生化分离技术 第一章 预处理技术
《生物分离技术》教学大纲
《生物分离技术》教学大纲
课程编号：0241005课程性质：专业特色课
学时/学分：32/2适用专业：生物工程；生物制药
一、课程简介
《生物分离技术》是一门研究生物分离过程基本原理及规律的学科，是生物工程专业中的一门重要的技术基础课程。生物分离技术主要研究生化工程中生物制品的分离和纯化，课程主要讲授传质与生化分离工程的原理和应用，以及生化分离过程中一些主要的分离单元操作和分离工程领域的研究进展及其动态。
《生物分离技术》的教学内容，以不溶物去除、粗分离、纯化和精制的四个阶段来展示生物分离过程的基本原理与应用实践，主要教学内容涉及发酵液的预处理、细胞破碎、萃取法、离子交换法、吸附法、层析分离法、膜分离法、结晶和干燥等单元操作原理及其在生物工程技术领域的应用。
Bioseparation Technology is a course related to the basic principles and rules of bio-separation processes,which is a fundamental course for the students of bioengineering.Bioseparation technology mainly focus on separation and purification of bioproducts from bioprocesses.This course covers theories related to bioseparation engineering and its applications,unit operations, and recent advances in bioseparation engineering area.
《生化分离工程》思考题与答案
第一章绪论
1、何为生化分离技术？其主要研究那些容？
生化分离技术是指从动植物组织培养液和微生物发酵液中分离、纯化生物产品的过程中所采用的方法和手段的总称。
2、生化分离的一般步骤包括哪些环节及技术？
一般说来，生化分离过程主要包括4个方面：①原料液的预处理和固液分离，常用加热、调PH、凝聚和絮凝等方法；②初步纯化(提取)，常用沉淀、吸附、萃取、超滤等单元操作；③高度纯化(精制)，常选用色谱分离技术；④成品加工，有浓缩、结晶和干燥等技术。
3、生化分离工程有那些特点，及其重要性？
特点：1、目的产物在初始物料（发酵液）中的含量低；2、培养液是多组分的混合物，除少量产物外，还有大量的细胞及碎片、其他代物（几百上千种）、培养基成分、无机盐等；3、生化产物的稳定性低，易变质、易失活、易变性，对温度、pH值、重金属离子、有机溶剂、剪切力、表面力等非常敏感；4、对最终产品的质量要求高
重要性：生物技术产品一般存在于一个复杂的多相体系中。唯有经过分离和纯化等下游加工过程，才能制得符合使用要求的产品。因此产品的分离纯化是生物技术工业化的必需手段。在生物产品的开发研究中，分离过程的费用占全部研究费用的50％以上；在产品的成本构成中，分离与纯化部分占总成本的40～80％；精细、药用产品的比例更高达70～90％。显然开发新的分离和纯化工艺是提高经济效益或减少投资的重要途径。
4、生物技术下游工程与上游工程之间是否有联系？
它们之间有联系。①生物工程作为一个整体，上游工程和下游工程要相互配合，为了利于目的产物的分离与纯化，上游的工艺设计应尽量为下游的分离纯化创造条件，例如，对于发酵工程产品，在加工过程中如果采用液体培养基，不用酵母膏、玉米浆等有色物质为原料，会使下游加工工程更方便、经济；②通常生物技术上游工程与下游工程相耦合。发酵-分离耦合过程的优点是可以解除终产物的反馈抑制效应，同时简化产物提取过程，缩短生产周期，收到一举数得的效果。
《生化分离工程》教案
《生化分离工程》教案
一、教学目标：
1.了解生化分离工程的概念、原理和应用；
2.掌握生化分离工程的基本操作技术；
3.培养学生的实验操作能力和团队合作意识；
4.培养学生的创新思维和问题解决能力。
二、教学内容：
1.生化分离工程的概念和原理
1.1生化分离工程的定义
1.2生化分离工程的发展历史
1.3生化分离工程的原理和分类
1.4生化分离工程的应用领域
2.生化分离工程的实验技术
2.1离心分离技术
2.1.1介绍离心分离的原理和分类
2.1.2学习离心机的操作和使用方法
2.1.3进行离心分离实验
2.2色谱分离技术
2.2.1介绍色谱分离的原理和分类
2.2.2学习常见的色谱分离技术和仪器设备
2.2.3进行色谱分离实验
2.3膜分离技术
2.3.1介绍膜分离的原理和分类
2.3.2学习膜分离技术的基本原理和操作步骤
