生物分离工程内容.docx
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生物分离工程内容
Chapter1AnOverviewofBioseparations
(第一章生物分离工程概述)
一、ThepositionofBioseparationinBiotechnology
(生物分离在生物技术中所占位置)
(生物技术的目标就是指利用培养微生物、动物细胞、植物细胞来生产对人有用的产品。
)
(按上述定义,早在公元前4228年就有了应用生物技术酿酒、制奶酪等的记载。
(狭义生物技术的产物仅为化学产品,约有100年的历史。
获得产品的有效途径
▪Rawmaterials原材料
▪Pretreatments预处理
▪bioreactions生物反应
▪bioseparations生物分离
▪products产物
二、CharacteristicofBioseparations
(生物分离的特点)
A.生物工程的主要特点是生物制品多种多样
还可以增加胰岛素、生长激素、干扰素等基因工程产品产品的多样性导致分离方法的多样性
B.绝大多数生物分离方法来源于化学品的分离方法
生物分离与一般化学分离方法的比较
上表表明大约80%的化工分离方法可应用于生物分离技术中
C.生物分离一般比化工分离难度大
•Complexcomponents
(成分复杂)
(固体成分包括完整有机体、培养基及底物中的不溶物)
(液体成分包括底物可溶物、代谢中产物及目标产物)
gethighlypurifieddryproducts
(获得高纯度的干燥产品)
severalsteps(需要几步)
(分离过程精细,成本高)
生物产品要求高质量:
(纯度)(卫生)(生物活性)(分离过程的成本占产品总投资的大部分)(因此必须仔细考虑和设计产品的回收和纯化过程)
(设计中应考虑下列问题)
1.(产品价值)2.(产品质量)3.(产物在生产过程中出现的位置)4.(杂质在生产过程中出现的位置)5.(主要杂质独特的物化性质是什么?
)6.(不同分离方法的技术经济比较)
(上述问题的考虑将有助于优质、高效产物分离过程的优化)
三.Anidealizedprocess
(理想化过程)
(生物分离具有许多相似的单元操作)
(生物分离一般分四步)
A.Removalofinsolubles(3unitoperations)
(不溶物的去除)
▪*filtration(过滤)
▪*centrifugation(离心)
▪*celldisruption(necessarywhenthedesiredproductisintracellular.)(细胞破碎)
Relativelylittleproductconcentrationorimprovementofproductqualityoccurs.
(产物浓度和质量得到了提高)
B.Isolationofproducts(产物分离)
▪*adsorption-ion-exchang(离子交换吸附)
▪*extraction(萃取)
▪a.solventextraction(溶剂萃取)
▪b.reversedmicelleextraction(反微团萃取)
▪c.supercriticalfluidextraction(超临界流体萃取)
▪d.two-aqueousphaseextraction(双水相萃取)
(以上分离过程不具备特异性,只是进行初分)
(可提高产物浓度和质量)
C.Purificationofproducts(产品的纯化)
▪*chromatography(色谱)
▪*electrophoresis(电泳)
▪*precipitation(沉淀)
theseprocessingtechnologyarehighlyselectivefortheproductandremoveimpuritiesofsimilarchemicalfunctionalityandphysicalproperties.
(以上技术具有产物的高选择性和杂质的去除性)
D.Polishing(产品的精制)
▪*crystallization(结晶)
▪*drying(干燥)
Chapter1
(习题)
1.生物分离工程在生物技术中
的地位?
2.生物分离工程的特点是什么?
3.生物分离工程可分为几大部分,分别包括哪些单元操作?
4.在设计下游分离过程前,必须考虑哪些问题方能确保我们所设计的工艺过程最为经济、可靠?
