发酵工程下游加工过程概论VIP

第十二章发酵工程下游加工工艺简介，1，发酵工程下游加工工艺的特点，1)培养液中所需产品浓度低，稳定性差2)下游工程成本低，回收率等问题广泛存在，发酵液采用复杂的多相系统，2，发酵工程下游加工工艺的一般程序，絮凝技术和絮凝技术，固体，絮凝技术如果产品在细胞内，还会进行细胞粉碎。萃取(初步精制)的目的是去除与目标产品性质大的杂质，精制(高度精制)是去除与产品的化学性质和物理性质相似的杂质，最终获得质量合格的产品。3，主要操作单位：2，发酵液预处理和过滤，为什么要预处理发酵液？预处理的目的是什么？发酵液的基本特性，产品浓度低、极性粘度大的表面张力的大性质不稳定，a)发酵液的预处理，1，目的：发酵液中杂质多，成分复杂。其中对精制的影响最大的是改变高价无机离子(Ca2，Mg2，Fe3等)和杂蛋白等发酵液的物理特性，加快悬浮液的固形物沉淀速度；尽可能将产品转移到以后易于处理的奖赏上。(通常是液体)可以去除部分杂质。2、高价无机离子去除，镁离子去除：一般草酸和钙离子生成草酸草酸钙草酸盐酸，发酵产品破坏少，草酸钙沉淀有助于蛋白质凝固，提高过滤速度；草酸的溶解度小、用量大的情况下，可以用草酸钠代替。草酸价格高，生产上一般需要回收，钙离子去除：铁离子去除：通常钠三聚磷酸钠和镁离子形成可溶性复合物n a5 P3 o 10 Mg2=mgn a3 P3 o 10 2na，通常黄血盐和铁离子形成普鲁克蓝沉淀3k4fe (cn(1)沉淀方法，等电点是羧基的电离度比氨基大，因此大部分蛋白质的等电点在酸度范围(ph 4.0-5.5)内，但等电点不能使大部分蛋白质沉淀成两性物质，酸性溶液中有一些负离子，例如三氯乙酸、水杨酸、钨酸盐、苦味酸盐、单宁酸和高氯酸盐在碱性溶液中，可以制造一些阳离子和沉淀物，如Ag，Cu2，Zn2，Fe3，Pb2等，2)用变性法，变性蛋白溶解度小的最常用加热法加热，不仅可以使蛋白质变质，还可以减少液体粘度，提高过滤率。其他方法：大幅度控制pH、酒精、丙酮等有机溶剂或表面活性剂变性法，其限制与加热方法仅适用于热稳定的目的产品相同。极限pH值可以停用特定目的产物，引起大量酸碱消耗，有机溶剂方法仅适用于一般处理的液体量小的情况。3)添加吸附方法、一些吸附剂或沉淀剂吸附杂蛋白，以消除四环素生产等，黄血盐和硫酸锌的协同作用，产生铁氰化钾的胶体沉淀，吸附蛋白质；通过在枯草杆菌发酵中添加氯化钙和磷酸二钠，产生吸附和包裹蛋白质、细菌和其他不溶性粒子的巨大凝胶，絮凝和絮凝是发酵液预处理的重要方法，其处理过程是将化学剂提前投入悬浮液中，改变细胞、细菌、蛋白质等粒子的分散状态，破坏其稳定性，将其收集和分离成可分离的絮凝体。发酵液预处理方法-絮凝和絮凝，絮凝是指通过添加化学物质(如铝、铁的盐或石灰等)使胶体脱稳，颗粒用1毫米大小的块状团聚体相互凝结的过程。，电解质的凝聚性可以用凝聚值来表示，即使发生聚葡萄糖的最小电解质浓度(mmol/L)。一般半离子的价格越高，凝结值越小，即聚集能力越强。像Al3 Fe3 H Ca2 Mg2 K Na Li一样，凝聚是指使用絮凝剂(通常是自然或合成的大分子质量聚电解质)交联胶体粒子，形成10mm大小的聚集团的过程。其中絮凝剂主要起到架桥作用，工业上使用的聚丙烯酰胺衍生物、聚合铝盐、海藻酸钠、壳聚糖等最多。1)板框架(plateandframe)压滤机，框架过滤器结构图1-尾板2-过滤框架3-过滤板4-主梁5-头板6-拧紧压力装置，2)发酵液过滤器通用设备，框架过滤器，plandframe细菌自溶解引起的发酵液粘度增加，为防止影响发酵液过滤的因素，菌体自溶解前罐，1)菌体细胞体积，真菌菌丝体厚，发酵液无需特殊处理即可过滤的发酵液；放线菌菌丝体呈细长枝叶的网状形态缠绕，过滤更困难，发酵液应凝固预处理、蛋白质等胶体物质，提高过滤速度。细菌菌更小，发酵液不经过絮凝等预处理，就很难用常规过滤装置进行过滤工作。2)培养基成分、豆饼粉、花生黄油粉等提高过滤难度，3)罐装时机会增加发酵液中不溶性多糖时发酵液的粘度，从而影响过滤速度；可以使用酶转化为可溶性单糖，提高过滤速度。提高过滤性能的方法，1)过滤助剂，过滤助剂是不可压缩多孔颗粒，可以松弛过滤蛋糕，提高过滤速度；常用硅藻土、珍珠岩等；a)在滤布上预铺1-2mm厚的过滤助剂有两种方法。b)将滤液直接添加到发酵液中。2)添加CaSO4、alpa 4等填充物，本身就是过滤助剂，可以固化粘合剂和悬浮物，3)酶歌手，产品的产量和质量控制。细胞分裂，目的代谢产物都不是分泌型的，大部分存在于细胞内，特别是基因工程细菌不会分泌细胞内形成的内含体，因此需要细胞分裂。