江南大学：《发酵工程原理与技术》课程教学资源（课件讲稿）第十二章 产物的提取与精制

1 第十二章 产物的提取与精制

1 第十二章 产物的提取与精制

2 第一节 概论 一、下游加工过程在发酵工程中的地位 1，下游加工过程的定义 发酵产品系通过微生物发酵过程、酶反应过程或 动植物细胞大量培养获得。从上述发酵液、反应 液或培养液中分离、精制有关产品的过程称为下 游加工过程(Down stream processing)。它由一些 化学工程的单几操作组成，但由于生物物质的特 性，有其特殊要求，而且其中某些单元操作一般 化学工业中应用较少

2 第一节 概论 一、下游加工过程在发酵工程中的地位 1，下游加工过程的定义 发酵产品系通过微生物发酵过程、酶反应过程或 动植物细胞大量培养获得。从上述发酵液、反应 液或培养液中分离、精制有关产品的过程称为下 游加工过程(Down stream processing)。它由一些 化学工程的单几操作组成，但由于生物物质的特 性，有其特殊要求，而且其中某些单元操作一般 化学工业中应用较少

3 2，地位 ¾传统发酵工业(如抗生素、乙醇、柠檬 酸)，分离和精制部份占整个工厂投资 费用的60%。 ¾对重组DNA发酵、精制蛋白质的费用可 占整个生产费用的80%~90%

3 2，地位 ¾传统发酵工业(如抗生素、乙醇、柠檬 酸)，分离和精制部份占整个工厂投资 费用的60%。 ¾对重组DNA发酵、精制蛋白质的费用可 占整个生产费用的80%~90%

4 二、发酵下游加工过程的特点 • 培养液 (或发酵液 )是复杂的多相系统，含有细胞、代 谢产物和末用完的培养基等。分散在其中的固体和胶 状物质，具可压缩性，其密度又和液体相近，加上粘 度很大，属非牛顿性液体，使从培养液中分离固体很 困难。 • 培养液中所欲提取的生物物质浓度很低，但杂质含量 却很高，特别是利用基因工程方法产生的蛋白质常常 伴有大量性质相近的杂质蛋白质。 • 另一个特点是欲提取的生物物质通常很不稳定、遇热 、极端pH、有机溶剂会引起失活或分解。 • 发酵或培养都是分批操作、生物变异性大，各批发酵 液不尽相同，要求下游加工有一定的弹性

4 二、发酵下游加工过程的特点 • 培养液 (或发酵液 )是复杂的多相系统，含有细胞、代 谢产物和末用完的培养基等。分散在其中的固体和胶 状物质，具可压缩性，其密度又和液体相近，加上粘 度很大，属非牛顿性液体，使从培养液中分离固体很 困难。 • 培养液中所欲提取的生物物质浓度很低，但杂质含量 却很高，特别是利用基因工程方法产生的蛋白质常常 伴有大量性质相近的杂质蛋白质。 • 另一个特点是欲提取的生物物质通常很不稳定、遇热 、极端pH、有机溶剂会引起失活或分解。 • 发酵或培养都是分批操作、生物变异性大，各批发酵 液不尽相同，要求下游加工有一定的弹性

5 三、分离过程的机理与分离操作 1，物理性质 – 力学性质：重力、离心力、筛分； – 热力学性质：状态变化、相平衡； – 传质性质：粘度、扩散、热扩散； – 电磁性质：电泳、电渗析、磁化；

5 三、分离过程的机理与分离操作 1，物理性质 – 力学性质：重力、离心力、筛分； – 热力学性质：状态变化、相平衡； – 传质性质：粘度、扩散、热扩散； – 电磁性质：电泳、电渗析、磁化；

