生物分离工程预处理和固液分离

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,*,生物分离工程,发酵液的预处理和固液分离,1,第一章,发酵液的预处理和固液分离,发酵液的预处理和固液分离,2,生物反应过程示意图,概述,发酵液的预处理和固液分离,3,生物分离过程的一般流程,概述,原料液,细胞分离,(,离心，过滤,),细胞胞内产物,路线一,路线二,细胞破碎,碎片分离,路线一,A,路线一,B,清液胞外产物,粗分离,(,盐析、萃取、超过滤等,),纯化,(,层析、电泳,),脱盐,(,凝胶过滤、超过滤,),浓缩,(,超过滤,),精制,(,结晶、干燥,),包含体,溶解,(,加盐酸胍、脲,),复性,发酵液的预处理和固液分离,4,概述,发酵液的预处理和固液分离,概述,微生物或动植物细胞在合适的培养基，值，温度和通气搅拌（或厌气）等发酵条件下进行生长和合成生物活性物质，因为在其培养（发酵）液中包含了菌（细胞）体，胞内外代谢产物，胞内的细胞物质及剩余的培养基残分等。不管人们所需要的产物是胞内的还是胞外的或是菌体本身，都首先要进行培养液的预处理和菌体回收，只有将固，液分离开，才能从澄清的滤液中采用物理、化学的方法提取代谢产物，或从细胞出发进行破碎、碎片分离和提取胞内产物。,5,14.,发酵液的预处理和固液分离,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,14.1,悬浮液的预处理,悬浮液的基本特性,细胞的相对密度与培养液相似,可压缩性，粘稠，非牛顿流体，流变行为复杂,悬浮状态稳定,6,为何要对发酵液进行预处理？,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,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。,7,预处理的目的,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,预处理的目的主要有三个：,改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；,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。,8,预处理的方法,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,加热法,调节悬浮液的,PH,值,凝聚和絮凝,9,凝聚与絮凝,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,凝聚与絮凝其处理过程就是将化学药剂预先投加到悬浮液中，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，使它们聚集成可分离的絮凝体，再进行分离。,10,凝聚,和,絮凝,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,凝聚和絮凝是两种方法，两个概念。,凝聚：指在投加的化学物质（铝、铁的盐类或石灰等）作用下，胶体脱稳并使粒子相互聚集成,mm,大小块状凝聚体的过程。,絮凝：指使用絮凝剂（天然的和合成的大分子量聚电解质）将胶体粒子交联成网，形成,10mm,大小絮凝团的过程。其中絮凝剂主要起架桥作用。,11,凝聚,和,絮凝,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,凝聚：,胶体粒子,(10-100nm),中性盐促进下脱稳相互聚集成大粒子（,1mm,）,机理：,a,中和粒子表面电荷,b,消除双电层结构,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,机理：架桥作用,12,凝聚和絮凝在发酵液预处理中的应用,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,凝聚和絮凝技术能有效的改变细胞菌体和蛋白质等胶体粒子的分散状态,使其聚集起来,增大体积以便固液分离,常用于菌体细小而且黏度大的发酵液的预处理中,.,13,发酵液的带电现象,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,发酵液中的细胞、菌体或蛋白质等胶体粒子的表面，一般都带有电荷，带电的原因很多，主要是吸附溶液中的离子或自身基团的电离。