生物工业下游技术教案

1、精选文档湖北师范学院理论课教案院（系、所、部） 生 物 系教 研 室 生 物 技 术课 程 名 称 生物工程下游技术授 课 对 象 生 物 技 术 专业职 称 职 务 副 教 授2007年1月22日生物工程下游技术课程教学进度表班级名称0403主讲教师石鹤总学时讲授实验上机其它周学时学生人数45辅导教师开课学期20071开课系部生物系系部生物系专业名称生物技术48483周次学时数主要教学内容其它教学活动备注讲授实验上机其它14绪论209.03-09.0922下游技术的理论基础409.10-09.1634发酵液预处理309.17-09.2342微生物细胞破碎209.24-09.2954国庆放假1

2、0.01-10.0762萃取法810.08-10.1474沉淀法和吸附法310.15-10.2182膜分离过程410.22-10.2894液膜分离310.29-11.04102离子交换法611.05-11.11114色谱分离3期中考试11.12-11.18122酒精差压蒸馏技术211.19-11.25134结晶技术311.26-12.02142蒸发与干燥312.03-12.09154清洁生产导论212.10-12.1616212.17-12.2317412.24-12.3018212.31-01.0619201.07-01.132001.14-01.2021期末复习01.21-01.2722期

3、末考试01.28-02.03小计52教研室主任系主任填写日期06年9月8日授课章节第一章 绪 论学时2教学目标与要求1. 了解生物工业下游技术的工作领域2. 生物工业下游技术的一般工艺过程3. 生物工业下游技术的发展动态教学重点与难点1. 原料及产品特性2.下游技术的一般工艺过程教学方法讲授；多媒体教学主要教学内容Section 1: 生物工业下游技术的工作领域技术范畴生物工业下游技术的发展历程Section 2: 生物工业下游技术的一般工艺过程原料及产品特性下游技术的一船工艺过程Section 3: 生物工业下游技术的发展动态传统分离技术的提高和完善新技术的研究和开发清洁生产需掌握的专业词汇

4、Cell; Cell biology; Cell theory研究进展和参考资料韩贻仁分子细胞生物学第二版北京：科学出版社，2001汪堃仁，薛绍白，柳惠图细胞生物学第二版北京：北京师范大学出版社，1998课后复习题纵观cell biology发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？生物工业下游技术第一章 绪 论下游技术：对于由生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物源料，经提取分离、加工并精制目的成分，最终使其成为产品的技术，通常称为下游技术，也称为下游工程或下游加工过程。 很多工业生物技术产品，包括现代发酵工业产品，其

5、质量的优劣、成本的高低、竞争力的大小，往往与下游技术直接相关。第一节 生物工业下游技术的工作领域一、技术范畴 从“下游技术“的含义上来说，除“物质分离”外，还涉及到“产品加工”，目前人们理解的下游技术大多数属于“物质分离”范畴。v 分离是混合的逆过程。由热力学第二定律可知，混合过程是一个墒增加的过程，它是一个自发的过程。而它的逆过程分离过程，不能自发进行，需要作功才能实现，而且需要有专门的过程和设备。例如将酒精与水分开。v 与目的产物混合的杂质包括： 1.生物反应过程中的副产物； 2.未消耗完毕的原料； 3.生产过程中加入的化学试剂； 4.生产设备材料物质。二、生物工业下游技术的发展历程1古代

6、酿造业2第一代生物技术3第二代生物技术4第三代生物技术 (1)固液分离技术 (2)细胞破碎技术 (3)初步分离纯化技术 (4)高度分离纯化技术 (5)其他新型分离技术第二节 生物工业下游技术的一般工艺过程一、原料及产品特性1、杂质：粗原料中带入大量的不参与发酵过程的可溶性杂质和不溶性悬浮物，给下游过程的分离提取带来了不小的困难，增加了下游操作成本，包括发酵废液的处理成本。2、产品浓度很低：一些新兴生物技术产品，待处理物料中产品浓度很低，往往低于杂质含量，如L异亮氨酸为2.4，青霉素为3.6，每千克产品中核黄素仅含几克、胰岛素仅含几十毫克，而且对热、PH、有些甚至对光不稳定。3、易挥发和氧化：用

7、萃取技术提取有效成分(风味物质)时，如啤酒花需要先进行粉碎，般粉碎机的机械冲击点处温度高达300左右，风味物质极易挥发和氧化造成损失。4、小分子产品：因分子结构简单，性质相对稳定， 分离技术的可选范围较大。5、大分子产品：如酶蛋白，除具有一定氨基酸排列的一级结构外，还具有一定立体构象的二、三级结构，甚至于四级结构，才呈现出生物活性。为保持分离操作后 这些生物活性物质的功能，甚至过度增加剪切率的操作也是不适合的。6、产物为菌体细胞时：当发酵液进入旋转构件，以及菌体泥浆排出时存在的附加剪切力也会导致菌体死亡。7、产品的稳定性：生物活性物质的活性还易受温度、pH、金属离子、无机盐浓度、有机溶媒等环境

