第九章 生物物质分离与纯化 王雪青
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。对于传统发酵工业
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。对于传统发酵工业
Separation Processes:
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 产品 典型浓度 （g/L) 产品 典型浓度 （g/L) 抗生素 氨基酸 酒精 25 100 100 有机酸 酶 R-DNA蛋白质 100 20 10
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 产品 典型浓度 （g/L) 产品 典型浓度 （g/L) 抗生素 氨基酸 酒精 25 100 100 有机酸 酶 R-DNA蛋白质 100 20 10
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
Preliminary treatments Fermentor Solids Filtration Alternate purification methods Extract Extraction Chemical Solvent columns precipitation extraction Waste solids Partially purified antibiotic in solution Recrystallization Dryer Purification Animal feed supplement Antibiotic
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
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， AlCl3·6H2O, FeCl3, ZnSO4, MgCO3。采用凝聚的方法 得到的凝聚体颗粒比较小
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， AlCl3·6H2O, 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
二、发酵液的固液分离 ◼ 通过固液分离，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
设备 特点 缺点 板框过滤机 平板过滤机 真空旋转过滤机 管式过滤机 蜂窝式过滤机 深层过滤机 设备简 单，操 作容易， 适合大 规模工 业生产 分离速度低， 分离效果受 物料性质变 化影响，劳 动强度大 过滤设备的种类和特点
设备 特点 缺点 板框过滤机 平板过滤机 真空旋转过滤机 管式过滤机 蜂窝式过滤机 深层过滤机 设备简 单，操 作容易， 适合大 规模工 业生产 分离速度低， 分离效果受 物料性质变 化影响，劳 动强度大 过滤设备的种类和特点