通常发酵液中细胞或菌体带有负电荷，由于静电引力的作用使溶液中带相反电荷的粒于（即正离子）被吸附在其周围，在界面上形成了双电层。,但是这些正离子还受到使它们均匀分布开去的热运动的影响，具有离开胶粒表面的趋势，在这两种相反作用的影响下，双电层就分裂成两部分，在相距胶核表面约一个离子半径的,stern,平面以内，正离子被紧密束缚在胶核表面，称为,吸附层,或,stern,层；在,stern,平面以外，剩余的正离子则在溶液中扩散开去，距离越远，浓度越小，最后达到主体溶液的平均浓度，称为,扩散层,。这样就形成了扩散双电层的结构模型。,14,胶体双电层结构,悬浮液的预处理,发酵液的预处理和固液分离,15,预处理方法,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,高价无机离子的去除,Ca,2+,草酸,Mg,2+,三聚磷酸钠,Fe,3+,黄血盐 （普鲁士蓝）,蛋白质去除,加热,调,pH (,草酸，无机酸或碱,),有机溶剂,蛋白沉淀剂,16,电位,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,在不同的界面上就会形成不同的电位，胶核表面的电位,s,是整个双电层的电位，,Stern,平面上的电位为,d,，在滑移面上的电位为,称,电位（或称电动电位）。这三种电位中只有,电位能实际测得，所以可以认为它是控制胶粒间电排斥作用的电位，用来表征双电层的特征，并作为研究凝聚机理的重要参数。,17,电位的计算：,悬浮液的预处理,发酵液的预处理和固液分离,18,符号说明：,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,其中,D ,水的介电常数；,q ,胶体的电动电荷密度，即滑移面上的电荷密度；,扩散层的有效厚度，即为吸附层和扩散层界面处电位,d,降低到其值为,1/e,处的距离，不能直接测定,19,扩散层的有效厚度计算式,悬浮液的预处理,发酵液的预处理和固液分离,20,符号说明：,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,式中,N,一 阿伏伽德罗常数；,T,一 热力学温度：,k ,波尔兹曼常数；,e ,电子电荷；,Zi i,种反离子的化合价；,Ci i,种离子的摩尔浓度。,21,（,14,1,）和式（,14,一,2,）说明,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,由式（,14,1,）和式（,14,一,2,）可知，,电位与扩散层厚度,和电动电荷密度,q,成正比，而扩散层厚度又与溶液中离子强度有关，因此，对带负电性菌体的发酵液，高价阳离子的存在，可压缩扩散层的厚度，促使,电位迅速降低，而且，化合价越高，这种影响越显著，当双电层的排斥力不足以抗衡胶粒间的范德华引力时，由于热运动的结果导致胶粒的互相碰撞而聚集起来。,22,凝聚价或凝聚值,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,在发酵液中加入具有高价阳离子的电解质，由于能降低,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。电解质的凝聚能力可用凝聚价或凝聚值来表示，使胶粒发生凝聚作用的最小电解质浓度（毫摩尔升），称为凝聚价或凝聚值。,23,Schulze,Hardy,法则,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,叔米,-,哈第法则：,反离子的价数越高，该值就越小，即凝聚能力越强，阳离子对带负电荷的胶粒凝聚能力的次序为,A1,3,Fe,3+,H,Ca,2,十,Mg,2+,K,+,Na,+,Li,+,，常用的凝聚剂电解质有：,Al,2,(SO,4,),3,18H,2,0,（明矾）；,AlC1,3,6H,2,O,；,FeC1,3,；,ZnSO,4,；,MgCO,3,等。