8、因素的影响。制约了下游技术的可选范围。8、产品安全性：当生物技术产品是食品或药物时，溶媒的使用受到一定的限制，应考虑它们在品质或气味上是否污染产物。萃取及色谱的分离介质甚至于膜分离技术 中膜材料的选择，有时也受到限制。二、下游技术的一船工艺过程某一具体产品的分离提取工艺与下列情况有关： (1)是胞内产物还是胞外产物； (2)原料中产物和主要杂质浓度； (3)产物和主要杂质的物理化学特性及差异； (4)产品用途和质量标准； (5)产品的市场价格； (6)废液的处理方法等。生物工业下游技术大致可分为4个阶段(1)预处理和固液分离： 固液分离以除去发酵液中的不溶性固形物杂质和菌体细胞。过滤和离心相比

9、，无论是投资费用还是运转费用，前者都要小得多，因而首选方法应是过滤。(2)提取(初步分离)： 目的是除去与产物性质差异较大的杂质，是目的产物要求有较大浓缩比的过程。(3)精制(高度纯化)： 目的是去除与产物的物理化学性质比较接近的杂质。通常采用色谱分离，结晶特别是重结晶。(4)成品制作： 成品形式与产品的最终用途有关，有液态产品也有固态产品，美观的产品形态也是产品档次的一个标志。第三节 生物工业下游技术的发展动态一、传统分离技术的提高和完善 蒸馏、蒸发、过滤、离心、结晶和离子交换等传统技术由于应用面广且相对成熟，对它们的提高和完善将会推动大范围的技术进步。二、新技术的研究和开发1新型分离介质的

10、研究开发膜、树脂和凝胶是目前主要的新型分离介质。2子代分离技术 各种分离纯化技术相互结合、交叉、渗透，形成子代分离技术。膜萃取技术；膜蒸馏及渗透蒸发技术；离子交换色谱等。3其他新兴下游技术 双水相萃取、超临界萃取、反胶团萃取。三、清洁生产清洁生产(Cleaner Production)：是指将综合预防的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中，以期减少对人类和环境的风险。v 它包括三方面内容，即清洁生产工艺(技术)、清洁产品、清洁能源。v 清洁生产工艺是生产全过程控制工艺，包括节约原材料和能源，淘汰有毒害的原材料，并在全部排放物和废物离开生产过程以前，尽最大可能减少它们的排放量和毒性，对必须排放

11、的污染物实行综合利用，使废物资源化。授课章节第二章 下游技术的理论基础学时2教学目标与要求1. 了解下游技术中的物理学过程2. 了解下游技术中的化学过程3. 了解下游技术中的生物学过程教学重点与难点1. 平衡论；2.传递现象；3.下游技术中的化学反应。教学方法讲授；多媒体教学主要教学内容Section 1: 下游技术中的物理学过程基础物性分类平衡论传递现象Section 2: 下游技术中的化学过程化学性分子识别下游技术中的化学反应Section 3: 下游技术中的生物学过程特异性相互作用亲和色谱需掌握的专业词汇Cell; Cell biology; Cell theory研究进展和参考资料韩贻

12、仁分子细胞生物学第二版北京：科学出版社，2001汪堃仁，薛绍白，柳惠图细胞生物学第二版北京：北京师范大学出版社，1998课后复习题纵观cell biology发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？第二章 下游技术的理论基础v 生物工业下游技术：尚无一个严格意义上的定义，本课程中所涉及的内容有许多在本质上属于物质分离的范畴。因此，本章及后续内容将会经常使用“分离”一词。 第一节 下游技术中的物理学过程 第二节 下游技术中的化学过程 第三节 下游技术中的生物学过程第一节 下游技术中的物理学过程一、基础物性 “分离”可利用各种物质固有性质的差异。物性差异越大，利用价值越大。二、分类

13、 以物理学过程为基础的分离操作，大致可分为以下三类：1平衡分离过程 建立在相平衡关系上的。利用相的组成差别进行混合物体系的分离。表21为平衡分离的代表性单元操作。2拟平衡(速度差)分离操作 在混合物体系本身所占有的空间之外加一个能引起物质分离的势能场，在它的作用下，形成分离场。如表22所示。3 非平衡分离操作 1、2以外均划归其中，利用物质移动速度差和广义的、基于“屏蔽效应”的分离操作。如表23所示。三、平衡论1相平衡基础 多组分混合物体系达到气液、液液、固液、气固二相平衡的条件是各相温度、压力相等，各相中各成分的逸度相等。 F=C一P十2 F自由度；C组分数；P相数。 2 气液平衡非理想溶液