2.3.3进行膜分离实验
三、教学方法：
1.讲授相结合：通过课堂讲解，介绍生化分离工程的概念、原理和应用；
2.实践操作：学生进行离心分离、色谱分离和膜分离的实验，熟悉操作步骤和仪器设备；
3.小组合作：学生以小组形式进行实验操作，培养团队合作意识和协作能力；
4.论文研读：学生自主阅读相关论文，了解生化分离工程的最新发展和应用。
四、教学过程：
1.生化分离工程的概念和原理（2学时）
1.1.通过课堂讲解，介绍生化分离工程的概念、原理和应用领域；
1.2.分析生化分离工程的发展历史，引导学生了解其发展背景和重要意义；
1.3.利用多媒体演示，展示生化分离工程在食品、药品、环境等领域的应用；
1.4.提出学生思考题，帮助学生理解生化分离工程的分类和原理。
生化分离技术思考题答案解析1-6章
生化分离技术思考题答案解析
生化分离第一章
1. 简述生化分离技术在生物技术中的地位和主要作用。
2.生化分离技术的主要种类及特点。
种类：细胞破碎(cell disruption) 、沉淀分离(precipitation) 膜过滤(membrane filtration) 层析分离(chromatography)、电泳分离(electrophoresis)、离心分离（centrifugation）
特点：成分复杂、含量甚微、易变性，破坏、具经验性、均一性的相对性
3．何谓生化分离技术的集成化概念？请举例加以说明。1) 利用已有的和新近开发的生化分离技术，将下游过程中的有关单元进行有效组合(集成) 2) 或把两种以上的分离技术合成为一种更有效的分离技术，达到提高产品收率、降低过程能耗和增加生产效益的目标。如膜过滤与亲和配基、离子交换基团相结合，形成了亲和膜过滤技术、亲和膜色谱、离交膜色谱；亲和配基和聚合物沉淀作用相结合，形成亲和沉淀技术等等。（P5）
4.说明生化分离的主要步骤并指出胞内产物和胞外产物的分离纯化流程不同之处。
1选材，来源丰富，含量相对较高，杂质尽可能少
2.提取：将目的物从材料中以溶解状态释放出来，方法与存在部位及状态有关。
3.分离纯化：核心操作，须据目的物的理化性质，生物学性质及具体条件定。
4.浓缩、结晶、干燥。5、保存。整个过程应有快速灵敏准确的分析方法来衡量效果（收率、纯度）。胞内产物需要破壁的过程：需要将目的物从胞内转移到外界溶液中，需要细胞提取物破碎、匀浆、离心，如果是液体的话，获得提取液，如果是想获得固体目的物，就对沉淀进行洗涤再获得提取物。
生物分离1
二、下游技术的一般工艺过程
某一具体产品的分离提取工艺与下列情况有关： 某一具体产品的分离提取工艺与下列情况有关： (1)是胞内产物还是胞外产物； 是胞内产物还是胞外产物； 是胞内产物还是胞外产物 (2)原料中产物和主要杂质浓度； 原料中产物和主要杂质浓度； 原料中产物和主要杂质浓度 (3)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； 产物和主要杂质的物理化学特性及差异 (4)产品用途和质量标准； 产品用途和质量标准； 产品用途和质量标准 (5)产品的市场价格； 产品的市场价格； 产品的市场价格 (6)废液的处理方法等。 废液的处理方法等。 废液的处理方法等
(2)提取 初步分离 ： 提取(初步分离 提取 初步分离)：
目的是除去与产物性质差异较大的杂质， 目的是除去与产物性质差异较大的杂质，是目的产物 要求有较大浓缩比的过程。 要求有较大浓缩比的过程。
生物工业下游技术大致可分为4个阶段 生物工业下游技术大致可分为 个阶段
(3)精制 高度纯化)： 精制(高度纯化 ： 精制 高度纯化
生物工业下游技术
Downstream Processing of Bio-industry
第一章 绪
下游技术： 下游技术：
论
对于由生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的、 对于由生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的、动 植物细胞组织培养的、 植物细胞组织培养的、酶反应等各种生物工业生产过程获 得的生物源料，经提取分离、加工并精制目的成分，最终 得的生物源料，经提取分离、加工并精制目的成分， 使其成为产品的技术，通常称为下游技术， 使其成为产品的技术，通常称为下游技术，也称为下游工 程或下游加工过程。 程或下游加工过程。 很多工业生物技术产品，包括现代发酵工业产品， 很多工业生物技术产品，包括现代发酵工业产品，其 质量的优劣、成本的高低、竞争力的大小， 质量的优劣、成本的高低、竞争力的大小，往往与下游技 术直接相关。 术直接相关。
生化分离技术复习1..
生化分离技术复习1..
绪论.
