生物工艺学第九章生物产品分离及纯化技术.ppt

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国家十一五规划教材国家十一五规划教材生物工艺学生物工艺学（邱树毅主编）配套课件（邱树毅主编）配套课件共67页第2页目录目录目录第一章绪论第一章绪论第二章工业微生物菌种选育、制备与保藏第二章工业微生物菌种选育、制备与保藏第三章工业培养基及其设计第三章工业培养基及其设计第四章生物工艺过程中的无菌技术第四章生物工艺过程中的无菌技术第五章第五章生物反应动力学生物反应动力学第六章第六章发酵过程原理发酵过程原理第七章第七章生物反应器及生物工艺过程的放大生物反应器及生物工艺过程的放大第八章第八章生物反应过程参数检测与控制生物反应过程参数检测与控制第九章第九章生物产品分离及纯化技术生物产品分离及纯化技术第十章第十章生物产品工艺学及应用生物产品工艺学及应用共67页第3页目录第九章第九章生物产品分离及纯化技术生物产品分离及纯化技术9.19.1概述概述9.1.19.1.1生物分离过程的特点生物分离过程的特点9.1.29.1.2生物物质分离的一般步骤生物物质分离的一般步骤9.29.2发酵液的预处理发酵液的预处理9.2.19.2.1加热加热9.2.29.2.2凝聚和絮凝凝聚和絮凝9.2.39.2.3调节调节pHpH9.2.49.2.4加入价廉的无机盐类加入价廉的无机盐类9.2.59.2.5加入助滤剂加入助滤剂9.39.3生物物质固生物物质固-液分离技液分离技术术9.3.19.3.1发酵液的过滤分离发酵液的过滤分离9.3.29.3.2发酵液的离心分离发酵液的离心分离9.49.4微生物细胞的破碎与分离微生物细胞的破碎与分离9.4.19.4.1机械法机械法9.4.29.4.2非机械法非机械法9.59.5生物物质的分离与提取生物物质的分离与提取9.5.19.5.1沉淀法沉淀法9.5.29.5.2吸附法吸附法9.5.39.5.3离子交换法离子交换法9.5.49.5.4萃取法萃取法9.69.6生物物质纯化与精制技术生物物质纯化与精制技术9.6.19.6.1色谱分离色谱分离9.6.29.6.2膜分离技术膜分离技术9.6.39.6.3结晶技术结晶技术9.6.49.6.4生物产品的干燥生物产品的干燥共67页第4页目录生物产品是通过生物分离技术从微生物发酵的发酵液、动植物细胞培养的培养液、酶反应液及生化产品中提取分离、加工精制而得。

近20年来随着生物技术产业的发展，以及越来越多的具有活性和热敏性生物产品需要分离。

生物产品分离及纯化技术是生物技术中必不可少的极为重要的过程环节。

9.19.1概述概述9.1.19.1.1生物分离过程的特点生物分离过程的特点:

生物物质分离技术的手段多种多样。

生物物质分离的技术难度比一般化工产品的大。

因为被提取物浓度低，被提取物杂质多，被提取物的稳定性差，分离提取的技术复杂，费用大。

生物物质分离技术具有一定的弹性。

生物变异性大，各批发酵液不尽相同，发酵液的放罐时间也不一样。

共67页第5页目录9.1.29.1.2生物物质分离的一般步骤生物物质分离的一般步骤生物分离技术笼统的四步骤：

生物分离技术笼统的四步骤：

预处理和固液分离：

过滤和离心操作常用于此过程。

如果产物在细胞内，收集细胞后就还要进行细胞的破碎和细胞碎片的分离。

杂质粗分（初步分离）：

用吸附和溶剂萃取等方法。

纯化：

通常利用色谱法、膜过滤法等。

精制：

获得最终产品，通常采用结晶法。

大部分产品还必须进行干燥处理。

设计某一具体产品分离提取工艺时应注意设计某一具体产品分离提取工艺时应注意：

所提取物是胞内产物还是胞外产物；产物和主要杂质的浓度；产物和主要杂质的物理化学特性及差异；产品的用途和质量标准；产品的市场价格；废液的处理方法等。

共67页第6页目录9.29.2发酵液的预处理发酵液的预处理9.2.19.2.1加热加热液体粘度是温度的函数，加热可降低液体粘度，可改善发酵液的过滤特性。

加热是蛋白质变性凝固的有效方法，柠檬酸发酵液加热至80以上，可使蛋白质变性凝固，从而大大提高过滤速度加热处理只适用于对热较稳定的液体。

微生物发酵的发酵液中，发酵产物浓度较低，大多为1%10%，发酵液中大部分是水，发酵液中固体粒子的性质差异很大。

发酵液预处理的目的在于改变发酵液中固体粒子的物理特性，除去高价无机离子和杂蛋白质，降低液体粘度和密度，实现后面的有效分离。

共67页第7页目录近年来发展了许多种类有机高分子聚合物絮凝剂，它们具有长链状结构，是一种水溶性聚合物，相对分子质量可高达数万至一千万以上，在长链节上含有许多活性功能团，有带电荷基团和不带电荷非离子型基团。