Chapter2Filtration
第二章过滤
过滤是将料液通过固体支持或者过滤介质时,使得固体物质从溶液中分离,对于好的定形的晶体,这是一种最直接的步骤。
但对微小而形状多变的微生物细胞,发酵液和其它生物溶液的过滤就变得复杂了。
一般,由于料液通常都是高的非牛顿粘度流体或者是高度可压缩滤饼,发酵液和其它生物溶液是极其难以过滤的,也就是说,我们必须对这些生物分离程序进行修改。
APretreatment预处理
●1、Heating加热
●2、Coagulationandflocculation凝聚和絮凝
●3、Adsorptiononfilteraids助滤剂上的吸附
Thesetreatmentsarealsousefulforcentrifugationandsedimentation.
这些方法也适用于对于离心和沉淀过程。
1、Heating加热
最简单、最经济的预处理方法是加热,加热不仅可以增加料液的操作特性,也可以对其进行灭菌。
但加热变性的方法只适合于对热稳定性的产物。
2、Coagulationandflocculation
凝聚和絮凝
第二种预处理方法是通过电解质的加入促进原始溶液的凝聚和絮凝,试剂有简单的电解质、酸、碱、合成的聚合电解质。
简单电解质降低了胶体粒子间的排斥电位,从而使得范德华引力起主导作用,聚合成较大的胶粒,粒子的密度越大,越易分离。
●Simpleacidsandbases(简单的酸或碱)
●Alum(明矾)
●Ferricchloridecrystals(三氯化铁)
●Syntheticpolyelectrolytesaddedaspretreatmentscanbothreduceelectrostaticrepulsionandadsorbonadjacentparticles,formingbridgesbetweenthem.Asaresult,thecolloidalparticlesflocculateaslarge,lessdenseaggregateswhicharemoreeasilyfiltered.Thesepolyelectrolytescanbeanionic,cationicornonionic.
预处理时加入合成聚合电解质既能降低排斥电位,又吸附了周围的微粒,形成桥架作用,促使胶粒形成粗大,密度低的絮凝团。
这些絮凝团很容易被过滤得到。
●Eg.Polyacrylamides(聚丙烯酰胺)
●Polyehylenimines(聚苯乙烯)
●Polyaminederivatives(多聚胺衍生物)
(1)、Diatomaceousearths硅藻土硅藻土是百年前水生植物沉淀下来的遗骸。
(2)、Perlites珍珠岩珍珠岩是处理过的膨胀火山岩。
B.GeneralTheoryforFiltration
Darcy方程--fluidmechanicsforfiltrationDarcy’slaw。
1、适用于不可压缩和简单的可压缩滤。
2适用于可压缩滤饼,普遍使用于生物分离过程Darcy’slaw(达西定律)Darcy定律把流速与通过固体多孔床产生的压降联系起来。
过滤设备从传统的板框式过滤机到旋转式真空过滤设备,种类很多。
最普遍的是板框式过滤机,有可填充的、金属隔片的和凹显空间滤饼的。
其它类型还有平的金属板,可用滤纸或滤布过滤介质在开放式框架上分离形成滤饼。
这种过滤机适合于相对的干性滤饼,能被清除,不适合有毒气和生物危害物的滤饼。
●其它三种过滤机是封闭型的,可过滤挥发性和有生物危害物质,一般用于小规模生产。
Chapter3Centrifugation
第三章离心
●大部分工业生物分离的第一步往往是将不溶物质从发酵液中除去。
