九章生物物质分离与纯化-ppt课件

1、9.1概述概述生物物质分别生物物质分别Bioseparation)是生物化工的一个重要的组是生物化工的一个重要的组成部分，常称之为下游过程成部分，常称之为下游过程Downstream processing。其与上中游同样重要，在某种程度上，甚至大于它们。前者处其与上中游同样重要，在某种程度上，甚至大于它们。前者处理丰产问题，而下游分别过程处理丰收问题。理丰产问题，而下游分别过程处理丰收问题。生物物质的分别区别于其它物质的分别在于生物物质的分别区别于其它物质的分别在于A: 目的产物浓度很低。因此耗能、费用增高和产物的价钱也目的产物浓度很低。因此耗能、费用增高和产物的价钱也相应的添加。相应的添加。

2、B: 生物物质易受环境要素如温度、生物物质易受环境要素如温度、pH、金属离子和微生物等、金属离子和微生物等的影响，添加了分别的难度。的影响，添加了分别的难度。C: 对终产品的质量要求极高。特别是医药产品或作为生物制对终产品的质量要求极高。特别是医药产品或作为生物制剂的产品。剂的产品。因此它是一项非常艰巨和耗资宏大的任务。对于传统发酵工业因此它是一项非常艰巨和耗资宏大的任务。对于传统发酵工业来说，如抗生素、乙醇、柠檬酸等消费来说，如抗生素、乙醇、柠檬酸等消费), 分别和提纯部分别和提纯部分费用占总投资的分费用占总投资的60%，而对基因工程菌的发酵占到，而对基因工程菌的发酵占到90%，对其下功夫研

3、讨和设计是一项非常重要和有意义的，对其下功夫研讨和设计是一项非常重要和有意义的任务。任务。表表 9-1 9-1 几种典型产品发酵液的浓度几种典型产品发酵液的浓度发酵液发酵液细胞分别细胞分别提取、分别提取、分别纯化、精制纯化、精制产物产物胞外产物胞外产物胞内产物胞内产物离心或过滤离心或过滤细胞破碎细胞破碎整体细胞萃取整体细胞萃取离心或过滤离心或过滤离心或过滤离心或过滤枯燥枯燥含产物的清液含产物的清液废物废物离心或过滤离心或过滤枯燥枯燥产物产物主要离心设备主要离心设备Disc-CentrifugesSolids-retainingcentrifugeNozzle with pressurizedd

4、ischarge of concentrateNozzle with peripheralnozzlesPeriodicallysolids-ejectingcentrifugePeriodicallysolids-ejectingcentrifuge withaxial channelsCentrifuges三、细胞破碎三、细胞破碎破碎方法破碎方法机械方法机械方法非机械方法非机械方法固体剪切力固体剪切力流体剪切力流体剪切力枯燥处置枯燥处置溶胞处置溶胞处置球球磨磨法法压压榨榨法法高高压压匀匀浆浆超超声声法法酶酶溶溶法法化化学学法法物物理理法法压力破碎法：利用压力释放时的固液剪切进展破碎。操作简

5、单，可延续操作，压力破碎法：利用压力释放时的固液剪切进展破碎。操作简单，可延续操作，适用面广，但操作会产生热，需有冷却系统，同时破碎率低。适用面广，但操作会产生热，需有冷却系统，同时破碎率低。珠磨破碎法：利用固体的剪切进展破碎。操作简单，可延续珠磨破碎法：利用固体的剪切进展破碎。操作简单，可延续/批式操作，适批式操作，适用面广，但操作会产生热，需有冷却系统，不同细胞的破碎条件差别大。用面广，但操作会产生热，需有冷却系统，不同细胞的破碎条件差别大。超声破碎法：利用超声波构成空穴产生压力冲击进展破碎。操作简单，可延超声破碎法：利用超声波构成空穴产生压力冲击进展破碎。操作简单，可延续续/批式操作，但

