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生化工程 第六章生化工程产品分离技术 第六章生化工程产品分离技术 第一节概述第二节生化产品分离技术的一般过程第三节生化产品分离技术的发展 第一节概述 一 生化分离技术的概念二 生化分离技术的特点三 生化分离技术的重要性 一 生化分离技术的概念 生化分离技术是指从发酵液或酶反应液中 分离纯化生物产品的过程 它是生物技术转化为生产力不可缺少的重要环节 又称为生物技术下游加工技术 二 生化分离技术的特点 1 纯化步骤多 操作繁琐 产品收率低 生产成本高 2 分离纯化的产品通常稳定性差 容易失去生物活性 或被分解 降解 3 从发酵液中分离产品时 不宜存放太久 应尽快提取 三 生化分离技术的重要性 生化工程下游加工技术 是生物化学工程必不可少的环节 否则得不到所要的产品 丰产也不能丰收 第二节生化产品分离技术的一般过程 一 工艺流程二 加工过程概述三 典型生化产品的分离实例 一 工艺流程 一般分为四个阶段 1 发酵液的预处理和固液分离 2 初步分离 3 产品提纯 4 成品加工 一般工艺流程 二 加工过程概述 1 预处理和固液分离预处理 改变反应液的性质 发酵液 有利于固液分离 通常通过酸化和加热降低发酵液的黏度 加入絮凝剂 使细胞或大分子聚结成较大颗粒 固液分离 常用过滤 离心等方法板框压滤机 鼓式真空过滤机 应用最广泛的是碟式离心机 板框压滤机 通常发酵完成后 发酵罐内充满了残余的培养基 水 微生物和酶所形成的大量发酵液 可用真空转鼓过滤机将酶与发酵液的其他成分分离开来 鼓式真空过滤机 过滤机外涂有厚厚的一层硅藻土 水和酶可以渗透过去 而培养基和微生物却被黏着在硅藻土表面上 鼓式真空过滤机 鼓式真空过滤机 转鼓过滤机旋转的过程中 发酵液喷散开来 水和酶被吸进过滤机的中央 培养基和微生物则留在硅藻土表面 稍后用巨型刀片将硅藻土及附着其上的培养基及微生物一同去除 离心澄清机的转鼓内有数十个至上百个形状和尺寸相同 锥角为6O0 1200的锥形碟片 碟片之间的间隙用碟片背面的狭条来控制 一般碟片间的间隙约0 5 2 5mm 当具有一定压力和流速的悬浮液进入离心澄清机后 就会从碟片组外缘进入各相邻碟片间的薄层隙道 由于离心澄清机高速旋转 这时悬浮液也被带着高速旋转 具有了离心力 此时固体和液体因密度不同而获得的离心沉降速度的不同 在碟片间的隙道间出现了不同的情况 碟式离心机 固体颗粒获得的离心沉降速度大于后续液体的流速 则有向外运动的趋势 就沿碟片下表面离开轴线向外运动 并连续向鼓壁沉降 澄清液获得的离心沉降速度小于后续液体的流速 则在后续液体的推动下被迫反方向向轴心方向流动 移动至转鼓中心的进液管周围 并连续被排出 这样 固体和液体就在碟片间的隙道流动的过程中被分开 碟式离心机 碟式分离机可以完成两种操作 液 固分离 即低浓度悬浮液的分离 称澄清操作 液 液 或液 液 固 分离 即乳浊液的分离 称分离操作 碟式离心机 A 供料B 澄清产品出口C 固体出口D 废料去灭菌工序E 蒸汽F 仪表用空气G 无菌水H 冲洗水I 生产水补给水J 生产水 排放水K 生产水出口L 夹套冷却水 进口M 夹套冷却水 出口N 轴封水O 排风P 排水Q 冷凝水去灭菌工序 1 离心机2 控制装置3 电动机起动器4 固体贮罐5 废料贮罐6 隔膜阀7 球阀8 气动隔膜阀9 止回阀10 针阀11 空气减压阀12 恒压阀13 取样旋塞14 恒流阀15 