,24,高分子絮凝剂的吸附架桥作用,悬浮液的预处理,发酵液的预处理和固液分离,25,常用的絮凝剂,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,聚丙烯酰胺（,po1yacry1amide,）类和聚乙烯亚胺,（,polyethyleneimine,）衍生物，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。由于聚丙烯酰胺类絮凝剂具有用量少，一般以,ppm,计量，絮凝体粗大，分离效果好，絮凝速度快以及种类多等优点，所以适用范围广。,聚丙烯酸类阴离子絮凝剂和聚苯乙烯类衍生物。,无机高分子聚合物也是较好的一类絮凝剂，如聚合铝盐和聚合铁盐等。,天然有机高分子絮凝剂,，如壳聚糖和葡聚糖等聚糖类，还有明胶、骨胶、海藻酸钠等。,微生物絮凝剂,是近年来研究和开发的新型絮凝剂，它是一类由微生物产生的具有絮凝细胞功能的物质。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。,26,絮凝剂应用优化,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,用量控制 最佳用量为粒子表面积约有一,半被 聚合物覆盖时所用的絮凝剂量。,pH,控制,.,固体浓度与粒子尺寸分布。,电解质含量。,后续工艺要求。,27,14.1.2,杂蛋白质的其它去除方法,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中，胶体粒子的稳定性和其所带电荷有关。和氨基酸等两性物质一样，蛋白质在酸性溶液中带正电荷，在碱性溶液中带负电荷，而在某一,pH,下，净电荷为零，溶解度最小，可使其产生沉淀而除去，,称为等电点沉淀法,。,28,蛋白质的变性,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,蛋白质从有规则的排列变成不规则结构的过程称为,变性,。变性蛋白质溶解度较小。,最常用的使蛋白质变性的方法是,加热,。加热还能使液体粘度降低，加快过滤速度。,链霉素生产中，采用,调,pH,至酸性（,pH3.0,），加热至,70,，维持半个小时的方法来去除蛋白质，能使过滤速度增大,10-100,倍，滤液粘度可降低,1/6,。,柠檬酸发酵液，采用加热至,80,以上，使蛋白质变性凝固和降低发酵液粘度，从而大大提高了过滤速度。,29,吸附作用,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,利用吸附作用也可除去蛋白质。,四环类抗生素生产中，采用黄血盐和硫酸锌的协同作用生成亚铁氰化锌钾,K,2,Zn,3,Fe(CN),5,2,的胶状沉淀来吸附蛋白质，利用此法除蛋白质已取得很好的效果。,在枯草杆菌发酵液中，常加入氯化钙和磷酸氢二钠，这两者本身生成庞大的凝胶，把蛋白质、菌体及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去，从而加快了过滤速度。,30,14.1.3,高价无机离子的去除方法,发酵液的预处理和固液分离,悬浮液的预处理,为了去除钙离子，宜加入草酸。但草酸溶解度较小，故用量大时，可用其可溶性盐，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。如四环类抗生素废液中，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：,Na5P3010,Mg,2+, 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,:,4Fe,3+,+ 3K4Fe(CN)6 Fe4Fe(CN)63+ 12K,+,31,14.2,发酵液的固液分离,发酵液的预处理和固液分离,发酵液的固液分离,固液分离的目的包括两方面：,收集胞内产物的细胞或菌体，分离除去液相，或者是收集含生化物质的液相，分离除去固体悬浮物，如细胞、菌体、细胞碎片、蛋白质的沉淀物和它们的絮凝体等。,常用的方法为过滤和离心分离等化工单元操作。