9.2.29.2.2凝聚和絮凝凝聚和絮凝凝聚凝聚是在中性盐作用下，由于双电层排斥电位的降低，而使胶体体系不稳定的过程。

絮凝絮凝是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于架桥作用，使胶粒形成较大的絮凝团的过程。

凝聚和絮凝技术能有效改变细胞、细胞碎片及溶解大分子物质的分散状态，使其聚结成较大的颗粒，便于提高过滤速率。

添加适量的凝聚剂和絮凝剂。

可有效地改变悬浮粒子的分散度，使其聚集成较大的颗粒，便于过滤，常用于细小菌体且粘度较大的发酵液预处理中。

有机高分子聚合物絮凝剂有机高分子聚合物絮凝剂共67页第8页目录9.239.23调节调节pHpHpH值直接影响发酵液中某些物质的电离度和电荷性质，适当调节pH值便可改变其过滤特性。

蛋白质属两性电解质，两性电解质在溶液中的pH值处于等电点时分子表面净电荷为零，导致赖以稳定的双电层及水化膜的消弱或破坏，分子间引力增加，溶解度最小。

因此，调节溶液的pH，使两性溶质的蛋白质溶解度下降析出。

如味精生产中就是利用等电点（pI3.22）沉淀法提取谷氨酸的。

9.249.24加入价廉的无机盐类加入价廉的无机盐类如除去钙离子，可加入草酸钠，生成的草酸钙能促进蛋白质凝固，提高溶液质量。

除去镁离子，可加入三聚磷酸钠，它与镁离子形成不溶性络合物。

用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子的浓度。

除去铁离子，可加入黄血盐，使其形成普鲁士蓝沉淀。

共67页第9页目录9.2.59.2.5加入助滤剂加入助滤剂助滤剂是一种具有特殊性能的细粉或纤维，它能疏松滤饼降低了滤饼的可压缩性使滤速加快。

选择和使用助滤剂应考虑以下要点：

助滤剂的粒度助滤剂的粒度:

选择粒度时应根据悬浮液中的颗粒和滤液的澄清度通过试验确定，一般情况颗粒大，过滤速度快，但滤液澄清度差，反之颗粒小，过滤阻力大，澄清度高。

助滤剂的品种助滤剂的品种:

根据过滤介质选择助滤剂品种。

助滤剂用量助滤剂用量:

间歇操作时，助滤剂预涂层的最小厚度是2mm。

连续操作时根据过滤速度和产品浊度来确定。

另外，若助滤剂中某些成分会溶于酸性或碱性液体，对产品有影响时，使用前对助滤剂应进行酸洗或碱洗。

共67页第10页目录最常用的固液分离主要是最常用的固液分离主要是过滤过滤和和离心分离离心分离。

膜分离技术膜分离技术是目前新兴的固液分离方法。

是目前新兴的固液分离方法。

过滤过滤是目前工业生产中用于固液分离的主要方法，其原是目前工业生产中用于固液分离的主要方法，其原理是理是使液体通过固体支撑物或过滤介质，把固体截留，使液体通过固体支撑物或过滤介质，把固体截留，从而从而达到固液分离的目的。

达到固液分离的目的。

按过滤时料液流动方向的不同按过滤时料液流动方向的不同，分为，分为常规过滤常规过滤（料液流（料液流动方向与过滤介质垂直）和动方向与过滤介质垂直）和错流过滤错流过滤（料液流动方向与过滤（料液流动方向与过滤介质平行）。

介质平行）。

离心分离离心分离是是利用惯性离心力和物质的沉降系数或浮力密利用惯性离心力和物质的沉降系数或浮力密度的不同而进行的分离、浓缩度的不同而进行的分离、浓缩等操作。

离心分离等操作。

离心分离对那些固体对那些固体颗粒很小且粘度很大、过滤速度很慢甚至难以过滤的悬浮液颗粒很小且粘度很大、过滤速度很慢甚至难以过滤的悬浮液分离有效，对那些忌用助滤剂的悬浮液的分离，也能得到满分离有效，对那些忌用助滤剂的悬浮液的分离，也能得到满意的结果。