14、： pi pi*ai= pi*ri xi ； 式中： pi* 纯组分i的饱和蒸气压； a i组分i的活度，而ai ri xi ； ri组分i的活度系数可由有关公式求得。 当ri 1时，即为理想溶液，则； pi pi* xi （即拉乌尔定律） 3溶解度(1)气体在液相中的溶解度： pi y i pH xi 式中： pi组分i的气相分压 p总压 H亨利常数 xi, ， y i 分别为组分i的液相和气相摩尔分数(2)固体在液相中的溶解度(ci) H T -In(ri ci) (1 - ) R Tm 式中 Tm固体熔点，详情可参考有关专著 R 摩尔气体常数 H 固体摩尔融解热焓4高压气体中的溶解度 超

15、过临界温度和临界压力的气体称为超临界气体，其特征是各种物质在超临界气体中的溶解度较大，而且在临界点附近溶解度变化很大，利用这个性质的萃取技术称为超临界萃取技术。5液液平衡 XA rB 分配系数K= = XB rA XA ,XB 溶质在A、B两相的平衡浓度。 rA、 rB 活度。6吸附平衡 物质从流体相(气、液)浓缩到固体表面从而达到分离的过程称为吸附过程。 气相： Qkp1/n 液相： Qkc1/n Q 吸附量(mol/kg吸附剂) k 吸附平衡常数 p 吸附质分压 c 吸附质浓度 n 大于1的常数。7固体吸收平衡 气体、液体成分移向固体的过程称为(固体)吸收。 P c= =Sp H C固体中

16、的溶质浓度 P气相溶质分压 H亨利常数 S溶解度系数 CDKp 全吸收量 C = CH+CD=Sp+ 1+Kp CH 亨利型吸收量 CD 吸附型吸收量 CD 最大吸附型吸收量(事实上为一常数） K 常数四、传递现象 平衡(包括拟平衡)操作中，分离体系在达到平拖之前，要经历一个非平衡过程。趋向平衡态的速度取决于体系内各组分的质量传递的阻力。严格地说，达到平衡态的时间要无限长。但从工业生产角度，达到适当平衡度即可。达到这个适当平衡度的速度越快，生产效率越高。 另一方面，对于利用组分传递速度差进行分离精制的非平衡(速度差)操作，一个产生速度差的组分传递阻力差的存在是不可缺少的。只要适当的分离场的状态

17、参数(全压、组成、温度、外部势能场等)保持不变，各组分间的物质相对传递速度差就保持不变。 因对流传递的阻力比扩散传递的阻力小得多，界面流体的境界膜厚度（膜内为扩散传递）要尽量薄。1传递通量 流体在分离场内的传递现象可用经典流体力学中动量(通量)传递、热量(通量)传递和质量t通量)传递规律(见表24)和作用于分离场的外加势能场来描述。 存在异相传递的情况下，物质在异相之间的境界膜中的扩散速度往往成为物质传递速度的限制性因素。 进一步分析可知，动量是朝着动量浓度降低的方向传递的；热(能)量是从高能量(温度)区向低能量区传递的；而组分A向浓度梯度下降的方向运动。2固相内的分子扩散 如浸取操作。由于固

18、体中存在大量的水分，溶质通过这些水溶液进行的扩散符合Fick定律。 对于溶质A的扩散通量，简化后为： dcA NA-DAB dH 式中： DAB A通过B的扩散系数(m2s)，通常为常数 H 距离 CA固体中的溶质浓度。3多孔体内的扩散运动 在具有连续空隙的多孔体(含粒子充填层)内，分子在这种细孔中的移动，可分为“细孔扩散”和“表面扩散”两种机理。(1)微孔内扩散： 设多孔体内的空隙为Z，有效扩散系数为De，则： D Z De= m d式中 D细孔空间的流体相中运动分子的扩散系数 m d 与扩散有关的细孔曲折系数(2)表面扩散： 细孔内物质运动的第二种形式是细孔内壁表面物理吸附的分子在保持被吸

19、附状态下进行的运动，称为表面扩散。 吸附相狭义吸附相+毛细管凝结相4粒子充填床层中的物质扩散 实体粒子充填床层内的扩散现象与多孔体内的情况基本相同。例外的情况是，当粒子充填层中的空隙比多孔体粒子内空隙大得多时，会引起流体透过方向上的返混。返混的规模与粒径大致成一定比例。 在多孔性粒子的充填层内，粒子间的一次空隙与粒子内的二次空隙构成二元结构细孔网络。在这种场合下，质量传递阻力应分别讲行考察。5膜内物质的质量传递 均质膜和多孔性膜中的质量传递机理不同。 均质膜持别是均质高分子膜内的质量传递是很复杂的，物质通过膜的传递速度是用膜两端的浓度差和膜内溶解分子的扩散系数来表达的。扩散系数与穿膜物质的种类