,32,常见的固液分离方法,发酵液的预处理和固液分离,发酵液的固液分离,离心沉降,微孔膜过滤,双水相萃取,泡沫分离法,避开固液分离的探索扩张床吸附,33,影响过滤的因素,发酵液的预处理和固液分离,发酵液的固液分离,菌种：真菌，放线菌，细菌,培养基：黄豆，花生，淀粉，后期加油，培养基未用完,发酵时间：菌丝自溶前放罐,黏度（发酵液）,34,14.2.2,过滤,发酵液的预处理和固液分离,发酵液的固液分离,过滤操作是借助于过滤介质，在一定的压力差,P,作用下，将悬浮液中的固体粒子截留，而与液体分离的技术。衡量过滤特性的主要指标是滤饼的,重量比阻,rB,，它,表示单位滤饼厚度的阻力系数,，与滤饼的结构特性有关。对于不可压缩性滤饼，比阻值为常数，但对于可压缩性滤饼，比阻,rB,，是操作压力差的函数，一般可用下式表示：,rB,r(P),m,（,14-3,）,式中,r ,不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料液，其值为常数；,m ,压缩性指数，一般取,0,5,一,0,8,，对不可压缩性滤饼，,m,为,0,。,35,恒压下的过滤方程,发酵液的预处理和固液分离,发酵液的固液分离,恒压下，可压缩性滤饼的比阻值应为常数。如过滤介质的阻力相对较小可以忽略不计，,则：,36,过滤方程符号说明如下,发酵液的预处理和固液分离,发酵液的固液分离,式中,q ,到瞬间,，通过单位过滤面积的滤液量，,m,3,；,P ,压力差，,Pa,；,滤液粘度，,Pas,；,rB ,滤饼的重量比阻，,m/kg,；,XB ,通过单位体积滤液，所形成的滤渣重量（干重），,kg,m,3,；, ,过滤时间，,s,重量比阻可根据式,14,4,，利用图解法求得。以,/q,为纵轴，以,q,为横轴所得的直线斜率为,M,，则,rB,可按下式计算：,37,rB,的计算,发酵液的固液分离,发酵液的预处理和固液分离,38,过滤的难易程度,发酵液的预处理和固液分离,发酵液的固液分离,根据滤饼的重量比阻值，可衡量各种不同发酵液过滤的难易程度。,一般，真菌的菌丝比较粗大，如青霉素的重量比阻为（,0.15,一,0.20,）, l0,12,m,kg,左右，发酵液容易过滤，常不需特殊处理。放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状，如链霉素重量比阻为,200010,12,m/kg,左右，过滤较困难，一般需经预处理。,39,改善过滤方法,发酵液的预处理和固液分离,发酵液的固液分离,助滤剂,：质地坚硬不可压缩性固体,机理：,表面吸附胶体及不可压缩型格子结构,使用方法：,a,预先制成滤饼,b,助滤剂混入悬浮液中一起过滤,常用助滤剂,：硅藻土，珍珠岩，活性炭,应用优化因素,a,单位质量助滤剂的滤液最大产量,b,使用周期,c,流速,40,固液分离设备,发酵液的预处理和固液分离,发酵液的固液分离,板框,鼓式真空过滤机,错流过滤,离心机,平抛式,管式,多室,蝶式,螺旋式,41,板框压滤机,发酵液的固液分离,发酵液的预处理和固液分离,42,板框压滤机,发酵液的预处理和固液分离,发酵液的固液分离,板框压滤机的过滤推动力来自泵产生的液压或进料贮槽中的气压。,它最重要的特征是通过过滤介质时产生的压力降可以超过,0.1MPa,这是真空过滤器无法达到的。,板框压滤机已有很长历史。,43,错流过滤,发酵液的固液分离,微滤过程示意图,料液快速经过薄膜,以减少形成滤饼,发酵液的预处理和固液分离,44,特点,发酵液的预处理和固液分离,发酵液的固液分离,a,介质阻力大,b,不能得到干滤饼,c,需要大的膜面积,d,收率高 （,97-98%,）,e,质量好,f,减少处理步聚,g,染菌罐也能进行处理,45,离心分离,发酵液的固液分离,发酵液的预处理和固液分离,46,平抛式,发酵液的固液分离,发酵液的预处理和固液分离,47,平抛式,发酵液的预处理和固液分离,发酵液的固液分离,平抛式也称瓶式离心机这是一类结构最简单的实验室常用的低，中速离心机，转速一般在,3000-6000rpm,。,48,发酵液的固液分离,管式,发酵液的预处理和固液分离,49,管式离心机,发酵液的预处理和固液分离,发酵液的固液分离,管式离心机：分为液液分离的连续式管式离心机和液固分离的间歇式管式离心机。,结构简单,转速很高,有利于蛋白质的分离,间歇操作,50,多室,发酵液的固液分离,发酵液的预处理和固液分离,51,多室式,发酵液的预处理和固液分离,发酵液的固液分离,多室式离心机的转鼓内有若干同心圆筒组成若干同心环状分离室,加长了被分离液体的流程，使液层减薄，增加了沉降面积，减少了沉降距离。