发酵工艺学-山东师范大学5.ppt

第五章下游加工过程 downstreamprocessing 第一节概况一 下游加工技术的重要性1 产品分离纯化是最终获得商业产品的环节 2 投资费用高 抗生素 乙醇 柠檬酸占60 3 分离纯化技术落后会阻碍发酵工程技术的发展 几种产品在发酵液中的浓度产品典型浓度 g L 抗生素25氨基酸100酒精100有机酸100酶20蛋白质10 二 下游加工技术的特点1 发酵液的复杂性造成分离上的困难性 2 欲提取的产物通常浓度低且很不稳定 3 多为分批操作 各批发酵液不尽相同 要求下游加工有一定弹性 第二节下游加工过程一 一般程序1 预处理和固液分离 加速固液相分离2 细胞破碎 分离胞内产物3 初步纯化 提取 除去与产物性质差异很大的杂质4 高度纯化 精制 除去与产物性质相似的杂质5 产品加工 二 过程概述 一 预处理和固液分离预处理 目的 改变发酵液性质 有利于固液分离 酸化降低发酵液粘度加热加絮凝剂使细胞或大分子聚结成较大颗粒 2 固液分离主要方法是过滤和离心 板框压滤机过滤加助滤剂 常用硅藻土等 鼓式真空过滤机离心 含固形物较多的发酵液用倾析式离心机 倾析式离心机的结构1发酵液2固形物出口3送料的中空驱动轴4固形物5螺旋输送器6液体出口处7主驱动轴 二 细胞破碎 欲提取的产物存在于细胞内 机械法物理法化学法生物法 酶解 机械法1 液体剪切 搅拌 匀浆 2 固体剪切 研磨 珠磨 捣碎 工业上大规模细胞破碎一般采用机械法高压匀浆器 利用冷冻挤压原理制成 球磨机 三 提取1 沉淀法 1 等电点沉淀法 isoelectricprecipitation 氨基酸 两性电解质 在等电点时溶解度最低 较少单独使用 多与其它方法联合使用 如盐析法 有机溶剂法 因蛋白质在等电点仍有一定的溶解度 谷氨酸分子中有两个羧基和一个碱性氨基 溶于水后呈离子状态 离子态GA GA GA GA pH 23 227 0 12等电点 2 不溶性盐沉淀法某些代谢产物在一定pH下 能与酸 碱或金属离子等形成不溶性盐沉淀析出 再用适当方法使复合物溶解 锌盐法 提取谷氨酸钙盐法 提取柠檬酸单宁 提取酶 3 有机溶剂沉淀法试剂 丙酮 乙醇 甲醇等亲水溶剂乙醇沉淀多糖 在较高的醇浓度下 降低多糖分子与水之间的亲和力 使多糖分子之间相互结合形成沉淀 2 色谱分离法色谱法也称层析法 是1903年俄国植物学家MichaelTswett发现并命名的 将植物色素溶液通过装有CaCO3吸附剂的柱子 然后用石油醚淋洗 各种色素以不同的速率流动后形成不同的色带而被分开 色谱起源 色谱 组分 色素 石油醚 碳酸钙颗粒 用色彩 chroma 和图谱 graphs 组成色谱一词 Chromatography 1 吸附层析 adsorptionchromatography 原理利用吸附剂对组分吸附能力的差异进行分离 通过范德华力 静电引力 疏水作用等与待分离物质的极性官能团作用 常用吸附剂 活性炭 氧化铝 碳酸钙 磷酸钙 羟基磷灰石 硅胶等 2 离子交换层析 ionexchangechromatography 原理 根据待分离物质带电性质不同的分离纯化方法 即 离子交换树脂上可电离的离子与流动相中具有相同电荷的溶质离子进行可逆交换 离子交换剂 离子交换剂由载体 电荷基团和反离子构成 如羧甲基纤维素离子交换剂组成纤维素 O CH2 COO Na 载体电荷基团反离子 1 平衡阶段 离子交换剂与反离子结合 2 吸附阶段 样品与反离子进行交换 3 4 解吸附阶段 用梯度缓冲液洗脱 先洗下弱吸附物质 后洗下强吸附物质 5 再生阶段 用原始平衡液进行充分洗涤 即可重复使用 原始缓冲溶液的反离子 样品溶液 梯度浓度 Ion exchangechromatography 氨基酸的分离 阳离子交换树脂 用pH递增的柠檬酸盐缓冲溶液洗脱侧链pKa增大的氨基酸 3 膜分离 membraneseparation 借助一定孔径的高分子薄膜 将不同大小 形状 性质的颗粒或分子进行分离的技术 特点 1 不涉及相变 对能量要求低 2 条件较温和 适于热敏性物质的分离 1 扩散膜分离 透析 又称渗析 Dialysis DS 溶质分子Y从高浓度一侧通过半透膜 孔径5 10nm 向低浓度一侧移动 透析工作图 2 加压膜分离根据所截留物质颗粒大小及操作压力的不同 分为 3 电场膜分离电渗析 Electrodialysis ED 在离子交换膜的两侧分别装上正 负电极 各种膜分离法的应用范围 三 精制大分子 如蛋白质 的精制常依赖于层析技术 小分子物质的精制常利用结晶技术 1 结晶法原理利用只有同类分子或离子才能排列成为晶体的性质进行物质分离 2 结晶的条件过饱和 Supersaturation 溶液的形成是结晶的原推动力和首要条件 1 纯度 纯度愈高愈易结晶 通常不低于50 2 浓度 有合适的浓度范围 控制在饱和区以上 过饱和区以下的介稳区内 介稳区 过饱和溶液 但过量的溶质并不马上结晶析出 溶液具有相对稳定性 谷氨酸浓度为4 8 时 易得到结晶 8 时 易析出 谷氨酸 质轻 纯度低 3 pH值 pI处 缓慢加酸 4 温度 低温 溶解度小 有利于结晶 5 晶种 掌握好时机 在介稳区投晶种 过早 溶化过晚 刺激细小晶核形成 起晶方法 1 自然起晶法 不常用 蒸发浓缩至不稳区 加稀溶液进入介稳区 形成晶体 2 刺激起晶法 生产粉末味精 蒸发浓缩至介稳区 冷却进入不稳区 析出晶核 3 晶种起晶法 生产结晶味精 蒸发浓缩至介稳区的较低浓度 投晶种 四 成品加工 polishing 1 浓缩 方法 离心 过滤与膜分离 沉淀及各种吸水剂 蒸发浓缩