【发酵工程】第十一章发酵产物的提取与精制.

1、下游加下游加工工上游加上游加工工2. 2. 原则：原则： 要求：要求： 发酵液发酵液细胞分离细胞分离提取、分离提取、分离纯化、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离心或过滤离心或过滤离心或过滤离心或过滤干燥干燥含产物含产物的清液的清液废物废物离心或过滤离心或过滤干燥干燥产物产物预预处处理理破破碎碎细细胞胞碎碎片片分分离离细细胞胞分分离离精精制制成成品品加加工工F发酵液提提取取 加热加热 沉降沉降 均化均化 离心分离离心分离 沉淀沉淀 层析层析 无菌过滤无菌过滤 调调pH 离心分离离心分离 研磨研磨 萃取萃取 吸附吸附 离子交换离子交换 浓缩

2、浓缩 絮凝絮凝 过滤过滤 溶胞溶胞 超滤超滤 萃取萃取 亲和亲和 超滤超滤 膜分离膜分离 双水相萃取双水相萃取 超滤超滤 憎水憎水 冷冻干燥冷冻干燥 吸附吸附 喷雾干燥喷雾干燥 电泳电泳 结晶结晶发发酵酵液液1 1）改变发酵液的）改变发酵液的物理性质物理性质，促进悬浮液中分离，促进悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离器的效率固形物的速度，提高固液分离器的效率。2 2）尽可能使产物转入便于后处理的某一相中）尽可能使产物转入便于后处理的某一相中（多数是液体）（多数是液体）。3 3）去除发酵液中部分杂质，以利后续各步操作。）去除发酵液中部分杂质，以利后续各步操作。 电解质将胶体粒子表面上的电解质将

3、胶体粒子表面上的，减少，减少存在于胶体粒子间的静电斥力，存在于胶体粒子间的静电斥力，这样，这样胶体就会凝聚成较大、较密实的粒子。胶体就会凝聚成较大、较密实的粒子。1）凝聚）凝聚 AlAl2 2(SO(SO4 4) )3 3.18H.18H2 2O O、AlClAlCl3 3.6H.6H2 2O O、FeClFeCl3 3、ZnSOZnSO4 4、MgClMgCl2 2在稀溶液中加入在稀溶液中加入以促进凝聚。以促进凝聚。试剂包括酸、碱、简单电解质和合成的高分子电解质。试剂包括酸、碱、简单电解质和合成的高分子电解质。2）絮凝）絮凝n是一种能溶于水的高分子聚合物是一种能溶于水的高分子聚合物，其相对分

4、子质，其相对分子质量可高达数万至一千万以上量可高达数万至一千万以上. .n长链状结构，其链节上含有许多长链状结构，其链节上含有许多，包，包括带电荷的阴离子（如括带电荷的阴离子（如-COOH-COOH）或阳离子（如）或阳离子（如-NH-NH2 2）基团以及不带电荷的非离子型基团。）基团以及不带电荷的非离子型基团。+- -n有时候絮凝剂是有时候絮凝剂是的，主要通的，主要通过分子间引力或氢键作用产生过分子间引力或氢键作用产生，因此通常与无，因此通常与无机凝聚电解质搭配使用。机凝聚电解质搭配使用。n首先加入电解质，使悬浮粒子间的双电子层电位降低、首先加入电解质，使悬浮粒子间的双电子层电位降低、脱稳，凝

5、聚成微粒，然后再加入絮凝剂凝聚成较大的颗脱稳，凝聚成微粒，然后再加入絮凝剂凝聚成较大的颗粒。粒。 添加添加的盐类，生成的盐类，生成的沉淀；的沉淀； 生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有生成的沉淀能防止菌丝体粘结，使菌丝具有块状结构；块状结构； 沉淀本身可作为助滤剂，还能使胶状物和悬沉淀本身可作为助滤剂，还能使胶状物和悬浮物凝固。浮物凝固。 固固-液分离过程下游加工的重要环节，用于液分离过程下游加工的重要环节，用于发酵液的预处理和生物产品的纯化、精制等环节。发酵液的预处理和生物产品的纯化、精制等环节。收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相，收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相，或者是收集含生

