课件--发酵和分离的耦合技术讲解

图9-1 Gallup-Gerhardt透析培养器系统
左----培养基室， 中----透析器，右----培养室，P----泵，v----阀门。 箭头表示培养基和培养物循环方向
微生物透析培养有下列主要特点：
① 在培养室中可获得较为纯化 的细胞或高分子产物 ② 透析培养时细菌的对数生长 期有明显的延长，从而获得稠密 的细菌体
定义： • 在生物反应发生的同时，选择一种合适 的分离方法及时地将对生物反应有抑制 或毒害作用的产物或副产物选择性地从
生物反应与分离耦合的关键
选择一种合适的分离技术
来实现产物或副产物的移走
分离技术的选择依据
① 充分考虑产物的理化特性和生物学特性
③ 溶剂在水相中不易乳化，也不与水互溶
④溶剂粘度较低
⑤溶剂易从产物中分离出来
第六节 吸附培养
在微生物发酵培养的过程同时利用吸附剂除去
有害成分或提取回收有用目标产物称为生物反
应过程的吸附分离技术
真空发酵的工艺
按照真空发酵的原理，只需将 一个真空发酵罐 一部真空压缩机（真空泵）连接起来 并将抽出的气体（包括乙醇和水蒸汽、CO2）经过分 凝器、总凝器凝结送到收集器 即可构成一套真空发酵的装置。
第五节 萃取发酵
萃取 萃取是用一种溶剂（如有机溶剂）将溶质（如发 酵产物）从另一种溶剂（如水）中抽提出来的分 离技术。 将萃取引入发酵过程，实现边发酵边萃取（在线 萃取）产物，用来消除终产物抑制，就形成了一 个新的概念——萃取发酵
挥发出来的产物可以通过冷凝、吸附、吸收 等方法加以回收。
真空发酵的依据
由于一种物质的沸点是随气压变化而改变的，气压越低 沸点也越低。 例如酒精在760.0 mmHg气压下的沸点为78.15 ℃，在 129.7 mmHg下沸点降到39.20 ℃；在70.0 mmHg下则 降至27.96 ℃ 因此，在酒精发酵时维持发酵罐内一定的低气压(或叫真 空度)，就能使发酵醪液处于沸腾状态，酒精蒸汽被蒸馏 出去，从而使醪液中始终保持低浓度酒精，这样就不会 发生高浓度酒精的抑制作用
例子： 透析培养是人们模拟生活中的某些现象， 采用人工膜进行透析培养来研究它们的机 制。 比如鸡胚的绒毛膜为天然膜，这种浆膜下 层为营养储库，通过膜面不断地提供各种 细胞生长与繁殖的养料
透析培养 定义：指在围有半透膜的培养环境中，使 微生物生长的方法。 营养物透过半透膜扩散到透析袋内，微生 物利用其营养而生长。 微生物因为不能透过膜而留在透析袋 代谢产物透过膜扩散到培养基中。 结果使维持生长的培养基被简化，抑制生 长的因子减少，从而达到促进微生物的生 长的目的。
③ 透析培养的细菌无论是在培 养中或者经过洗涤和贮存后都能 保持一定活力
第三节 膜分离和培养耦合
膜分离 定义：膜分离技术是利用膜的选择性，以 膜的两侧存在一定量的能量差作为推动力 ，由于溶液中各组分透过膜的迁移速率不 同而实现的分离。
膜的分类
截留离子 小分子 大分子 只能水通过
大直径的菌体、悬浮固体等
图9-6 膜分离耦合连续发酵装置图
1.培养液储罐；2. 发酵罐；3. 温控器；4. 泵；5. 5% NaOH；6. 空气过滤器；7. 膜 组件；8. 控制仪；9. 电极；10. 产物收集罐；11. 发酵液收集罐；12. 尾气
• 中空纤维膜组件
第四节 发酵与蒸馏耦合
真空发酵 原理：在发酵的同时，保持发酵罐内一定的 真空度，使发酵液处于沸腾状态，将易挥发 的产物从发酵液中分离出来，从而达到消除 代谢终产物的抑制和边发酵边分离的目的。
萃取溶剂的选择依据
① 溶剂应当有较大的分配系数
分配系数K=C1/C2=萃取相的浓度/萃余相的浓度 分配系数是决定溶质能否分离的参数 K值越大，越容易把物质从水相中萃取到所选溶剂中
② 溶剂的生物相容性好，即对微生物无毒或毒性低
生物相容性指数LogP
将细胞固定化，可以较大程度地减少溶剂和生物细胞的接触，因而有效地缓解 溶剂的毒害作用
发酵和分离的耦合技术
第一节 概述
发酵过程的瓶颈：
普遍存在着产物或副产物的抑制作用
降低生物催化剂的活力， 抑制细胞生长 制约发酵过程的效率
解决产物抑制的方法：
利用工程手段及时分离出产物
消除抑制，提高细胞或催化剂的活性
生物反应-分离耦合过程
生物反应-分离耦合过程
Integrated bioreaction-separation process in situ product removal
以选择最佳的分离技术，要具有较大的分离系数和较好的选择性
② 分离技术应具备生物相容性
即合适的分离技术应对生物反应不造成负面影响，不会造成生物催化剂或细胞的失活、 变性和死亡，也不会改变生物反应的代谢和调节机制，同时也不会对产品造成污染
③ 耦合过程环境的流体特性必需关注
因为流体力学性质决定并影响分离过程的传质，从而分离的容量和速度会受到极大的影 响，如高粘度的非牛顿型流体就不适合用膜分离技术
微滤（MF）膜、超滤（UF）膜、纳滤（NF）膜、反渗透（RO）膜
表征膜性能的参数
• • • • • • 孔的性质(包括孔径、孔分布和孔隙度) 水通量 截留率的截断分子量 抗压能力 pH适用范围 对热和溶剂的稳定性。
膜分离和发酵耦合的应用举例
膜生物反应器连续发酵法制取二羟基丙酮的研究
醋酸杆菌 膜生物反应器（MBR）连续发酵 二羟基丙酮
④ 分离剂应易于与反应体系分离，产物应易于从分离剂中提出来， 再生后的分离剂应可以重复利用 ⑤ 工程及经济因素
理想的分离技术应是操作费用低、性能稳定、工程上易实现、寿命长的技术
选择合适的分离技术的前提条件
充分了解目标产物的理化性质
包括分子量、疏水性、挥发性、荷电性及 特异性的亲和力等。
发酵分离耦合过程的发展趋势
新分离技术不断出现
如基于分子识别的分离方法
耦合过程的工艺中多种分离技术的集成
常用的发酵分离耦合技术
透析培养
膜分离和培养耦合 发酵与蒸馏耦合 萃取发酵 吸附培养
第二节 透析培养
透析 定义：当化学膜的两侧物质浓度存在差异 时，物质就会从浓度高的一侧向浓度低的 一侧渗透，直到两侧浓度相等。
生物反应体系不断广延
研究和应用对象除了初级代谢产物以外，更多地转向高附加值的药物产品(如抗生 素等)、食品添加剂(维生素、色素、香料等)和一些高分子量的产物(如酶、治疗用 的蛋白质、单抗、生物碱等)
耦合过程的内涵不断深化
有抑制或毒害作用的副产物的选择性分离；选择性地供给营养底物；不可发酵底
物或老龄化细胞的分离等。