凝汽阀16 无菌空气过滤器17 观察镜18 压力指示器 气压计 19 流量计20 温度传感器21 液面传感器 碟式离心机适合于细菌 酵母 放线菌等多种微生物细胞悬浮液及细胞碎片悬浮液的分离 它的生产能力较大 最大允许处理量可达300m3 h 一般用于大规模的分离过程 碟式离心机 蒸发 萃取 沉淀以及膜分离等方法 1 蒸发 外循环式真空蒸发器 三效降膜式蒸发器 2 初步分离 有机溶剂萃取 在抗生素的生产中占有重要的地位 利用萃取法提取某些酯溶性的抗生素 具有质量好 收率高速度快等优点 离心萃取机 2 萃取 有机溶剂萃取的不足 许多蛋白质都有极强的亲水性 不溶于有机溶剂 蛋白质在有机溶剂相中易变性失活 双水相萃取 用两种不相溶的高聚物 如聚乙二醇和葡聚糖 进行萃取 而不用常规的有机溶剂为萃取剂 其特点是两相内均含水高于75 故称双水相 该法得到的双水相可用倾析法和离心法分离 然后再用超滤法等提取目的产物和回收高聚物 双水相萃取的优点使固液分离和纯化两个步骤同时进行 一步完成 适合热敏物质的提取 主要是胞内酶 亲水性聚合物加入水中 形成两相 在这两相中 水分都占大比例 85 95 这样生物活性蛋白质在两相中不会失活 且以一定比例分配于两相中 双水相的形成 如两种聚合物间存在强的吸引力 则它们结合后存在于一相中 如两种聚合物间有斥力 即某种分子希望在它周围的分子是同种分子而不是异种分子 达到平衡后会形成两相 两种聚合物分处一相 加入盐分 由于盐析作用 聚合物与盐类溶液也能形成两相 目前已知的胞内酶约2500种 但投入生产的很少 原因之一是提取困难 胞内酶提取的第一步系将细胞破碎得到匀浆液 但匀浆液黏度很大 有微小的细胞碎片存在 欲将细胞碎片除去 过去是依靠离心分离的方法 但非常困难 双水相系统可用于细胞碎片以及酶的进一步精制 双水相萃取法常用于胞内酶提取 双水相萃取的应用 用双水相萃取胞内酶 PEG 盐系统应用的较广泛 通常将目的蛋白质分配在上相 PEG 而细胞碎片分配在下相 盐 便于离心分离 双水相提取胞内酶的具体操作 萃取 适量的细胞匀浆液与双水相体系 一般为PEG 盐 混合 上下相的分离 在萃取达到平衡后 就必须使上下相分离 有两种方法 重力沉降和离心分离 多聚物的分离 当目的蛋白是分配在PEG富集的上相中 相与相分离后 在上相中加入盐 形成新的双水相体系 在适当的条件下 蛋白质重新被萃取进入盐相 而大量的PEG得到回收 盐相中残余的PEG可用超滤或透析除去 三步双水相萃取流程图 要成功地运用两水相萃取的方法 应满足下列条件 欲提取的酶和细胞应分配在不同的相中 酶的分配系数应足够大 使在一定的相体积比时 经过一次萃取 就能得到高的收率 两相用离心机很容易分离 3 沉淀 降低蛋白质溶解度 如等电点沉淀 盐析等 4 膜分离 膜分离是基于一种半透性薄膜 使溶液中的某些组分通过 而阻止或截留其它组分的分离方法 它包括反渗透法 ReverseOsmosis 和超滤法 Ultrafiltration 依据物质粒度大小这一几何特性的差异 来分离物质 而不必像萃取 沉淀法中那样 需要加入其它物质 溶剂 盐类 也不必像蒸发那样 需要加热 因此 使用膜分离法分离 产品的损失很少 膜分离法的优点 若干生物物质的粒度特征 渗透和渗透压 1885年 Van tHoff渗透压定律 R T Ci渗透是在膜两边渗透压差 的作用下的溶剂流动 而反渗透 超滤是在一外加压力差 P 的作用下 溶剂逆向流动 当某溶液与某纯溶剂之间被一半透性薄膜隔开时 