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学 内 容,2/28,补充内容（一）,发酵醪,(,发酵液,),普通特征,利用微生物发酵生产各种发酵产品，因为菌种不一样和发酵醪特征不一样，其预处理方法和提取、精制方法选择也有差异。应针对发酵醪特征来合理选择处理方法，大多数发酵产物存在发酵醪中，也有少数发酵产物存在菌体中，或发酵醪和菌体都 含有，比如四环类抗生素。各种发酵产物不论在发酵醪或是在菌中表达往往浓度较低，并与种种溶解和悬浮杂质混在一起，要分离提纯发酵产物，首先要针对发酵醪特征进行预处理。,3/28,发酵醪特征普通可归纳为：,1,、,发酵醪大部分是水,，普通含量达,90%-99%.,2,、,发酵醪中发酵产物浓度较低,，尽管因为菌种、原料、工艺条件不一样，发酵产物于发酵醪中浓度高低也有差异，但总来说发酵醪中发酵产物浓度都是比较低，除了酒精、柠檬酸、葡萄糖酸等发酵产物浓度在,10%,以上外，其余都在,10%,以下,，而抗生素浓度更低，普通在,1%,以下,。,3,、,发酵醪中悬浮固体物主要含有菌体和蛋白质胶状物,。因为发酵醪中存在一定数量菌体和蛋白质胶体物质，不但使发酵醪粘度增加，不利于过滤，而且增加提取和精制后工序操作困难，在浓缩过程中变得更粘稠，同时轻易产生泡沫。采取溶媒萃取法提炼时，蛋白质存在夺产生乳化，使溶媒相和水相分层困难；采取离子交换法提炼时，蛋白质存在也会增加树脂吸附量，加重树脂负担。,4/28,4,、发酵醪培养基残留成份中还含有没有机盐类，非蛋白质大分子其降解产物对提取和精制都有一定影响。,5,、发酵醪中除了发酵产物外，常有其它少许代谢产物。发酵过程中除了主代谢产物外，尚伴有一些其它副代谢产物。这些少许副产物，有时其结构特征与发酵主产物极为近似，这就会给分离提纯操作带来困难。,6,、发酵醪中还含有色素、热原质、毒性物质等有机杂质。尽管它们确实切组成还不十分明了，但它们对提炼影响相当大。为了确保发酵产品质量和卫生标准，应经过预处理将色素、热原质、毒性物质等有机杂质先除去。,5/28,发酵成熟醪中常含有各种样杂质，而所需要发酵产物则含量极少。所以，要取得纯净发酵产物，它提取与精制过程便成为一个复杂而必不可少工艺过程。提取和精制目标在于从发酵液中制取高纯度、合符质量标准要求发酵成品。,尽管因为菌种、发酵醪特征及发酵工艺不一样，发酵产物能够各种多样，但从工业发酵范围来看，从发酵醪中取得产物大致可分为三类：,发酵产物分类,补充内容（二）,6/28,菌体,主要,以菌体细胞作为发酵产品,，,如单细胞蛋白、面包酵母、饲料酶母等,。另外就是从,菌体细胞中提取有用发酵产物,，如由,酵母细胞提取辅酶,A,、核糖核酸等产品,。有抗生素主要存在于菌丝体中，如灰黄霉素产生菌在发酵过程中所产生灰黄霉素主要在菌丝中，所以，也要从菌丝体中进行提取。,酶,发酵产物为,酶制剂，包含胞外酶和胞内酶,。如,-,淀粉酶、,-,淀粉酶、异淀粉酶、葡萄糖异构酶,、葡萄糖氧化酶、右旋糖酐酶、蛋白酶、纤维素酶、果胶酶、转化酶、蜜二糖酶、柚苷酶、花青素酶、脂肪酶、凝乳酶、氨基酰化酶、天冬氨酸酶、青霉素酰胺酶、磷酸二酰酶、天冬酰胺酶等，均在工业上和医药上发挥作用。,代谢产物,中间代谢产物,包含,醋酸、乳、柠檬酸、葡萄糖酸,、衣康酸及延胡索酸等。,氨基酸,发酵产物包含谷氨酸、赖氨酸、色氨酸等。