生化分离技术：是指从含有目标产物的发酵液、酶反应液或动植物细胞培养液中，提取、精制并加工制成高纯度的、符合规定要求的各种生物技术产品的技术，又称为下游加工技术。
生物技术产品：是指在生产过程应用微生物发酵技术、酶反应技术、动植物细胞培养技术等生化反应技术制得的产品。
生物技术产品有哪些特点：生物技术产品有些是胞内产品，有些是胞外产物; 通常是由产物浓度很低的发酵液或培养液中提取的; 生物技术产品的稳定性差，易随时间变化，如易受空气氧化、微生物污染、蛋白质水解、自身水解等; 生物技术产品的生产多为分批操作，生物变异性大，各批发酵液或培养液不尽相同。生化分离技术按其分离原理可分为机械分离与传质分离两大类。
生化分离过程主要包括哪几个方面？生化分离过程主要包括四个方面：①原料液的预处理和固液分离；②初步纯化（提取）；③高度纯化（精制）；④产品加工这四个步骤。
第一章固液分离技术
排斥电位和产生吸附架桥作用的双重机制是絮凝的主要原因。
发酵液的相对纯化方法有哪些？
固液分离的目的：除去固体杂质，得到溶液；分离掉溶液获得固体。
固液分离方法：过滤、沉降
改善过滤性能的方法工艺上一般采用如下方法：
降低混合液粘度、增大被分离颗粒的粒度、加入助滤剂、提高离心机的转速或提高操作压力、增大真空度、降低滤饼层厚度、除去滤饼
第二章细胞破碎
细胞破碎是指选用物理、化学、酶或机械的方法来破坏微生物菌体的细胞壁或细胞膜，释放其中的目标产物。
细胞破碎的方法有哪些？各有何特点？
一、球磨破碎特点：适用范围较广；但有效能量利用率很低，设计操作时应充分考虑冷却系统的热交换能力；影响破碎率的操作参数较多，过程优化设计较复杂。
第1章 固液分离技术
影响颗粒沉降速度的因素：流体的密度 、颗粒的密度 、颗粒形状 、容器的壁面和底面 、颗粒之间的相互干扰 、 流体的流动状态 等。
沉降设备 ：主要有沉降室和沉降槽。沉降室多用于分 离气体中的固体颗粒，而沉降槽多用于液体悬浮物中固体 颗粒的分离。沉降槽分为间歇式与连续式两种，连续式沉 降设备又可根据结构上的差异分为短形水平流动池、圆形 水平流动池、垂直流动式沉降池及斜板式沉降池。
影响凝聚作用的主要因素是：无机盐的种类、化合价
及无机盐用量等。
（2）絮凝作用（flocculation）
絮凝作用是利用带有多种官能团的高分子线 状化合物能在分子上吸附多个微粒的能力，通过架
桥作用将许多微粒聚集在一起，形成粗大的松散絮 团的过程。所利用的高分子化合物称为絮凝剂。根 据絮凝剂所带电性的不同，分阴离子型、阳离子型 和非离子型三类。
2.沉降
沉降是依靠外力的作用，利用分散物质（固相 ）与分散介质（液相）的密度差异，使之发生相对 运动，而实现固液分离的过程。
生化分离原理与技术思考题答案
生物分离原理与技术知识点汇总
第一章绪论
1、各类分离纯化技术分别利用了生物分子的哪些特性来实现分离？利用这些
性质进行分离的方法有哪些？⑴形状和大小：凝胶过滤、超滤、透析；⑵电荷性质：离子交换层析、电泳（除SDS ；⑶极性（疏水性）：疏水层析、反相层析；⑷生物功能或特殊化学基团：亲和层析；⑸等电点pI：层析聚焦、等电聚焦、等电点沉淀；⑹溶解性：盐析、有机溶剂提取、结晶；⑺ 密度、大小：超离心、SDS-PAG。
2、一个完整的分离纯化操作有哪些基本步骤？各个阶段所用的分离方法分别侧重哪些指标？生化分离基本步骤：（1）选材：来源丰富，含量相对较高，杂质尽可能少。（2）提取（预处理）：将目的物从材料中以溶解状态释放出来，方法与存在部位及状态有关（3）分离纯化：核心操作，须根据目的物的理化性质，生物学性质及具体条件确定。（4）浓缩、结晶、干燥。（5）保存。整个过程应有快速灵敏准确的分析方法来衡
量效果（收率、纯度）。
第二章生物样品的预处理
1、简述常用细胞破碎的主要方法、原理、特点、适用范围及细胞破碎今后的发展方向。机械法：（1）胞捣碎法。原理：机械运动产生剪切力，适用于动植物组织。（2）高速匀浆法。破碎程度较上法好，且机械剪切力对生物大分子的破坏较小，处理量大。原理：利用高压使细胞悬浮液通过针型阀，由于突然的减压和高速冲击撞击环使细胞破碎。适用于：较柔软、易分散的组织细胞。（3）研磨法和珠磨法。由陶瓷的研钵和研杆组成，加入少量研磨剂（如精制石英砂、玻璃粉、硅藻土。适用于微生物与植物细胞。（4）挤压法。微生物细胞在高压下通过一个狭窄的孔道高速冲出，因突然减压而引起一种空穴效应，使细胞破碎。适用于细菌（G - ）。物理法：（1）超声破碎。频率为20kHz 以上的波，超过人耳可听范围。其对细胞的破碎与空穴的形成有关。一般样品浓度、声强、频率、介质的离子强度、pH处理时间都对破碎有影响。（2）反复冻融动物材料。将材料深冷（-15 C〜-20 C）,形成水晶，破坏胞膜疏水键，增加亲水性，反复可破细胞。适用：动物材料。（3）渗透压冲击法。高渗突然低渗，反复后可造成细胞破碎，促使内含物释放。适用：处理胞壁较脆弱的微生物。（4）急热骤冷法。将材料投入沸水，维持85〜90C数分钟，冰浴中急速冷却，使胞壁结构破坏。适用：细菌及病毒等中对热不太敏感的物质提取。（5）干燥法：热空
生物分离技术：Chapter 1 生物分离工程概述
传质分离
输送分离 ▪ 根据溶质在外力作用下产生的移动速度的差异实现分离，
又称速度分离法， ▪ 传质推动力主要有压力差、电位梯度和磁场梯度等， ▪ 超滤、反渗透、电渗析、电泳和磁泳等。
扩散分离 ▪ 根据溶质在两相中分配平衡状态的差异实现分离，又称平
衡分离法， ▪ 传质推动力为偏离平衡态的浓度差， ▪ 蒸馏、蒸发、吸收、萃取、结晶、吸附和离子交换等
▪ 以上分离过程不具备特异性，只是进行初步分离 ▪ 可提高产物浓度和质量
▪ C. 产品的纯化
▪ *chromatography（色谱） ▪ *electrophoresis（电泳） ▪ these processing technology are highly selective
for the product and remove impurities of similar chemical functionality and physical properties.
