生物物质分离与纯化

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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（Downstreamprocessing）。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Separ

2、ationProcesses: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25100100有机酸酶R-DNA蛋白质1002010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

3、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

4、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。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主要离心设备设备特点缺点高速冷冻离心机碟片式离心机管式离心机倾析式离心机框式离心机适用于粒径小，热稳定性差物质的回收，常试验实用适用于大规模生产，可连续或间歇操作，稳定性好，以放大和推广。批式操作、转速高、分离效果好，含水率低，易放大。连续

5、操作，易放大和工业应用，操作稳定。适用于大颗粒物质回收，放大易，适于工业应用。容量小，连续操作和规模化生产困难，半连续或间歇操作出渣及清洗繁杂，连续操作出渣的固形物含水率大。容量有限，噪声大。设备投资高，小颗粒物质回收困难。分离效果差，设备投资高，操作成本高。Disc-CentrifugesSolids-retainingcentrifugeNozzlewithpressurizeddischargeofconcentrateNozzlewithperipheralnozzlesPeriodicallysolids-ejectingcentrifugePeriodicallys

6、olids-ejectingcentrifugewithaxialchannelsCentrifuges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，

7、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