,同时还有粒度筛分的作用，悬浮液中的粗颗粒沉降到靠近内部的分离室壁上，细颗粒则沉降到靠近外部的室壁上，澄清的分离液经溢流或由向心泵排出。,常用于抗菌素液液萃取分离，果汁和酒类饮料的澄清等。,52,螺旋式,发酵液的固液分离,发酵液的预处理和固液分离,53,螺旋式,发酵液的预处理和固液分离,发酵液的固液分离,螺旋卸料沉降离心机,有立式和卧式两种,卧螺机是一种全速旋转，连续进料，分离和卸料的离心机。,最大离心力强度可达,6000,操作温度可达,300,操作压力一般为常压,常用于胰岛素，细胞色素，胰酶的分离等。,54,碟式,发酵液的固液分离,发酵液的预处理和固液分离,55,碟片式离心机,发酵液的预处理和固液分离,发酵液的固液分离,是一种应用最为广泛的离心机,有一个密封的转鼓，内装十至上百个锥顶角为,60100,锥形碟片。,固体的沉降距离极短，分离效果较好。,碟片间的距离一般为,0.52.5mm,与被分离物料的性质有关。,56,碟片式离心机,发酵液的预处理和固液分离,发酵液的固液分离,人工排渣的碟片离心机,喷嘴排渣的碟片离心机,活门（活塞）排渣的碟片离心机,活门排渣的喷嘴碟片式离心机,（这是近年来开发的机型，它和相同直径的活塞机相似，其速度可增加,23%30%,故可使分离因素达,15000,左右，该机型可用于酶制剂，疫苗和胰岛素生产中分离物的澄清，醇的生产中细菌的采集以及,r-DNA,中采集和澄清。,57,包含体产物分离工艺（牛生长激素分离提取）,发酵液的固液分离,发酵液的预处理和固液分离,58,14.3,全发酵液提取,发酵液的预处理和固液分离,全发酵液提取,1.,用,膜技术,进行全发酵液提取,2.,用,双水相,萃取进行全发酵液提取,3.,用,扩张床,吸附进行全发酵液提取,59,发酵液的预处理和固液分离,全发酵液提取,一种新型的生物分离技术概念被提出：,集成化分离技术,，即对已有的两种或两种以上的单元操作进行有效的组合，组成一种有效的单元操作，以达到提高产品收率、缩短纯化步骤、降低纯化费用和投资成本的目的。,基于以上两点，,20,世纪,90,年代人们发展了一种集成化分离技术,扩张床吸附技术。,60,二 扩张床吸附技术,发酵液的预处理和固液分离,全发酵液提取,扩张床（,Expanded bed,）亦称膨胀床是发展中的吸附分离技术。九十年代初，英国剑桥大学的,H.A.Chase,等通过对吸附剂本身物理性质的改进及对层析柱和流体分布器的精心设计，得到了稳定、返混小的扩张床。,扩张床吸附集澄清、浓缩和初步纯化于一体的分离纯化技术。可以减少离心或过滤等单元操作步骤，节约操作周期。提高目标产物的收率，降低了分离纯化的成本，被称为近几十年来出现的第一个新的单元操作。随着商业化吸附剂和装置的出现，愈来愈多地引起人们的兴趣和关注。,61,扩张床装置图,发酵液的预处理和固液分离,全发酵液提取,62,扩张床的操作按顺序（见下图）可分为五个部分,:(1),平衡,(equlibration),、,(2),吸附,(adsorption),、,(3),冲洗,(washing),、,(4),洗脱,(elution),和,(5),在位清洗,(clean in place, CIP),。,发酵液的预处理和固液分离,全发酵液提取,63,思考题,发酵液的预处理和固液分离,全发酵液提取,1,发酵液为何需要预处理？处理方法有,哪些？,2,如何使用助滤剂,?3,凝集与絮凝过程有何区别？如何将两,者结合使用？,4,错流微滤与传统过滤相比有何优点？,64,发酵液的预处理和固液分离,第十五章,细 胞 破 碎,65,概述,发酵液的预处理和固液分离,细胞破碎（,cell rupture,）技术是指利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内容物包括目的产物成分释放出来的技术。,细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成的非分泌型药物成分的基础。,随着重组,DNA,技术和组织培养技术上的重大进展，以前认为很难获得的蛋白质得以大规模生产。,66,发酵液的预处理和固液分离,这些产品主要为医药和保健产品，如胰岛素、某些细胞因子和疫苗亚单位成分等。