微生物工程下游加工工程

第十三章微生物工程下游加工工程,13DownstreamProcessingoftheFermentationBroth,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,一、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，每千克发酵液中核黄素仅含几克、胰岛素仅含几十毫克，而且对热、pH、有些甚至对光不稳定。,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。,TheratioofrecoverytofermentationcostsforL-asparaginase:3.0ethanol:0.16,二、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(如：溶解平衡、相平衡等)2拟平衡(速度差)分离操作(如：色谱分离)3非平衡分离操作(如：沉淀、蛋白变性等),二、微生物工程下游加工工程的基本原理,（二）以化学过程为基础的分离操作：1分子间相互作用(如离子交换等)2分子识别(如亲和色谱等),二、微生物工程下游加工工程的基本原理,（三）以生物学过程为基础的分离操作：1、特异性相互作用(如：锁钥关系)2、亲和色谱(如：免疫亲和层析等),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,（一）、发酵液的预处理方法（二）、过滤法（三）、沉淀法（四）、萃取法（五）、吸附法（六）、离子交换法（七）、结晶法,（一）发酵液的预处理方法,目的：（1）除掉部分杂质，如蛋白质、高价离子等。（2）使目标产物尽可能溶在液相中。（3）提高发酵液的纯化性能，如过滤速度等。,（一）发酵液的预处理方法,预处理的方法：调pH值；加絮凝剂；加热并维持一定的时间；加螯合剂、吸附剂等。上述方法可同时使用。,（二）过滤法,原理：悬浮液通过过滤介质，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。,（二）过滤法,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。,（三）沉淀法,原理：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。,（三）沉淀法,沉淀法分类盐析法：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。,（四）萃取法,原理：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。,（四）萃取法,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。,（五）吸附法,吸附过程的基础理论：吸附作用：物质从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）吸附法,用途：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。在发酵工业中针对所要分离的物质如青霉素，可选择合适的吸附剂(树脂)，这种吸附剂能专一性地吸附青霉素，从而达到分离纯化的效果。,（六）离子交换法,原理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。进行离子交换时，待分离的分子可通过阴阳离子对的相互作用以及其它吸附作为被结合到树脂上。,（六）离子交换法,优点：成本低，工艺操作方便，提炼效率较高，设结构简单，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。,（七）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净的晶