悉相關(guān)設(shè)備。能在生物產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化研究及工藝設(shè)計中合理應(yīng)用相應(yīng)分離技術(shù)。第2頁/共68頁教材及參考資料孫彥.生物分離工程.化學(xué)工業(yè)出版社，2001嚴(yán)?？?生化分離工程.化學(xué)工業(yè)出版社，2001劉國詮.生物工程下游技術(shù)（第二版）.化學(xué)工業(yè)出版社，2003毛忠貴.生物工業(yè)下游技術(shù).中國輕工業(yè)出版社，1999歐陽平凱、胡永紅.生物分離原理與技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版社，1999。劉茉娥.膜分離技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，2000張鏡澄.超臨界流體萃取.化學(xué)工業(yè)出版社，2000第3頁/共68頁國內(nèi)雜志膜科學(xué)與技術(shù)化工進(jìn)展生物工程學(xué)報現(xiàn)代化工化工學(xué)報高?；瘜W(xué)工程學(xué)報化學(xué)工程離子交換與吸附化學(xué)工業(yè)與工程第4頁/共68頁SCI雜志BIOTECHNOLBIOENG

/jpages/0006-3592JSEPSCI

/jpages/1615-9306JCHEMTECHNOLBIOT

/jpages/0268-2575

第5頁/共68頁JCHROMATOGA

/locate/chromaJMEMBRANESCI

/locate/memsciJSUPERCRITFLUID

/locate/supfluENZYMEMICROBTECH /locate/enzmictec第6頁/共68頁CHEMENGSCI

/locate/cesSEPPURIFTECHNOL

/locate/seppurBIOCHEMENGJ

/locate/bejDESALINATION

/locate/desal第7頁/共68頁SEPARPURIFMETHOD

/servlet/product/productid/SPMSEPARSCITECHNOL

/servlet/product/productid/SSBIOSEPARATION/issn/0923-179X/contents第8頁/共68頁1.緒論1.1生化分離工程的研究對象1.2生化分離工程的重要性1.3生化分離工程的特點1.4生化分離工程的一般工藝過程1.5生化分離工程的發(fā)展動態(tài)第9頁/共68頁1.1

生化分離工程的研究對象

定義對于由生物界自然產(chǎn)生的或由微生物菌體發(fā)酵的、動植物細(xì)胞組織培養(yǎng)的、酶反應(yīng)等各種生物工業(yè)生產(chǎn)過程獲得的生物原料，經(jīng)提取分離、加工并精制目的成分，最終使其成為產(chǎn)品的技術(shù)。第10頁/共68頁1.2生化分離工程的重要性

生物技術(shù)產(chǎn)品一般存在于一個復(fù)雜的多相體系中。唯有經(jīng)過分離和純化等下游加工過程，才能制得符合使用要求的產(chǎn)品。因此產(chǎn)品的分離純化是生物技術(shù)工業(yè)化的必需手段。第11頁/共68頁在生物產(chǎn)品的開發(fā)研究中，分離過程的費用占全部研究費用的50％以上；在產(chǎn)品的成本構(gòu)成中，分離與純化部分占總成本的40～80％；精細(xì)、藥用產(chǎn)品的比例更高達(dá)70～90％。顯然開發(fā)新的分離和純化工藝是提高經(jīng)濟(jì)效益或減少投資的重要途徑。生化分離是生物技術(shù)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的必經(jīng)之路，故而越來越受到人們的重視。第12頁/共68頁1.3生物技術(shù)下游加工過程的特點生物技術(shù)產(chǎn)品以粗料發(fā)酵為主，粗原料增加了下游操作成本，包括發(fā)酵廢液的處理成本，其中清液（精料）發(fā)酵將是一個方向。目前發(fā)酵或培養(yǎng)大多是分批操作，各批發(fā)酵液產(chǎn)物濃度和其他物性會出現(xiàn)差異，實際生產(chǎn)中也會出現(xiàn)染菌的發(fā)酵液，因而需要技術(shù)的適應(yīng)面寬，操作彈性大。第13頁/共68頁生物活性物質(zhì)產(chǎn)品的穩(wěn)定性制約了下游技術(shù)的可選范圍。發(fā)酵液放罐后，應(yīng)及時快速操作：菌體也可能自溶容易被雜菌污染引起產(chǎn)物的破壞和降解，如原料液中常存在降解目標(biāo)產(chǎn)物的雜質(zhì)，如可水解目標(biāo)蛋白質(zhì)的蛋白酶。因此要求采用快速的分離純化方法除去影響目標(biāo)產(chǎn)物穩(wěn)定性的雜質(zhì)。第14頁/共68頁原料液中目標(biāo)產(chǎn)物的濃度一般都很低。如L-異亮氨酸為2.4％，青霉素為3.6％，慶大霉素為0.2％，胰島素僅為0.001％。

