天津科技大学-生物分离工程总结

生物分离工程复习资料一、绪论从发酵液、反应液和培养液中分离、精制有关产品的过程称为生物分离工程（Bio-SeparationsEngineering）亦称下游技术（DownstreamProcessing）生物产品的成本构成•传统液体混合物产品（分离成本约10%）•啤酒、葡萄酒等发酵饮料（简单固液分离和无菌处理）•小分子生物产品（分离成本约30%，分离、精制部分的投资占整个投资的60%）•酒精，丙酮，丁醇，抗生素，有机酸，核酸，酶制剂，单细胞蛋白•生物活性产品（分离成本约占整个生产费用的80%-90%）•动物细胞培养•植物细胞培养•基因工程发酵产品如：疫苗、单克隆抗体（规模小，纯度要求高）原料及产品特性：成分复杂（细胞、代谢物、培养基残余物）目标产物浓度低（1%---10%，杂质含量高）收率低易失活不稳定性收率计算：由于起始浓度低，杂质多，而产品要求纯度高，因此常需好几步操作，其结果使得生物产品的收率较低。例：假设每步操作的收率为90%，若包含3步操作，则总收率为（0.9）=72.9%，若包含6步操作，则总收率真为53.1%。生物分离过程设计的原则：时间短(放罐后必须尽快提取)温度低PH适中清洁卫生，勤清洗消毒。生物安全（bio-safety）问题，要在密闭状态下将菌体排放到指定位置防止菌体扩散。生物下游技术的一般操作流程：发酵液→预处理→固液分离→固：细胞（液：发酵液）→细胞破碎→细胞碎片分离→初步纯化→高度纯化（精制）→成品加工工业应用的生物分离技术回收技术:絮凝，离心，过滤，微过滤。细胞破碎技术:球磨，高压匀浆，化学破碎技术超声波酶初步纯化技术:沉淀，离子交换，萃取，膜分离技术，盐析法，有机溶剂沉淀高度纯化技术:离子交换，结晶，重结晶，各类层析如：亲和，疏水，聚焦，离子交换，凝胶等成品加工喷雾干燥，气流干燥，沸腾干燥，冷冻干燥，结晶细胞碎片的分离（与细胞液比重相差不大，故较难分离）：膜分离、梯度离心、双水相萃取提取方法：吸附、沉淀、萃取、超滤、结晶精制方法：重结晶、离子交换、色谱分离、膜分离成品加工方法：浓缩、干燥、无菌过滤、成型分离效率的评价：评价一个分离过程的效率主要有三个标准。即：目标产物浓缩程度(concentrationfactor)分离纯化程度(separationfactor)回收率(recoveryrate)C-浓度、F-流速下标：T-目标产物、X-杂质、c-原料、p-产品、w-废料例如CTC：指原料中目标产物的浓度FcFp原料分离器产品CTCCTXCTPCXPFWCTWCXW废料mT=CTP/CTCmX=CXP/CXCα=（CTP/CTC）/(CXP/CXC)=mT/mX=AP/ACR=FPCTP/FCCTC×100%R=VPCTP/VCCTC×100%C、P、W分别表示原料、产品和浓缩率m二、预处理预处理的目的：有利于固液分离;变发酵液的物理性质，促进从悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离器的效率（改善发酵液过滤特性）；尽可能使产物转入便于后处理的一相中（多数是液相）；去除发酵液中的部分杂质，以利于后续各步操作。发酵培养液的特性:成分复杂;目标产物浓度低;浮物颗粒小，（相对）密度与液相相差不大，故较难分离；可压缩性大，粘稠，非牛顿流体，流变行为复杂；性质不稳定，随时间发生变化。含有大量杂质。由于所需的产品在培养液和菌体中浓度很低，并与许多杂质夹杂在一起，同时发酵液或生物溶液又属于非牛顿型流体，所以必须进行预处理。常用的改善发酵液过滤特性的方法及原理：加水稀释降低液相粘度提高过滤速率。升温降低液相粘度提高过滤速率。调整PH改变电荷性质和温度，使两性物质溶解度下降，产生絮凝，继而沉淀。凝聚与絮凝采用凝聚与絮凝，促使胶体物质分离。加入助滤剂改变固相可压缩性，助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，主要使滤饼疏松，滤速加大。加入反应剂使某些物质沉淀或分解。若加水一倍，则稀释后液体的粘度必须下降50%以上才能有效提高过滤速率。