生化工程下游技术课件第2章下游技术理论基础

,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,第三级,第四级,第五级,*,第二章 下游技术理论基础,第一节 细胞,中分子分布规律,第二节 分离基本原理,第三节 下游技术中的物理学过程,第四节 下游技术中的化学过程,第五节 下游技术中的生物过程,第二章 下游技术理论基础 第一节 细胞中分子分布规律,第一节 细胞,中分子分布规律,各种类型的细胞其组成分子种类各异，差异有大有小。在同一个细胞内各类的分子分布大致的规律：,在真核细胞中，脱氧核糖核酸（DNA）大部分存在于细胞核内，只有极少量存在于线粒体或叶绿体中。而核糖核酸（RNA）则主要存在于细胞质中。,电子传递系统组成物质，包括黄素蛋白，细胞色素c、c1 、a、a3 以及糖类分解，脂肪酸会成和氧化，氧化磷酸化等有关酶系大部分存在于线粒体中。,第一节 细胞中分子分布规律 各种类型的细胞其组成分子种类各异,生化工程下游技术课件第2章下游技术理论基础,生化工程下游技术课件第2章下游技术理论基础,形状和大小: 凝胶过滤、超滤、透析, 电离性质: 离交色谱、电泳（除SDS）, 极性（疏水性）: 分配、吸附、疏水色谱, 生物功能或特殊化学基团: 亲和色谱, 等电点pI: 色谱聚焦、电聚焦, 溶解性: 盐析、有机溶剂提取、结晶, 密度、大小: 超离心,分离依据,分离技术, 形状和大小:,生化工程下游技术课件第2章下游技术理论基础,推动力,流体动力（如色谱）,电场力（如电泳),重力,离心力（如沉降）,其他作用力, 如扩散、渗透中的分子运动等。,许多分离方法常常不止一种推动力，而是几种推动力联合起作用。,阻滞力一般包括：,（l）在均一溶液中分子的摩擦效应；,（2）极化分子的静电作用；（尤其是生物大分子溶质与溶液中其他溶质分子的静电引力，往往造成这些大分子溶质流动时遇到的主要阻碍力。）,（3）在两相体系中，溶质在两相中的分配系数及分子筛效应等。,（4）吸附作用、渗透作用及其他因素所引起的阻滞力。,推动力许多分离方法常常不止一种推动力，而是几种,各种分离方法中推动力及阻滞力,各种分离方法中推动力及阻滞力,第三节 下游技术中的物理学过程,一、基础物性,各种物质都有其固有的性质，利用物质性质上的差异，可以区分不同的物质，并可对混合物进行分离和精制。,从工程学的角度来说：,物性差异越大,作为分离基础的实际利用价值越大。,从工程学的角度来说：,二、分类,以物理学过程为基础的分离操作, 大致可分为三类。,1.,平衡分离过程,建立在相平衡关系上的。利用相的组成差别进行混合物体系的分离。,这种操作是建立在相平衡关系上的。利用相的组成差别进行混合物体系的分离。表2l 为平衡分离的代表性单元操作。大部分平衡分离操作都包含在内。,物性：蒸气压、溶解度,单元：蒸发、结晶,生化工程下游技术课件第2章下游技术理论基础,2.拟平衡(速度差)分离操作,混合物体系之外加一个势能场，在它的作用下，形成分离场。使被分离物在分离场的端面上浓缩，或者在分离场内形成一个稳定的浓度分布。,物性：密度、电荷,单元：超速高心分离、离心分离、电泳,3.,非平衡(速度差)分离操作,平衡和拟平衡分离操作以外均划归其中。,物性：粒子大小、扩散系数、渗透系数,单元：过滤、透过汽化,2.拟平衡(速度差)分离操作,三、平衡论,1. 相平衡基础,多组分混合物体系，达到相平衡的条件是各相温度，压力相等，各相中各成份的逸度相等。当系统整体的温度和压力均相同，多相系统达到相平衡时，可用,吉布斯相律,描述。,吉布斯(Gibbs)于1876年推导出的相律已成为多相平衡体系研究的热力学基础，它表示平衡体系中相数P、独立组分数C和描述该平衡体系的变数F之间的关系：,F = C P + 2,其中F 为,平衡体系的,自由度数,，是完整地描述体系状态所需要的独立强度变量数。在分离过程中主要的三个强度变量是,温度、压力和组分,(浓度),。,生化工程下游技术课件第2章下游技术理论基础,对纯物质，组分数C=1，则F=3-P，如相图中液相区域，F=2。因此，在该区域内任一位置必须由温度和压力两个变量来确定。,在气-液平衡线上P=2，只要确定一个变量，即温度或者压力，其状态就确定了。,对纯物质，组分数C=1，则F=3-P，如相图中液相区域，F=,2.,气液平衡,对于非理想溶液，组分,i,在平衡气相中的分压,p,i,和其液相组成,x,i,关系,其中,p,i,0,纯组分,i,的饱和蒸汽压,i,组分,i,的活度,i,组分,i,的活度系数,当,i,= 1 时，即为理想溶液,则,（即,拉乌尔定律）,而挥发度,相对挥发度,2. 