分离机理
对于一个待分离的原料，一般利用原料中目 标产物与共存杂质之间在物理、化学以及生 物学性质上的差异，使其在分离操作中具有 不同的传质速率和(或)平衡状态，从而实现分 离的目的。
分离机理
▪ 机械分离 对象是非均相物系，根据物质的大小、密度 的差异进行分离， 如过滤、重力沉降和离心沉降等
▪ 传质分离 对象主要是均相物系，又分输送分离和扩散 分离。
生化分离技术(主要内容)
生化别离技术：描述回收生物产品别离过程原理和方法的术语，是指从动植物组织培养液或微生物发酵液中别离、纯化生物产品过程中所采用的方法和手段的总称。
生化别离过程是生物技术转化为生产力不可缺少的重要环节，其技术进步程度对生物技术的开展有着举足轻重作用，为突出其在生物技术领域中的地位和作用，常称它为生物技术
的下游工程。
别离纯化过程的难点：目的产物在细胞或反响液中含量不高，杂质种类多，数量大；杂质性质与产物相似；产物稳定性不高。
生化别离技术的主要种类：沉淀别离〔盐析、有机溶剂沉淀、选择性变性沉淀、非离子聚合物沉淀〕；膜别离〔透析、微滤、超滤、纳滤、反渗透〕；层析别离〔吸附、凝胶、离子交换、疏水、反相、亲和层析〕；电泳别离〔SDS-PAGE、等电聚焦、双向电泳、毛细管电泳〕；离心别离〔低速、高速、超速离心别离技术〕，
生化别离的特点：成分复杂；含量甚微；易变性/易被破坏；具经验性；均一性的相对性。
预处理需注意的条件：⑴温度尽可能低⑵提取液的量要保证“充分浸入〞⑶参加足量酚类吸附剂⑷参加足量氧化酶抑制剂⑸搅拌转速要恰当⑹ pH控制在适宜X围，一般5.5～7
细胞的破碎：用一定方法〔机械/物理/化学/酶法〕打开细胞壁或膜，使细胞内含物有效释放出来。
挤压：微生物细胞在高压下通过一个狭窄的孔道高速冲出，因突然减压而引起一种空穴效应，使细胞破碎。
沉淀：溶液中溶质由液相变成固相析出的过程。本质：通过改变条件使胶粒发生聚结，降低其在液相中的溶解度，增加固相中的分配率。作用：别离、澄清、浓缩、保存
盐溶：低浓度中性盐离子对蛋白质分子外表极性基团与水活度的影响，增加蛋白质与溶剂相互作用力，使其溶解度增大。
生化分离技术考试要点
第一部分：概念汇总
凝聚：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。
絮凝：大分子聚电解质将胶体粒子交联成网状，形成絮凝团的过程
混凝:先加入无机电解质，使悬浮粒子间的相互排斥能降低，脱稳而凝聚成微粒，然后，再加入絮凝剂。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，提高了絮凝效果。这种包括凝聚和絮凝机理的过程，常称为混凝
错流过滤：在泵的推动下料液平行于膜面流动，与死端过滤不同的是料液流经膜面时产生的剪切力把膜面上滞留的颗粒带走，从而使污染层保持在一个较薄的水平。
反胶团：又称反胶束(reversed micelle)，是表面活性剂分散于连续有机相中一种自发形成的纳米尺度的聚集体。
凝胶萃取：利用凝胶的涨缩特性，在聚合物凝胶吸水膨胀时，带入小分子和无机盐进入凝胶，而大分子无法进入，可以实现大分子的浓缩纯化。
超临界流体（简称SCF或者SC）：是指高过物质本身的临界温度和临界压力状态时的流体。
浓差极化现象：在膜分离过程中，当水透过膜并截留盐时，在膜表面会形成一个流速非常低的边界层，边界层中的盐浓度比进水本体溶液盐浓度高，这种盐浓度在膜面增加的现象叫做浓差极化。
正相色谱：采用极性固定相，非极性流动相的层析方法，根据样品分子的极性大小而与固定相发生不同的吸附作用从而实现分离。
反相色谱：与正相色谱相反，采用极性较小的固定相和极性的流动相。
灌注层析: 分离介质为具有贯穿孔的分离载体一种柱层析分离技术(我的理解)
色谱死体积:不被固定相滞留的组分，从进样到出现最大峰值所需的流动相体积。死体积不被保留的组分通过色谱柱所消耗的流动相的体积，可由死时间确定：死体积本意是指色谱柱中未被固定相占据的空隙体积，也即色谱柱内流动相的体积。但在实际测量时，它包括了柱外死体积，色谱仪中的管路和连接头间的空间以及进样系。
生物分离工程-第一章 发酵液预处理及细胞破碎2009
1.2.3 絮凝的影响因素