凝聚：是指在电解质作用下，由于胶粒之间双电层排斥电位的降低而使胶体体系不稳定的现象。胶体脱稳后粒子相互聚集成１mm大小块状凝聚体的过程。絮凝：是指在某些高分子絮凝剂存在下，基于桥架作用，使胶粒形成较大絮凝团的过程。胶体粒子交联成网，形成10mm大小絮凝团的过程。其中絮凝剂主要起架桥作用。可见絮凝颗粒大于凝聚颗粒电解质的凝聚能力可用凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（毫摩尔／升），称为凝聚值。在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质，由于能降低ζ电位和脱除胶粒表面的水化膜，就能导致胶粒间的凝聚作用。菌体和蛋白质表面一般带负电荷，吸引正电荷而形成双电层，加入电解质后，双电层被破坏，使菌体或蛋白质脱稳的过程叫异电离作用。反离子的价数越高，凝聚值就越小，即凝聚能力越强，阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为A13＋＞Fe3+＞H＋＞Ca2十＞Mg2+＞K+＞Na+＞Li+絮凝剂是一种能溶于水的高分子聚合物，当一个高分子聚合物的许多链节分别吸附在不同的胶粒表面上，产生桥架联接时，就形成较大的絮团，这就是絮凝作用。聚丙烯酰胺类絮凝剂有毒，有时絮凝时还加入助凝剂。根据来源不同常用絮凝剂有:有机高分子聚合物无机高分子聚合物天然有机高分子絮凝剂微生物絮凝剂生物催化剂原材料生物反应器检测控制系统机械能、热能空气除菌灭菌提取纯化副产品产品废弃物根据活性基团在水中解离情况不同，可分为非离子型、阴离子型（含有羧基）和阳离子型（含有胺基）三类。对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，采用阳离子高分子絮凝剂，同时具有降低胶粒双电层电位和产生吸附桥架的双重机理，所以可单独使用。对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂，则主要通过分子间引力和氢键作用产生吸附桥架，所以它们常与无机电解质凝聚剂搭配使用。首先加入电解质，使悬浮粒子间的双电层电位降低，脱稳，凝聚成微粒，然后再加入絮凝剂絮凝成较大的颗粒，无机电解质的凝聚作用为高分子絮凝剂的架桥创造了良好的条件，从而大大提高了絮凝的效果。这种包括凝聚和絮凝机理的过程，称为混凝助滤剂是一种不可压缩的多孔微粒，主要使滤饼疏松，滤速加大。使用助滤剂后，悬浮液中大量的细微胶体粒子被吸附到助滤剂的表面上，从而改变了滤饼结构，它们可压缩性下降了，过滤阻力降低了，常用的助滤剂有：硅藻土、纤维素、石棉粉、珍珠岩、白土、炭粒、淀粉等，最常用的是硅藻土助滤剂的使用方法:一种是在过滤介质表面预涂助滤剂；另一种是直接加入发酵液。直接加入发酵液时，需要一个带搅拌器的混合槽，充分搅拌混合均匀，防止分层沉淀。加入反应剂（目的：消除杂质，使杂质沉淀，作为助滤剂，防止菌丝结块）发酵液的相对纯化：发酵液中杂质很多，这些杂质一方面影响产品质量和收得率，另一方面对后继提取和精制有很大的影响。高价无机离子的存在，在采用离子交换法提取时，会影响树脂对生物物质的交换容量。可溶性蛋白质的存在。a.在采用离子交换和吸附法提取时会降低其交换容量和吸附能力。b.在有机溶剂法或双水相萃取时，易产生乳化现象，使两相分离不清。c.在常规过滤或膜过滤时，易使过滤介质堵塞或受污染，影响过滤速率。发酵液中主要的无机离子有Ca2+、Mg2+、Fe3+等。去除钙离子，宜加入草酸。但草酸溶解度较小，故用量大时，可加入其可溶性盐，如草酸钠。反应生成的草酸钙还能促使蛋白质凝固，提高滤液（也称为原液）质量。但草酸价格较贵，应注意回收。草酸的回收：在废液中加入硫酸铅，在60℃下反应生成草酸铅。后者在90一95℃下用硫酸分解，经过滤、冷却、结晶后可以回收草酸。草酸镁的溶解度较大，故加入草酸不能除尽镁离子。要除去镁离子，可以加入三聚磷酸钠Na5P3O10，它和镁离子形成可溶性络合物：Na5P3O10＋Mg2+→MgNa3P3O10＋2Na+用磷酸盐处理，也能大大降低钙离子和镁离子的浓度。