生物分离工程细胞破碎MicrosoftPowerPoint演示文稿

生物分离工程细胞破碎MicrosoftPowerPoint演示文稿第1页/共63页第2页/共63页影响发酵液后处理的主要因素粘度,杂蛋白影响树脂对产物的吸附能力；在萃取操作中，易产生乳化，不利于两相的分离；污染滤膜，降低滤速高价无机离子当采用离子交换法提取产物时，影响树脂对生化物质的交换容量14.1发酵液的预处理降低发酵液粘度去除杂蛋白第3页/共63页14.1.1凝聚和絮凝技术这两项技术能有效地改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态、使之聚集，增大体积，利于过滤，常用于菌体细小且粘度大的发酵液预处理中。第4页/共63页第5页/共63页凝聚定义：在中性盐作用下，由于双电层排斥电位的降低，而使胶体体系不稳定的现象，称凝聚。φsφdζ电位：可测第6页/共63页ζ电位：ζ电位与扩散层厚度δ和电动电荷密度q成正比。扩散成厚度δ又与溶液的离子强度I有关。高价阳离子的存在，可压缩扩散层厚度，使电位迅速降低。第7页/共63页常用凝聚剂——高价阳离子凝聚能力的次序为：Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+常用电解质：Al2(SO4)3·18H2O、AlCl3·6H2O、FeCl3、ZnSO4、MgSO4第8页/共63页絮凝定义：是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使细胞聚集形成粗大的絮凝团的过程。第9页/共63页常用絮凝剂：人工高分子聚合物：聚丙烯酰胺、聚苯乙烯，聚乙稀亚胺的衍生物无机高分子聚合物：聚合铝盐、聚合铁盐天然有机高分子絮凝剂：壳聚糖、葡聚糖、明胶、骨胶微生物絮凝剂：糖蛋白，粘多糖，纤维素，核酸第10页/共63页聚丙烯酰胺絮凝剂第11页/共63页影响絮凝的因素絮凝剂的加量絮凝剂的分子量溶液的pH搅拌速度搅拌时间第12页/共63页14.1.2杂蛋白的其他去除方法变性沉淀热变性：适于热稳定物质大幅度调整pH：根据产物特性反向调节，加有机溶剂等电点沉淀第13页/共63页化合法沉淀在酸性溶液中，蛋白质与阴离子形成沉淀，如：三氯乙酸，水杨酸盐，钨酸盐，苦味酸盐，鞣酸盐，过氯酸盐等在碱性溶液中，与阳离子形成沉淀，如：Ag+，Cu2+，Zn2+，Fe3+，Pb2+等第14页/共63页14.1.3高价无机离子的去除Ga2+：加入草酸和草酸盐，生成草酸钙；加入磷酸盐，生成磷酸钙Mg2+：加入草酸；加入磷酸盐，生成磷酸镁；三聚磷酸钠（Na5P3O10），生成可溶性络合物Fe3+：加入黄血盐，生成普鲁士兰沉淀第15页/共63页14.2发酵液的固液分离14.2.1影响固液分离的因素14.2.2过滤定义：在一定的压力差下，利用多孔性介质截留固液悬浮液中的固体粒子，进行固液分离的方法称为过滤。第16页/共63页第17页/共63页第18页/共63页第19页/共63页过滤介质无定形颗粒：无烟煤、砂、颗粒活性炭、铁矿砂等成形颗粒：烧结金属、烧结塑料以及用合成树脂粘结的硅砂、塑料颗粒等，做成圆筒形或板状。非金属织补棉：化学纤维、玻璃纤维织品、长纤维滤布、短纤维滤布。金属织布：不锈钢丝或铁丝等的织布。无纺品：纸、毡、石棉板、合成纤维无纺布等。第20页/共63页过滤设备选择的依据被过滤液体的特性固形物含量1-10％是采用连续式过滤机的极限。生产规模：大规模——连续式小规模——间歇式操作条件操作要求过滤机的材料：食品和药品工业—聚丙烯或聚酯第21页/共63页过滤设备板框过滤机优点：

结构简单、装配紧凑、过滤面积大、允许采用较大的操作压力，辅助设备少，动力消耗小，过滤和洗涤质量好，对固形物含量要求低，材料选择范围广。缺点：

设备笨重、占地面积多、辅助时间长生产效率低。第22页/共63页第23页/共63页

板框过滤机第24页/共63页

真空转鼓过滤机优点：

真空转鼓过滤机具有自动化程度高、操作连续、处理量大。特别适合固体含量大（>10％）的悬浮液的分离，在发酵工业中广泛用于霉菌、放线菌和酵母发酵液或细胞悬浮液的过滤分离。缺点：

由于受真空度的限制，不适于菌体较小和粘度较大的细菌发酵液的过滤，且过滤所得固相的干度不如加压过滤。第25页/共63页第26页/共63页

真空转鼓过滤机第27页/共63页14.2.3离心定义：借助离心机旋转所产生的离心力的作用，促使不同大小，不同密度的粒子分离的技术。第28页/共63页离心力（单位质量）分离因数第29页/共63页粒子的重力沉降速度Stokes定律：