絮凝体的浓度：最佳添加量往往需通 过实验确定 絮凝剂的相对分子质量：要适当 溶液的pH：通过实验确定 搅拌速度和时间：初期高速，接着应 延长搅拌时间，降低搅拌速度。
1.3 混凝
对于带负电荷的菌体或蛋白质来说，采用 阳离子型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； 对于非离子型和阴离子型高分子絮凝剂， 要采用凝聚和絮凝双重机理才能提高过 滤效果，这种包括凝聚和絮凝机理的过 程，称为混凝。
第一章 发酵液预处理及细胞破碎
预处理和固液分离内容
提取生化物质的第一步，分两部分： 发酵液
胞外 上清液/滤液
预处理
固液分离
胞内 富集细胞
内容
样品的初步处理（细胞聚集）
细胞收集-离心
细胞收集-过滤
细胞破碎
第一节 样品的初步处理
微生物发酵液的特性为： ①发酵产物浓度较低，悬浮液中大部分是水； ②悬浮物颗粒小，相对密度与液相相差不大； ③固体粒子可压缩性大； ④液相粘度大，大多为非牛顿型流体； ⑤性质不稳定，随时间变化，如易受空气氧 化、微生物污染、蛋白酶水解等作用的影响 ⑥成分复杂，杂质较多。
聚丙烯酰胺类絮凝剂的缺点 存在一定的毒性，特别是阳离子型聚 丙烯酰胺，用于食品和医药工业时应 谨慎。
微生物絮凝剂
微生物絮凝剂是近年来研究和开发的新型絮凝剂， 一类由微生物或其分泌物产生的具有絮凝细胞功能 的代谢产物。 包括直接利用微生物细胞的絮凝剂、利用微生物细 胞壁代谢产物的絮凝剂和克隆技术所获得的絮凝剂 主要成分是糖蛋白、粘多糖、纤维素及核酸等高分 子物质。 微生物絮凝剂和天然絮凝剂与化学合成的絮凝剂相 比，最大的优点是安全，无毒和不污染环境。
第1章 固液分离技术
第一节 发酵液的预处理技术 第二节 固液分离
学习目标
了解发酵液预处理目的及在产品分离纯化过程 中的意义；
了解生化产品生产中常用的絮凝剂； 掌握预处理技术的基本原理、方法及基本工艺，
能够正确从事发酵液的预处理操作； 掌握固液分离的原理、固液分离方法的选择原
理； 掌握传统固液分离技术基本工艺及操作，能够
双水相萃取有关双水相萃取详见第三章萃取和 浸取技术。
吸附法详见第五章
板框过滤分离工艺及操作
真空转鼓过滤工艺及操作
3 1
2
6
7
8
4
95
１、２ 洗布水阀 ３ 洗涤水阀 ４进料阀 ５ 排污阀
脂多糖物质，多来自革兰阴性菌的细胞壁，可用超 滤、吸附、离子交换色谱和亲和色谱的方法去除
细胞培养液中加入的牛血清成分
糖类以及工艺处理溶液中所含有的小分子组分，可 采用透析、色谱和超滤（膜分离）等手段去除
含Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋的盐，加酸或碱去除
预处理的原理及方法
1.降低液体黏度
降低液体黏度可提高过滤速率。怎样降低？
草酸钙
草酸钙还能促使蛋白质凝固，改善发酵液过滤性能。
Mg2++草酸 磷酸盐 三聚磷酸钠
沉淀不完全 磷酸镁盐 （注意抗生素稳定性） 可溶性络合物（易污染）
FeHale Waihona Puke Baidu+ +黄血盐
生化分离工程知识点一
第一章、绪论
第一节、生物技术与生物分离
一、生物技术
1.上游：菌种、基因工程、分子生物学、遗传学
2.中游：微生物发酵工程、动植物细胞培养、海洋生物培养
3.下游：生物分离工程
第二节、生物物质和生物分离
一、生物物质
1.生物物质：抗生素、有机酸、有机溶剂、氨基酸、多肽、蛋白质（包括酶、抗体）、核苷酸、聚核苷酸、核酸、病毒、糖类、脂类、生物碱、糖苷，天然色素等。
2.抗生素
(1)抗生素多采用有机溶剂萃取法，如青霉素采用乙酸丁酯法。
(2)青霉素、链霉素、四环素、土霉素、金霉素、庆大霉素、新霉素、红霉素、利福霉素
3.有机酸
(1)有机酸采用中和沉淀法（Ca(OH)2形成钙盐沉淀，加浓硫酸析出有机酸溶液，浓缩，结晶。）
低浓度采用离子交换树脂法。
(2)醋酸、乳酸、柠檬酸、葡萄糖酸
4.氨基酸
氨基酸的分离多采用离子交换法
5.多糖
多糖主要采用酒精沉淀法提取，纯化采用层析法。
6.胞外、内酶
酶的分离多采用盐析沉淀法，纯化采用层析法。
7.有机溶剂
有机溶剂主要采用精馏法
8.脂类物质
多用萃取法分离：有机溶剂萃取法和超临界流体萃取法
9.核酸和核苷酸类物质
浓盐法、阴离子去污剂法、苯酚抽提法，水抽提法