6、操作会产生热，需有冷却系统，破碎率低，顺应性差。批式操作，但操作会产生热，需有冷却系统，破碎率低，顺应性差。浸透压法：利用浸透压的突变，呵斥细胞内压力差而引起细胞的破碎。破碎浸透压法：利用浸透压的突变，呵斥细胞内压力差而引起细胞的破碎。破碎率低，产物释放较好，操作复杂，条件要求苛刻，适用于少量样品的处置，率低，产物释放较好，操作复杂，条件要求苛刻，适用于少量样品的处置，费用高。费用高。有机溶剂法：利用有机溶剂或外表活性剂改动细胞壁有机溶剂法：利用有机溶剂或外表活性剂改动细胞壁/膜的通透性，使包内膜的通透性，使包内产物释放的方法。该法简单，内含物释放少，产物较纯，可规模化消费，但产物释放的方法。

7、该法简单，内含物释放少，产物较纯，可规模化消费，但适用面窄。适用面窄。碱或酶处置法：利用碱或酶的处置是细胞壁或膜破坏，产物得以释放。该法碱或酶处置法：利用碱或酶的处置是细胞壁或膜破坏，产物得以释放。该法简单，可规模化消费，但适用面窄。简单，可规模化消费，但适用面窄。选择破碎法的根据：选择破碎法的根据：细胞的处置量：细胞的处置量： 大规模，那么普通采用机械法，而实验室规模的，那么选择非机械大规模，那么普通采用机械法，而实验室规模的，那么选择非机械法。法。细胞壁的强度和构造：细胞壁的强度和构造：酵母和真菌，含有纤维素和几丁质，比细菌的胞壁强度大，应选择酵母和真菌，含有纤维素和几丁质，比细菌的胞壁强

8、度大，应选择高压匀浆法。而对于有高度分之的微生物，会阻塞匀浆气阀而不能高压匀浆法。而对于有高度分之的微生物，会阻塞匀浆气阀而不能运用。运用。目的产物对破碎条件的敏感性：目的产物对破碎条件的敏感性：破碎程度：由于破碎会使细胞碎片细小，使固液分别困难，破碎程度：由于破碎会使细胞碎片细小，使固液分别困难，所以，适宜的操作条件是高的产物释放率，低能耗和便于后续提取所以，适宜的操作条件是高的产物释放率，低能耗和便于后续提取三个方面权衡。三个方面权衡。四、分别和纯化四、分别和纯化主要义务是提高溶液中的产品的浓度，同时也取出一些杂质。传统主要义务是提高溶液中的产品的浓度，同时也取出一些杂质。传统的方法包括沉

9、淀法、吸附法、离子交换、萃取法，另外，含有超滤、的方法包括沉淀法、吸附法、离子交换、萃取法，另外，含有超滤、反浸透，电渗析、凝胶电泳等，常用的为蒸发、萃取和吸附。反浸透，电渗析、凝胶电泳等，常用的为蒸发、萃取和吸附。1. 液体蒸发：又称浓缩，经过加热是溶液中的部分水汽化并出去，液体蒸发：又称浓缩，经过加热是溶液中的部分水汽化并出去，以提高溶液的浓度。蒸发的继续进展必需满足而个条件：其一，保以提高溶液的浓度。蒸发的继续进展必需满足而个条件：其一，保证延续的提供不断汽化所需的热量，同时不断的移去二次蒸汽。证延续的提供不断汽化所需的热量，同时不断的移去二次蒸汽。2. 液液-液萃取：是一种常用的方法。

10、运用于抗生素、有机酸、维生液萃取：是一种常用的方法。运用于抗生素、有机酸、维生素、激素等发酵产物的分别和提取。特别是近素、激素等发酵产物的分别和提取。特别是近20年，与其它的技术年，与其它的技术性结合产生了新的分别技术，用于提取酶、蛋白质、核酸、多肽和性结合产生了新的分别技术，用于提取酶、蛋白质、核酸、多肽和氨基酸。氨基酸。 如：反胶囊萃取如：反胶囊萃取reversed micelle extraction), 超临超临界萃取界萃取supercritical fluid extraction )和液膜萃取和液膜萃取liquid membrane extraction)等适宜等适宜DNA重组技术