粒子的离心沉降速度第30页/共63页离心分离方法差速离心——工业上最常用的离心分离方法菌体、细胞大小/μm离心力/g实验室工业规模大肠杆菌2-4150013000酵母2-715008000血小板2-45000－红细胞6-91200－淋巴球7-12500－肝细胞20-30800－第31页/共63页第32页/共63页区带离心——多用于生化研究事先在离心管中用某种低分子溶质调配好密度梯度，在密度梯度之上加待处理的料液后进行离心。常用密度梯度物质：

蔗糖、CsCl、NaBr第33页/共63页第34页/共63页实验室常用的转子第35页/共63页碟片式离心机

是传统离心机，为目前工业上应用最广泛的离心机。分离因数可达1000-20000，最大处理量达到300m3/h，常用于大规模的分离过程。适用范围

细菌、酵母菌、放线菌、细胞碎片离心分离设备第36页/共63页第37页/共63页第38页/共63页

管式离心机

管式离心机是一种分离效率很高的离心分离设备，其转鼓细长，可在15000-50000的高转速下工作，分离因数可达104-6×105。它设备简单、操作稳定。适用范围

细胞、细胞碎片、细胞器、病毒、蛋白质、核酸等。特别适合一般分离机难以分离的固形物含量<1%发酵液的分离。第39页/共63页第40页/共63页第41页/共63页

倾析式分离机

是一种靠离心力和螺旋的推动力作用自动连续排渣的离心机。具操作连续、适应性强、结构紧凑和维修方便的优点。分离因数为1500-3000。适用范围

特别适合固形物含量较多的悬浮液的分离。第42页/共63页14.3全发酵液提取全发酵液的提取:从悬浮液中直接提取生化物质膜技术双水相萃取扩张床(膨胀床):expendedbedadsorption第43页/共63页第44页/共63页

膨胀床操作过程第45页/共63页

全发酵液萃取装置第46页/共63页思考题:1.为什么要进行发酵液预处理？2.絮凝和凝聚的定义和区别。常用的絮凝剂3.发酵液分离的主要方法.4.分离和过滤的主要设备有哪些?第47页/共63页5滤饼的比阻：8.23X1014cm/g第48页/共63页15细胞破碎第49页/共63页定义:细胞破碎就是采用一定的方法，在一定程度上破坏细胞壁和细胞膜，设法使胞内产物最大程度地释放到液相中，破碎后的细胞浆液经固液分离除去细胞碎片后，再采用不同的分离手段进一步纯化.第50页/共63页15.1细胞壁的组成和结构微生物细胞壁的化学组成和结构细菌，肽聚糖的网状结构酵母菌：葡聚糖，甘露聚糖，蛋白质真菌：细胞壁更厚植物细胞壁的化学组成和结构初生壁，次生壁具有很高的机械强度第51页/共63页15.2细胞破碎技术机械法和非机械法15.2.1机械法机械法主要是利用高压、研磨或超声波等手段在细胞壁上产生的剪切力达到破碎目的.

包括高压匀浆法,珠磨法和超声破碎法第52页/共63页高压匀浆器影响匀浆破碎的主要因素是压力、温度和通过匀浆器阀的次数。高压匀浆法的适用范围较广，在微生物细胞和植物细胞的大规模处理中常采用.第53页/共63页高速珠磨机(highspcedbeadmill)研磨是常用的一种方法，它将细胞悬浮液与玻璃小珠、石英砂或氧化铝等研磨剂一起快速搅拌，使细胞获得破碎。在工业规模的破碎中常采用高速珠磨机第54页/共63页超声波破碎器超声波处理细胞悬浮液时，破碎作用受许多因素的影响，通常声强和振幅影响很大，但强度太高易使蛋白质变性，频率的变化影响不明显：此外介质的离子强度、pH值、菌体的种类和浓度也有很大的影响.超声波振荡过程中遇到的最大问题就是产生的热量不容易驱散，所以影响了它在大规模工业上的应用，但在实验室和小规模生产中是一种很好的方法第55页/共63页15.2.2非机械法非机械方法很多，包括酶解、渗透压冲击、冻结和融化、干燥法和化学法溶胞等.1)酶解法是利用酶反应，分解破坏细胞壁上特殊的键，从而达到破碎目的。酶解法可以在细胞悬浮液中加入特定的酶，也可以采用自溶作用。酶解法的优点是发生酶解的条件温和、能选择性地释放产物、胞内核酸等泄出量少、细胞外形较完整、便于后步分离等；但酶水解价格高，故小规模应用较广.第56页/共63页渗透压冲击法冻融法干燥法化学法:采用化学法处理可以溶解细胞或抽提胞内组分。常用酸、碱、表面活性剂和有机溶剂等化学试剂。第57页/共63页15.2.3选择破碎方法的依据(1)细胞的处理量(2)细胞壁的强度和结构(3)目标产物对破碎条件的敏感性(4)破碎程度适宜的操作条件应从高的产物释放率，低的能耗和便于后步提取这二方面进行权衡第58页/共63页15.2.4破碎技术研究的方向(1)多种破碎法的结合(2)与