57分离工程 期中复习

2010-04-201《《分离工程与技术分离工程与技术》》王龙耀江苏工业学院化工系江苏工业学院化工系第第一一章章绪绪论论本章内容•概论•分离工程的发展历程•分离过程和分离工程的定义•分离工程及其研究内容•分离原理•特点•一般流程•研究进展3.13.1、分离、分离工程及其研究内容工程及其研究内容1)以物理化学、化工原理、传递过程、生物化学、微生物学等为理论基础2)研究生物物质分离过程的工业化开发和设计中遇到一些带有共性的技术问题3)研究内容：•适宜分离方法的选择•分离工艺流程和操作条件的确定及优化•分离设备的选型与设计3.23.2分离分离工程研究的重要性工程研究的重要性分离占产品总成本60%-90%传统发酵工业占60%基因产品占80~90%关系到产品效益，新产品开发以及环境保护，因此必须仔细考虑和设计产品的回收和纯化过程生产领域瓶颈产业化制约技术以“三传”为物理内核的化工单元操作流体输送搅拌过滤与沉降流态化气体液化液体汽化蒸发浓缩加热冷却结晶精馏气固吸附液液萃取气液吸收喷雾干燥动量传递质量传递热量传递1)物理性质•力学性质：重力、离心力、筛分；•热力学性质：状态变化、相平衡；•传质性质：粘度、扩散、热扩散；•电磁性质：电泳、电渗性、磁化。3.43.4、分离过程原理、分离过程原理2010-04-20222）化学性质）化学性质化学热力学：化学平衡；化学反应动力学：反应速率；化学解离性质：极化、离子化3.43.4、分离过程原理、分离过程原理33）生物学性质）生物学性质生物分子识别：生物亲和作用、生物学识别；生物输送性质：生物膜输送；生物反应、控制：酶反应、免疫系统。3.43.4、分离过程原理、分离过程原理3.4分离过程原理平衡分离过程：根据当体系处于平衡时物质在不同相态（气液、气固、液固等）中浓度不同而实现分离，如蒸馏、吸收、萃取、吸附、结晶等速率分离过程：根据物质分子在外力作用下迁移速率不同而实现分离，如膜分离、电泳等场作用分离过程：根据场对物体的不同作用而实现分离，如重力场、电场、磁场等机械分离过程：根据物体颗粒尺寸不同而实现分离，如筛分和过滤等其它分离过程：如反应消除、生物富集等3.5、分离的一般步骤和单元操作去除与目标产物差异不大的杂质固液分离去除与目标产物差异很大的杂质3.63.6、分离、分离工程的特点工程的特点1）物料体系复杂，分离过程复杂困难♣固体成分：完整有机体、培养基及底物中的不溶物♣液体成分：底物可溶物、代谢中产物及目标产物♣多相、非牛顿流体一般工业发酵液中的不溶性组分悬浮固体（10～1000um）昀小可见粒子（25～50um）胶体粒子（100～1000nm）菌体（300～10000nm）蛋白质/多聚糖（2～10nm）有机酸和糖等小分子（0.4～1.2nm，100～1000D）无机离子（10～100D）水（18D）木屑、石子、丝状物及焊渣等固形颗粒分分离离工工程程的的特特点点2010-04-2032）产品质量要求高（纯度，安全性，生物活性）；分离过程步骤多，收率低分分离离工工程程的的特特点点3)目标产物浓度低、杂质含量高（结构性质相似）a、受生产条件制约（氧传递等）b、受催化剂制约C、产物抑制原料液往往是产物浓度很低的水溶液分批操作，稳定性差分分离离工工程程的的特特点点4)目标产物分离过程精细，成本高分分离离工工程程的的特特点点分分离离工工程程的的特特点点5）产品多种多样，导致分离方法多样6）目标产物稳定性差♣a化学降解(pH,温度);♣b微生物降解（酶作用，染菌）MoleculartypeNumberofspeciesAntibiotics85Aminoacids18Enzymes15Organicacidsandsolvents11Vitamins,yeast,growthfactors,nucleotides6Miscellaneous-dextrans,steroidbiooxidations8Total143CPC盐生产工艺发酵液过滤离子交