6、化物质的液相，分离除去固体悬浮或者是收集含生化物质的液相，分离除去固体悬浮物，如细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质的沉淀物和物，如细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质的沉淀物和它们的絮凝体等。它们的絮凝体等。常用的方法有常用的方法有、。此外还有。此外还有、和和等方法。等方法。 制备性离心机制备性离心机分析性离心机：超速离心机分析性离心机：超速离心机普通离心机普通离心机高速冷冻离心机高速冷冻离心机超速离心机超速离心机实验型实验型离心机离心机工业型工业型离心机离心机过滤离心机过滤离心机 卧螺沉降离心机卧螺沉降离心机 碟式离心机碟式离心机管式离心机管式离心机依据青霉素酰化酶、碱性磷酸酯酶、青霉素酰化酶、碱性磷酸酯

7、酶、称为胞内产物。称为胞内产物。利用高压使细胞悬浮液通过针形阀，由于利用高压使细胞悬浮液通过针形阀，由于突然减压和高速冲击撞击环使细胞破碎。突然减压和高速冲击撞击环使细胞破碎。细胞破碎是由于细胞破碎是由于冰晶体在受压时的冰晶体在受压时的，包埋在冰中的细胞变形所引起的。主要用于实验包埋在冰中的细胞变形所引起的。主要用于实验室中。室中。适用的范围广、破碎率高、细胞碎片的粉碎适用的范围广、破碎率高、细胞碎片的粉碎程度低以及活性的保留率高。程度低以及活性的保留率高。对冷冻对冷冻- -融解融解的生化物质不适用。的生化物质不适用。 进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃小珠、进入珠磨机的细胞悬浮液与极细的玻璃

8、小珠、石英砂、氧化铝等研磨剂（直径小于石英砂、氧化铝等研磨剂（直径小于）一）一起快速搅拌或研磨，研磨剂、珠子与细胞之间起快速搅拌或研磨，研磨剂、珠子与细胞之间的互相剪切、碰撞，使细胞破碎，释放出内含的互相剪切、碰撞，使细胞破碎，释放出内含物。物。可连续操作可连续操作破碎中破碎中易易产生热量，需采用冷却措施。产生热量，需采用冷却措施。胶体磨胶体磨德国进口珠磨机德国进口珠磨机在超声波作用下液体发生在超声波作用下液体发生，空化，空化泡的急剧膨胀压缩和内向爆破产生泡的急剧膨胀压缩和内向爆破产生，将声能转化为机械能，形成将声能转化为机械能，形成，如，如果液体旋涡小于细胞尺寸，产生不同密度移动，果液体旋涡

9、小于细胞尺寸，产生不同密度移动，当细胞的动能超过细胞壁强度时，至使细胞破当细胞的动能超过细胞壁强度时，至使细胞破碎。碎。在超声过程中声波被溶液吸收产生在超声过程中声波被溶液吸收产生，不能及时将热量移出，细胞悬浮液的温度急剧升高，不能及时将热量移出，细胞悬浮液的温度急剧升高，导致酶和其它导致酶和其它。 在实验室中往往采取在实验室中往往采取的方法，即经短的方法，即经短时间破碎，冷却降温，再进行破碎，经多次反复达时间破碎，冷却降温，再进行破碎，经多次反复达到破碎目的。到破碎目的。 杆菌比球菌易破碎，革兰氏阴性菌细胞比杆菌比球菌易破碎，革兰氏阴性菌细胞比革兰氏阳性菌易破碎，酵母革兰氏阳性菌易破碎，酵母

10、菌菌效果较差。菌体浓效果较差。菌体浓度太高或介质黏度高，均不利于超声波破碎。度太高或介质黏度高，均不利于超声波破碎。 利用化学试剂改变利用化学试剂改变的结构或完的结构或完全破除细胞壁形成原生质体后，在全破除细胞壁形成原生质体后，在作用作用下使细胞膜破裂而释放胞内物质的方法。下使细胞膜破裂而释放胞内物质的方法。对产物的释出选择性好，细胞外形较完整、对产物的释出选择性好，细胞外形较完整、碎片少、核酸等胞内杂质释放少，便于后步分离碎片少、核酸等胞内杂质释放少，便于后步分离等优点，故使用较多。等优点，故使用较多。容易引起活性物质失活破坏；化学试剂的容易引起活性物质失活破坏；化学试剂的加入，常会给随后产