意的结果。

9.39.3生物物质固生物物质固-液分离技术液分离技术共67页第11页目录9.3.19.3.1发酵液的过滤分离发酵液的过滤分离在过滤操作中要求对介质选择及操作条件进行优化，才能在过滤操作中要求对介质选择及操作条件进行优化，才能使滤速快，滤液澄清并且有高的收率。

使滤速快，滤液澄清并且有高的收率。

过滤介质选择过滤介质选择过滤介质除过滤作用外，还是滤饼的支撑物。

它应具有足过滤介质除过滤作用外，还是滤饼的支撑物。

它应具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力。

够的机械强度和尽可能小的流动阻力。

过滤介质技术特性过滤介质技术特性包括包括过滤介质所能截留的固体粒子的大小过滤介质所能截留的固体粒子的大小和和对滤液的透过性对滤液的透过性。

过滤介质所能截留的固体粒子的大小过滤介质所能截留的固体粒子的大小通常以过滤介质的通常以过滤介质的孔孔径径表示。

如纤维滤布所能截留的最小粒子约表示。

如纤维滤布所能截留的最小粒子约1010mm，硅藻土为，硅藻土为llmm，超滤膜可小于，超滤膜可小于0.50.5mm。

过滤介质的。

过滤介质的透过性透过性是指在一定的是指在一定的压力差下，单位时间单位过滤面积上通过滤液的体积量，它取压力差下，单位时间单位过滤面积上通过滤液的体积量，它取决于过滤介质上毛细孔径的大小及数目。

决于过滤介质上毛细孔径的大小及数目。

工业上常用的过滤介质主要有：

工业上常用的过滤介质主要有：

织物介质织物介质（如滤布如滤布,其其过滤过滤性能受性能受纤维的特性、纤维的特性、编织纹法和线型影响编织纹法和线型影响），粒粒状介质状介质（如硅藻土等如硅藻土等），多孔固体介质多孔固体介质（如如多孔陶瓷、多孔玻璃、如如多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料多孔塑料）。

种种类最高安全温度最高安全温度/密度密度/（kg/m3）吸水率吸水率/%耐磨性耐磨性棉尼纶涤纶92105-12014515511413816-226.5-8.30.04-0.08良优优纹法法滤液澄液澄清度清度阻力阻力滤饼中含中含水水滤饼脱落脱落难易易寿寿命命堵孔堵孔倾向向平纹斜纹缎纹依次下降依次下降依次减少依次变易中长短依次变易纤维的特性纤维的特性编织纹法和线型编织纹法和线型共67页第12页目录平纹平纹斜纹斜纹缎纹缎纹共67页第13页目录过滤速度的强化过滤速度的强化发发酵酵液液多多数数属属于于非非牛牛顿顿型型液液体体，滤滤渣渣又又是是可可压压缩缩性性的的，所以过滤速度很慢的所以过滤速度很慢的。

提高过滤速度方法提高过滤速度方法:

降降低低滤滤饼饼比比阻阻力力rr00：

如如添添加加电电解解质质、絮絮凝凝剂剂、凝凝固固剂剂等等，还可以添加硅藻土等助滤剂。

还可以添加硅藻土等助滤剂。

降降低低滤滤液液粘粘度度：

粘粘度度愈愈低低，过过滤滤阻阻力力愈愈小小。

对对某某些些非非热敏性液体可采用提高温度的方法降低其粘度。

热敏性液体可采用提高温度的方法降低其粘度。

降降低低悬悬浮浮液液中中悬悬浮浮固固体体的的浓浓度度xx00如如果果不不计计滤滤布布阻阻力力，即即过滤速度与获得单位体积滤液所形成的滤饼体积成反比。

过滤速度与获得单位体积滤液所形成的滤饼体积成反比。

热热处处理理：

热热处处理理能能使使蛋蛋白白质质等等胶胶体体粒粒子子变变性性凝凝固固，滤滤液液黏度降低，使过滤速度大为提高。

黏度降低，使过滤速度大为提高。

共67页第14页目录对于可压缩性滤饼，对于可压缩性滤饼，滤饼比阻力滤饼比阻力rr00=f=f（PP）rr00为为滤饼比助力；滤饼比助力；PP为过滤压力差为过滤压力差如果发酵液的滤饼是高度可压缩性的，在如果发酵液的滤饼是高度可压缩性的，在PP低于某一低于某一值时，提高值时，提高PP，可以提高过滤速率；当，可以提高过滤速率；当PP超过这一值时，超过这一值时，继续增加继续增加PP，rr00会同倍数增加，不会提高过滤速率。

会同倍数增加，不会提高过滤速率。

所以在过滤发酵液时，最忌一开始就加大过滤压力差所以在过滤发酵液时，最忌一开始就加大过滤压力差PP，这样会在滤布表面形成一层紧密的滤饼层，使过滤速，这样会在滤