因为对菌种变异和氨基酸代谢机理研究日益深入，所以其它氨基酸，除蛋氨酸、胱氨酸、半胱氨酸外，,18,种氨基酸均可用直接发酵法制造。,7/28,有机溶剂,发酵产物包含,酒精、丙酮、丁醇,等。,核苷酸类物质,发酵产物包含,肌苷、肌苷酸以及鸟苷酸等,。,5-,肌苷酸和,5-,鸟苷酸均为呈味核苷酸，核酸微生物包含辅酶,A,、,ATP,、辅酶,I,等均为主要医药品。,抗生素,发酵产物包含,青霉素、链霉素、四环素,、土霉素、金霉素、庆大霉素、新霉素、红霉素及利福霉素等。,多糖发酵产物,包含,右旋糖酐及多糖,B-1459,等。多糖是医药和工业上主要粘性物质起源之一，右旋糖酐经过部分水解后供代血浆用。多糖,B-1459,是水溶性、高分子量胞外异多糖。,维生素发酵产物,有,核黄素、维生素,C,和维生素,B12,.,甾体氧化产物,为甾体激素，是主要品。如,醋酸可松、氢化可松,、醋酸泼尼松、氢化泼尼松等促皮质激素及肾上腺皮质激素制剂、黄体酮、甲孕酮（安宫黄体酮）等性激素、炔诺酮等避孕药。,8/28,问题,1,、发酵醪有哪些特征？,2,、发酵醪中取得产物大致可分为,、,、,三类？,3,、发酵液中细胞代谢产物有哪些？分别举出,2,个详细代表产物。,9/28,生化生产过程最终一个步骤是,把目标产物从培养液或反应液中分离提取出来。多数生化产品在生产过程中需经微生物发酵、酶反应过程或动植物细胞大量培养，并经过包含产物回收、粗分离、纯化及精制等处理后，才能符合一定质量标准。在生物产品生产过程中普通将微生物发酵、酶反应过程或动植物细胞大量培养称为“,上游过程,”，而与之对应产物回收、粗分离、纯化及加工等后续过程就称之为“,下游过程,”，或称之为生化分离和纯化过程。众所周知，要使生物技术走向产业化，必须要上下游过程兼容、协调、以使全过程能优化进行。,鉴于生化产品含有以下特点：,目标产物在初始物料中含量低；含目标产物初始物料组成复杂，除了产物外，还含有大量细胞、代谢物、残留培养基、无机盐等；生物活性物质稳定性差，对,PH,、温度、金属离子、有机溶剂、剪切力、表面张力等十分敏感，易失活、变性；生化产品种类繁多，包含了大、中、小分子量结构和性质复杂又各异生物活性物质；生化产品应用面广，许多产品用作医药、食品、试剂等，对含量和纯度要求高等。所以，应用于生化产品后处理过程中分离纯化技术必须满足以下一些要求：,10/28,条件温和,，尤其对含有生物活性物质，在后处理过程中必须保持其生物活性；,分离纯化技术选择性好,、专一性强，能从复杂混合物中有效地将目标产物分离出来，以到达较高分离纯化倍数；,目标产物量和活性含有较高收率,；,应用于生化产品后处理过程中,分离纯化技术,必须满足以下一些要求：,11/28,在提升单个分离技术收效率同时，注意各单元操作间有效组合和整体协调，以降低工艺过程步骤；,快速，以提升生产能力,。,就当前发展和应用情况来看，在大多数生物产品开发研究中，后处理过程等研究费用约占,全部费用,50%,以上，在产品成本组成中，后处理成本,占总成本,40%-80%,对于精细胞和药用产品，此百分比就更高。生产过程中后处理投入人力和物力占全部,70%-90%,.,生物产品后处理分离纯化技术和工艺不但影响产品质量和成本，也决定着产品产量。生化产品因为没有适当提取、分离和纯 化方法或因回收率太低致使,12/28,生产成本过高而不能投产例子是屡见不鲜。,不一样生化产品，因为本身特征及其对纯度要求不一样，所采取分离纯化路线经常也是不一样。