气液平衡,3. 溶解度,（1） 气体在液相中的溶解度,亨利定律,其中,p,i,组分,i,的气相分压,P,总压,H,亨利常数,x,i,，,y,i,分别为组分,i,的液相和气相摩尔分率。,亨利定律是气体吸收的理论基础。,3. 溶解度,（2） 固体在液相中的溶解度,纯固体物质在液相中的溶解度用液相溶质摩尔浓度,x,i,表示，假定固体摩尔融解热,H,不变，,x,i,与温度,T,间的关系为,其中，,T,m,为固体熔点,。,4. 高压气体中的溶解度,超过临界温度和临界压力的气体称为超临界气体，其特征是各种物质在超临界气体中的溶解度较大，而且在临界点附近溶解度变化很大，利用这个性质的萃取技术称为,超临界萃取技术,。,（2） 固体在液相中的溶解度,5. 液液平衡,溶质在互不溶解的,A,、,B,两相中溶解分配，其平衡浓度分别为,x,A,、,x,B,。则分配系数,在平衡状态时，分配系数,K,与活度系数有关，设为活度系数，则,即有,生化工程下游技术课件第2章下游技术理论基础,6. 吸附平衡,物质从流体相（气、液）浓缩到固体表面从而达到分离的过程称为吸附过程,。吸附平衡常用兰米尔方程,(,单分子层吸附等温线方程式,),来描述。,实际应用中,用得更多的是弗罗因德利希,(Freundlich),方程式,液相吸附常用下式：,6. 吸附平衡,当温度一定时，吸附量与浓度之间的函数关系称为吸附等温线,。,q,o,和,K,是经验常数,，,c,代表溶液中溶质浓度,蛋白质分离提纯时适合此吸附方程,例如：,在生物制品进行吸附或离子交换分离时，通常遵循Langmuir吸附方程.,应用离子交换树脂作为吸附剂分离抗菌素，饱和吸附量为0.06 Kg（抗菌素）/Kg（干树脂）；当抗菌素浓度为0.02Kg/m3时，吸附量为0.04Kg/Kg；假定此吸附属于Langmuir等温吸附，求料液含抗菌素0.2Kg/m3时的吸附量。,当温度一定时，吸附量与浓度之间的函数关系称为吸附等,7.,固体吸收平衡,通常，溶解是指气体或固体成份移向液体的过程，而将气体、液体成份移向固体的过程称为（固体）吸收。气体的吸收平衡通常用亨利（,Henry,）定律表示：,在具有内部微小空隙的玻璃体状高分子中，随着溶质分压的上升，溶解度系数本身也渐渐增大。这是因为微小孔隙表面吸附了溶质气体分子（气体的二重吸收学说）。假定这种吸附是郎缪尔（,Langmuir,）吸附，全吸收量可用下式表示：,7. 固体吸收平衡,四、 传递现象,平衡,(,包括拟平衡,),操作中，分离体系在达到平衡之前，要经历一个非平衡过程。多数平衡分离操作中,物质通过异相界面的物质传递速度是个重要的问题，而界面上的扩散阻力占最主要的部分。减少界面阻力是物质传递的主要任务之一。,1,.传递通量,流体在分离场内的传递现象可用经典流体力学中,动量（通量）传递、热量（通量）传递和质量（通量）,传递规律和作用于分离场的外加势能场来描述。,四、 传递现象,生化工程下游技术课件第2章下游技术理论基础,第四节下游技术中的化学过程,利用化学作用达到物质分离的目的。物质间的化学作用含有数,KJ/mol,以上的能量变化。作用力强，含有氢键、电荷移动、静电引力以及化学结合力等。选择性更强，在高度选择性的精密分离中占有重要地位。,一、化学性分子识别,1,.分子间相互作用,分子间的相互作用力有范德华力、氢键力、疏水性相互作用力。,第四节下游技术中的化学过程,2,.分子识别,分子识别是指提取介质与目的物的关系就象钥匙和锁孔的关系。,分离的准确度和精确度都大大提高，这对于低浓度、高附加值的目的物分离意义特别重要。,环状糊精、皇冠醚、沸石都具有分子识别的功能。,2.分子识别,“皇冠醚”,同样具有分子识别功能。皇冠醚有多种，均为大环状化合物中心有孔，一些金属离子和氨基酸分子等正好能进人其中。图2为二苯-18-皇冦醚-6的结构。进入中心孔的化合物有的能与皇冠醚中的氧原子形成配位键。皇冠醚种类个同，对金属离子的选择性也不同但多数对Na,+,、K,+,等碱金属离子的结合力较强。对于氨基酸，利用其构象差异可进行D-型和L-型旋光体拆分。在应用上，除了分子大小识别之外，也可进行电荷分布等更精密的识别性质的并用。,“皇冠醚”同样具有分子识别功能。皇冠醚有多种，均为大环状化合,一些无机吸附剂,如泡沸石等（一类硅酸质离子交换体）也具有分子大小识别功能（图3）。具有细孔结构的氧化铝。