20、和浓度有关。 均质膜并非绝对 “均质 ”，也会有布朗运动和反混现象。 多孔性膜基本上与多孔体内质量传递相同。第二节 下游技术中的化学过程一、化学性分子识别 液液萃取：利用物质在溶剂中溶解度不同的分离。 如果在萃取溶剂中加入对原料中目标物质有特异性作用的成分(萃取剂、抽提剂)，能达到高选择性。1分子间相互作用 分子间的相互作用力除了众所周知的范德华力、氢键力等，近年来备受注目的分子间作用力是疏水性相互作用力。2 分子识别 酶和底物的专一性结合。钥匙和锁的关系。只有底物分子才能进入这个口袋。酶分子正是通过对底物的多点识别才显示出它高效、专一的底物识别功能。环状糊精也有一定的分子识别功能。 它是由6

21、8个葡萄糖环状结合而成的低聚糖筒状，内部具空洞结构。“皇冠醚” 皇冠醚有多种，均为大环状化合物。中心开孔，一些金属离子和氨基酸分子等正好能进入其中。泡沸石（无机吸附剂如） 具有细孔结构的氧化铝、硅石类陶瓷，孔径接近分子水平时，则可用做分子筛。二、下游技术中的化学反应选择性分离纯化： 如柠檬酸工业中常用钙盐沉淀，以便于与发酵液中残糖及其他可溶性杂质的分离。 利用草酸与Ca2+反应，生成不溶性钙盐可除去杂质Ca2+ 。ZnSO4和黄血盐用于除去杂氨基酸和杂蛋白。产品制造： 氨基酸或短肽能络合或螯合某些金属离子生产保健产品。补充人体缺乏又不易被人体吸收的钙、铁、锌等微量元素，山梨醇和木糖醇可以通过葡

22、萄糖和木糖经金属镍催化加氢工艺(高压)获得。第三节 下游技术中的生物学过程一、特异性相互作用(锁钥关系）（一）可逆性结合作用（除共价结合外） 1离子间的相互作用 2氢键结合 3硫水性相互作用 4对金属原子配伤 5弱共价键结合影响蛋白质立体构象的环境因素：(1)热： 热是影响蛋白质构象的最普通的因素。(2)温度： 温度的上升，使原子、分子的热运动更活泼，离子间的相互作用、氢键、金属原子配位作用等变弱。但疏水性的相互作用因温度上升而加强。(3)PH ： PH对离子问的作用影响很大，pH也对蛋白质侧短上的氨基酸残基的离解度影响很大。(4)静电性的环境变化： 如在溶液中加入在水中能离解为阳离子和阴离子

23、的强电解质(如食盐等无机盐)。溶液离子强度增加，离子间相互作用变弱，氢铰也受到同样影响。(5)试剂： 在试剂中，尿素、盐酸肌、十二烷基磺酸钠等会对蛋白质构象造成影响。二、亲和色谱 利用某些生物物质之间特异的亲和力进行选择性分离的色谱技术。授课章节第三章 发酵液预处理学时2教学目标与要求1. 掌握发酵液过滤特性的改变的方法2. 掌握发酵液的相对纯化的方法3. 掌握固液分离工程及设备教学重点与难点1. 凝聚与絮凝；2.离心和过滤分离。教学方法讲授；多媒体教学主要教学内容Section 1: 发酵液过滤特性的改变微生物发酵液的特性改善发酵液过滤特性的物理化学方法凝聚与絮凝Section 2: 发酵液

24、的相对纯化高价无机离子的除去杂蛋白质的除去Section 3: 固液分离工程及设备离心分离过滤分离需掌握的专业词汇Cell; Cell biology; Cell theory研究进展和参考资料韩贻仁分子细胞生物学第二版北京：科学出版社，2001汪堃仁，薛绍白，柳惠图细胞生物学第二版北京：北京师范大学出版社，1998课后复习题纵观cell biology发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？第三章 发酵液预处理发酵液成分：微生物菌体及残存的固体培养基外，还有未被微生物完全利用的糖类、无机盐、蛋白质，以及微生物的各种代谢产物。目的：分离菌体和其他悬浮颗粒，除去部分可溶性杂质和改

25、变滤液的性质，以利于提取和精制后继各工序的顺利进行。方法选择：对于胞外产物，经预处理应尽可能使目的产物转移到掖相，然后经固液分离除去固相；对于胞内产物，则应首先收集菌体或细胞，经细胞破碎后,目的产物进入液相，随后再将细胞碎片分离。第一节 发酵液过滤特性的改变微生物发酵液的特性可归纳为：发酵产物浓度较低，大多为1一10，悬浮掖中大部分是水；悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大；固体粒子可压缩性大；液相粘度大，大多为非牛顿型流体；性质不稳定，随时间变化，如易受空气氧化、微生物污染、蛋白酶水解等作用的影响。这些特性使得发酵液的过滤与分离相当困难。改善发酵液过滤特性的物理化学方法： 通过对发酵液进行适