6 2，化学性质 – 化学热力学；化学平衡； – 反应动力学：反应速率； – 光化学性质：激光激发、离子化；

6 2，化学性质 – 化学热力学；化学平衡； – 反应动力学：反应速率； – 光化学性质：激光激发、离子化；

7 3，生物学性质 – 分子识别：生物亲和作用、生物学识别； – 输送性质：生物膜输送； – 反应、响应、控制：酶反应、免疫系统

7 3，生物学性质 – 分子识别：生物亲和作用、生物学识别； – 输送性质：生物膜输送； – 反应、响应、控制：酶反应、免疫系统

8 生物操作机理极其分离机理 有机酸、抗生素 蛋白质、抗生素 氨基酸、有机酸、抗生素 氨基酸、蛋白质 香料、脂质 液液相平衡 液液相平衡 液液相平衡 液液相平衡 相平衡 萃取 有机溶剂萃取 双水相 液膜萃取 反胶团萃取 超临界萃取 菌体、细胞 蛋白质、多糖、抗生素 糖、氨基酸 盐、蛋白质 氨基酸、有机酸 乙醇 压力差、筛分 压力差、筛分 压力差、筛分 浓度差、筛分 电荷、筛分 汽液相平衡、筛分 膜分离 微滤 超滤 反渗透 透析 电渗析 渗透气化 单元操作 分离机理 分离对象举例

8 生物操作机理极其分离机理 有机酸、抗生素 蛋白质、抗生素 氨基酸、有机酸、抗生素 氨基酸、蛋白质 香料、脂质 液液相平衡 液液相平衡 液液相平衡 液液相平衡 相平衡 萃取 有机溶剂萃取 双水相 液膜萃取 反胶团萃取 超临界萃取 菌体、细胞 蛋白质、多糖、抗生素 糖、氨基酸 盐、蛋白质 氨基酸、有机酸 乙醇 压力差、筛分 压力差、筛分 压力差、筛分 浓度差、筛分 电荷、筛分 汽液相平衡、筛分 膜分离 微滤 超滤 反渗透 透析 电渗析 渗透气化 单元操作 分离机理 分离对象举例

9 单元操作 分离机理 分离对象举例 菌体、菌体碎片 菌体、细胞 蛋白质、核酸、糖类 离心力、筛分 离心力 离心力 离心 离心过滤 离心沉降 超离心 蛋白质、核酸 蛋白质、氨基酸 蛋白质、氨基酸 蛋白质、核酸 筛分、电荷 筛分、电荷、浓度差 筛分、电荷、浓度差 筛分、电荷、浓度差 电泳 凝胶电泳 等电点电泳 等速电泳 区带电泳 脱盐、分子分级 甾醇、维生素、肽 蛋白质、氨基酸、抗生 素、核酸、有机酸 蛋白质、核酸 蛋白质 蛋白质 浓度差、筛分 分配平衡 电荷、浓度差 生物亲和作用 疏水作用 电荷、浓度差 层析 凝胶过滤层析 反相层析 离子交换层析 亲和层析 疏水相互作用 层析聚焦

9 单元操作 分离机理 分离对象举例 菌体、菌体碎片 菌体、细胞 蛋白质、核酸、糖类 离心力、筛分 离心力 离心力 离心 离心过滤 离心沉降 超离心 蛋白质、核酸 蛋白质、氨基酸 蛋白质、氨基酸 蛋白质、核酸 筛分、电荷 筛分、电荷、浓度差 筛分、电荷、浓度差 筛分、电荷、浓度差 电泳 凝胶电泳 等电点电泳 等速电泳 区带电泳 脱盐、分子分级 甾醇、维生素、肽 蛋白质、氨基酸、抗生 素、核酸、有机酸 蛋白质、核酸 蛋白质 蛋白质 浓度差、筛分 分配平衡 电荷、浓度差 生物亲和作用 疏水作用 电荷、浓度差 层析 凝胶过滤层析 反相层析 离子交换层析 亲和层析 疏水相互作用 层析聚焦

10 四、发酵工业下游技术的一般工艺过程 • 下游加工过程由各种化工单元操作组成。 由于生物产品品种多，性质各异，故用到 的单元操作很多，其中如蒸馏、萃取、结 晶、吸附、蒸发和干燥等属传统的单元操 作，理论比较成熟，而另一些则为新近发 展起来的单元操作，如细胞破碎、膜过程 和色层分离等，缺乏完整的理论，介于两 者之间的有离子交换过程等

10 四、发酵工业下游技术的一般工艺过程 • 下游加工过程由各种化工单元操作组成。 由于生物产品品种多，性质各异，故用到 的单元操作很多，其中如蒸馏、萃取、结 晶、吸附、蒸发和干燥等属传统的单元操 作，理论比较成熟，而另一些则为新近发 展起来的单元操作，如细胞破碎、膜过程 和色层分离等，缺乏完整的理论，介于两 者之间的有离子交换过程等