换解吸液澄清液树脂吸附CPC盐结晶解析液带晶料液滤晶干燥湿晶CPC盐干粉发酵分装连续型离子交换系统多功能(过滤洗涤干燥)设备3.8、分离过程的选择依据与准则①产品价值②产品质量、规格、形式（浓度,纯度,晶型）③物料组成④产物在生产过程中出现的位置(次序合理,步聚少)⑤物性(溶解度,荷电,尺寸,功能团,稳定性,挥发性，毒害危险性)⑥生产规模，不同分离方法的技术经济比较⑦三废处理（BOD,COD,菌体,毒害物）降低成本－－质量与收率兼顾2010-04-2043.93.9分离效率评价分离效率评价不同角度出发有不同的分离效率评价方法和评价指标从分离方法和装置角度：分离容量、分离速度、分辨率从产品角度：浓缩比、纯化程度、回收率3.93.9分离效率评价分离效率评价3.93.9分离效率评价分离效率评价3.93.9分离效率评价分离效率评价产品CTP,CXP废料CTW,CXW思思考考题题1.何为分离工程？其主要研究那些内容？2.分离技术依据的分离原理有哪些？3.分离工程有那些特点？简述分离过程的一般流程？4.膜分离/树脂吸附技术目前有哪些新的进展？第二讲细胞的破碎2010-04-205许多生物产物在细胞培养过程中不能分泌到胞外的培养液中，滞留在细胞内。胞内产品:碱性磷酸酯酶，基因工程产物，植物细胞产物等细胞破碎目的：破坏细胞壁和细胞膜(增大通透性)，使目标产物选择性的释放到培养液中。破碎细胞离心后，取上清液进一步分离纯化。大多数情况下，抗生素，胞外酶，大多数情况下，抗生素，胞外酶，一些多糖，及氨基酸等目标产物一些多糖，及氨基酸等目标产物存在于在发酵液中。在上述过程存在于在发酵液中。在上述过程中，需被分离的菌体细胞可被看中，需被分离的菌体细胞可被看作一种副产物来处理，因此可以作一种副产物来处理，因此可以直接分离和纯化产物。直接分离和纯化产物。为何进行细胞破碎？细胞本身：单细胞蛋白（SCP）细胞破碎－－概述细胞破碎（cellDisruption）技术是指利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内容物包括目的产物成分释放出来的技术。细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成的非分泌型生化物质（产品）的基础。随着重组DNA技术和组织培养技术上的重大进展，以前认为很难获得的胞内产物现在可以大规模生产。动植物和微生物的细胞结构差别很大动物细胞没有细胞壁，只有细胞膜植物和微生物细胞具有细胞壁细胞膜使细胞内外保持特定的浓差，主要由蛋白质和脂质组成，强度较差，易受渗透压冲击而破碎细胞壁支撑和保护细胞，由坚固的骨架——肽聚糖组成，使细胞具有一定的形状和强度，较坚韧细胞结构细胞破碎的主要阻力来自于细胞壁－－壁结构交联的紧密程度和它的厚度－－肽聚糖的网状结构3.1细胞壁的组成与结构1、革兰氏阴性菌：肽聚糖层较薄（1.5－2.0nm），外面有较厚的外壁层（8—10nm），外壁层主要由脂蛋白，脂多糖组成3.1细胞壁的组成与结构2、革兰氏阳性菌：细胞壁厚15－50nm，肽聚糖占40％一90％，其余是多糖和磷壁酸1、革兰氏阴性菌：肽聚糖层较薄－－易破碎2、革兰氏阳性菌：肽聚糖层厚－－难破碎3.1细胞壁的组成与结构2010-04-2063、酵母菌：细胞壁的主要成分为葡聚糖与甘露聚糖以及蛋白质等，比革兰氏阳性菌稍厚，面包酵母的细胞壁厚度约为70nm，而且其厚度随菌龄增加而增加。研究表明：有可能仅有一部分厚度对酵母细胞壁的刚性和强度起重要作用。3.1细胞壁的组成与结构M：甘露聚糖；P：1，6－磷酸二酯键；G：葡聚糖三层三维网状结构不同细胞壁比较微生物G+G-酵母菌霉菌壁厚/nm较厚（20-80）较薄（10-13）厚（100-300）厚（100-250）层次单层多层多层多层主要结构肽聚糖多层网状结构（多糖链借短肽交联而成）肽聚糖单层网状结构葡聚糖层（里）蛋白质交联甘露糖层（外）网状结构几丁质与纤维素结构似（多聚糖或纤维素的纤维状结构）3.1细胞壁的组成与结构细胞破碎机理图3.2细胞破碎方法1、细胞破碎方法分类1)机械破碎法（高压匀浆法、高速珠磨法、超声波法等）2)非机械破碎法（化学法、酶解法、渗透压法、冻融法、干燥法等）3.2细胞破碎方法破碎细胞必须克服网状结构的共价键。