26、当的预处理，即可改善其流体性能，降低滤饼比阻，提高过滤与分离的速率。一、降低液体粘度：加水稀释法和加热法二、调整pH：等电点沉淀法三、凝聚与絮凝四、加入助滤剂：助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，它能使滤饼疏松，滤速增大。如：硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等。五、加入反应剂：不影响目的产物，可消除发酵液中某些杂质对过滤的影响，提高过滤速率。凝聚与絮凝凝聚：指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层电排斥作用降低，电位下降，而使胶体体系不稳定的现象。凝聚值：使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度。反离子的价数越高，该值就越小，即凝聚能力越强。絮凝：指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使

27、胶粒形成较大絮凝团的过程。絮凝剂：是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分子质量可高达数万至一千万以上，它们具有长链状结构，其链节上含有许多活性官能团，包括带电荷的阴离子或阳离 子基团以及不带电荷的非离子型基团。 目前，最常用的絮凝剂是有机合成的聚丙烯酰胺。第二节 发酵液的相对纯化 发酵液中杂质很多，其中有些杂质不仅直接影响产品质量利收得率，同时对后继提取和精制有很大影响。一、高价无机离子的除去 发酵液中主要的无机离子有：Ca2+；Mg2+；Fe2+等。二、杂蛋白质的除去(1) 沉淀法：蛋白质是两性物质，在酸性溶液中，能与一些阴离子（三氯乙酸盐、水扬酸盐）形成沉淀；在碱性溶液中，能与一些阳离子（

28、Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe3+等）形成沉淀。(2) 变性法：使蛋白质变性的方法很多，如：加热，调节PH，有机溶剂，表面活性剂等。其中最常用的是加热法。(3) 吸附法：加入某些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白质而除去。第三节 固液分离工程及设备范围：培养基、发酵液、某些中间产品和半成品。其中发酵液由于种类多、粘度大和成分复杂，分离最为困难。方法：分离筛、重力沉降、浮选分离、离心分离和过滤等，其中用于发酵液固液分离的主要是离心分离和过滤分离。 一、离心分离 二、过滤分离一、离心分离原理：利用转鼓高速转动所产生的离心力来实现悬浮液、乳浊液的分离或浓缩。优点：分离速率快、分离效率高、液相澄清度好等。缺点

29、：设备投资高、能耗大。此外，连续排料时，固相干度不如过滤设备。种类：多，按其作用原理不同，可分为过滤式离心机和沉降式离心机两大类。 1碟片式离心机 2管式离心机3倾析式离心机二、过滤原理：悬浮液通过过滤介质时，固态颗粒与溶液分离。过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤两种。澄清过滤：所用的过滤介质为硅藻土、砂、颗粒活性炭、玻璃珠、塑料颗粒等，填充于过滤器内即构成过滤层；也有用烧结陶瓷、烧结金属、粘合塑料及用金属丝绕成的管于等组成的成型颗粒滤层。滤饼过滤：过滤介质为滤布，包括天然或合成纤维织布、金属织布，及毡、石棉扳、玻璃纤维纸、合成纤维等无纺布。滤饼过滤按推动力的不同可以分为四种，即重力过滤、加压过

30、滤、真空过滤和离心过滤。1板框过滤机2真空转鼓过滤机3硅藻土过滤机硅藻土：较纯二氧化硅矿石。化学性能稳定，具有极大的吸附和渗透能力，是良好的介质和助滤剂。使用方法：(1)作为深层过滤介质，以过滤含少量(01)悬浮固形物的液体。硅藻土不规则粒子间形成许多曲折的毛细孔道，藉筛分和吸附作用除去悬浮液中的固体粒子。(2)在支持介质(滤布)的表面上预涂硅藻土薄层(预涂层)，以保护支持介质的毛细孔道在较长时间内不被悬浮液中的固体粒子所堵塞，从而提高和稳定过滤速率。(3)将适当的硅藻土分散在待过滤的悬浮液中，使形成的滤饼具有多孔隙性，降低滤饼的可压缩性，以提高过滤速率和延长过滤操作的周期。用量：预涂，500

31、g/m2左右，2-4mm厚；加入， 01左右。三、其他固液分离方法 1切向流过滤：又称错流过滤、交叉过滤和十字流过滤，是一种维持恒压下高速过滤的技术。其操作特点是使悬浮液在过滤介质表面作切向流动，利用流动的剪切作用将过滤介质表面的固体(滤饼)移走，过滤速率就近似恒定。 (1)用泵循环使悬浮液流经过滤介质。 (2)在过滤介质表面加以搅拌造成流动，产生切向流。2双水相萃取3吸附法：优点在于设备简单、能耗低，主要的问题是很难选择合适的吸附剂，以保证目的产物不致于被吸附而损失。授课章节第四章 微生物细胞破碎学时2教学目标与要求1. 掌握微生物细胞壁的组成与结构2. 掌握微生物细胞壁的常用破碎方法3.