二、生物分离过程的一般流程
1.产物提取(isolation)——产物浓缩(concentration)——产物纯化(purification)——成品化(polishing)-
注意：多步分离导致收率降低
第三节、生物分离过程的特点
1、产品稳定性差；
2、质量要求高；
3、成分复杂；
4、浓度低。
第四节、生物分离技术和原理一、根据分离原理分类
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第一节 发酵液的预处理技术
助滤剂的使用方法有两种:一种是将助滤剂在支持介质 (滤布)的表面上预涂助滤剂薄层1～2 mm,以保护支持介 质的毛细孔道在较长时间内不被悬浮液中的固体粒子所堵塞, 从而提高或稳定过滤速度.另一种方法是将助滤剂分散在待 过滤的悬浮液中,使形成的滤饼具有多孔性,降低滤饼的可 压缩性,以提高过滤速度和延长过滤操作周期.前者会使滤 速降低,但滤液透明度明显增加;后一种方法主要是助滤剂 的加入量,一般助滤剂的用量若等于悬浮液中固体含量时, 过滤速度最快,另外在使用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.生产上也可两种方法同 时兼用.选择和使用助滤剂时要考虑以下几个方面:
第一节 发酵液的预处理技术
③粒度选择 助滤剂的粒度及粒度分布对过滤速率和 滤液澄清度影响很大.当粒度一定时,过滤速率与澄清度 成反比,过滤速率大,澄清度差;过滤速率小,则澄清度 好.助滤剂的粒度必须与悬浮液中固体粒子的尺寸相适应, 如颗粒较小的悬浮液应采用较细的助滤剂.商品硅藻土助 滤剂有多种规格,粒度分布不同,因此使用前应针对不同 料液的特性和过滤要求,通过实验,确定其最佳型号. ④用量的确定 助滤剂的用量必须适宜.用量过少, 起不到有效的助滤作用;用量过大,不仅浪费,而且会因 助滤剂成为主要的滤饼阻力而使过滤速率下降.
固液分离技术
第一章 固液分离技术
第一章
第一章
固液分离技术
第一节 发酵液的预处理技术
第二节 固液分离
第一节 发酵液的预处理技术
一,预处理的原理及方法 1.降低液体粘度 .
由流体力学基本知识可知,滤液通过滤饼的速率与液体 的粘度成反比,可见降低液体粘度可有效提高过滤速率.降 低液体粘度常用的方法有加水稀释法和加热法. 加水稀释法可有效降低液体粘度,但会增加悬浮液的体 积,使后处理任务加大,并且只有当稀释后过滤速率提高的 百分比大于加水比时,从经济上才能认为有效.
第一节 发酵液的预处理技术
②絮凝操作温度 当温度升高时,絮凝速度加快,形成 的絮凝颗粒细小.因此絮凝操作温度要合适,一般为20℃～ 30℃. ③pH 溶液pH的变化会影响离子型絮凝剂功能团的电离 度,因此阳离子型絮凝剂适合在酸性或中性的pH环境中使用, 阴离子型絮凝剂适合在中性或碱性的环境中使用. ④搅拌速度和时间 适当的搅拌速度和时间对絮凝是有 利的,一般情况下,搅拌速度为(40～80)r/min,不要超过 100r/min;搅拌时间以(2～4)min为宜,不超过5min.
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2.调整pH 调整pH
pH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可改善其过滤特性.对于氨基酸,蛋白质等两 性物质作为杂质存在于液体中时,常采用调pH至等电点使 两性物质沉淀.另外,在膜分离中,发酵液中的大分子物 质易与膜发生吸附,常通过调整pH,改变易吸附分子的电 荷性质,以减少吸附造成的堵塞和污染.此外,细胞,细 胞碎片及某些胶体物质等在某个pH下也可能趋于絮凝而成 为较大颗粒,有利于固液分离.
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3.多糖的去除
酶解法可将混合液中的不溶性多糖物质酶解,使其转 化为溶解度较大的单糖,从而改变流体的流动特性,提高 过滤速率.例如万古霉素用淀粉作培养基,发酵完成后, 发酵液中多余的淀粉使混合液粘度较大,当加入0.025%的 淀粉酶后,搅拌30min,再加2.5%助滤剂(硅藻土),可使 过滤速率提高5倍.