由于系统中的渗透压作用 纯溶剂将会通过膜层而进入溶液相 此即为渗透现象 如果在溶液上方施加压力 溶剂渗透的速率便减小 当 P等于渗透压时 渗透即停止 如果进一步增加外压 当 P超过渗透压 时 纯溶剂便反向渗透 即从溶液渗向纯溶剂 这就是反渗透 反渗透的结果 将使溶液被浓缩 渗透和反渗透 渗透与反渗透 用双级反渗透设备除盐的技术称为两级反渗透技术 两级反渗透装置可除去原水中99 以上的盐份 超滤通常使用孔径较大的薄膜 截留的分子也较大 由于超滤允许较大的分子通过 既有浓缩的作用 又有纯化的作用 如在酶制剂的制备过程中 即可用超滤法同时实现浓缩和纯化 反渗透则只允许溶剂通过 较大的盐类分子也有可能被截留 所以 反渗透只起浓缩作用 超滤 常见膜分离装置 中空纤维超滤器 超滤装置是以毛细管式超滤膜为核心设计制造的 其超滤膜微孔可达0 01微米 十万分之一毫米 以下 因而过滤精度高 生化产品提纯 常用层析法 Chromatography 所谓层析法 是在一根层析柱内 填充以某种特殊的载体物质 称固定相 含有被分离物质的混合物 称流动相 则流经层析柱 由于混合物内各种物质在某种性质上的差异 导致与固定相之间产生的结合力不同 因此 各种物质在柱内的停留时间也就不一样 它们将依次流出层折柱 据此 便可把它们分离 3 产品提纯 吸附层析法 利用各种物质与固定相之间的吸附力差异离子交换层析法 利用各种物质带电特性的差异分子筛层析法 利用各种物质的几何大小特性的差异亲和层析法 利用物质在生物特性方面的差异 层析种类 层析分离 多数是分批操作 但近年来 已出现了小规模的连续层析装置 见下图 层析的装置 生产时 料液在缓慢旋转着的环状层析柱顶端的某点加入 截流溶掖则在顶端的其它各点加入 对具有较大k值的组分言 因它通过层析柱较馒 故在它流出柱层并集于底部的收集管之前将沿着层析柱的环状周边旋转一段较长的距离 如区带B 而k值较小的组分 则很快就流入集留管 如区带A 如此 在不同的收集管内 便可获得不同的蛋白质 该法的缺点是需要耗费较多的截流溶液 连续层析装置示意图 干燥 通常是生化产品分离的最后一步 由于很多生物产品 如味精 柠檬酸 酶制刘 抗生素及单细胞蛋白等均是固体产品 故干燥操作在生化工业中十分重要 4 产品的最后分离 干燥的目的 去除物料中的水分 便于产品的保存和运输 干燥的设备 工业生产中常用的干燥设备类型很多 但由于生物产品大多为热敏性物质 所以在对干燥设备的选用时须注意这一问题 一般用于生物产品干燥的设备 必须是干燥时间不太长 温度不过高的设备 1 喷雾干燥 喷雾干燥的原理 利用不同的喷雾装置 如喷嘴或转盘等 将浓缩液或悬浮液喷成雾状 使形成具有巨大表面积的分散液滴 在干燥室内缓缓沉降 并与热空气流发生强烈的热 质交换 迅速排除水分 在几秒至几十秒时间内 便获得干燥 成品以粉末状沉降于干燥室底部 连续或间断地排出 逆流喷雾干燥器示意图 逆流喷雾干燥器 是生物产品生产中常用的干燥装置 它不仅是干燥 还包括有造粒 蒸发及分离固体干燥物等一系列过程 喷雾干燥由于干燥时间极短 避免了产品的破坏 故适合于抗生素 酵母粉和酶制剂等热敏性物料的干燥 气流干燥器的原理 利用颗粒在气流中自由流动的特性 使物料随气流一起流经一段长的管道 颗粒物料在与热空气一起流动的过程中 由于热空气与湿物料充分接触 水分汽化迅速 故待至干燥管道出口处 颗粒物料已被干燥 2 气流干燥 近年来崛起的一种新型干燥设备 它的优点与喷雾干燥器相同 也可在极短的时间内 