32、了解细胞壁破碎率的测定与破碎技术的研究方向教学重点与难点1. 细胞壁结构与细胞破碎；2.珠球法和酶溶法。教学方法讲授；多媒体教学主要教学内容Section 1: 细胞壁的组成与结构细菌细胞壁主要化学成分酵母细胞壁主要化学成分霉菌细胞壁主要化学成分Section 2: 细胞壁的常用破碎方法珠磨法高压匀浆法超声破碎法酶溶法化学渗透法Section 3: 破碎率的测定与破碎技术的研究方向破碎率的测定破碎技术的研究方向需掌握的专业词汇Cell; Cell biology; Cell theory研究进展和参考资料韩贻仁分子细胞生物学第二版北京：科学出版社，2001汪堃仁，薛绍白，柳惠图细胞生物学第二版

33、北京：北京师范大学出版社，1998课后复习题纵观cell biology发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？第四章 微生物细胞破碎 微生物代谢产物大多分泌到细胞外，如大多数小分子代谢物、细茵产生的碱性蛋白酶、霉菌产生的糖化酶等，称为胞外产物。但有些目的产物存在于细胞内部、如大多数酶蛋白、类脂和部分抗生素等，称为胞内产物。 许多基因工程产品都是胞内产物。分离提取胞内产物时，首先必须将细胞破碎，使产物得以释放，才能进一步提取。因此细胞破碎是提取胞内产物的关键步骤。第一节 细胞壁的组成与结构 细胞破碎的主要阻力来自于细胞壁，不同类型的微生物其细胞壁的结构特性是不同的。一、细菌细胞

34、壁主要化学成分：肽聚糖；主要阻力脓聚糖的网状结构。二、酵母茵细胞壁主要化学成分：葡聚糖(30一34)、甘露聚糖(30)、蛋白质(6一8)和脂类；主要阻力壁结构交联的紧密程度和它的厚度。三、霉茵细胞壁主要化学成分：几丁质和葡聚糖；主要阻力几丁质或纤维素的纤维状结构。细胞壁结构与细胞破碎：细胞个体小、球形、壁厚、聚合物交联程度高是最难破碎的。第二节 常用破碎方法 方法很多，按其是否使用外加作用力可分为机械法和非机械法两大类。机械法：有珠磨法、高压匀浆法、超声破碎法等。在机械破碎法中，由于稍耗的机械能转为热量会使温度上升，在大多数情况下要采用冷却措施，以防止生物产品受热破坏。非机械法：有酶溶法、化学

35、法、物理法和干燥法等，其中某些方法的应用受到限制。 目前人们仍在探寻新的细胞破碎方法。一、珠磨法二、高压匀浆法三、超声破碎法 超声破碎通常采用的超声破碎机在1525kHz的频率下操作。其破碎机理尚未完全清楚，可能与空化现象引起的冲击波和剪切作用有关。 超声破碎的效率与声频、声能、处理时间、细胞浓度及菌种类型等因素有关。对不同菌种的发酵液超声破碎的效果差别较大。一般地，杆菌比球菌较易破碎，革兰氏阴性细菌细胞比革兰氏阳性细菌细胞较易破碎，对酵母菌的效果较差。优点：操作简便，液量损失少，适合实验室规模。缺点：易引起温度的剧烈上升，在大规模操作中，声能传递和散热困难，产生的化学自由基团能使某些敏感性活

36、性物质失活。四、酶溶法 利用酶反应,分解破坏细胞壁上的特殊键，从而达到破壁的目的。1 外加酶法：常用的溶酶有溶菌酶、 -1 ， 3-葡聚糖酶、 -1，6-葡聚糖酶、蛋白酶、甘露糖酶、糖苷酶、肽键内切酶、壳多糖酶等，而细胞壁溶解酶是几种酶的复合物。其中溶菌酶主要用于细菌类，其他酶对酵母作用较显著。2自溶法：影响自溶过程的主要因素有温度、时间、pH、激活剂和细胞代谢途径等。微生物细胞的自溶法常采用加热法或干燥法。五、化学渗透法(1)表面活性物质：可促使细胞某些组分溶解，其增溶作用有助于细胞的破碎。(2)EDTA螯合剂： 革兰氏阴性菌的外层膜结构通常靠二价阳离子Ca2+或Mg2+结合脂多糖和蛋白质来