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4.有色物质的去除
发酵液中有色物质可能是由于微生物生长代谢过程分 泌的,也可能是培养基(如糖蜜,玉米浆等)带来的,色 素物质化学性质的多样性增加了脱色的难度.色素物质的 去除,一般以使用离子交换树脂,离子交换纤维,活性炭 等材料的吸附法来脱色最为普遍.例如活性炭可用于柠檬 酸发酵液的脱色,盐型强碱性阴离子交换树脂可用于解朊 酶和果胶酶溶液的脱色,磷酸型阴离子交换树脂被用于谷 氨酸发酵液的脱色等.一般发酵液的脱色往往是在过滤除 去菌体后进行.
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用磷酸盐处理,也能大大降低Ca2+ ,Mg2+离子的浓度, 此法可用于环丝氨酸的生产.对于发酵液中的铁离子,可 加入黄血盐,使其形成普鲁士蓝沉淀而除去.反应如下: 3K4Fe(CN)6+4Fe3+====Fe4[Fe(CN)6]3↓+12K+
2.杂蛋白的去除
利用各种沉淀方法,可以去除液相中各种蛋白质.常 用的有等电点沉淀法,变性沉淀法,盐析法,有机溶剂沉 淀法,反应沉淀法等.这些沉淀方法既可以作为除杂质的 方法,也可以作为提取目标产物的技术手段.有关沉淀法 除蛋白质详见第五章沉淀技术.
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工业上使用的絮凝剂按组成不同又可分为无机絮凝剂, 有机絮凝剂和生物絮凝剂. ①有机高分子絮凝剂 如人工合成的絮凝剂:二甲基二 烯丙基氯化铵与丙烯酰胺的共聚物或均聚物,聚二烯基咪唑 啉,聚丙烯酸类衍生物,聚苯乙烯类衍生物,聚丙烯胺类衍 生物等.其中聚丙烯酰胺具有一定毒性,不能用于药品,食 品生产;而聚丙烯酸类衍生物阴离子型絮凝剂,无毒,可用 于食品和医药工业.天然有机高分子絮凝剂:聚糖类胶粘物, 海藻酸钠,明胶,骨胶,壳多糖等. ②无机高分子聚合物 如聚合铝盐,聚合铁盐等.
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当采用预涂助滤剂的方法时,间歇操作助滤剂的最小 厚度为2mm;连续操作则要根据所需过滤速率来确定.当 助滤剂直接加入发酵液时,一般采用的助滤剂用量等于悬 浮液中固形物含量,其过滤速率最快,如用硅藻土作助滤 剂时,通常细粒用量为500g/m3;中等粒度用量为700g/ m3;粗粒用量为(700～1000)g/m3.
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升高温度可有效降低液体粘度,从而提高过滤速率,常 用于粘度随温度变化较大的流体.另外,应用加热法的同时, 可控制适当温度和受热时间,使蛋白质凝聚形成较大颗粒, 进一步改善发酵液的过滤特性.如链霉素发酵液,调酸至 pH3.0后,加热至70℃,维持半小时,液相粘度下降至1/6, 过滤速率可增大10～100倍.使用加热法时必须注意:①加热 的温度必须控制在不影响目的产物活性的范围内;②对于发 酵液,温度过高或时间过长,可能造成细胞溶解,胞内物质 外溢,而增加发酵液的复杂性,影响其后的产物分离与纯化.
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⑤絮凝剂的加入量 絮凝剂的最适添加量往往要通过实 验方法确定,虽然较多的絮凝剂有助于增加桥架的数量,但 过多的添加反而会引起吸附饱和,絮凝剂争夺胶粒而使絮凝 团的粒径变小,絮凝效果下降. 凝聚和絮凝这两种作用是人们在研究作用机理时,为了 方便描述而分别提出并进行讨论,但在实际应用中,絮凝剂 与无机电解质凝聚剂经常搭配在一起使用,加入无机电解质 使悬浮粒子间的排斥能力降低而凝聚成微粒,然后加入絮凝 剂,两者相辅相成,二者结合的方法称为混凝.混凝可有效 提高凝聚和絮凝效果.
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(2)絮凝作用 絮凝作用是利用带有许多活性官能团的 高分子线状化合物吸附多个微粒的能力,通过架桥作用将 许多微粒聚集在一起,形成粗大的松散絮团的过程.所利 用的高分子化合物称为絮凝剂.絮凝剂一般具有长链状结 构,实现絮凝作用关键在于其链节上的多个活性官能团, 包括带电荷的阴离子(如—COOH)或阳离子(如—NH2)基 团以及不带电荷的非离子型基团.它们通过静电引力,范 德华力或氢键作用,强烈地吸附在胶粒表面.
5.加入反应剂
有时加入某些不影响目的产物的反应剂,可消除发酵 液中某些杂质对过滤的影响,从而提高过滤速率.