11、物的纯化带来困难，并影响加入，常会给随后产物的纯化带来困难，并影响最终产物纯度。最终产物纯度。 较温和的一种破碎方法，操作也简单。较温和的一种破碎方法，操作也简单。 仅对仅对或者细胞壁预先用酶处或者细胞壁预先用酶处理，或理，或细胞壁细胞壁合成受抑制而强度减弱时才是合适的。合成受抑制而强度减弱时才是合适的。细胞类型细胞类型变性剂变性剂清洁剂清洁剂有机溶剂有机溶剂酶酶抗生素抗生素生物试剂生物试剂螯合剂螯合剂革兰氏阴革兰氏阴性细菌性细菌* * * * * * *革兰氏阳革兰氏阳性细菌性细菌* * * *酵母菌酵母菌* * * * * * *植物细胞植物细胞* * * * *巨噬细胞巨噬细胞* * *

12、 * 表示适用表示适用常用的溶酶常用的溶酶细胞壁溶解酶是细胞壁溶解酶是几种酶的复合物几种酶的复合物 u酶溶法的缺点：酶溶法的缺点： 是一种特殊的酶溶方法，所需溶胞的酶是是一种特殊的酶溶方法，所需溶胞的酶是由微生物由微生物，而不需要外加其它的酶。，而不需要外加其它的酶。影响自溶过程的因素有温度、时间、影响自溶过程的因素有温度、时间、pHpH缓冲液浓缓冲液浓度、细胞代谢途径等。度、细胞代谢途径等。常用的浓缩技术：常用的浓缩技术：一、蒸发浓缩法一、蒸发浓缩法 二、冷冻浓缩法二、冷冻浓缩法是工业发酵中生物大分子和具有生理活是工业发酵中生物大分子和具有生理活性的发酵产品浓缩常用的一种有效方法。性的发酵产

13、品浓缩常用的一种有效方法。在冷冻时水分结成冰，盐类及发酵在冷冻时水分结成冰，盐类及发酵产品不进入冰内而留在冰外，浓缩时先将待浓缩的溶产品不进入冰内而留在冰外，浓缩时先将待浓缩的溶液冷冻使之变成固态，然后缓慢的融解，利用溶剂与液冷冻使之变成固态，然后缓慢的融解，利用溶剂与溶质熔点的差别而达到除去大部分溶剂的目的。如溶质熔点的差别而达到除去大部分溶剂的目的。如。三、三、 吸收浓缩法吸收浓缩法第六节第六节 膜分离技术膜分离技术三、膜分离技术特点三、膜分离技术特点四、膜的特性及分离原理四、膜的特性及分离原理 五、分离膜种类五、分离膜种类分离膜分离膜高分子膜高分子膜液体膜液体膜生物膜生物膜带电膜带电膜非

14、带电膜非带电膜阳离子膜阳离子膜阴离子膜阴离子膜过滤膜过滤膜精密过滤膜精密过滤膜超滤膜超滤膜反渗透膜反渗透膜纳米滤膜纳米滤膜六、膜分离的物理化学原理六、膜分离的物理化学原理七、七、 膜分离方法的分类膜分离方法的分类1 1、微滤、微滤2 2、超滤、超滤3 3、反渗透、反渗透八、膜的材料、结构和性能参数八、膜的材料、结构和性能参数1、膜的要求：、膜的要求： 种类：种类：2 2、制膜的材料、制膜的材料3 3、表征膜性能的参数、表征膜性能的参数九、九、 膜的污染与清洗膜的污染与清洗1 1、膜的污染、膜的污染2 2、膜的清洗、膜的清洗 十、过滤方式与装置十、过滤方式与装置。 十一、膜分离技术的应用：十一、