各种微生物的细胞壁的结构和组成差异很大，壁结构不仅取决于遗传信息，也取决于生长的环境，如真菌的壁结构随发酵罐中混合的机械作用而变化。在用酶法或化学法来溶解细胞壁时，细胞壁的结构和组成显得特别重要，可用来作为选择溶菌酶和化学方法的依据。细胞的破碎方法2、酶解法1)定义—利用酶促反应分解细胞壁上的键而达到细胞破碎的过程2)原理外源性酶解—溶菌酶、糖苷酶（β-1,4、β–1,6）、葡聚糖酶、甘露聚糖酶、蛋白水解酶、α-淀粉酶、纤维素酶、脂酶等内源性酶解（自溶）——温度、pH、时间、缓冲液浓度、激活剂等3.2细胞破碎方法－－非机械破碎法2010-04-207酶选择性的催化细胞壁反应，不破酶选择性的催化细胞壁反应，不破坏细胞内的其它物质。坏细胞内的其它物质。溶菌酶是应用昀多的酶，它能专一地分解细胞壁上糖蛋白分子的β一l，4糖苷键，使脂多糖解离，经溶菌酶处理后的细胞移至低渗溶液中使细胞破裂。溶菌酶适用于革兰氏阳性菌细胞壁的分解。对于革兰氏阴性菌需辅以EDTA。真核细胞的细胞壁需采用不同的酶。蜗牛酶适于酵母细胞的处理自溶作用通过调节温度、pH或添加有机溶剂，诱使细胞产生溶解自身的酶的方法也是一种酶溶法，称为自溶。自溶作用是酶解的另一种方法微生物代谢过程中，大多数都能产生一种能水解细胞壁上聚合结构的酶，以便使生长过程进行下去。改变微生物的环境，可以诱发产生过剩的这种酶或激发产生其它的自溶酶，以达到自溶目的。应用：用酶溶法剥离细胞壁，将原生质体进行融合，细胞工程常用的方法。酶溶法处理细胞存在的问题：①存在酶产物的抑制问题，使胞内物质释放率降低。②酶价高，限制了大规模应用。目前仅用于实验室规模。③通用性差，不同的菌株用不同的酶。机械法与非机械法破碎的比较项目机械法非机械法机理切碎细胞溶解局部壁膜内含物释放全部部分（有选择）碎片大小细小较大粘度高低设备专用无应用范围工业化、实验实验研究3.2细胞破碎方法破碎方法的比较物理法和化学法的比较物理破碎法缺点：A、高能、高温、高噪音、高剪切力(四高)，易使产品变性失活；B、非专一性，胞内产物均释放，分离纯化困难；C、细胞碎片大小不一，难分离。化学破碎法缺点：A、费用高；B、引起新的污染，尤其是其他化学方法；C、一般只有有限的破碎，常需与其他物理法连用。2010-04-208机械粉碎法：处理量大，破碎速度较快。细胞受到由高压产生的高剪切力，大多数情况下要采取冷却措施，以便除去由于消耗机械能而产生的过多热量，防止生化物质破坏酶解需要选择适宜的酶和酶系统，并要决定特定的反应条件，还常附加其它的处理，如辐照、加高浓度盐及EDTA，或者利用生物因素等促使微生物对酶解作用敏感，以获得一定的效果。选择合适的破碎方法需要考虑的因素：细胞的数量，目的产物对破碎条件（温度、化学试剂、酶等）的敏感性；破碎程度及破碎速度等。机械法与非机械法破碎的比较3.2细胞破碎方法每一步都应注意全面考虑操作度、对细胞的剪切程度、蛋白酶的失活作用等。在选择细胞破碎时也要考虑后面的各步。细胞破碎是为目标产物的释放创造条件，为了昀大程度的获得活性产物，而不是昀终目的。破碎方法的选择选择的一般原则A、提取产物在细胞质内，用机械法破碎B、提取产物在细胞膜附近，用化学法C、提取产物与细胞膜和细胞壁结合，可采用化学法和机械法结合的方法破碎技术杂交研究应注意的问题A、杂交技术可产生很大优势。B、破碎技术对下游分离技术的影响。破碎颗粒清除，产物的分离纯化C、在发酵阶段，考虑到发酵过程和环境对破碎难易程度的影响D、菌种的培育，胞内产物胞外产物由于细胞之间及目标产物之间性质差异很大，已有的破碎理论、破碎实验数据只能作为指导破碎操作的参考依据。实际的破碎操作仍凭经验