第九章生物物质分离与纯化.ppt
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1、,第九章 生物物质分离与纯化,王雪青,9.1概述,生物物质分离(Bioseparation)是生物化工的一个重要的组成部分,常称之为下游过程(Downstream processing)。其与上中游同样重要,在某种程度上,甚至大于它们。前者解决丰产问题,而下游分离过程解决丰收问题。 生物物质的分离区别于其它物质的分离在于 A: 目的产物浓度很低。因此耗能、费用增高和产物的价格也相应的增加。 B: 生物物质易受环境因素如温度、pH、金属离子和微生物等的影响,增加了分离的难度。 C: 对终产品的质量要求极高。特别是医药产品或作为生物制剂的产品。 因此它是一项十分艰巨和耗资巨大的工作。对于传统发酵工
2、业,Separation Processes:,来说,(如抗生素、乙醇、柠檬酸等生产), 分离和提纯部分费用占总投资的60%,而对基因工程菌的发酵占到90%,对其下功夫研究和设计是一项十分重要和有意义的工作。,表 9-1 几种典型产品发酵液的浓度,下游加工过程应遵循的原则,时间短; 温度低 pH适中 严格的清洗和消毒,下游加工一般工艺流程,发酵液,细胞分离,提取、分离,纯化、精制,产物,胞外产物,胞内产物,离心或过滤,细胞破碎,整体细胞萃取,离心或过滤,离心或过滤,干燥,含产物的清液,废物,离心或过滤,干燥,产物,一、发酵液的预处理,改变发酵液的性质,以利于固液分离。通过酸化、加热、以降低发酵
3、液的黏度。 通过加入絮凝剂,使细胞或溶解的大分子聚结成较大的颗粒。絮凝剂为人工合成的高分子聚合物,如聚丙烯酰胺和聚乙烯亚胺衍生物,天然的有机高分子物质,如壳聚糖和葡聚糖的聚糖类,明胶和海藻酸钠,以及由微生物产生的物质如糖蛋白、粘多糖、纤维素和核酸等,絮凝法常可得到粗大的絮团。 通过加入一些中性盐,导致胶体出现凝聚的不稳定的现象。表征电解质凝聚能力的大小用凝聚价,即使胶粒 发生凝聚作用的最小电解质的浓度。因此反离子价数越高该值就越小,凝聚能力就越强。常用的凝聚剂为明矾,AlCl36H2O, FeCl3, ZnSO4, MgCO3。采用凝聚的方法得到的凝聚体颗粒比较小。,二、发酵液的固液分离,通过
4、固液分离,去除了发酵液中的固相物质,为后续过程提供澄清或洁净的原料液体。通常采用的单元操作为过滤和离心。,过滤设备的种类和特点,主要离心设备,Disc-Centrifuges,Solids-retaining centrifuge,Nozzle with pressurized discharge of concentrate,Nozzle with peripheral nozzles,Periodically solids-ejecting centrifuge,Periodically solids-ejecting centrifuge with axial channels,Cent
5、rifuges,三、细胞破碎,破碎方法,机械方法,非机械方法,固体剪切力,流体剪切力,干燥处理,溶胞处理,球磨法,压榨法,高压匀浆,超声法,酶溶法,化学法,物理法,压力破碎法:利用压力释放时的固液剪切进行破碎。操作简单,可连续操作,适用面广,但操作会产生热,需有冷却系统,同时破碎率低。,珠磨破碎法:利用固体的剪切进行破碎。操作简单,可连续/批式操作,适用面广,但操作会产生热,需有冷却系统,不同细胞的破碎条件差异大。,超声破碎法:利用超声波形成空穴产生压力冲击进行破碎。操作简单,可连续/批式操作,但操作会产生热,需有冷却系统,破碎率低,适应性差。,渗透压法:利用渗透压的突变,造成细胞内压力差而引
6、起细胞的破碎。破碎率低,产物释放较好,操作复杂,条件要求苛刻,适用于少量样品的处理,费用高。,有机溶剂法:利用有机溶剂或表面活性剂改变细胞壁/膜的通透性,使包内产物释放的方法。该法简单,内含物释放少,产物较纯,可规模化生产,但适用面窄。,碱或酶处理法:利用碱或酶的处理是细胞壁或膜破坏,产物得以释放。该法简单,可规模化生产,但适用面窄。,选择破碎法的依据: 细胞的处理量: 大规模,则一般采用机械法,而实验室规模的,则选择非机械法。 细胞壁的强度和结构: 酵母和真菌,含有纤维素和几丁质,比细菌的胞壁强度大,应选择高压匀浆法。而对于有高度分之的微生物,会阻塞匀浆气阀而不能应用。 目的产物对破碎条件的
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- 第九 生物 物质 分离 纯化
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