比如从发酵液中提取和精制菌体和胞内酶，就与分离与纯化细胞代谢产物有显著不一样；一样即使产物都属于代谢产物，因为产物化学结构不一样，其提取和精制方法也就不一样。但普通来说，,分离纯化路线,都包含了两个基本阶段：,产物初级分离阶段；产物纯化精制阶段,。,13/28,初级分离阶段,在细胞培养结束之后，其任务是分离培养液、破碎细胞释放产物（假如产物在胞内）、溶解包涵体、复原蛋白质、浓缩产物和去除大部分杂质等。,纯化精制阶段,是在初级分离基础上，用各种高选择伎俩和方法，将目标产物和干扰杂质尽可能地分开，使产物纯度到达相关要求，成为级别产品。,生物产品后处理过程普通包含：,发酵液,预处理；提取；精制,三个步骤。,14/28,图,13-1,生物产品分离纯化普通步骤,发酵液或培养液,细胞产物,胞外产物,胞内产物,离心或过滤细胞,（洗涤）,离心或过滤,（洗涤,),离心或过滤,（洗涤）,细胞破碎,（化学法机,械法等）,整体细,胞萃取,离心、过滤,干燥,分离剂回收、再生,提取、分离,沉淀、吸附、萃取、过滤等,分离剂回收、再生,纯化、精制,层析、结晶、电泳等,干燥,废物,产物,产物,滤液,循环,副产物,废物,滤渣,副产物,循环,废物,细胞,滤渣,副产物,废物,细胞,含产物清液,预处理阶段,15/28,一、培养液预处理,问题,1,、培养液预处理目标是什么？,2,、培养液预处理包含哪些步骤？,菌体细胞分离,固体悬浮物去除,蛋白质去除,重金属离子去除,色素、热原质、毒性物质等有机物质去除,改进培养液处理性能,调整适宜,PH,和温度,16/28,二、培养液固液分离方法,1,、分离前处理,加热,因为加热可能使一些热敏感性蛋白发生不可逆变性，所以这种预处理方法仅适合用于对非热敏感性产品发酵液预处理。适当加热之后，发酵液中蛋白因为变性而凝聚，形成较大颗粒，发酵液粘度就会降低，普通加热用,65-80,调整,PH,值,适当,PH,值能够提升产物稳定性，降低其在随即分离纯化过程中损失。另外，发酵液,PH,值改变会影响发酵液中一些成份电离程度，从而降低发酵液粘度。在调整,PH,值时要注意选择比较温和酸和碱，以预防局部过酸或过碱。草酸是一个较惯用,PH,值调整剂。,加入絮凝剂,通常情况下，细菌表面都带有负电荷，能够在发酵液中加入带正电荷 絮凝剂，从而使菌体细胞与絮凝剂结合形成絮状沉淀，降低发酵液上粘度，利于菌体收获。,17/28,序号,方法,原 理,设 备,1,絮凝,利用电荷中和及大分子桥联作用形成更大粒子,2,离心,在离心产生策略场作用下，加紧颗粒沉降速度,高速冷冻离心机,蝶片式离心机,管式离心机,倾析式离心机,筐式离心机,3,过滤,依据过滤介质空隙大小进行分离,板框过滤机,平板过滤器,真空旋转过滤机,管式过滤器,蜂窝式过滤器,深层过滤器,4,膜分离,依据被分离分子大小和膜孔大小进行分离,平板、卷曲、中空纤维、管式微孔过滤器,平板、卷曲、中空纤维，管式超滤器,平板渗透器,半透膜型、离子半透膜型电渗析器,2,、固液分离方法,18/28,3,、碟式离心机结构及工作原理,进料,轻液出口,菌体及固体杂质,当发酵醪由转鼓中心进料入高速旋转转鼓内，因为固、液比重不一样，在碟片空间内因为离心力作用下，把发酵醪分成固相和液相两部分。比重较轻清液有规则地沿着碟片上表面向碟片轴心方向移动，由环形轻液出口处排出，而比重较大菌体及浓缩物，则有规则地沿着上一个碟片底表面滑移到碟片边缘，经转鼓壁上喷嘴喷出搜集于菌体搜集器内，从而到达分离菌体目标。