发酵产物的提取与精制

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1、第七章产物的提取与精制概论概论v下游加工过程在发酵工程中的地位下游加工过程在发酵工程中的地位v下游加工过程的定义下游加工过程的定义 发酵产品系通过微生物发酵过程、酶反应过发酵产品系通过微生物发酵过程、酶反应过程或动植物细胞大量培养获得。从上述发酵液、程或动植物细胞大量培养获得。从上述发酵液、反应液或培养液中分离、精制有关产品的过程反应液或培养液中分离、精制有关产品的过程称为下游加工过程称为下游加工过程(Down stream processing)。它由一些化学工程的单几操作。它由一些化学工程的单几操作组成，但由于生物物质的特性，有其特殊要求，组成，但由于生物物质的特性，有其特殊要求，而且其中

2、某些单元操作一般化学工业中应用较而且其中某些单元操作一般化学工业中应用较少。少。v地位地位传统发酵工业传统发酵工业(如抗生素、乙醇、柠如抗生素、乙醇、柠檬酸檬酸)，分离和精制部份占整个工厂，分离和精制部份占整个工厂投资费用的投资费用的60%。对重组对重组DNA发酵、精制蛋白质的费发酵、精制蛋白质的费用可占整个生产费用的用可占整个生产费用的80%90%。v下游加工过程的特点下游加工过程的特点v1、成分复杂：细胞、代谢产物、残余培养基、成分复杂：细胞、代谢产物、残余培养基v2、产品浓度低：传统发酵一般、产品浓度低：传统发酵一般110v3、失活问题、失活问题v4、不稳定性、不稳定性v5、纯度和生物安

3、全问题、纯度和生物安全问题v6、收率低：、收率低：50左右左右发酵工业下游技术的一般工艺过程发酵工业下游技术的一般工艺过程v下游加工过程由各种化工单元操作组成。下游加工过程由各种化工单元操作组成。由于生物产品品种多，性质各异，故用到由于生物产品品种多，性质各异，故用到的单元操作很多，其中如蒸馏、萃取、结的单元操作很多，其中如蒸馏、萃取、结晶、吸附、蒸发和干燥等属传统的单元操晶、吸附、蒸发和干燥等属传统的单元操作，理论比较成熟，而另一些则为新近发作，理论比较成熟，而另一些则为新近发展起来的单元操作，如细胞破碎、膜过程展起来的单元操作，如细胞破碎、膜过程和色层分离等，缺乏完整的理论，介于两和色层分

4、离等，缺乏完整的理论，介于两者之间的有离子交换过程等。者之间的有离子交换过程等。一般工艺过程一般工艺过程v一般说来，下游加工过程可分为一般说来，下游加工过程可分为4个个阶段：培养液阶段：培养液(发酵液发酵液)的预处理和固的预处理和固液分离；初步纯化液分离；初步纯化(提取提取)；高度纯化；高度纯化(精制精制)；成品加工。；成品加工。v工艺过程的划分：工艺过程的划分：预处理和固液分离预处理和固液分离 ：目的是除去发酵液中的菌体细胞目的是除去发酵液中的菌体细胞和不溶性固体杂质。和不溶性固体杂质。初步分离初步分离 ：目的是除去与产物性质差异较大的杂质，为：目的是除去与产物性质差异较大的杂质，为后道精制

5、工序创造有利条件后道精制工序创造有利条件 高度纯化高度纯化 ：去除与产物的物理化学性质比较接近的杂质。：去除与产物的物理化学性质比较接近的杂质。成品制作成品制作 ：成品形式由产品的最终用途决定。：成品形式由产品的最终用途决定。 v选择下游加工工艺的原则选择下游加工工艺的原则：是胞内产物还是胞外产物是胞内产物还是胞外产物 原料中产物和主要杂质浓度原料中产物和主要杂质浓度 产物和主要杂质的物理化学特性及差异产物和主要杂质的物理化学特性及差异 产品用途和质量标准产品用途和质量标准 产品的市场价格产品的市场价格 废液的处理方法等废液的处理方法等 第一节第一节 发酵醪的预处理和菌体分离发酵醪的预处理和菌

6、体分离目目 的的v（1）改变发酵液的物理性质，促进悬浮液中分）改变发酵液的物理性质，促进悬浮液中分离固形物的速度，提高固液分离器的效率离固形物的速度，提高固液分离器的效率v（2）尽可能使产物转入便于后处理的某一相中）尽可能使产物转入便于后处理的某一相中（多数是液体）（多数是液体）v（3）去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步）去除发酵液中部分杂质，以利于后续各步操作。操作。一、一、 发酵液的预处理发酵液的预处理v采用理化方法设法增大虚浮液中固体粒子采用理化方法设法增大虚浮液中固体粒子的大小、或降低粘度，以利于过滤。的大小、或降低粘度，以利于过滤。v去除会影响后续提取的高价无机离子。去除会影响后续