原料液中常存在與目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)極其相似的分子及異構(gòu)體。當(dāng)生物技術(shù)產(chǎn)品是食品或藥物時，溶劑的使用受到一定的限制，萃取、色譜、膜分離會受到一定的限制。第15頁/共68頁typicalproductsfromfermentation第16頁/共68頁第17頁/共68頁生物工程的主要特點是生物制品多種多樣，產(chǎn)品的多樣性導(dǎo)致分離方法的多樣性第18頁/共68頁typesofmoleculesmanufacturedbyfermentation第19頁/共68頁絕大多數(shù)生物分離方法來源于化學(xué)品的分離方法，大約80%的化工分離方法可應(yīng)用于生物分離技術(shù)中。第20頁/共68頁生物分離與化學(xué)分離方法的比較

第21頁/共68頁生物分離一般比化工分離難度大

成分復(fù)雜固體成分包括完整有機體、培養(yǎng)基及底物中的不溶物液體成分包括底物可溶物、代謝中產(chǎn)物及目標(biāo)產(chǎn)物

第22頁/共68頁生物產(chǎn)品要求高質(zhì)量：*purity（純度）*sanitation（衛(wèi)生）*biologicalactivity（生物活性）第23頁/共68頁設(shè)計中應(yīng)考慮下列問題產(chǎn)品價值產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)物在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的位置雜質(zhì)在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的位置主要雜質(zhì)獨特的物化性質(zhì)是什么？不同分離方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較第24頁/共68頁1.4生化分離工程工藝過程某一具體產(chǎn)品的分離提取工藝還與下列情況有關(guān)：①產(chǎn)物本身的性質(zhì)；②是胞內(nèi)產(chǎn)物還是胞外產(chǎn)物；③原料中產(chǎn)物和主要雜質(zhì)濃度；④產(chǎn)物和主要雜質(zhì)的理化特性及差異；⑤產(chǎn)品用途和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；⑥產(chǎn)品的市場價格；⑦廢液的處理方法等。第25頁/共68頁可分為4個階段，即預(yù)處理、提取、精制、成品制作。預(yù)處理→細(xì)胞分離→細(xì)胞破壁→碎片分離→提取→精制→成品制作加熱過濾勻漿法離心沉淀(重)結(jié)晶濃縮調(diào)pH離心研磨法雙水相吸附離子交換干燥絮凝膜分離酶解法膜分離萃取色譜分離無菌過濾超濾

圖1-1生化分離工程一般工藝過程

第26頁/共68頁

A.不溶物的去除*filtration（過濾）*centrifugation（離心）*celldisruption（細(xì)胞破碎）產(chǎn)物濃度和質(zhì)量得到了提高第27頁/共68頁B.產(chǎn)物分離離子交換萃取

a.solventextraction（溶劑萃取）

b.reversedmicelleextraction（反微團(tuán)萃?。?/p>

c.supercriticalfluidextraction（超臨界流體萃取）

d.two-aqueousphaseextraction（雙水相萃?。┎痪邆涮禺愋?，只是進(jìn)行初分，可提高產(chǎn)物濃度和質(zhì)量第28頁/共68頁C.產(chǎn)品的純化*chromatography（色譜）*electrophoresis（電泳）以上技術(shù)具有產(chǎn)物的高選擇性和雜質(zhì)的去除性第29頁/共68頁D.產(chǎn)品的精制*crystallization（結(jié)晶）*drying（干燥）第30頁/共68頁一般情況下，原料中產(chǎn)品濃度越低，下游技術(shù)的成本越高。下游技術(shù)的步驟越多，總收率也越低：