,此机转速可高达,6000-10000r/min,左右。我国广州重型机械厂生产,DP-400,型酵母高速离心分离机转速为,6500r/min,，可适合用于发酵工业菌体分离。,19/28,表,13-2,细胞破碎方法分类,干燥处理,机械法,非机械法,固体剪切作用,流体剪切作用,破碎方法,溶胞处理,珠磨法,压榨法,超声法,化学法,物理法,高压匀浆,酶溶法,三、细胞破碎,细胞破碎,就是经过采取不一样伎俩破坏细胞外围使细胞内含物释放出来，转入液相中，方便于进行产物分离纯化。细胞破碎方法有很多，按照是否存在在外加作用力可分为,机械法,和,非机械法,两大类。如图,13-2,为细胞破碎方法分类。,表,13-2,列出了主要细胞破碎方法原理，使用设备、特点和存在缺点。,20/28,表,13-2,细胞破碎方法,序号,方 法,原 理,设备,特 点,缺 点,1,压力破碎法,利用压力释放时液固剪切进行破碎,压力破碎机,操作简便，可连续操作，适适用于不一样细胞,加压放热，需要冷却，不然生物活性物质会失活；破碎率较低，压力不稳定，需要进行重复破碎,2,珠磨破碎法,利用固体剪切进行破碎,细胞珠磨破碎机,操作简便、稳定，可连续批式操作，破碎率能够控制，轻易放大，适适用于工业放大,珠磨时会放热，需要高效冷却，不一样细胞破碎条件差异大,3,超声波破碎法,利用超声波形成空穴产生压力冲击使进行破碎,超声破碎机,操作简便，可连续或批式操作,超声波处理会产热，需要冷却，破碎率较低，需重复进行破碎，应用面较窄,4,渗透压法,利用渗透压突变，造成细胞内压力差而引发细胞破碎,适适用于位于胞内质产物释放，细胞破碎率低，但产物释放很好，纯度较高,操作比较复杂，条件要求严格，只适适用于少许榈处理，费用高,5,有机溶剂或表面活性剂法,利用有机溶剂或表面活性剂改变细胞壁或膜通透性，使胞内产物得以释放,方法简单，细胞内含物释放少，产物较纯，可大规模应用,适用性有限，只适合于对有机溶剂或表面活性剂稳定产物,6,碱或酶处理法,经碱或酶处理使细胞壁或膜破坏，使产物释放出来,方法简单，可大规模应用,适用性有限，只适合于对碱或酶稳定产物,21/28,问题,细胞破碎方法详细有哪些？,四、生物物质分离纯化方法,发酵产物提取和精制过程,也就是,浓缩,和,纯化,过程，普通包含：,发酵液预处理,；,提取,；,精制,三个步骤。在提取前还必须使菌体、悬浮固形物、固体发酵液开，即进行过滤或离心分离，并加入一些物质或采取一些办法，以改变发酵液性质，便于以后提取，这过程称为,发酵液预处理,。因为发酵液体积大，发酵液中发酵产物浓度低，一步操作远不能满足要求，而常要好几步操作。其中第一步操作从发酵液中分离提取发酵产物最为主要，称为,提取,。而以后几步操作所处理体积小了，操作要轻易些，主要将发酵产物部分除去杂质、浓缩、提纯及精炼，这过程统称,精制,。,用于生物物质分离、纯化方法除了,传统,沉淀法、吸附法、离子交换、萃取法等之外，还有,超滤、反渗透、电渗析、凝胶电泳、离子交换层析、新和层析、疏水层析、等电聚焦、双水相萃取、超临界萃取、反胶团萃取、凝胶层析,等。表,13-3,、表,13-4,、表,13-5,分别列出了一些生物分离纯化技术及其它们特点、经济性。