7、提取的高价无机离子。v发酵醪预处理的要求发酵醪预处理的要求:v（1）菌体的分离）菌体的分离v（2）固体悬浮物的去除）固体悬浮物的去除v（3）蛋白质的去除）蛋白质的去除v（4）重金属离子的去除）重金属离子的去除v（5）色素、热原质、毒性物质等有机杂质的去除）色素、热原质、毒性物质等有机杂质的去除v（6）改变发酵醪的性质）改变发酵醪的性质v（7）调节适宜）调节适宜pH值和温度值和温度预处理的方法预处理的方法1，凝聚和絮凝技术凝聚和絮凝技术2，杂蛋白质的去除，杂蛋白质的去除3 3，高价无机离子的去除方法高价无机离子的去除方法（一）凝聚和絮凝技术（一）凝聚和絮凝技术v凝聚和絮凝能有效改变细胞、菌体和蛋

8、白质凝聚和絮凝能有效改变细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，使等胶体粒子的分散状态，破坏其稳定性，使它们聚集成可分离的絮凝体，再进行分离。它们聚集成可分离的絮凝体，再进行分离。v常用于细小菌体或细胞（分泌胞外产物）、常用于细小菌体或细胞（分泌胞外产物）、细胞的（分泌胞内产物）碎片以及蛋白质等细胞的（分泌胞内产物）碎片以及蛋白质等胶体粒子的去除。胶体粒子的去除。v但是应当注意，凝聚和絮凝是两种方法，两但是应当注意，凝聚和絮凝是两种方法，两个概念，其具体处理过程也是有差别的。个概念，其具体处理过程也是有差别的。v1、凝聚作用、凝聚作用 凝聚是指在某些电解质作用下，破坏细胞、菌体和

9、凝聚是指在某些电解质作用下，破坏细胞、菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态，使胶体粒子聚集的蛋白质等胶体粒子的分散状态，使胶体粒子聚集的过程。过程。v凝聚剂主要是一些无机类电解质，由于大部分被处凝聚剂主要是一些无机类电解质，由于大部分被处理的物质带负电荷（如细胞或菌体一般带负电荷），理的物质带负电荷（如细胞或菌体一般带负电荷），因此工业上常用的凝聚剂大多为阳离子型，分为无因此工业上常用的凝聚剂大多为阳离子型，分为无机盐类、金属氧化物类。机盐类、金属氧化物类。v常用的无机盐类凝聚剂有：常用的无机盐类凝聚剂有：Al2（SO4）318H2O（明矾）、（明矾）、AlCl36H2O、FeCl3、ZnSO4、

10、MgCO3：Al(OH)3、FeSO4、Ca(OH)2或石灰等。或石灰等。 v2、絮凝作用、絮凝作用v絮凝是指使用絮凝剂（通常是天然或合成的大分子絮凝是指使用絮凝剂（通常是天然或合成的大分子量聚电解质），在悬浮粒子之间产生架桥作用而使量聚电解质），在悬浮粒子之间产生架桥作用而使胶粒形成粗大的絮凝团的过程。胶粒形成粗大的絮凝团的过程。v常用的絮凝剂常用的絮凝剂v聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚胺衍生物、氯化钙、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚胺衍生物、氯化钙、磷酸氢二钠磷酸氢二钠v絮凝技术预处理发酵液的优点不仅在于过滤絮凝技术预处理发酵液的优点不仅在于过滤速度的提高，还在于能有效地去除杂蛋白质速度的提高，还

11、在于能有效地去除杂蛋白质和固体杂质，如菌体、细胞和细胞碎片等，和固体杂质，如菌体、细胞和细胞碎片等，提高了滤液质量提高了滤液质量影响絮凝的因素絮凝剂的添加量发酵液的pH絮凝剂的分子量搅拌转速搅拌时间絮凝剂加量对絮凝效果(滤速)的影响料液中，絮凝剂浓度增加有助于架桥充分，但是过多的加量反而会引起吸附饱和，在每个胶粒上形成覆盖层而使胶粒产生再次稳定现象。发酵液pH对阴离子聚丙烯酰胺絮凝效果的影响溶液pH的变化常会影响离子型絮凝剂中功能团的电离度，从而影响分子链的伸展形态。电离度增大，由于链节上相邻离子基团间的电排斥作用，而使分子链从卷曲状态变为伸展状态，所以架桥能力提高。（二）杂蛋白质的去除方法（