15、膜分离技术的应用：第七节第七节 沉淀分离技术沉淀分离技术、定义、定义二、作用二、作用优点：优点： 缺点：缺点：三、优缺点三、优缺点四、沉淀类型四、沉淀类型 1 1、盐析、盐析（1）原理：）原理：（2 2）优点：）优点： （3 3）盐析机制）盐析机制 log S=KSI n（4 4）溶解度与盐浓度的关系）溶解度与盐浓度的关系（5 5）影响盐析的因素）影响盐析的因素2 2、等电点沉淀、等电点沉淀 （1 1）原理：）原理：（2 2）优缺点）优缺点优点：优点：等电点操作时要注意：等电点操作时要注意： （3 3）应用）应用3 3、有机溶剂沉淀、有机溶剂沉淀（2）常用有机溶剂：）常用有机溶剂：（1 1）定

16、义：）定义：（3 3）机理：）机理：（4）优点：）优点：（5 5）缺点：）缺点：4 4、非离子型多聚物沉淀、非离子型多聚物沉淀（1 1）定义：）定义：（2 2）机制：）机制：（3 3）应用：）应用： （4 4）优点：）优点：第八节第八节 萃取分离技术萃取分离技术一、定义一、定义 二、应用二、应用 三、优点三、优点 四、类型四、类型1 1、 溶剂萃取溶剂萃取（2）几个相关的概念：）几个相关的概念： （3 3）萃取过程）萃取过程（4 4）萃取操作流程类型）萃取操作流程类型（5 5）溶剂的选择）溶剂的选择选择溶剂时还应注意：选择溶剂时还应注意：（6 6）水相条件的影响）水相条件的影响（7 7）乳化和

17、去乳化）乳化和去乳化定义：定义： 害处：害处： 乳化乳化原因：原因： 方法：方法： 去乳化去乳化定义：定义：（8 8）萃取的方式）萃取的方式又可分为又可分为 特点：特点：单级萃取：单级萃取： L L萃取液萃取液 2 2、双水相萃取法、双水相萃取法（1）定义：）定义：（2）双水相形成）双水相形成（3 3）影响双水相分配的因素）影响双水相分配的因素（4 4）双水相萃取的应用）双水相萃取的应用（5 5）两水相分离条件）两水相分离条件反相胶团萃取的优点：反相胶团萃取的优点：等温法：等温法：等压法：等压法：吸附法：吸附法：等温法等温法（T1=T2，P1P2） 等压法等压法（T1T2，P1=P2） 吸附法

18、（吸附法（T1=T2，P1=P2） 第九节第九节 吸附分离技术吸附分离技术一、定义一、定义 吸附吸附剂剂吸附吸附质质脱附：吸附的逆过程脱附：吸附的逆过程料液与吸料液与吸附剂混合附剂混合吸附质吸附质被吸附被吸附料液料液流出流出吸附质解吸附质解吸附吸附Step1Step2Step3Step4三、三、 吸附法的特点吸附法的特点四、四、 吸附法的优缺点吸附法的优缺点固体表面分子固体表面分子( (或原子或原子) )处于处于特殊的状态。固体内部分子特殊的状态。固体内部分子所受的力是对称的，故彼此所受的力是对称的，故彼此处于平衡。但在界面分子的处于平衡。但在界面分子的力场是不饱和的，即存在一力场是不饱和的，

19、即存在一种固体的表面力，它能从外种固体的表面力，它能从外界吸附分子、原子、或离子，界吸附分子、原子、或离子，并在吸附表面上形成多分子并在吸附表面上形成多分子层或单分子层。层或单分子层。 实际过程中物理和化学吸附是主要的，比较如下实际过程中物理和化学吸附是主要的，比较如下六、吸附剂的类型六、吸附剂的类型吸附分离介质吸附分离介质4 4、组成结构及特点、组成结构及特点吸附吸附、冲洗和洗脱冲洗和洗脱时间时间/体积体积y吸附吸附冲洗冲洗洗脱洗脱七、吸附过程的影响因素七、吸附过程的影响因素（ ）（）（） 八、应用八、应用第十节第十节 离子交换层析技术离子交换层析技术（1 1）定义：）定义： （2 2）优点：）优点： （3 3）离子交换剂的组成结构及