,这些蛋白质在细胞培养时被宿主细胞分泌到培养液中，其后续分离和纯化都相对简单。,但由于一些重组,DNA,（,rDNA,）产品结构复杂，必须在细胞内组装来获得生物活性，如果在培养时被宿主细胞分泌到培养液中，其生物活性往往有所改变，此类,rDNA,产品是细胞内产品（非分泌型），需要应用细胞破碎技术破碎细胞，使重组的药物成分释放出来，为后续的分离纯化做好准备工作。,67,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,第十四章,发酵液的预处理和固液分离第二讲,68,生物分离过程的一般流程,第二讲,原料液,细胞分离,(,离心，过滤,),细胞胞内产物,路线一,路线二,细胞破碎,碎片分离,路线一,A,路线一,B,清液胞外产物,粗分离,(,盐析、萃取、超过滤等,),纯化,(,层析、电泳,),脱盐,(,凝胶过滤、超过滤,),浓缩,(,超过滤,),精制,(,结晶、干燥,),包含体,溶解,(,加盐酸胍、脲,),复性,发酵液的预处理和固液分离,69,包含体产物分离工艺（牛生长激素分离提取）,第二讲,发酵液的预处理和固液分离,70,包含体产物分离工艺（牛生长激素分离提取）,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,来自发酵罐的菌体经过离心除去培养液后加入缓冲液悬浮，通入高压匀浆器反复破碎三次。匀浆经过离心和水洗除去细胞碎片，再添加溶菌酶、,EDTA,和促进剂以除去脂蛋白和未破碎的细胞。包含体经离心沉淀和水洗后进行变性溶解，溶解剂为,6mol/L,盐酸胍。溶解的同时通入空气氧化以打断错误连接的双硫键。离心除去沉淀，含变性蛋白质的上清液经超滤浓缩后过凝胶柱除去杂蛋白，再加入复性缓冲液进行透析复性。复性过程中产生的絮凝沉淀用离心除去。,71,概述,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,微生物或动植物细胞在合适的培养基，值，温度和通气搅拌（或厌气）等发酵条件下进行生长和合成生物活性物质，因为在其培养（发酵）液中包含了菌（细胞）体，胞内外代谢产物，胞内的细胞物质及剩余的培养基残分等。不管人们所需要的产物是胞内的还是胞外的或是菌体本身，都首先要进行培养液的预处理和菌体回收，只有将固，液分离开，才能从澄清的滤液中采用物理、化学的方法提取代谢产物，或从细胞出发进行破碎、碎片分离和提取胞内产物。,72,常见的固液分离方法,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,离心沉降,微孔膜过滤,双水相萃取,泡沫分离法,避开固液分离的探索扩张床吸附,73,影响过滤的因素,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,菌种：真菌，放线菌，细菌,培养基：黄豆，花生，淀粉，后期加油，培养基未用完,发酵时间：菌丝自溶前放罐,黏度（发酵液）,74,14.2.2,过滤,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,过滤操作是借助于过滤介质，在一定的压力差,P,作用下，将悬浮液中的固体粒子截留，而与液体分离的技术。衡量过滤特性的主要指标是滤饼的,重量比阻,rB,，它,表示单位滤饼厚度的阻力系数,，与滤饼的结构特性有关。对于不可压缩性滤饼，比阻值为常数，但对于可压缩性滤饼，比阻,rB,，是操作压力差的函数，一般可用下式表示：,rB,r(P),m,（,14-3,）,式中,r ,不可压缩滤渣的比阻，对于一定的料液，其值为常数；,m ,压缩性指数，一般取,0,5,一,0,8,，对不可压缩性滤饼，,m,为,0,。,75,恒压下的过滤方程,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,恒压下，可压缩性滤饼的比阻值应为常数。如过滤介质的阻力相对较小可以忽略不计，,则：,76,过滤方程符号说明如下,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,式中,q ,到瞬间,，通过单位过滤面积的滤液量，,m,3,；,P ,压力差，,Pa,；,滤液粘度，,Pas,；,rB ,滤饼的重量比阻，,m/kg,；,XB ,通过单位体积滤液，所形成的滤渣重量（干重），,kg,m,3,；, ,过滤时间，,s,重量比阻可根据式,14,4,，利用图解法求得。