(90％)6

＝53.1％

(95％)6

＝

73.5％。重復(fù)提取是提高總收率的一個有效方法。如谷氨酸一步等電點結(jié)晶，結(jié)晶母液如再經(jīng)過一次離子交換提取：

75％＋（1－75％）×65％＝

91.25％。第31頁/共68頁1.5生化分離工程的發(fā)展動態(tài)傳統(tǒng)分離技術(shù)的提高和完善新技術(shù)的研究和開發(fā)下游工程與上游工程相結(jié)合改進(jìn)上游因素，簡化下游過程第32頁/共68頁傳統(tǒng)分離技術(shù)的提高和完善蒸餾、蒸發(fā)、過濾、離心、結(jié)晶和離子交換等傳統(tǒng)技術(shù)由于應(yīng)用面廣且相對成熟，對它們的提高和完善將會推動大范圍的技術(shù)進(jìn)步。各種新型高效的過濾機械和離心機械的問世，也從一個側(cè)面推動生物工業(yè)向更大規(guī)模方向發(fā)展。適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的傳統(tǒng)技術(shù)經(jīng)過改造提高后，適應(yīng)面會更寬，效率會更高。第33頁/共68頁新技術(shù)的研究和開發(fā)新型分離介質(zhì)的研究開發(fā)膜、樹脂和凝膠是主要的新型分離介質(zhì)。從半滲透膜開始，膜技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成一個龐大的膜家族。膜

離子交換膜過濾膜氣體分離膜液膜滲析膜新分離膜

微濾超濾反滲納米乳化支持滲透蒸膜萃膜蒸膜吸膜膜透膜濾膜液膜液膜發(fā)膜取餾收

圖1-2膜技術(shù)家族圖第34頁/共68頁色譜分離是有機化學(xué)和生物化學(xué)中大分子分離的一項十分重要的分離技術(shù)，屬精細(xì)分離。如瓊脂糖凝膠作為基質(zhì)，與各種配基結(jié)合后制成各種色譜分離介質(zhì)，開發(fā)出一大類各具特色的，對分離生物大分子十分有效的色譜分離技術(shù)。第35頁/共68頁子代分離技術(shù)各種分離純化技術(shù)相互結(jié)合、交叉、滲透，形成形成了所謂融合技術(shù)或子代分離技術(shù)。膜技術(shù)和萃取、蒸餾、蒸發(fā)技術(shù)相結(jié)合形成了膜萃取技術(shù)、膜蒸餾及滲透蒸發(fā)技術(shù)；膜分離過程與親和配基相結(jié)合，形成了親和膜分離過程；第36頁/共68頁其他新興下游技術(shù)菌體絮凝技術(shù)菌體細(xì)胞破碎超臨界CO2萃取反膠團(tuán)萃取液膜分離電泳分離第37頁/共68頁

下游工程與上游工程相結(jié)合發(fā)酵與分離耦合過程的研究這一新的技術(shù)思路在70年代首先用于厭氧發(fā)酵——乙醇發(fā)酵過程中，滲透蒸發(fā)，近年來逐步發(fā)展到用于好氧發(fā)酵過程中來。發(fā)酵-分離耦合過程的優(yōu)點是可以解除終產(chǎn)物的反饋抑制效應(yīng)，同時簡化產(chǎn)物提取過程，縮短生產(chǎn)周期。第38頁/共68頁

改進(jìn)上游因素，簡化下游過程培養(yǎng)基和發(fā)酵條件；代謝工程：一般以開發(fā)新物種和提高目的產(chǎn)物量為目標(biāo)，此外，還應(yīng)設(shè)法增加產(chǎn)物的胞外分泌量，減少非目的產(chǎn)物的分泌（如色素、毒素、降解酶及其他干擾性雜質(zhì)等）以及賦于菌種或產(chǎn)物以某種有益的性質(zhì)以改善產(chǎn)物的分離特性，從而簡化下游加工過程。第39頁/共68頁BeerWellStillageFermenterBeerStillScreensRotaryDryerSprayDryerDriedGrainsDriedSolublesNeutralSpiritsCondenserRectifyingColumnPurifyingColumnCondenserHeadsWater

Whiskey*Ethanolfromfermentation.第40頁/共68頁FermenterFilter石灰漿H(2)SO(4)FilterCaSO(4)SpentBeer菌絲體FilterEvaporatorCrystallizerCentrifugeDrierBulkStorageCarbon