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加入反应剂和某些可溶性盐类发生反应生成不溶性沉淀, 如CaSO4 ,AlPO4等.生成的沉淀能防止菌丝体粘结,使菌丝 具有块状结构,沉淀本身可作为助滤剂,并且能使胶状物和 悬浮物凝固,从而改善过滤性能.如在新生霉素发酵液中加 入氯化钙和磷酸钠,生成磷酸钙沉淀可充当助滤剂,另一方 面可使某些蛋白质凝固.又如环丝氨酸发酵液用氧化钙和磷 酸处理,生成磷酸钙沉淀,能使悬浮物凝固,多余的磷酸根 离子还能除去钙,镁离子,并且在发酵液中不会引入其它阳 离子,以免影响环丝氨酸的离子交换吸附.
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胶粒能稳定存在的另一个原因是其表面的水化作用, 使粒子周围形成水化层,阻碍了胶粒间的直接聚集.凝聚 剂的加入可使胶粒之间双电层电位下降或者使胶体表面水 化层破坏或变薄,导致胶体颗粒间的排斥作用降低,吸引 作用加强,破坏胶体系统的分散状态,导致颗粒凝聚.影 响凝聚作用的主要因素是无机盐的种类,化合价及无机盐 用量等.
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①根据目的产物的性质选择助滤剂品种 当目的产物存 在于液相时.要注意目的产物是否会被助滤剂吸附,是否可 通过改变pH来减少吸附;当目的产物存在于固相时,一般使 用淀粉,纤维素等不影响产品质量的助滤剂. ②根据过滤介质和过滤情况选择助滤剂品种 当使用粗 目滤网时易泄漏,采用石棉粉,纤维素,淀粉等作助滤剂可 有效地防止泄漏.当使用细目滤布时,宜采用细硅藻土,若 采用粗粒硅藻土,则料液中的细微颗粒仍将透过助滤层而到 达滤布表面,从而使过滤阻力增大.当使用烧结或粘结材料 制成的过滤介质时,宜使用纤维素助滤剂,这样可使滤饼易 于剥离,并可防止堵塞毛细孔.
第源自文库节 发酵液的预处理技术
根据絮凝剂所带电性的不同,分阴离子型,阳离子型和非离 子型三类.对于带有负电性的微粒,加入阳离子型絮凝剂, 具有降低离子排斥电位和产生吸附架桥作用的双重机制;而 非离子型和阳离子型絮凝剂,主要通过分子间引力和氢键等 作用产生吸附架桥.影响絮凝作用的主要因素有: ①高分子絮凝剂的性质和结构 线性结构的有机高分子 絮凝剂,其絮凝作用大,而成环状或支链结构的有机高分子 絮凝剂的效果较差.絮凝剂的分子量越大,线性分子链越长, 絮凝效果越好;但分子量增大,絮凝剂在水中的溶解度降低, 因此要选择适宜分子量的絮凝剂.
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3.凝聚和絮凝 .
凝聚和絮凝的主要作用为增大混合液中悬浮粒子的体积, 提高固液分离速度,同时可除去一些杂质. (1)凝聚作用 凝聚作用是指在某些电解质作用下,使胶 体粒子聚集的过程.这些电质称为凝聚剂.胶体粒子能保持 分散状态的原因是其带有相同电荷和扩散双电层的结构.当 分子热运动使粒子间距离缩小到使它们的扩散层部分重叠时, 即产生电排斥作用,使两个粒子分开,从而阻止了粒子的聚 集.双电层电位越大,电排斥作用就越强,胶粒的分散程度 也越大,发酵液越难过滤.
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二,发酵液的相对纯化 1. 无机离子的去除
发酵液中主要的无机离子有Ca2+ ,Mg2+ ,Fe2+ 等. Ca2+的去除主要采用草酸,但由于草酸的溶解度小,不适 合用量较大的场合.当发酵液中Ca2+离子浓度较高时,可 采用可溶性盐,如草酸钠等.反应生成草酸钙还能促使蛋 白质凝固,改善发酵液过滤性能.Mg2+离子的去除一般采 用加入三聚磷酸钠,它和Mg2+形成可溶性络合物后,即可 消除对离子交换的影响. Mg2+ + Na5P3O10====MgNa3P3O10 +2Na+
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常用的凝聚剂有AlCl36H2O,Al2(SO4)318H2O, K2SO4Al2(SO4)324H2O,FeSO47H2O,FeCl36H2O, ZnSO4和MgCO3等.电解质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(mmol/L)称为 凝聚值.根据Schuze-Hardy法则,阳离子的价数越高,该 值就越小,即凝聚能力越强.阳离子对带负电荷的发酵液 胶体粒子凝聚能力的次序为: Al3+>Fe3+>H+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+.
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③生物絮凝剂 生物絮凝剂是一类由微生物产生的具有
絮凝能力的生物大分子,主要有蛋白质,粘多糖,纤维素和 核酸等.具有高效,无毒,无二次污染等特点,克服了无机 絮凝剂和人工合成有机高分子絮凝剂本身固有的缺陷,其发 展潜力越来越受到重视.
4.加入助滤剂
加入助滤剂可以改变滤饼的结构,降低滤饼的可压缩性, 从而降低过滤阻力.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.