37、维持，一旦EDTA将Ca2+或Mg2+ 螯合，大量的脂多糖分子将脱落，使细胞壁外层膜出现洞穴。这些区域由内层膜的磷脂来填补，从而导致内层膜通透性的增强。(3)有机溶剂：能分解细胞壁中的类脂。(4)变性剂：变性剂与水中氢键作用，削弱溶质分子间的疏水作用，从而使疏水性化合物溶于水溶液。化学渗透法有如下优缺点：优点： (1)对产物释放具有一定选择性。 (2)细胞外形保持完整，碎片少，浆液粘度低，易于固液分离和进一步提取。缺点： (1)通用性差，某种试剂只能作用于某些特定类型的细胞。 (2)时间长，效率低，一般胞内物质释放率不超过50 。 (3)有些化学试剂有毒性，在其后的产物提取精制过程中需设法分离

38、除去。第三节 破碎率的测定与破碎技术的研究方向一、破碎率的测定 1直接测定法 2目的产物调定法 3导电串测定法二、破碎技术的研究方向 1多种破碎方法相结合 2与上游过程相结合 3与下游过程相结合授课章节第五章 萃取法学时2教学目标与要求1. 掌握溶剂萃取法2. 了解超临界流体萃取法3. 了解双水相萃取法4. 了解反胶团萃取法5. 掌握浸取法教学重点与难点1. 溶剂萃取方法的应用和操作；2.乳化与破乳化；3.超临界流体萃取理论；4.浸取速率。教学方法讲授；多媒体教学主要教学内容Section 1: 溶剂萃取法溶剂萃取过程的理论基础工业萃取方式和理论收得率乳化和去乳化Section 2: 超临界流

39、体萃取法超临界流体的苹取原理超临界CO2的溶剂特征SCC02萃取以及拖带剂的作用超临界流体萃取的热力学基础SCC02萃取流程及在生物、食品工业中的应用Section 3: 双水相萃取法双水相分离理论双水相萃取技术的应用Section 4: 反胶团萃取法反胶团的形成生理活性物质的分离农缩在分离工艺中的应用Section 5: 浸取法浸取过程的应用浸取速率需掌握的专业词汇Cell; Cell biology; Cell theory研究进展和参考资料韩贻仁分子细胞生物学第二版北京：科学出版社，2001汪堃仁，薛绍白，柳惠图细胞生物学第二版北京：北京师范大学出版社，1998课后复习题纵观cell b

40、iology发展简史，你认为该学科近百年来快速发展的主要原因是什么？第五章 萃取法萃取：指任意两相之间的传质过程。 第一节、溶剂萃取法 第二节、超临界流体萃取法 第三节、双水相萃取法 第四节、反胶团萃取法 第五节、浸取法第一节 溶剂萃取 溶剂萃取法是利用一种溶质组分(如产物)在两个互不相溶的液相(如水相和有机溶剂相)中竞争性溶解和分配性质上的差异来进行分离的操作。优点：比化学沉淀法分离程度高；比离子交换法选择性好、传质快；比蒸馏法能耗低。 另外它还有生产能力大、周期短、便于连续操作、容易实现自动化控制等优点。一、溶剂萃取过程的理论基础 1物质的溶解和相似相溶原理 从热力学角度考虑，一个过程要能

41、自动进行，体系的自由能应下降，自由能的变化包括焓变化和嫡变化两部分： 为了简单起见，忽略嫡的变化，井忽略压力和体积变化(一般溶解过程压力和体积的变化很小)，这样只要考虑体系能量的变化即可。溶解过程的三个能量变化过程(1)溶质B各质点的分离 ； 原先是固态或液态的溶质B先分离成分子或离子等单个质点。此过程需要吸收能量，这种能量的大小通常与分子之间的作用力有关，一般顺序为： 非极性物质极性物质氢键物质离子型物质 (2)溶剂A在溶质B的作用下形成可容纳B质点的空位；此过程也需要吸收能量，其大小与溶剂分子A之间的相互作用力有关，一般顺序与上述相同： 非极性物质极性物质氢键物质 该能量还与溶质分子B的大

42、小有关。(3)溶质质点B进入溶剂A形成的空位； 此过程放出能量，放出能量的大小有以下规律： A、B均为非极性分子一非极性分子、另一极性分子 均为极性分子B被A溶剂化“相似相溶”原理” 分子之间可以有两方面的相似：一是分子结构相似，如分子的组成、官能团、形态结构的相似；二是能量(相互作用力)相似，如相互作用力有极性的和非极性的之分，两种物质如相互作用力相近，则能互相溶解。与水“相似”的物质易溶于水，与油“相似”的物质易溶于油就是相似相溶原理的表现。2溶剂的互溶性规律 物质分子之间的作用力与物质种类有关，包括较强的氢键力和较弱的范德华力。氢键力与化合键能相比较弱，但比范德华力要强得多。按照生成氢键