数秒钟内 完成干燥操作 但它只适用于颗粒状物料 气流式干燥器 待干燥物料经加料器 均匀地进入干燥器的底部 空气被鼓风机抽吸 进入空气加热器 被加热至80一90 然后进入气流干燥管的底部 与被干燥物料汇合 在经过约10m高的干燥管后 物料已被干燥完毕 进入旋风分离器 把固体与废气分离 干燥的物料由分离器的底部排出 废气最后被排至大气中 气流干燥器的优点干燥时间短 干燥强度大 设备简单紧凑 仅一根数米至数十米长的垂直管道 即可把干燥 粉碎 运输 包装等多道工作合于一道工序内完成 适用于味精 柠橡酸 葡萄糖及四环素类抗生素等颗粒状物料的干燥 3 沸腾干燥 沸腾干燥原理 是利用流态化技术 使颗粒物料与热气流在流化状态下密切接触 而达到干燥的目的 沸腾干燥与喷雾干燥和气流干燥不同 物料在沸腾干燥器内的停留时间较长 容易引起物料破坏 因此不适宜于干燥热敏性物质 但可用于葡萄糖 味精和柠檬酸等较稳定物料的干燥 多层沸腾干燥器 卧式多室沸腾干燥器 如果被干燥物料的热稳定性很好 则可用鼓式干燥器 这种干燥器有两个相向回转的鼓 鼓内通加热蒸汽 当溶液在被加热的鼓面上流动时 使汽化 干燥 最后 已干燥的物料由刮刀连续地被刮下 4 鼓式干燥 鼓式干燥器示意 冷冻干燥原理 又称升华干燥 是将湿物料或溶液在低温下 50 10 冻结成固态 然后在高真空 1 0 001mmHg 下 将其中水分不经液态直接升华成气态 而达脱水 干燥的目的 这种干燥方法 处理温度低 对热敏性物质特别有利 故适合于抗生素 维生素等生物制品的干燥 5 冷冻干燥 在冷冻干燥中 升华温度一般为 35 5 升华所需的热量 可直接由所处理的物料供给 或者由外界提供 目前冷冻干燥主要用于不能以结晶方法得到成品 而需直接由浓缩液通过干燥得到成品的场合 虽然喷雾干燥法亦可达到达一目的 但其成品质量不论从效份 色泽 还是从易溶性等方面比较 均不如冷冻干燥佳 实验室常用冻干设备 三 典型生物产品的分离实例 在实际应用中 生物产品分离过程中常用的几种操作方法 是相互组合 配合使用的 最终使生物产品达到所规定的分离指标 右图是胞内酶的分离 在分离过程中 分别使用了过滤 沉淀 渗析 超滤 层析 离心 匀浆及冷冻干燥等单元操作 右图是青霉素生产的流程 由图表明 对青霉素的分离 需要使用过滤 蒸发 萃取 结晶 离心及冷冻干燥等操作 右图是乳酸的分离 它也使用了多种单元操作 致最终获得要求的产品 第三节生化产品分离技术的发展 一 膜技术推广的应用二 亲和层析的推广应用三 优质层析介质的研究四 上游技术对分离技术的影响五 发酵与提取相结合 一 膜技术推广的应用 随着膜本身质量的改进和膜装置性能的改善 在生化产品分离过程的各个阶段 将会越来越多地使用膜技术 例如 某公司在提取头抱菌素c的过程中 研究利用微滤进行发酵液的过滤 利用超滤去除杂质蛋白和色素 利用反渗透进行浓缩 最后结合HPLC进行精制 制得纯度达93 的成品c 二 亲和层析的推广应用 利用生物亲和力可使分离的选择性大大提高 在下游加工过程的各个阶段 都正在使用或有可能使用亲和技术 除亲和层析外 还有亲和分配 亲和沉淀 利用亲和力的膜过滤等 利用单抗的免疫吸附层析 选择性最理想 但介质的价格太高 急需研究改进 三 优质层析介质的研究 色层分离中主要困难之一是层析介质的机械强度差 以天然糖类为骨架的介质 目前已研究出高交联度或能与无机介质相结合的产品 四 上游技术对分离技术的影响 生化工业从原料到产品是一个整体 上游技术必须考虑到下游提取