要除去铁离子，可加入黄血盐，使形成普鲁士蓝沉淀:4Fe3++3K4Fe(CN)6→Fe4[Fe(CN)6]3↓+12K+杂蛋白质的除去：沉淀法；变性法；吸附法三、固液分离固液分离的方法很多，在生物工业中常用的有如下几种：分离筛、重力沉降、浮选分离、离心分离、介质过滤。重点掌握的是离心分离和过滤分离重力沉降：利用重力作用，使重于液体的固体沉淀而分离。特点：①不能获得较干的固体，常用于大量料液的浓缩②适用于固体颗粒大，液固比重差大的场合③运转费用少，占地面积大④添加凝聚剂可帮助沉淀。实例：①培养基沉清——如酵母厂糖蜜处理②味精厂采用等电点法从发酵液中提取谷氨酸③酶制剂厂用盐析未能提取酶蛋白。浮选分离：在悬浮液中通气，使固体颗粒附着于气泡表面而除去。悬浮液——细小颗粒附着于气体表面——刮去气泡→通入空气适应性：用于液固比重差小，颗粒约5-30um的场合。实例：酒精糟液二级分离，污水处理等。离心分离：利用离心力使固液分离。离心沉降——分离1um-1mm之间的颗粒；离心过滤——分离大于100um的颗粒。介质过滤：利用介质拦截或吸附颗粒物重力过滤——重力真空过滤——真空力加压过滤——外在压力固体中水分除去方法的能耗：介质过滤离心浓缩传导干燥对流干燥能耗逐渐增加过滤分离：按过滤原理的不同，过滤方法基本上可分为两种：澄清过滤——过滤介质起主要的过滤作用；滤饼过滤——滤饼起主要的过滤作用澄清过滤：藻土过滤机原理：悬浮液通过过滤层时，固体颗粒被阻拦或吸附在滤层颗粒上而得以澄清。悬浮液——通过颗粒滤层——.阻拦或吸附作用——澄清适应性：固形物含量少0.1%(v)），颗粒直径在5-100um的悬浮液。如污水、麦芽汁、酒类饮料等。滤饼过滤：原理：当悬浮液通过滤布时，料液中的固体颗粒被阻拦，而逐渐形成滤饼，滤饼至一事实上厚度时即起过滤作用，使悬浮液得以澄清。悬浮液——通过滤布——形成滤饼——澄清过滤设备的选择，选择过滤设备时，要充分研究各方面的条件，然后决定最经济的过滤机，一般情况下，主要从以下几方面考虑：①被过滤液的固形物含量②生产规模③操作条件④操作要求①被过滤液的固形物含量A．固形物含量20%。在数秒钟内即可成50mm以上厚度的滤饼。大型生产——连续真空过滤机，带式过滤机小型生产——吸滤槽B．固形物含量10-20%，在30秒到几分钟内形成50mm厚的滤饼。大型生产——连续真空转鼓过滤机，圆盘式过滤机小型生产——吸滤槽、板框过滤机C．固形物含量1-10%，多采用间歇式板框过滤机D．固形物含量0.1-1%，预涂助滤剂的间歇式过滤设备E．固形物含量0.1%，采用澄清过滤②生产规模：大规模生产——连续式小规模生产——间歇式③操作条件挥发性，有毒物料——封闭式温度高，产蒸气较多时——不宜采用真空过滤④操作要求料液的腐蚀性（PH，含氯离子等）通常真空过滤机的耐磨蚀问题比加压过滤机更难处理，加工制作复杂。过滤介质的种类很多，主要有以下几种：①颗粒：砂，颗粒活性碳、硅藻土、铁矿砂等。充填于过滤器内作澄清过滤。②成型颗粒：烧结或粘结的金属、塑料、硅砂等。做成圆柱形成板状用于澄清过滤。③天然或合成纤维织布：棉、化纤、玻璃纤维的织成品，用于滤饼过滤。④金属织布：不锈钢丝等织布，主要用于预涂助滤剂的场合。⑤无纺品：石棉板，下班纤维纸等，用于精密过滤。过滤有两种基本方式，即恒压过滤与恒速过滤，而实际生产中的过滤方式大多为逐渐升高压力，且允许滤速下降的所谓变压差、变滤速的过程，这种过滤过程较为复杂，在设计计算中，一般都按一个等效的恒压差过程来计算。恒压过滤——压差一定，滤速逐渐下降恒速过滤——滤速一定，压差逐渐上升变压差，变滤速过滤——前期压力逐渐升高，后期滤速逐渐下降等效的恒压差过滤——按恒压差过滤计算常用过滤设备：①板框过滤机②真空转鼓过滤机③硅藻土过滤机离心分离：与介质过滤比较，离心分离具有如下特点：①适应性广，可分离液—液，液—固，淮—液—固系统②滤液澄清度较好③对粘性悬浮液和可压缩滤饼有较好的适应性④固相干度较差⑤不适于液固比重差较少的场合。⑥能耗高，设备投资较大离心分离因素：离心加速度与重力加速度比称为离心分离因素。f=n2R/g式中：R——旋转半径