以,/q,为纵轴，以,q,为横轴所得的直线斜率为,M,，则,rB,可按下式计算：,77,rB,的计算,第二讲,发酵液的预处理和固液分离,78,过滤的难易程度,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,根据滤饼的重量比阻值，可衡量各种不同发酵液过滤的难易程度。,一般，真菌的菌丝比较粗大，如青霉素的重量比阻为（,0.15,一,0.20,）, l0,12,m,kg,左右，发酵液容易过滤，常不需特殊处理。放线菌发酵液菌丝细而分枝，交织成网络状，如链霉素重量比阻为,200010,12,m/kg,左右，过滤较困难，一般需经预处理。,79,改善过滤方法,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,助滤剂,：质地坚硬不可压缩性固体,机理：,表面吸附胶体及不可压缩型格子结构,使用方法：,a,预先制成滤饼,b,助滤剂混入悬浮液中一起过滤,常用助滤剂,：硅藻土，珍珠岩，活性炭,应用优化因素,a,单位质量助滤剂的滤液最大产量,b,使用周期,c,流速,80,固液分离设备,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,板框,鼓式真空过滤机,错流过滤,离心机,平抛式,管式,多室,蝶式,螺旋式,81,板框压滤机,第二讲,发酵液的预处理和固液分离,82,板框压滤机,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,板框压滤机的过滤推动力来自泵产生的液压或进料贮槽中的气压。,它最重要的特征是通过过滤介质时产生的压力降可以超过,0.1MPa,这是真空过滤器无法达到的。,板框压滤机已有很长历史。,83,错流过滤,第二讲,微滤过程示意图,料液快速经过薄膜,以减少形成滤饼,发酵液的预处理和固液分离,84,特点,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,a,介质阻力大,b,不能得到干滤饼,c,需要大的膜面积,d,收率高 （,97-98%,）,e,质量好,f,减少处理步聚,g,染菌罐也能进行处理,85,离心分离,第二讲,式中,d, 颗粒直径；,p, 颗粒密度；,m, 液体介质密度；, 液体介质粘度；, 旋转角速度；,r, 离心机转轴中心到颗粒中心距离。,发酵液的预处理和固液分离,86,平抛式,第二讲,发酵液的预处理和固液分离,87,平抛式,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,平抛式也称瓶式离心机这是一类结构最简单的实验室常用的低，中速离心机，转速一般在,3000-6000rpm,。,88,管式,第二讲,发酵液的预处理和固液分离,89,管式离心机,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,管式离心机：分为液液分离的连续式管式离心机和液固分离的间歇式管式离心机。,结构简单,转速很高,有利于蛋白质的分离,间歇操作,90,多室,第二讲,发酵液的预处理和固液分离,91,多室式,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,多室式离心机的转鼓内有若干同心圆筒组成若干同心环状分离室,加长了被分离液体的流程，使液层减薄，增加了沉降面积，减少了沉降距离。,同时还有粒度筛分的作用，悬浮液中的粗颗粒沉降到靠近内部的分离室壁上，细颗粒则沉降到靠近外部的室壁上，澄清的分离液经溢流或由向心泵排出。,常用于抗菌素液液萃取分离，果汁和酒类饮料的澄清等。,92,螺旋式,第二讲,发酵液的预处理和固液分离,93,螺旋式,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,螺旋卸料沉降离心机,有立式和卧式两种,卧螺机是一种全速旋转，连续进料，分离和卸料的离心机。,最大离心力强度可达,6000,操作温度可达,300,操作压力一般为常压,常用于胰岛素，细胞色素，胰酶的分离等。