,22/28,表,13-3,主要生物分离纯化技术一览表,分离纯化技术,开发觉实状况,经典产物,产物回收率,选择性,产物产出形式,蒸馏,工业化,挥发性物质,高,回收全部挥发性物质，选择性低,产物浓溶液,浓缩,加热法,超滤法,工业化,非挥发性物质,分子量大于50000物质,取决于产物稳定性,高,无选择性,去除全部低分子量化合物,去除挥发性组分浓缩发酵液,浓缩且部分纯化发酵液,萃取,溶剂 （传统）,溶剂,（离子对）,双水相分配,双水相,+,液膜,工业化,半工业化,小规模,工厂生产,溶剂可溶性物质,溶剂可溶，且必须有适当抗衡离子物质,大分子量物质,潜力大，产物范围广,中,高,中,潜力 大,去除全部不能溶于溶剂化事物,很好选择性,中等选择性,潜力很大,产物与溶剂混合溶液,产物与平衡离子溶剂混合溶液,溶解在聚乙二醇中产物溶液,溶剂和产物溶液乳人液,沉淀、过滤或离心,工业化,产物不溶性衍生物,高,选择性较高,产物不溶衍生物浓浆,吸附,工业化,大分子量及不稳定物质,中,选择性高，甚至是专一性,以溶液存在于洗脱液中,23/28,问题,请列举出生物物质分离纯化方法（最少,5,个）？,五、生物分离工艺介绍,生物产品商品化，除了必须有,良好、高效,生物分离纯化方法外，还必须对这些方法进行合理安排，以得到可用于大规模生产、含有良好经济性,生物分离工艺,。为了取得优化生物分离工艺，确保生产目标实现，设计详细工艺前普通需要考虑以睛总体概念：,P246,纯度和质量,成本,利用微生物、工程菌进行发酵或动植物细胞培养、酶反应等进行生物产品上游过程中各种原因均对分离纯化方法和分离工艺有直接影响。,P246,共,7,点,24/28,生化产品大规模生产对分离纯化技术和生物分离工艺有以下一些要求：,P247,生物分离工艺设计方法主要有：,P247,248,方法启发式,设计启发式,教授启发式,数学模型式,合成式,生化产物在物料中存在形式基本上有两种情况：,细胞内或细胞外,。在工艺设计时为从原始物料中回收产品，,首先需要,进行液,-,固分离，若产物是在溶液中，固,-,液分离后所得含产物和大量杂质稀溶液，,经浓缩后,，再进行分离纯化。而,对于产物处于细胞内时,，固,-,液分离后，得到细胞需要进行,破碎,，使产物释放到溶液中，再经过液,-,固分离后，得到含产物和大量稀溶液，再经浓缩,25/28,后，再进行分离纯化。若产物是在细胞内以,包涵体形式存在,，须将包涵体与细胞碎片分离，经过变性、复性后进行分离纯化。生物分离工艺基本流程如图,13-4,所表示。,因为产物及种类不一样，生化产品分离纯化工艺也是不一样。但工业生产工艺中分离纯化步骤安排次序还是有一些共同点，,总是将最轻易分离物质放在前面,，而将难以分离物质,留在后面进行分离,。普通第一步应该是非特异性,低分辨率,分离技术，如沉淀、粗吸附；第二步采取,高分辨、较高选择性,分离技术；最终选择兼有,高选择性分离纯化、又有澄清、脱盐等作用凝胶层析,等。这种工艺安排是基于在粗分离时，物料体积较大，使用廉价、低选择性技术来降低成本。而后面步骤因为物料体积减小和降低，就能够比较经济地使用更昂贵高选择性分离步骤。,表,13-6,为一些与产物相关分离纯化工艺过程。,26/28,图,13-4,生物分离工艺基本流程,初始物料,细胞,固,-,液分离,溶液,细胞破碎,固,-,液分离,包涵体,固体,溶液,提取,变性,复性,浓缩,粗分离,纯化,精制,产品,27/28,Thank you,！,本课程全部结束,28/28,
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