11、和遗传工程的开展重组技术和遗传工程的开展溶质在二个互不相容的溶剂的分配系数不同，溶质在二个互不相容的溶剂的分配系数不同，所呵斥的溶质的转移。所呵斥的溶质的转移。混合器和廓清器混合器和廓清器3. 双水相萃取；双水相萃取； 二种互不溶的聚合物，这两种的聚合物中的含水率很二种互不溶的聚合物，这两种的聚合物中的含水率很高，普通在高，普通在70-90%，这样就可以防止在有机相中的变性，同时这些，这样就可以防止在有机相中的变性，同时这些高聚物含有维护和稳定蛋白质等生物活性物质的作用。高聚物含有维护和稳定蛋白质等生物活性物质的作用。4. 反胶团萃取；反胶团萃取； 在有机相中参与一定量的外表活性剂，构成大小为

12、毫在有机相中参与一定量的外表活性剂，构成大小为毫微米级的微胶团。当此有机相与含有目的产物的水相构成液微米级的微胶团。当此有机相与含有目的产物的水相构成液-液萃取时，液萃取时，由于微胶团中的外表活性剂带有与水相中的蛋白质相反的电荷，而将由于微胶团中的外表活性剂带有与水相中的蛋白质相反的电荷，而将水相中的蛋白质迁移入微团内水池中，实现物质的提取。水相中的蛋白质迁移入微团内水池中，实现物质的提取。5. 超临界萃取；超临界萃取； 同样为溶剂萃取。而此方法运用的溶剂是在超临界形同样为溶剂萃取。而此方法运用的溶剂是在超临界形状下的液态气体，常用的为状下的液态气体，常用的为CO2, 它具有液体的密度和气体的

13、高分散性，它具有液体的密度和气体的高分散性，产品分别容易等特点。遭到广泛的关注。产品分别容易等特点。遭到广泛的关注。6; 固体吸附：固体吸附：是物质从液相发酵液到固相吸附剂发生物质的转移。此法是物质从液相发酵液到固相吸附剂发生物质的转移。此法用于蛋白质、核酸、氨基酸、抗生素等物质的分别和提取。用于蛋白质、核酸、氨基酸、抗生素等物质的分别和提取。按照吸附剂的作用原理：分为三大类。按照吸附剂的作用原理：分为三大类。A物理吸附：物理吸附：依托范德华力的作用。吸附剂可用活性炭、硅藻土、硅胶、分子筛依托范德华力的作用。吸附剂可用活性炭、硅藻土、硅胶、分子筛和氧化铝等。和氧化铝等。B静电吸附：静电吸附：借

14、助静电引力吸附物质。主要为合成的树脂。借助静电引力吸附物质。主要为合成的树脂。C: 亲和吸附：亲和吸附：在树脂上嫁接一个能与要分别的物质发生特异性反响的配基。在树脂上嫁接一个能与要分别的物质发生特异性反响的配基。五、提纯五、提纯1，层析法，层析法Elution Chromatography) 又称洗脱法又称洗脱法/色谱法。他们与吸色谱法。他们与吸附法本质上是一样的。但在操作过程不同。呵斥了结果不同。附法本质上是一样的。但在操作过程不同。呵斥了结果不同。吸附法吸附和洗脱延续进展，搜集洗脱液也为一次性、不分段。因此，只吸附法吸附和洗脱延续进展，搜集洗脱液也为一次性、不分段。因此，只需浓缩而无分别。

15、需浓缩而无分别。层析法那么是吸附和洗脱同时进展，分段搜集洗脱液，因此分别和浓缩同层析法那么是吸附和洗脱同时进展，分段搜集洗脱液，因此分别和浓缩同时完成。时完成。层析法又分为离子交换层析、凝胶过滤层析和亲和层析层析法又分为离子交换层析、凝胶过滤层析和亲和层析2：沉淀法：沉淀法适宜大规模消费，经过采取不同的手段使发酵液中目的适宜大规模消费，经过采取不同的手段使发酵液中目的物质溶解度降低，使之发生沉淀，到达分别提纯的目的。物质溶解度降低，使之发生沉淀，到达分别提纯的目的。常用等电点沉淀法、盐析法、加热沉淀法、有机溶剂沉常用等电点沉淀法、盐析法、加热沉淀法、有机溶剂沉淀法等淀法等3. 超滤法超滤法是一种半透膜，使溶液中的溶剂和小分子物质经过，而是一种半透膜，使溶液中的溶剂和小分子物质经过，而阻止截流大分子物质的方法。阻止截流大分子物质的方法。超滤区别于常规过滤主要采用了错流手段消除浓差极化超滤区别于常规过滤