第二章生物工业下游技术

第二章下游技术的理论基础生物工业下游技术：尚无一个严格定义，本课程所涉及到的内容在许多本质上属于物质分离范畴，因此后续内容会常提到“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。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，在他的作用下，形成分离场。3.非平衡分离操作

1、2以为均划归其中，利用物质移动速度差和广义的、基于“屏蔽效应”的分离操作。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_自由度C_组分数P—相数

2.气液平衡3.溶解度4.高压气体中的溶解度5.液液平衡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。Q---吸附量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C—固体中的溶质浓度P—气相溶质分压H—亨利常数S—溶解度系数四、传递现象1.传递通量2.固相内的分子扩散如浸取操作。由于固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：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。

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很多时，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进行考察。5.膜内物质的质量传递均质膜和多孔性摸中的质量传递机理不同。均质膜特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和浓度有关。均质膜并非绝对“均质”，也会有布朗运动和返混现象。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总所周知的范德华力、氢键力等，近年来备受瞩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他高效、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—8个葡萄糖环状结合而成的低聚糖。筒状，内部具空洞结构。图环状糊精的构造“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。图二苯-18-皇冠醚-6泡沸石（无机吸附剂）

具有细孔结构的氧化铝、硅石类陶瓷，孔径接近分子水平时，则可用作分子筛。

图泡沸石二、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Ca离子。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，山梨醇和木糖醇可通过葡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）图存在于酶分子上的各种结合部位（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.疏水性相互作用4.对金属原子配位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：对离子间的作用影响很大，也对蛋白质侧链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，氢键也受到同样影响。5.试剂：在试剂中，尿素、盐酸胍、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。图吸附模式图用作亲和色谱的载体应具有以下特性：1、载体应该是惰性的，尽量减少物理吸附和离子交换等非专一性吸附；2、载体上必须有足够数量的可活化的化学