*Citricacidmanufacture第41頁/共68頁黑曲霉檸檬酸+石灰漿Ca(OH)2=檸檬酸鈣檸檬酸鈣+H2SO4=檸檬酸+CaSO4第42頁/共68頁FermentationFiltrationAcidSolventExtractionBaseStrippingWastesolventAcidFreshsolventExtractionStrippingBaseSpentBeerCrystallizationDryingWaterWastesolventWastewaterBiomass

*Penicillinproduction.第43頁/共68頁產(chǎn)黃青霉青霉素為弱酸性物質(zhì)萃取法第44頁/共68頁第二章生物材料預(yù)處理和細(xì)胞破碎2.1固液分離的分類2.2發(fā)酵液的組成2.3培養(yǎng)液的基本特征2.4懸浮液的預(yù)處理預(yù)處理的目的預(yù)處理方法2.5常用過濾器第45頁/共68頁2.1固液分離的類型1、過濾(重力過濾器、壓濾器、真空過濾器)

2、離心

第46頁/共68頁2.2發(fā)酵液的組成懸浮液： 指固體顆粒在0.1m以上的固液分散體系。生物細(xì)胞培養(yǎng)液基本上也是懸浮液。培養(yǎng)液的組成：

水70-80%+

固體細(xì)胞及碎片20-30%(對微生物發(fā)酵)+

少量的代謝產(chǎn)物

+

細(xì)胞破裂后的內(nèi)容物+

殘存的培養(yǎng)基成分第47頁/共68頁2.3培養(yǎng)液的基本特征A、細(xì)胞成分及碎片大小不一，顆粒越小，分離成本增加。B、固液密度相近，黏度高：沉降和離心分離困難C、固體成分可壓縮可變形+高黏度：過濾困難，黏附在濾布，錯流過濾形成凝膠層D、動植物細(xì)胞抗剪切力差：錯流膜過濾和離心等不適第48頁/共68頁2.4發(fā)酵液的預(yù)處理

預(yù)處理的目的:改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)(黏度、顆粒、顆粒穩(wěn)定性等)，固液分離速度，分離器分離效率；目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移其中一相(多數(shù)為液相)；去雜質(zhì)

預(yù)處理方法加熱：最簡單和最廉價的處理方法。黏度、促凝聚、去蛋白(如鏈霉素）調(diào)pH值：方法簡單有效（如處理抗生素溶液）；第49頁/共68頁凝聚：在凝聚劑(如鋁鹽、鐵鹽)作用下,細(xì)胞蛋白質(zhì)等(準(zhǔn))膠體去穩(wěn)定，并聚集成1mm大小的凝聚塊的過程。第50頁/共68頁凝聚劑種類：A、無機鹽類，如明礬、AlCl3、FeCl3、ZnSO4、碳酸鎂等；B、無機堿，如Al(OH)3、Fe(OH)3、Ca(OH)2、CaO等；

機理：A、破壞雙電層，B、破壞膠粒的水化層第51頁/共68頁影響因素：無機鹽種類、化合價、用量Al3+＞Fe3+＞

H+

＞Ca2+

＞Mg2+

＞K+

＞Na+

＞Li+第52頁/共68頁絮凝

高分子絮凝劑的存在下，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53頁/共68頁天然：多糖類（殼聚糖及衍生物）海藻酸鈉、明膠、骨膠人工：聚丙烯酰胺類衍生物、聚苯乙烯類衍生物（毒性）、聚合鋁鹽、聚合鐵鹽第54頁/共68頁影響因素：絮凝劑種類、分子量、用量、pH、攪拌速度、時間

第55頁/共68頁去除雜蛋白的其他方法等電點沉淀（pH4-5.5）變性沉淀（加熱、改變pH、有機溶劑）加沉淀劑（三氯乙酸鹽、水楊酸鹽、鎢酸鹽、Ag+,Cu2+,Zn2+,Fe3+,Pb2+)吸附（四環(huán)素:加黃血鹽和硫酸鋅、枯草桿菌堿性蛋白酶:CaCl2加PO43-)第56頁/共68頁酶解法去除不溶性多糖

蛋白酶發(fā)酵液中加淀粉酶水解培養(yǎng)基中多余淀粉第57頁/共68頁高價金屬離子的去除Ca2+(草酸鈉、草酸)Mg2+（草酸、磷酸鹽）Fe3+（黃血鹽