这些不溶性固体的浓度和颗粒大小的变化范围很宽。
浓度可高达每单位体积含60%的不溶性固体,又可低至每单位体积仅含0.1%。
粒径的变化可以从直径约为1um的微生物,到直径为1mm的不溶性物质。
对于这些浓度较小,粒径较大,硬度较强的不溶物,,我们可以采用过滤方法分离。
在前一章中,我们讲述了过滤法,包括助滤剂的应用。
有些发酵液中,使用助滤剂有利于过滤分离,而还有一些发酵液则不行。
当发酵液不易被过滤纯化时,我们可以采用离心的方法来分离,这也是这章的主题。
与过滤设备相比,离心设备的价格昂贵。
但当固体颗粒细小而难以过滤时,离心操作往显得十分有效。
离心分离是基于固体颗粒和周围液体密度存在差异,在离心场中使不同密度的固体颗粒加速沉降的分离过程,当静置悬浮液时,密度较大的固体颗粒在重力作用下逐渐下沉,这一过程称为沉降。
由于沉降和离心相似,这儿就放在一块讨论。
离心产生的固体浓缩物和过滤产生的浓缩不同。
通常情况下离心只能得到一种较为浓缩的悬浮液或浆体。
而过滤可获得的水分含量较低的滤饼。
但是,对大多数生物发酵液可以离心但不能有效地过滤分离,所以离心往往是很有效的方法。
A.SettlingofSolids
颗粒的沉降
当一固体微粒通过无限连续介质时,它的运动速度受两种力的影响:
一是微粒受到因微粒和流体介质间密度不同而产生的浮力作用;二是微粒所受到的流体阻力作用。
我们先来描述这三种最有用的离心机:
a、管式离心机最简单,可提供较大离心力;管状离心机可以冷却,在蛋白质生产中很有利;悬浮液由管底进,澄清液由管口流出。
管壁上沉积物为浓浆可连续加料至流出物固体损失使离心不能正常进行须定时拆卸、清洗,这种间断性操作也是最大的缺点
取不同位置上的典型离子分析
b、碟片式离心机
这种离心机在生物分离中非常常见,可连续操作但结构复杂,价格较高。
料液由管顶进,清液从加料口附近环行裂口流出
和管式离心机最显著的区别在固体即非间歇式的被移出也不通过离心机管壁上的孔连续的去除
填充固体的性质决定离心机类型
第三种篮式过滤机是离心和过滤方法的结合。
它具有一个多孔可高速旋转的圆筒。
悬浮液延着圆筒的旋转轴连续加入,通过筒壁上的小孔流出中空柱状料液的内径基本为一个常数,不随料液的加入而改变
滤饼在筒壁上沉积,滤饼的内径为Rc
为了简便起见,假定滤饼为不可压缩滤饼分析离心过滤应考虑到固体是通过液体流过滤饼进行分离
离心和过滤是去除不溶物的主要方法。
生物分离工业首先要去除不溶物
大的、硬的不溶物可用过滤方法去除。
对于大部分发酵液,助滤剂或者其它预处理方法有利于过滤,但也有没有效果的。
另外一些小的、难过滤的固体颗粒可用离心分离
离心利用的是固体和液体密度差异
●Gravitysedimentation重力沉降
●1. Tubularbowlcentrifuge(管式离心机)
●2. disctypecentrifuge(碟片式离心机)
●3. centrifugalfiltration)(离心过滤)
4.3节机械法主要有匀浆法和研磨法。
这两种方法中,细胞通过高的机械剪切力被破坏。
热量的产生是该法的一个缺点,而且不容易规模放大:
如果一种方法可以在实验室规模下操作,我们并不知道这种方法是否在大规模生产中可行。
所以,这部分内容仅作为实验的指导,而不是工程分析。
此细胞结构没有细胞核:
基因在单链DNA上。
典型的是大肠杆菌,是生物技术研究的主体。
通过这种细胞生产了很多细胞重组的产物。
●革兰氏阴性细胞结构如图4.1-1所示。
有三层:
最外层约8mm厚,酶大多数镶嵌在这层膜上。
革兰氏阳性原核生物缺少最外层结构,但有第二层肽聚糖层和胞浆空间。