,94,碟式,第二讲,发酵液的预处理和固液分离,95,碟片式离心机,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,是一种应用最为广泛的离心机,有一个密封的转鼓，内装十至上百个锥顶角为,60100,锥形碟片。,固体的沉降距离极短，分离效果较好。,碟片间的距离一般为,0.52.5mm,与被分离物料的性质有关。,96,碟片式离心机,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,人工排渣的碟片离心机,喷嘴排渣的碟片离心机,活门（活塞）排渣的碟片离心机,活门排渣的喷嘴碟片式离心机,（这是近年来开发的机型，它和相同直径的活塞机相似，其速度可增加,23%30%,故可使分离因素达,15000,左右，该机型可用于酶制剂，疫苗和胰岛素生产中分离物的澄清，醇的生产中细菌的采集以及,r-DNA,中采集和澄清。,97,14.3,全发酵液提取,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,1.,用,膜技术,进行全发酵液提取,2.,用,双水相,萃取进行全发酵液提取,3.,用,扩张床,吸附进行全发酵液提取,98,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,一种新型的生物分离技术概念被提出：,集成化分离技术,，即对已有的两种或两种以上的单元操作进行有效的组合，组成一种有效的单元操作，以达到提高产品收率、缩短纯化步骤、降低纯化费用和投资成本的目的。,基于以上两点，,20,世纪,90,年代人们发展了一种集成化分离技术,扩张床吸附技术。,99,二 扩张床吸附技术,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,扩张床（,Expanded bed,）亦称膨胀床是发展中的吸附分离技术。九十年代初，英国剑桥大学的,H.A.Chase,等通过对吸附剂本身物理性质的改进及对层析柱和流体分布器的精心设计，得到了稳定、返混小的扩张床。,扩张床吸附集澄清、浓缩和初步纯化于一体的分离纯化技术。可以减少离心或过滤等单元操作步骤，节约操作周期。提高目标产物的收率，降低了分离纯化的成本，被称为近几十年来出现的第一个新的单元操作。随着商业化吸附剂和装置的出现，愈来愈多地引起人们的兴趣和关注。,100,扩张床装置图,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,101,扩张床的操作按顺序（见下图）可分为五个部分,:(1),平衡,(equlibration),、,(2),吸附,(adsorption),、,(3),冲洗,(washing),、,(4),洗脱,(elution),和,(5),在位清洗,(clean in place, CIP),。,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,102,思考题,发酵液的预处理和固液分离,第二讲,1,发酵液为何需要预处理？处理方法有,哪些？,2,如何使用助滤剂,?3,凝集与絮凝过程有何区别？如何将两,者结合使用？,4,错流微滤与传统过滤相比有何优点？,103,细胞破碎,第十五章,细 胞 破 碎,104,概述,细胞破碎,概述,细胞破碎（,cell rupture,）技术是指利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内容物包括目的产物成分释放出来的技术。,细胞破碎技术是分离纯化细胞内合成的非分泌型药物成分的基础。,随着重组,DNA,技术和组织培养技术上的重大进展，以前认为很难获得的蛋白质得以大规模生产。,105,细胞破碎,概述,这些产品主要为医药和保健产品，如胰岛素、某些细胞因子和疫苗亚单位成分等。,这些蛋白质在细胞培养时被宿主细胞分泌到培养液中，其后续分离和纯化都相对简单。,但由于一些重组,DNA,（,rDNA,）产品结构复杂，必须在细胞内组装来获得生物活性，如果在培养时被宿主细胞分泌到培养液中，其生物活性往往有所改变，此类,rDNA,产品是细胞内产品（非分泌型），需要应用细胞破碎技术破碎细胞，使重组的药物成分释放出来，为后续的分离纯化做好准备工作。,106,