大规模粉碎细胞常用方法；利用高压将细胞悬浮通过针阀突然减压和高速撞击环粉碎细胞。影响粉碎的主要因素包括：压力、温度和循环水；1)高压均质法；高压均质器排放阀；2)高速球磨方法；高速球磨机1-材料进口2-材料出口3；4-冷却液入口；出口5、6-夹冷却水入口、出口、圆盘，3)超声波法，常用超声波频率15-25 khz；原理：超声波产生很强的冲击波压力，粘性涡流对介质的细胞产生剪切力，使细胞内液体流动，使细胞分裂。超声波振动容易引起温度的急剧上升，操作时要冷却。普通菌比球菌容易破碎，阴菌比阳性菌容易破碎，4)酶水解，特异性强，条件温和；但是，更高的酶解成本的另一种方法是，利用微生物的自我降解作用，大部分微生物可以产生能够水解自身细胞壁的酶。如果特定的环境条件发生变化，这种酶可能发生过量，或促进其他酶解酶的生成，并发生自我溶解。5)通过渗透冲击法，将细胞先放入高浓度甘油或蔗糖液等高渗透介质，介质突然稀释，或者细胞进入水或缓冲液，水会迅速流入细胞内，导致细胞膨胀，细胞壁破裂。该方法适用于细胞壁更脆弱，细胞壁被酶预处理，或合成细胞壁被抑制的微生物。6)反复冻结-融化方法，在低温下突然冻结，然后在室温下融化的细胞，反复引起细胞破裂；低温冷冻一方面可以打破细胞膜的疏水结合结构，增加细胞的亲水性；另一方面，细胞内结晶改变细胞内外的溶液浓度，导致细胞突然膨胀，破裂。该方法适用于比细胞壁脆弱的细胞、细胞粉碎方法、萃取(初步分离)、沉淀(1)通过改变条件或添加某种试剂将溶液中的溶质从液相变成固体析出的过程。方法简单，成本低，使用广泛，是早期分离的一般手段。盐析有机溶剂沉淀等电点沉淀非离子聚合沉淀聚电解质沉淀方法对盐复合沉淀热变性和酸碱变性沉淀方法、中性盐的添加破坏了蛋白质的胶体特性，降低了蛋白质的溶解性，使其析出。1 .盐析法(Saltingout)，破坏水中蛋白质存在的两个元素(水合层和电荷)，使蛋白质沉淀。在蛋白质溶液中添加大量盐，而硫酸铵中的牛4、NH4等高浓度盐离子具有强的水合能力，确保蛋白质分子的水合层，使其“失水”，因此蛋白质粘合剂凝结沉淀。蛋白质盐析常用的中性盐有硫酸铵、硫酸镁、硫酸钠、氯化钠、磷酸钠等。溶解：很多蛋白质在低盐浓度下发生盐溶(比纯水的溶解度高得多)；高盐浓度是盐析，离子强度越高，蛋白质的溶解度越低。由于各种蛋白质分子的颗粒大小和亲水性不同，盐析所需的盐浓度也不同，所以调节混合蛋白质溶液中的中性盐浓度会使各种蛋白质沉积沉淀。1)蛋白质浓度高，蛋白质浓度高，要分离的蛋白质经常与其他蛋白质混合在一起沉淀(共沉淀现象)。因此，盐析前血清要稀释等量的生理盐水，使蛋白质含量为2.5-3.0%。2)离子强度和类型，3)温度、温度是影响溶质溶解度的重要因素，提高温度可以提高许多无机盐和小分子有机化合物的溶解度；4) pH，蛋白质在等电点最容易沉淀，因此可以选择等电点的pH作为盐析pH，影响盐析的因素，2 .等电点沉淀法，原则：利用全中性时良性电解质溶解度的最低优点：许多蛋白质的等电点在偏酸范围内，许多无机酸的价格便宜；缺点：酸化时容易发生蛋白质失活，很多蛋白质和金属结合时会发生等电点移动，例如胰岛素的等电点为5.3时，与Zn2结合形成胰岛素锌盐，等电点提升到6.2；因此，添加金属离子后选择等电点沉淀时，要注意pH调整。其次，从萃取(初步分离)、(b)结晶(结晶)、液体(液体或熔液)或气体形成结晶的过程称为结晶。添加能降低结晶溶质溶解度的物质，使结晶溶质形成超饱和液；例如，卡那霉素不能溶于乙醇，在卡那霉素脱色溶液中添加最终浓度为60%-80%的乙醇会沉淀。普鲁卡因青霉素结晶中添加一定量的盐，使结晶更容易析出，结晶方法(通过过饱和溶液的方法)，1)浓缩结晶，真空蒸发浓缩，达到过饱和，2)冷却结晶适合于温度不同，溶解度大的物质；先加热融化，然后冷却结晶。3)添加化学反应结晶、反应剂或pH，产生较低的可溶性物质；在醋酸青霉素丁酯萃取物中添加乙酸乙醇-钾后形成的青霉素钾盐对乙酸丁酯不溶性决定。，4)分析结晶(drowningout)，3，精炼(高度精炼)，(a)离子交换法(Ionexchange)，离子交换的工作原理，物质的酸碱，极性，在水溶液中使用的阴阳离子中在离子交换过程中，离子首先扩散到树脂表面，通过树脂扩散到交换位置，在交换位置进行离子交换。被交换的分子中电荷越多，与树脂的结合就越紧密，更容易被其他离子取代。交换的离子扩散到树脂表面，洗脱液通过，交换的离子扩散到外部溶液中。第三，精制(高度精炼)，(b)色谱分离，用微针针或微管将样品点作为色谱床一端