第三层为浆膜层或内膜层,革兰氏阴性菌和革兰氏阳性都有这一结构,该层主要由磷脂组成,还有分散的蛋白质分子和金属离子。
磷脂分子由疏水和亲水基团组成。
疏水基团尾部有两烷基基团,亲水基团头部有两性基团,或者说是醇基,在内膜层中,磷脂的尾部聚集在一起,头部暴露在水中,如图4.1-2所示,形成磷脂双分子层。
这三层有不同功能。
外层及肽聚糖层使细胞有一定的机械强度;破坏该层是本章讨论的重点。
浆膜层和细胞内膜控制细胞的渗透压,即将营养物质运送到细胞内,将代谢物排出胞外。
●细胞膜内部包含的物质称为细胞质,它是一种液态的溶液,溶有很多盐、糖、氨基酸和生物聚和物。
生物聚和物包括蛋白质、酶、RNA、DNA。
●一些自然生长的细胞中蛋白质都溶解在细胞质中,在一些基因控制细胞中,合成的过量蛋白质在胞浆中沉降。
有时细胞壁的目的就是为了获得蛋白质,有时则为了使细胞释放出特殊的酶。
●真核细胞,具有真正的细胞核,其结构要比原核生物复杂的多,以图4.1-3中所示的酵母菌为例,和原核细胞一样真核细胞也具有一层细胞膜。
真核生物的细胞膜中含有固醇,而原核生物中没有。
除了细胞膜,真核细胞具有一些有特殊作用的细胞器。
每个细胞器也都由一层膜包着与原核细胞的内膜浆膜层比较类似。
真核生物的结构复杂并不反映其性质也很复杂。
※4.2CHEMICALMETHODS
化学方法
表4.0-1介绍了主要的几种化学方法,有渗透冲击法,表面活性剂增溶法、脂溶法。
首先简单的介绍一下酶消化法和碱处理法。
酶消化法和碱处理法都是细胞破碎的有效方法,但是也都有各自的缺点。
酶消化法的缺点在于酶的价格昂贵限制了在大规模生产中的使用,虽然条件温和、具有选择性。
细胞悬浮液中加入酶能迅速和细胞壁反应并破坏它们。
酶选择性的催化细胞壁反应,不破坏细胞内的其它物质。
碱处理法和酶消化法相反,反应激烈,不具选择性,而且较便宜。
碱加入细胞悬浮液中后和细胞壁进行了多种反应,包括使磷脂皂化。
该操作是细胞增溶的很好的例子,因为它使细胞壁的成分溶于表面活性剂,也使蛋白质变性。
该法不仅破坏了细胞壁也破坏了产物,因此即便很便宜,碱处理也是一种很不常用的方法。
A、OsmoticShock(渗透冲击法)
三种主要细胞破碎化学方法中最简单的是渗透冲击法。
此法将一定体积的细胞液加到2倍体积的水中,细胞中溶质浓度高,水不断进入细胞,使细胞膨胀,最后导致破裂。
细胞破裂后释放到周围环境中的胞内物可用后面章节介绍的方法分离。
细胞破碎的难易决定于其类型,红血球细胞容易溶破,动物细胞只有当其组织被用4.3节所介绍的方法机械切碎或匀浆后才易溶破。
植物细胞很难溶破,因为植物细胞中含有大量的木质成分,通过渗透流很难渗透。
渗透流的动力来自渗透压,渗透压可能很大。
可以通过化学平衡来估算,水的化学电势是常数,即:
●µH20(outside)=µH20(inside)(4.2-1)
细胞外纯水的化学电势包括标准化学电势和压力修正项;与之平衡的胞内的化学电势包括三项,即标准化学电势、压力修正相和浓度修正项。
对于理想的不可压缩溶液,这些修正相和式(4.2-1)可改写为:
●µ0H20+VH2oPout=µ0H20+VH2oPin+RTln(1-x1)(4.2-2)
µ0H20——标准化学电势
VH2o——水的偏摩尔体积
x1——细胞内所有溶质的总摩尔分数
若包内物为稀溶液,其偏摩尔体积等于纯水的摩尔体积。
且x1很小时就有:
●Pout-Pin=(RT/--VH2o)×ln(1-x1)
=(RT/--VH2o)×(-x1-…)
=-RTc1+…(4.2-3)
●Thisrelationiscalledvan’tHoff’slaw.(该式称为范特苛夫定律。
)