硅石类陶瓷，孔径接近分子水平时，则可用做分子筛（Moleculor sieve），对气体分子选择性吸附分离。调节其极性，在分配系数上造成差异，使分离度上升。另外，变压法（Swing）也被用于从空气中富集氧气的应用性研究中。,一些无机吸附剂,二、下游技术中的化学反应,下游技术中也大量利用化学反应来达到选择性分离纯化或产品制造的目的。,1）生成难溶盐或沉淀物的反应,2）生成络合物或鳌合某些金属离子的反应等。,3) 在医药、食品、化工等行业具有广泛市场的山梨醇和木糖醇可以通过葡萄糖和木糖经金属镍催化加氢工艺（高压）获得。,4）在某些发酵产品或天然物质中，利用有机化学反应生成有特殊用途或更有价值的衍生物等方面的研究也较活跃。,二、下游技术中的化学反应,下游技术中也大量利用化学反应来达到选择性分离纯化或产品制造的目的。例如:,柠檬酸工业中常用CaCO,3,或石灰乳与柠檬酸反应生成溶解度很低的柠檬酸钙盐沉淀，以便于与发酵液中残糖及其他可溶性杂质的分离。,利用草酸与Ca,2+,反应，生成不溶性钙盐的性质可除去杂质Ca,2+,。ZnSO,4,和贫血盐常用来去除杂氨基酸和杂蛋白。,根据氨基酸或短肽能络合某些金属离子的性质，生产具有生理保健作用的功能性产品，以补充人体缺乏又不易被人体吸收的钙、铁、锌等微量元素，如钙吸收促进剂CPP（酪蛋白磷酸肽，（Casein phospho peptide）等。,在某些发酵产品或天然物质中，利用有机化学反应生成有特殊用途或更有价值的衍生物等为目的研究也较活跃。,下游技术中也大量利用化学反应来达到选择性分离纯化或产品制造的,化学反应的选择性，化学反应的平衡和反应速度往往是重要问题，必要时须进行专门的考察。利用化学反应来达到物质分离纯化或产品制造时，还需考虑在工业上是否产生污染问题。,例如：早期谷氨酸工业的提取方法是锌盐法。它利用谷氨酸和硫酸锌反应生成不溶性谷氨酸锌盐沉淀的性质提取回收谷氨酸。,此法具有工艺设备简单，提取收得率较高等优点，但因提取废液中残留0.20.3的Zn,2+,，会造成环境污染，所以此法在工业生产上现已被废除。,化学反应的选择性，化学反应的平衡和反应速度往,第五节下游技术中的生物学过程,一、特异性相互作用（锁钥关系）,生物学分离过程的主要特征是生物高分子的特异性相互作用。主要以蛋白质为代表的生物高分子，能,分辩特定的物质,，再与其,可逆性结合,。这种现象是非常排他性的，特异性的结合，或称为特异性相互作用。有时也被称为生物亲和力。,具有特异性相互作用的生物高分子有：酶、抗体、植物凝血素、抗生物素蛋白(avidin)等结合性蛋白质，还有肝素(磷脂)、明胶、核苷酸等。,第五节下游技术中的生物学过,特异性相互作用主要包括：,1. 离子间的相互作用,主要因氨基酸侧链的电荷引起的静电作用，如天门冬氨酸，谷氨酸等带有的负电荷，精氨酸，赖氨酸等带有的正电荷等。,2. 氢键结合,在配体含有O或N原子的场合下，能和结合部位之间形成氢键。原因是原子间的相互作用，结合部位和配体间的位置关系很重要。,特异性相互作用主要包括：,3. 疏水性相互作用,配体上有烃链或芳香环之类的非极性基团，结合部位侧面也有同样的非极性部分时，存在疏水性相互作用。,4. 对金属原子配位,因结合部位的一部分和配体之一部在同一金属原子（如锌和铁）上配位，间接结合的现象。,5. 弱共价键结合,虽然强共价键结合的情况下，不会有可逆性的相互作用。但如醛基和羟基间形成的半缩醛形式的弱共价键的结合，存在可逆性的作用。,生化工程下游技术课件第2章下游技术理论基础,生化工程下游技术课件第2章下游技术理论基础,环境因素可影响特异性相互作用，主要有：,（1）热： 最普通的影响生物大分子构象的因素；,（2）温度： 温度的上升，使原子、分子的热运动更活泼，因而离子间的相互作用、氢键、金属原子配位作用等变弱，相反，疏水性的相互作用因温度上升而加强；,（3）pH： pH对离子间的作用影响很大，pH也对蛋白质侧链上的氨基酸残基的离解度影响很大。,环境因素可影响特异性相互作用，主要有：,（4）静电性的环境变化：,在溶液中加入在水中能离解为阳离子和阴离子的强电解质（如食盐等无机盐），溶液离子强度增加，离子间相互作用变弱，氢键也受到同样影响；,（5）试剂：,在试剂中，尿素、盐酸胍、十二烷基硫酸钠等会对蛋白质构象造成影响。尿素或盐酸胍有增加,水的介电常数,和,离子强度,的作用，从而影响氢键作用。另外，硫氰酸离子、碘离子因离子半径较大，会破坏,水的秩序构造,，间接地影响特异性的相互作用。,（4）静电性的环境变化：,