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第十章 微生物工程 下游加工工程,提纲,一、微生物工程下游加工工程的特点 和重要性二、微生物工程下游加工工程的基本原理三、微生物工程下游加工工程的一般程序四、微生物工程下游加工工程的常用分离、 纯化方法,第一节 微生物工程下游加工工程的特点和重要性,一、微生物工程下游加工工程的特点: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,一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。,第一节 微生物工程下游加工工程的特点和重要性,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。,第一节 微生物工程下游加工工程的特点和重要性,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。,第一节 微生物工程下游加工工程的特点和重要性,二、微生物工程下游加工工程的重要性: 很多工业生物技术产品,包括现代发酵工业产品,其质量的优劣、成本的高低、竞争力的大小,往往与下游技术直接相关。,第二节 微生物工程下游加工 工程的基本原理,一、以物理学过程为基础的分离操作: 1平衡分离过程 2拟平衡(速度差)分离操作 3 非平衡分离操作二、以化学学过程为基础的分离操作: 1分子间相互作用 2 分子识别三、以生物学过程为基础的分离操作: 1、特异性相互作用(锁钥关系) 2、亲和色谱,第三节 微生物工程下游加工 工程的一般程序,第四节 微生物工程下游加工工程的常用分离、纯化方法,一、过滤法二、沉淀法三、萃取法四、吸附法五、离子交换法六、结晶法,一、过滤法,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、加压过滤、真空过滤和离心过滤。,二、沉淀法,沉淀是通过改变条件或加入某种试剂,使溶液中的溶质由液相转变为固相析出的过程。优点:成本低、设备简单、收率高、浓缩倍数高和操 作简单。 盐析法;多用于分离纯化各种蛋白质和酶。 有机溶剂沉淀法:多用于生物小分子、多糖及核酸等产品的分离纯化,也有用于蛋白质的沉淀。 等电点沉淀法:用于氨基酸、蛋白质及其他两性物质的沉淀。 生成盐复合物沉淀法:用于多种化合物,特别是小分子物质的沉淀。,三、萃取法,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。,四、吸附法,选择性吸附法用于:分离精制各种产品、空气的净化、除菌、脱色、除热源、去组胺等杂质。吸附过程的基础理论:吸附作用:物质从流体相(气体或液体)浓缩到固体表 面的过程。吸附剂:在表面上能够发生吸附作用的固体。吸附物:被吸附的物质。 不同固体物质的表面自由能不同,所以对其他物质的吸附能力不同,表面自由能越高,吸附能力越强。 吸附作用力也是范德华力它是一组分子引力的总称,包括三种力,即定向力、诱导力和色散力。,五、离子交换法,离子交换树脂: 是一种不溶于酸、碱和有机溶剂的固态高分子材料。它的化学稳定性良好,且有一定孔隙度。其结构由三部分组成: 不溶性的三维空间网状骨架; 连接在骨架上的官能团; 官能团所带的相反电荷的可交换离子。优点:成本低,工艺操作方便,提炼效率较高,设备结构简单,以及节约大量的有机溶液等。缺点:不一定能找到合适的树脂,生产周期长,生产过程中pH值变化较大。,六、结晶法,生物工业的固体产品又可分为结晶型和无定型两类。区别:构成单位(原子、分子或离子)的排列方式是 规则的结晶;不规则的无定型。 形成晶形物质的过程称为“结晶”;而得到无定型物质的过程称为“沉淀”。 结晶是同类分子或离子的规则排列,具有高度的选择性,结晶操作能从杂质含量相当多的发酵液或溶液中形成纯
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