由该方程知细胞内压力必须小于细胞外压力,否者,水会流入细胞内,溶破细胞。
我们可以采用等式4.2-3估算出渗透压的大小。
许多细胞内溶质浓度大约为0.1MNaCl或0.2M溶质。
由此可见渗透压必须很大,才导致了细胞的破碎。
B、Solubilization增溶法
第二种是利用表面活性剂的增溶法。
最典型的是将体积为细胞体积两倍的某浓度的表面活性剂加入到细胞中。
表面活性剂能将细胞壁破碎,制成的悬浮液可用离心分离除去细胞碎片,再用吸附柱或萃取剂分离制得产品。
方法有效在于表面活性剂的化学性质,化学性质由图4.2-1所示的化学结构表示。
结构中有一个亲水基团,通常是离子;一个疏水基团,通常是烃基。
表面活性剂通常是两性的,既能和水作用也能和脂作用。
无论表面活性剂是阴离子、阳离子还是非离子型,都是两性的。
SDS(十二烷基磺酸钠)是典型的阴离子表面活性剂。
阴离子表面活性剂还包括肥皂(脂肪酸盐)。
由于肥皂的增溶作用依赖于羧基,因此只有在Ph值较高,羧基解离的情况下,肥皂才是有效的表面活性剂。
在硬水中,由于Ca2+与羧酸基团形成不可溶的沉淀,而使肥皂失效。
可通过将肥皂的羧基用硫酸盐代替来改变传统肥皂的缺点。
硫酸盐代替的肥皂是目前洗衣店常用及超市中常见的表面活性剂。
硫酸盐可连在苯环上,结构如图4.2-1所示。
这种硫酸盐表面活性剂比碱对细胞破碎的作用更好,磺酸盐不易被微生物降解,所以洗衣店中并不常用。
阳离子表面活性剂主要是烷基胺盐。
图4.2-1中的十二烷基溴胺是典型的例子。
它有一个长烷烃链(十六烷基)和三个甲基,都连接在一个带正电的氮原子上,负离子通常是卤素,市场上常做洗发剂出售。
细胞破碎时条件较温和。
过去认为带有两个长尾的阳离子表面活性剂溶于油,和细胞膜孔的形成有关,但是很少用于细胞破碎。
非离子表面活性以氚核物质X为例,它是溶于水的聚合物。
经济价值不明确,市场上用于做洗碗剂。
同样,这种清洁剂既有亲水基团又有疏水基团。
亲水基团不是硫酸盐,不是烷基胺盐而是乙醇。
这类表面活性剂起作用在于能溶解细胞壁中的脂,进行细胞破碎。
图4.2-2表示了该表面活性增溶的原理。
在高度稀释洗涤剂中,脂会溶解在溶液中;超过这个浓度溶解的物质的量与浓度成正比。
还有,表面活性剂的表面张力是常数,表面活性的选择电极可以突然改变。
增溶和表面活性的其它现象的原理在于:
清洁剂形成小的聚和物称为胶囊。
微囊可看成是疏水尾部聚合在一起的,被一层壳或者是亲水的头包围着。
增溶的脂被微囊包围,并存在于囊核心。
微囊象橘子,橘皮是亲水的头部,内皮是疏水的尾部,橘汁就是内溶的脂。
以牛黄胆酸钠为例,如图4.2-1所示。
它是胆汁的成分之一,是人体的“去污剂”。
胆汁的生理机能是增溶小肠内的脂肪。
这种清除可以称之为代谢。
几乎所有的生物都用这种胆酸盐作为人体去污剂,除了牡蛎是用烷基硫酸盐的。
●胆汁酸盐对于破坏细胞壁通常很有效。
但很贵,通常用较便宜的物质代替。
但是胆汁酸盐可用仍是个去污剂的典型例子。
胆汁酸盐具有两个亲水基团:
硫酸盐有三个羟基。
羧基和糖胶联在一起,接在分子末端。
●
羟基是主要基团,三个羟基接在类固醇上,因此既有亲水基团又有疏水基团。
象蟑螂一样,即有疏水基团的背部又有疏水基团尾。
正如合成有机溶剂,胆汁酸盐形成微囊。
微囊通常很小,可能因为大量的疏水基团不能聚和在一起,这些盐在增溶方面很有作用。
固醇在纯水中的溶解度为2.0*10-6g/l,固醇在胆酸盐中的溶解度为40g/l。
胆酸盐使固醇的溶解度增加了2,0000倍。
因此胆固醇能破坏细胞壁。
Chapter5
萃取
SolventExtraction
通过本章学习应掌握以下内容:
萃取的概念
液-液萃取从机理上分析可分为哪两类?
