高等教育生化工程产品分离技术第一讲绪论

1、高等教育生化工程产品分离技术第一讲绪论绪 论第一节 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、生化产品的特点三、生化分离技术的特点四、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、生化产品的特点1)、应用面广。 医药卫生、环保、动植物生长调节、食品和试剂等2)、生化产品种类繁多，包括了大、中、小分子量的结构和性质复杂又各异的生物活性物质，生物活性各异。3)、目的产物在初始物料中的含量低。 青霉素（

2、4.2%）、庆大霉素 （0.2%）、干扰素（50ug/ml）。4)、产品价格与产物浓度呈反比:5)、初始物料成分复杂。除少量产物外，还有大量的细胞及碎片、其他代谢物（几百上千种）、培养基成分、无机盐等。6)、生物活性物质的稳定性低。易变质、易失活、易变性，对温度、pH值、重金属离子、有机溶剂、剪切力、表面张力等非常敏感。7)、产品的质量要求高，尤其是药品等。成品青霉素对其强致敏原 青霉噻唑蛋白必须控制RIA值（放射免疫测定）小于100（1.510-6），蛋白类药物（杂质 的作用下, 溶剂逆向流动。盐溶液 纯水H2O渗透P 反渗透 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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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。典型生物化工品的生产工艺举例生产工艺过程 右图

11、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。乳酸传统生产工艺乳酸杂酸、糖乳酸产品共沸蒸馏甲醇乳酸甲酯乳酸甲醇废液H2SO4水蒸气乳酸水乳酸产品SMB色谱新分离工艺杂酸、糖在线分离工艺清洁生产工艺谷氨酸钠发酵液SMB色谱离交、脱色、浓缩循环发酵谷氨酸钠产品液谷氨酸钠产品废糖水水谷氨酸铵发酵液等电沉淀麸酸母液离子交换 高浓馏份废水H2SO4冷冻HClNa2CO3CO2脱色浓

12、缩结晶谷氨酸钠产品现行工艺硫铵废液收率：88%90% 其中等电部分75%，离交部分20%消耗：NH4OH、600kg H2SO4 、250Kg HCl三废 ：20 吨有机废水(酸、碱多)干固物2吨收率： 95% 消耗：25Kg HCl三废：2 吨有机废水生产每吨味精比较第三节 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；

13、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的难易及成本。 例如，

14、将原来是胞内的产物变为胞外产物(或使处于围膜间隙)；在细胞中高水平的表达形成细胞内的包涵体，在细胞破碎后即可在低离心力下沉淀，因而容易分离；利用基因工程方法，使尿抑胃素上接几个精氨酸残基，使其碱性增强，而易为阳离子交换剂所吸附等。 五、发酵与提取相结合 在发酵过程中，把产物除去以避免反馈抑制作用 如：利用半透膜的发酵罐、在发酵罐中加入吸附树脂等。碟式离心机 碟式离心机是立式离心机的一种，转鼓装在立轴上端，通过传动装置由电动机驱动而高速旋转。转鼓内有一组互相套叠在一起的碟形零件-碟片。碟片与碟片之间留有很小的间隙。悬浮液（或乳浊液）由位于转鼓中心的进料管加入转鼓。当悬浮液（或乳浊液）流过碟片之间

15、的间隙时，固体颗粒（或液滴）在离心机作用下沉降到碟片上形成沉渣（或液层）。沉渣沿碟片表面滑动而脱离碟片并积聚在转鼓内直径最大的部位，分离后的液体从出液口排出转鼓。碟片的作用是缩短固体颗粒（或液滴）的沉降距离、扩大转鼓的沉降面积，转鼓中由于安装了碟片而大大提高了分离机的生产能力。积聚在转鼓内的固体在分离机停机后拆开转鼓由人工清除，或通过排渣机构在不停机的情况下从转鼓中排出。 影响分配的系数聚合物的分子量聚合物的浓度盐类pH值分子量越小，蛋白质容易分配于富含该聚合物的相中。当接近分配的临界点蛋白质均匀分配于两相中，分配系数接近1；成相聚合物的总浓度或聚合物/盐浓度的比例增加时，系统远离平衡点，此时两相性质的差别增加，蛋白质容易趋向于某一极。盐浓度增加促使蛋白质两极分化对物质解离度影响 蒸 发 单效、多效 精 馏 简单、共沸、抽提、反应 萃 取 简单、分级、反应 吸 附 变压、变温 结 晶 熔化、溶媒 膜 色 谱选取顺序物理分离 倾析、聚结、过滤、除沫 方法选择的基本原则1)、尽可能简单、低耗、高效、快速。2)、分离步骤尽可能少。Why? A)、 n -总回收率，n