43、的能力，可将溶剂分成四种类型。(1)N型溶剂 不能形成氢键，如烷烃、四氯化碳、苯等,称惰性溶剂。(2)A型溶剂 只有电子受体的溶剂，如氯仿、二氯甲烷等，能与电子供体形成氢键。(3)B型溶剂 只有电子供体的溶剂，如酮、醛、醚、酯等，萃取溶剂中的TBP(磷酸三丁酯)、叔胺等。(4)AB型溶剂 同时具备电子受体AH和供体B的溶剂,可缔合成多聚分 子，因氢键的结合形式不同又可分成三类： AB(1)型：交链氢键缔合溶剂，如水、多元醇、多元羧酸、多酚等。 AB(2)型：直链氢键缔合溶剂，如醇、胺、羧酸等 AB(3)型：生成内氢键分子，例如邻硝基苯酚等，这类溶剂中的电子受体AH因已形成内氢键而不再起作用。故

44、AB(3)型溶剂的氢键性质与N型或B型相似。3溶剂的极性 溶剂萃取的关键是萃取溶剂的选择，而选择的依据是“相似相溶”的原则。 “相似”有两个方面： 一是分子结构相似，这相对容易考察；另一个是分子间作用能相似，即分子问相互作用力相似。在生物工业上，对后一点考察较多的是分子极性。 介电常数是一个化合物摩尔极化程度的量度，如果已知介电常数，就能预测该化合物是极性的还是非极性的。物质的介电常数可通过测定该物质在电容器二极板间的静电容量C来决定。 根据萃取目标物质的介电常数，寻找极性相接近的溶剂作为萃取溶剂，也是溶剂选择的重要方法之一。一个良好溶剂要满足的要求：(1)有很大的萃取容量，即单位体积的萃取溶

45、剂能萃取大量的产物；(2)有良好的选择性，理想情况是只萃取产物而不萃取杂质；(3)与被萃取的液相互溶度要小，且粘度界面张力小或适中，有利于相的分散和两相分离；(4)溶剂的回收和再生容易；(5)化学稳定性好，不易分解，对设备腐蚀性小；(6)经济性好价廉易得；(7)安全性好，闪点高，对人体无毒性或毒性低。4分配定律和分离因数分配定律：在一定温度一定压力的条件下，溶质分配在两个互不相溶的溶剂中，达到平衡时溶质在两相中的活度之比为一常数。如果是稀溶液，活度可用浓度代替，则达到平衡时溶质在两相中的浓度之比为一常数。称之为分配系数K，即有应用条件：(1)稀溶液；(2)溶质对溶剂之互溶度没有影响； (3)必

46、须是同一种分子类型，即不发生缔合或离解。分离因数() 萃取剂对溶质A和B分离能力的大小可用分离因数()来表征： 若原来料液中除溶质A以外，还含有溶质B，则由于A、B的分配系数不同，萃取相中A和B的相对含量就不同于萃余相中A和B的相对含量。如A的分配系数较B大，则萃取相中A的含量(浓度)较B多，这样A和B就得到了一定程度的分离。 越大，A、B的分离效果越好，即产物与杂质越容易分离。 5水相条件的影响 发酵液中存在与产物性质相近的杂质、未完全利用的底物、无机盐、供微生物生长代谢的其他营养成分等。必须考虑这些物质对萃取过程的影响。(1)pH值 直接影响表观分配系数。对选择性有影响。pH值还应尽量选择

47、在使产物稳定的范围内。(2)温度 温度会影响生化物质的稳定性，所以一般在室温或低温下进行。影响分配系数K 。(3)盐析 硫酸铵、氯化钠等可降低产物在水中的溶解度，有机溶剂在水相中的溶解度。但过多可能促使杂质一起转入溶剂相，必要时要考虑回收。(4)带溶剂 能和产物形成复合物，使产物更易溶于有机溶剂相中，提高分配系数。复合物又要容易分解。二、工业萃取方式和理论收得率 工业上萃取操作通常包括三个步骤： (1)混合 (2)分离 (3)溶剂回收 1单级萃取萃取操作理论收得率的计算须符合以下两个假定： (1)萃取相和萃余相很快达到平衡，即每一级都是理论级；(2)两相完全不互溶，在分离器中能完全分离。 理论

48、收得率E为： 1XE(E+1)2多级萃取 （1）多级错流萃取，特点：溶剂消耗量大，萃取液产物平均浓度较稀，但萃取较完全。 （2）多级逆流萃取，特点：萃取剂消耗少，萃取液产物平均浓度高，产物收率最高。三、乳化和去乳化1乳化 乳化是一种液体(分散相)分散在另一种不相混溶的液体(连续相)中的现象。害处：乳化产生后会使有机溶剂相和水相分层困难，发酵液废液中夹带有机溶剂微滴和溶剂相中央带发酵液的微滴，前者意味着发酵单位的损失；后者会给以后的精制造成困难。原因：表面活性剂的存在。蛋白质是引起乳化的最重要的表面活性物质。 2破乳化 由蛋白质引起的乳化多为O/ W型，其粒径在2530微米之间。亲水基团强度大于亲油基团。破乳方