常见物理萃取体系由那些构成要素?
何谓萃取的分配系数?
其影响因素有哪些?
掌握单级萃取过程的计算解析方法。
掌握多级萃取萃取级数的计算方法。
何谓超临界流体萃取?
其特点有哪些?
何谓双水相萃取?
常见的双水相构成体系有哪些?
反胶团的构成以及反胶团萃取的基本原理。
萃取是生物分离中常用的单元操作
何谓萃取
利用在两个互不相溶的液相中各种组分(包括目的产物)溶解度的不同,从而达到分离的目的
–物理萃取
–化学萃取
物理萃取
利用溶剂对需分离组分有较高的溶解能力,分离过程纯属物理过程
萃取体系的构成
–溶质:
被萃取的物质
–原溶剂:
原先溶解溶质的溶剂
–萃取剂:
加入的第三组分
萃取剂选择原则:
使溶质在萃取相中有最大的溶解度
分配系数
衡量萃取体系是否合理的重要参数:
y-----平衡时溶质在轻相中的浓度
X-----平衡时溶质在重相中的浓度
单级萃取
由物化理论可知:
萃取操作达到平衡时,溶质在轻相和重相中的化学势相等。
因此,要提高溶质的分配系数,必须提高标准状态下,其在重相与轻相的化学势之差
可以采取的方法:
–改变溶剂
–改变溶质的特性
»生成有用离子对--可溶于萃取剂的离子对将强酸弱碱盐或强碱弱酸盐生成弱酸弱碱盐通过改变原溶剂中的pH值
单级萃取
使含溶质的溶液(h)和萃取剂(L)解出混合,静止后分成两层。
多级萃取
是工业生产最常用的萃取流程
–分离效率高
–产品回收率高
–溶剂用量少
三级错流萃取装置a—艾德连式
三级错流萃取装置b—泵混合分离器
三级错流萃取装置c—加挡-齐格勒接触器
三级错流萃取装置d—霍米-莫脱接触器
多级逆流萃取的解析方法
确定要达到一定的回收率所需萃取的级数
常用萃取设备
混合-沉降器
旋转圆筒萃取塔
离心萃取器
填充塔
喷雾塔
旋转圆盘塔
超临界流体萃取
(SupercriticalFluidExtraction)
超临界流体:
当一种流体处于其临界点的温度和压力之下,则称之为超临界流体。
特点:
密度接近液体--萃取能力强
粘度接近气体--传质性能好
超临界流体萃取的基本思想
利用超临界流体的特殊性质,使其在超临界状态下,与待分离的物料接触,萃取出目的产物,然后通过降压或升温的方法,使萃取物得到分离
–常用萃取剂
»极性萃取剂:
乙醇、甲醇、水(难)。
»非极性萃取剂:
二氧化碳(易)
超临界二氧化碳萃取
(SupercriticalCarbonDioxideExtraction)
临界点:
T:
304.1P:
73.8bar
优点:
缺点:
–临界条件温和设备投资大
–产品分离简单
–无毒、无害
–不燃
–无腐蚀性
–价格便宜
等温法等压法吸附法
超临界流体的应用
咖啡因萃取植物油:
胚芽油、玉米油、γ亚麻酸天然香料:
杏仁油、柠檬油啤酒花尼古丁
双水相萃取
(AqueousTwoPhaseExtraction)
双水相现象是当
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